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1 第 22 卷第 8 期 2010 年 8 月生命科学 Chinese Bulletin of Life Sciences Vol. 22, No. 8 Aug., 2010 文章编号 : (2010) 肿瘤干细胞对恶性肿瘤辅助治疗的影响查郎, 王子卫 * ( 重庆医科大学附属第一医院普外三科, 重庆 ) 摘要 : 放化疗是目前恶性肿瘤治疗的重要手段, 但是迄今为止, 除了手术以外, 几乎没有能单独根治恶性肿瘤的治疗方法, 甚至一些恶性肿瘤在手术化疗或放疗后会出现再生和侵袭能力增强, 被称为恶性肿瘤治疗后再增殖, 这可能是恶性肿瘤治疗失败的主要原因, 其主要机制可能是肿瘤干细胞 (cancer stem cells, CSCs) 对放化疗的耐受, 以及放化疗导致肿瘤细胞的上皮细胞间质化, 继而提高了肿瘤侵袭性该文将从 CSC s 的角度重新探讨放化疗等辅助治疗对恶性肿瘤的影响关键词 : 恶性肿瘤 ; 辅助治疗 ; 肿瘤干细胞中图分类号 :R730.58;R 文献标识码 :A The effect of cancer stem cells on adjunctive therapy of malignant tumor ZHA Lang, WANG Zi-wei* (Department of Gastrointestinal Surgery, Key Laboratory of General Surgery, First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing , China) Abstract: Chemotherapy and radiotherapy are very important treatments for malignant tumors, but there is no single way to radically cure malignant tumors except for operation. Indeed, there is a well-recognized phenomenon about the repopulation and progression of tumors after anticancer therapy, such as chemotherapy, radiotherapy and surgery. Maybe it is an important cause of treatment failure. The treatment resistance of cancer stem cells and epithelial-mesenchymal transitions promoted by chemotherapy and radiotherapy may be underlying mechanisms. This review will focus on the effect of cancer stem cells on adjunctive therapy of malignant tumor. Key words: malignant tumor; adjunctive therapy; cancer stem cells 放疗和化疗是目前恶性肿瘤治疗的重要手段, 且已经证实可以抑制肿瘤生长, 延长部分患者的生存时间放化疗不仅可以在手术前缩小肿瘤的体积, 增加手术切除率, 还可以作为术后的辅助治疗手段, 根除术中残留的癌细胞及潜在的转移灶同时, 由于癌症是一种全身性疾病, 化疗作为一种全身性的治疗手段, 在癌症的治疗中也有相当重要的地位在胃癌肺癌乳腺癌和大肠癌等恶性肿瘤中, 放化疗确实可以提高部分患者的生存时间近年来, 随着越来越多的新化疗药物和放疗技术应用于临床, 对于恶性肿瘤的治疗手段也更加丰富, 但是我们并没有发现在恶性肿瘤治疗研究中有任何实质性的飞跃迄今为止, 单纯的放化疗能根治恶性肿瘤的报道鲜有耳闻, 而普遍存在的放化疗副反应却严重影响了患者的生活质量某些恶性肿瘤虽然在术后辅助化疗的帮助下提高了 5 年生存率, 但是进一步研究发现在 5 年之后的随访中, 那 [1] 些使用辅助化疗患者的死亡率变得比对照组更高, 甚至, 一些恶性肿瘤在接受某些抗肿瘤治疗之后出现了再生和侵袭能力增强, 这可能是恶性肿瘤治疗 [2] 失败的主要原因放化疗治疗恶性肿瘤的作用是否被高估, 在对恶性肿瘤缺乏有效治疗手段的今收稿日期 : ; 修回日期 : * 通讯作者 : Wangziwei571@sina.com;Tel:

