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【交流】SP细胞--肿瘤治疗新靶点

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长期以来,肿瘤一直是严重威胁人类健康的重大疾病。目前,我国有恶性肿瘤患者约450万人,死亡率超过30%,而且每年新增的患者人数高达200万以上。然而,目前临床上治疗肿瘤的传统方法,如手术切除和放、化疗,对多数肿瘤的疗效有限,且始终未能彻底解决肿瘤复发和转移的问题,提示这些治疗手段很可能未靶向肿瘤发生发展的关键环节。新近的研究发现,部分肿瘤组织中存在少部分特殊细胞,被称为旁群细胞或SP细胞(side population cells),这些细胞具有干细胞的很多特性,在肿瘤耐药和复发机制中可能起着关键作用[1]。越来越多的学者认为,若想治愈肿瘤,SP细胞应成为治疗的靶点。

一、SP细胞的发现
SP细胞最初是在造血组织中发现的。1996年Goodell等在研究鼠造血干细胞(hematopoietic stem cells HSCs)过程中,发现骨髓细胞被DNA荧光结合染料—烟酸己可碱33342(Hoechst 33342)染色后,经过流式细胞仪可以分离到一个新的细胞亚群,表型为CD34low/-, 这些细胞有独特的能力,能将染料迅速泵到细胞外,使细胞内烟酸己可碱含量很低,将其命名为SP细胞。重要的是,这部分细胞虽然只占整个骨髓细胞0.1%,但具有很强的造血干细胞活性,能重建受致死剂量放射线照射的小鼠的髓系和淋巴系血细胞,重建能力是普通骨髓细胞1000倍[2]。继之,在人和猴的骨髓中也发现这种特殊的SP细胞,占成体有核骨髓细胞的比例不足0.1%,但含有高度浓缩的骨髓干细胞成分[3]。

二、SP细胞的生物学特性

迄今,已在多种种属[3,4]和多种组织类型[5-9]中都证实确实存在这种极少量的SP细胞,具备干细胞的多种特性。SP表型可能是成体组织干细胞较具代表性的特征,SP细胞可能代表着一个浓缩的干细胞群[10]。
首先,SP细胞有很强的自我更新和增殖分化的能力。SP细胞能发生非对称性分裂,分裂后既能产生新的SP细胞也能产生非SP细胞,而非SP细胞分裂后只能产生非SP细胞。例如:Welm等发现,乳腺SP细胞仅占乳腺上皮细胞0.2-2%,体外培养能分裂产生SP和非SP细胞,注射到乳腺脂肪垫后,SP细胞同时分化产生了导管组织和小叶组织[11]。通过HSC标志物Sca-1能浓缩乳腺SP细胞,只要注射1000个分离出的Sca-1+细胞就能再生乳腺组织,而10,000个Sca-1-的细胞也不含有任何乳腺干细胞(mammary gland stem cells MGSC)。我国的张玲等从胎儿胰岛样细胞中分离出胰岛SP细胞,发现这些SP细胞体外培养克隆形成率是2.7%,而非SP细胞不能形成克隆,单克隆的SP细胞有很强增殖能力,体外培养能传15代以上,在多种细胞因子和无血清的条件下,单克隆SP细胞经诱导后可以