2 802 生命科学第 22 卷天, 放化疗是否被当成了救命稻草由于放化疗的作用已深入人心和医学伦理的制约, 这些问题使得那些传统理论上需要放化疗的患者, 设置不使用放化疗的对照组比较困难因此, 我们可能需要更多的从细胞生物学及分子生物学的角度来研究放化疗对于恶性肿瘤的作用随着肿瘤干细胞 (cancer stem cells, CSCs) 理论的兴起和上皮细胞间质化 (epithelial-mesenchymal transitions, EMT) 在肿瘤侵袭转移中的作用机制的深入研究, 放化疗在治疗癌症时的利与弊可能需要被重新评估 1 肿瘤干细胞理论对于放化疗的影响 1.1 肿瘤干细胞的特性 [3] 2001 年 Reya 等提出肿瘤干细胞假说, 该假说认为肿瘤组织是由异质性的细胞群体组成, 其中有极少数具有干细胞性质的肿瘤细胞具有无限的自我更新能力和多分化潜能随后, 进一步研究发 [4,5] 现 CSCs 还具有异体成瘤和对放化疗耐受等特性, 并认为 CSCs 的这些特性是恶性肿瘤治疗失败的主要原因, 这些新的发现对于恶性肿瘤的治疗理念产生了巨大的冲击 1.2 CSCs 对化疗耐受的机制 ABC 转运蛋白的表达 CSCs 对于化疗耐受的主要机制可能与 CSCs 上的 A BC 转运蛋白有关目前, 已经发现在正常组织造血干细胞和一些 CSCs 上都有 ABC 转运蛋白的表达它主要包括 P- 糖蛋白多药耐药相关蛋白和乳腺癌耐药蛋白, 它们属于同一家族, 具有保守的功能结构域和多样化的生物学功能其中 ABCG2 ABCC1 和 ABCB1 等蛋白的研究较多, 这类跨膜转运蛋白可以利用水解 ATP 产生能量, 把进入细胞内的毒素和药物泵出细胞外, 避免细胞受到 [5] 伤害 ABCG2 蛋白是最晚发现的 ABC 转运蛋白, 它能将荧光染色剂 Hoechst33342 泵出细胞外,Zhou [6] 等研究发现,MDR1+/BCRP1- 基因敲除的小鼠骨髓和骨骼肌侧群细胞的数量明显减少, 甚至消失, 证明 ABCG2 蛋白在 CSCs 耐药中发挥重要作用目前 ABC 转运蛋白的这种能将荧光染料泵出细胞外的特性已经被广泛用于 CSCs 的分选和肿瘤多耐药性的研究抗凋亡基因高表达 Bcl-2 是一种原癌基因, 能抑制细胞凋亡, Wang [7] 等研究发现, 干细胞和肿瘤细胞中 Bcl-2 家族蛋白明显高于分化成熟的细胞而 CD133 + 肝癌细胞 ( 被公认为许多 CSCs 的标志物 ) 可以通过优先活 [8] 化 Akt/PKB 和 Bcl-2 通路抵制化疗药物的作用 Bcl- 2 蛋白家族包括三个亚家族, 在肿瘤的分化增殖和凋亡方面发挥重要作用, 其机制目前尚不清楚, 可能与其具有离子通道蛋白和吸附 / 锚定蛋白的双重特性有关长期处于静止期 CSCs 虽然有自我更新的能力, 但是 CSCs 的细 [9] 胞周期一般都比其他成熟肿瘤细胞慢, 而大部分的化疗药物只对增殖活跃的细胞有效,CSCs 长时间处于 G 0 期, 在化疗之后, 在药物刺激血供改善和修复损伤机制的加强等因素作用下, 那些逃逸的 CSCs 通过自身所具备的自我更新和分化的能力, 使肿瘤再生, 导致治疗失败 1.3 CSCs 对放射治疗的耐受机制 CSCs 的 DNA 损伤修复效率更高 C S C s 对放射治疗的耐受程度可能与肿瘤中 CSCs 的含量有关, 肿瘤干细胞是肿瘤放射治疗耐 [10] 受的关键 Bao 等研究发现, 对神经胶质瘤进行射线照射后, 肿瘤中 CD133 + 细胞的百分比增加了 2~4 倍, 但是它的绝对数量变化不大, 说明经受照射之后的肿瘤组织中 CSCs 被富集了进一步研究发现, 射线在 CD133 + 和 CD133 - 肿瘤细胞中所致的 DNA 损伤没有明显的差别, 但是 CD133 + 肿瘤细胞的 D NA 损伤修复效率更高, 凋亡更少继而推测 CSCs 对于电离辐射的耐受可能是因为它能活化 DNA 损伤检控点, 更有效地修复 D N A 损伤 Wnt/β-catenin 信号通路活化 [11] Mercy 等用 2 Gy 射线照射从 COMMA-Db-geo 细胞株中分离出来的 Sca1 + 细胞后发现, 内源性的 b-catenin 表达水平明显升高,survivin 表达水平也选择性上调聚腺苷二磷酸核糖聚合酶 -1[poly(ADPribose) polymerase-1, PARP-1] 和 Ku70 与 b-catenin 竞争 Tcf-4 的结合位点,Tcf-4 介导了 Wnt 信号通路的许多效应正常情况下,PARP-1 可与之结合而增加其转录活性, 但是在 D NA 受损后, 这种结合被抑制, 取而代之的是 Ku70 与 Tcf-4 结合, 从而抑制活化的转录复合物产生, 包括 b-catenin 和 Tcf- [12] 4 复合物因此,b-catenin 优先而稳定的表达促进 D NA 损伤修复, 并能使 CSC s 提高 DN A 修复的效率, 抑制凋亡活性氧簇 (reactive oxygen species, ROS) [4] Diehn 等发现,ROS 是放疗所介导的 DNA 伤

3 第 8 期查郎, 等 : 肿瘤干细胞对恶性肿瘤辅助治疗的影响 803 害的重要媒介, 由于 CSCs 中自由基清除系统活性增强,C SC s 中活性氧簇含量明显低于那些子代分化成熟的细胞, 在缺少 R OS 这一重要的媒介的 CSCs 中, 放疗所致的 DNA 损伤也相应减少, 这也可能是 CSCs 放疗耐受的另一个重要原因 2 放化疗对于肿瘤生物学特性影响的新观点 2.1 放化疗可能促进上皮细胞间质转化 EMT 是一种常见的生理病理现象, 与胚胎发育伤口愈合及肿瘤侵袭转移等过程密切相关, 主要表现为上皮细胞失去极性, 细胞之间紧密连接和黏附连接下降, 而获得了浸润性和游走迁移能力, 演变为具有间质细胞形态和特性的细胞由于 EMT 参与大多数恶性肿瘤的侵袭转移过程, 所以近年来 [13] 在肿瘤侵袭转移方面成为研究的热点有研究发现, 一些药物作用于肿瘤细胞后, 肿瘤细胞会出现明显的 EMT 现象, 经过化疗药物处理后的肿瘤细胞出现了形态学上的转化, 而且上皮标志物 E - cadherin 和盘状蛋白明显减少, 间质组织标志物波形蛋白上调 EMT 的发生可能在肿瘤细胞逃避化疗 [14] 药物及放射线的攻击方面发挥重要作用 EMT 和干细胞在胚胎发育时都发挥着关键作用, 更加值得关注的是那些经历了 EMT 之后的肿瘤细胞出现了类似如 CSCs 的特性, 如自我更新和异体成瘤等, 而且那些有 CSCs 特性的细胞出现了间质标志物上升及 [15] 上皮标志物减少的特点 CSCs 和 EMT 之间可能存在着千丝万缕的联系, 而这种放化疗后出现的同时具有转移和再生能力的 EMT 细胞可能是恶性肿瘤远处转移的关键 2.2 放化疗上调 TGF-β 的表达 [16] Biswas 等发现, 小鼠在经受放疗和化疗后, 血液循环中 TGF-β 的含量明显上调, 而且肿瘤的肺转移也明显增加 TGF-β 可以通过丝氨酸 / 苏氨酸激酶磷酸化, 激活 Smad, 继而通过非组蛋白 HMGA2 上调其下游的目标基因 Snail Twist 和 Slug 等表达, 作为 E-cadherin 基因转录的抑制 E-cadherin 表达下调会造成细胞间极性丧失而诱发 EMT [17] 在放疗导致肺泡损伤或者手术后, 血液循环中 TGF-β 表达也会上调, 因此推测 TGF-β 表达上调可能与组织的损伤修复增强有关, 但具体的机制目前仍不清楚此外,T G F - β 可以上调 HMGA2 的表达,HMGA2 编码一种非组蛋白染色质蛋白, 最近被认为是一种新型癌基因, 在多数恶性肿瘤和胚胎组织中高表 [18] 达, 而在正常组织中不表达 Yu 等发现 HMGA2 可以保持乳腺肿瘤起源细胞 (breast tumor-initiating cells, BT-IC) 的分化潜能, 而沉默 HMGA2 基因可以减少未分化细胞的比例因此, 可以说 TGF-β 通过 HMGA2 间接的发挥维持 CSCs 分化潜能的作用, 放化疗在杀死普通肿瘤细胞的同时又通过上调 TGFβ 使 CSCs 停滞于 G 0, 从而使 CSCs 逃避攻击, 这可能是 CSCs 对放化疗耐受的另外一个重要原因 2.3 放化疗后肿瘤再增殖现象与 CSCs 的关系一些肿瘤在手术化疗或放疗后会出现再生和侵袭能力增强, 而且再生之后的肿瘤表现出更大的治疗抵抗力, 这一现象被称为肿瘤治疗后再增殖 CSCs 自我更新和对放化疗耐受可能是肿瘤治疗后再增殖的重要原因众所周知, 许多恶性实体肿瘤在生长过程中会因为缺氧而出现瘤内坏死, 而这一特性在 CSCs 含量较多的肿瘤中表现的更为突出, 甚至在同一肿瘤中缺氧坏死区域的 CSCs 含量明显升 [19] 高 ; 进一步研究发现, 在体外缺氧的环境下, 成神经管细胞瘤中 CD133 + [20] 的细胞比例升高, 而且缺氧还能使人胚胎干细胞 (human embryonic stem cell, [21] hes) 保持一种未分化的状态,CSCs 与 hes 有许多相似性, 因此缺氧可能对 CSCs 具有同样的作用一般情况下, 那些缺氧坏死的区域同样得不到充足的血液供应, 因此化疗时, 那些肿瘤边缘血供良好的癌细胞会被大量的杀伤, 而那些位于中心区域的 CSCs 却因为本身的耐药性和药物浓度不足而被富集, 甚至在化疗药物的刺激下出现 EMT, 导致肿瘤的转移更有甚者, 肿瘤边缘的癌细胞被大量杀伤之后, 使得中心缺氧区血供增加, 此区域内的 CSCs 细胞由于失去了缺氧对其分化的抑制, 可能会出现更快的增生和分化, 导致肿瘤的加速再生 3 从 CSCs 的角度看新辅助化疗和新辅助放疗 2009 年 ASCO 年会上的一项有关胃癌新辅助化疗研究, 拟纳入 260 例局部进展期胃癌患者, 但因无显著生存获益, 研究提前终止实际纳入 144 例患者, 随机予以 2 个周期顺铂加亚叶酸钙加氟尿嘧啶方案术前化疗后手术或单纯手术治疗, 结果显示, 两组中位总生存期均超过 36 个月, 但无显著 [22] [23] 性差异 Li 等发现经受新辅助化疗的乳腺癌患者的肿瘤组织标本中, 那些被认为有 CSCs 特性的 CD44 + /CD24 -/low 细胞比例增加, 而且形成细胞球的能力也增强了毫无疑问, 对于一些手术切除有困难的患者进行新辅助放疗或者化疗, 可以使肿瘤的

4 804 生命科学第 22 卷体积缩小, 增加进行根治性手术的机会 ; 但是, 从 CSCs 的角度来看, 我们除了警惕放化疗对于免疫造血和神经等系统的副作用外, 现在需要把目光更多地放在肿瘤本身, 我们需要了解那些被放化疗所富集的 CS Cs 是否会带来更大的危害因此, 需要进行更大规模和多中心的临床试验, 从循证医学的角度论证新辅助化疗是否真的能使大多数患者受益 4 CSCs 及相关的恶性肿瘤治疗趋势 4.1 ABC 转运蛋白抑制剂在化疗前或者化疗中使用 ABC 蛋白抑制剂可以防止化疗药物被泵出细胞外, 增加细胞内的药物浓度, 达到杀伤 CSCs 的作用维拉帕米和环孢菌素 A 可以抑制 ABCB1 蛋白,CF 和 RX9576 可以抑制 ABCG2 蛋白, 但是效率均不高对于新型的 ABC 转运蛋白抑制剂的研发是逆转 CSCs 耐药的热点 4.2 促进 CSCs 进入细胞周期长期处于 G 0 期的 CSCs 可以躲避放化疗的攻击, 使用药物促使 CSCs 进入细胞周期可以更高效地杀伤 CSCs 目前发现粒细胞集落刺激因子 G-CSF 可以刺激乳腺癌干细胞进入细胞周期, 增强 CSCs [24] 对化疗药物的敏感性开发更加特异性的细胞诱导分化药物也是未来恶性肿瘤辅助治疗的重要方向 4.3 规避辅助治疗对恶性肿瘤的不良影响对于那些必须经受辅助治疗的患者, 如晚期肿瘤患者或不能一期手术根治的患者, 可以采用相应的分子靶向药物对 EMT 及治疗后加速再生等现象进 [16] 行干预在动物试验中,TGF-β 抑制剂 2G7 可以减少放化疗后肺转移和循环中肿瘤细胞的数量, 其机制可能是 2G7 通过 TGF-β 抑制了 EMT 的信号通路, 阻止肿瘤细胞获取转移能力和干细胞特性此类药物尚未进入临床试验, 但是在消除辅助治疗对恶性肿瘤不良影响方面有一定价值 4.4 干细胞抑制剂和其他干细胞一样,CSCs 的分化增殖和更新也需要一系列的分子信号通路激活其表面的受体对于这些通路中某些重要环节的干预可以调节 CSCs 的分化和增殖, 从而达到治疗的目的已经有人发现了少数对 CSCs 有选择性抑制的药物, 如环王巴明盐霉素 (salinomycin) [25] 和拉帕替尼 (lapatinib) [23] 等, 在相关的体外试验和动物实验中表现出对 CSCs 明显的抑制作用当前, 一些 CSCs 细胞的相关分子机制尚不清楚, 需要进一步的研究其分子机制, 寻找最适合最安全和最高效的靶点 5 结语在过去的 20 年中, 随着人们对恶性肿瘤的发生发展机制的深入了解, 以及各种实验技术和研究方法的日新月异, 越来越多新的治疗手段应用于恶性肿瘤的临床治疗, 在恶性肿瘤的综合治疗中发挥重要作用 ; 但是随着 CSCs 理论的兴起, 人们逐渐发现对具有永生性的 CSCs 的针对性治疗可能才是恶性肿瘤治疗的关键筛选对 CSCs 有选择性抑制的药物不仅可以减少放化疗对于肿瘤细胞 EMT 等不良生物学特性的刺激作用, 而且还有可能从源头上对恶性肿瘤生长侵润和转移产生抑制, 这可能会成为恶性肿瘤研究和治疗新的热点如果说普通的放化疗对于部分患者恶性肿瘤的治疗产生了打草惊蛇的不良影响的话, 那么对于 CSCs 细胞的特异性治疗可能会发挥擒贼先擒王的作用因此, 如果从 CSCs 理论的角度重新审视恶性肿瘤的治疗时, 对于辅助放化疗, 特别是新辅助放化疗的应用可能需要更加个体化 [ 参考文献 ] [1] Besse B, Le Chevalier T. Adjuvant chemotherapy for nonsmall-cell lung cancer: a fading effect. J Clin Oncol, 2008, 26 (31): [2] Kim JJ, Tannock IF. Repopulation of cancer cells during therapy: an important cause of treatment failure. Nat Rev Cancer, 2005, 5(7): [3] Reya T, Morrison SJ, Clarke MF, et al. Stem cells, cancer, and cancer stem cells. Nature, 2001, 414(6859): [4] Diehn M, Cho RW, Lobo NA, et al. Association of reactive oxygen species levels and radioresistance in cancer stem cells. Nature, 2009, 458(7239): [5] Dean M, Fojo T, Bates S. Tumour stem cells and drug resistance. Nat Rev Cancer, 2005, 5(4): [6] Zhou S, Morris JJ, Barnes Y, et al. Bcrp1 gene expression is required for normal numbers of side population stem cells in mice, and confers relative protectionto mitoxantrone in hematopoietic cells in vivo. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99 (19): [7] Wang S, Yang D, Lippman ME. Targeting Bcl-2 and Bcl-XL with nonpeptidic small-molecule antagonists. Semin Oncol, 2003, 30(5 Suppl 16): [8] Ma S, Lee TK, Zheng BJ, et al. CD133 + HCC cancer stem cells confer chemoresistance by preferential expression of the Akt/PKB survival pathway. Oncogene, 2008, 27(12): [9] Fillmore CM, Kuperwasser C. Human breast cancer cell lines contain stem-like cells that self-renew, give rise to phenotypically diverse progeny and survive chemotherapy.

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Microsoft Word - _6-15_--CCMP93-CT-107.doc Yearbook of Chinese Medicine and Pharmacy, 23(6),303-320,2005 中醫藥年報第 23 期第 6 冊編號 :CCMP93-CT-107 補中益氣湯抑制多種惡性細胞腫瘤生長機轉的體外細胞與肺氣虛老鼠模型之先驅研究沈建忠長庚大學中醫系摘要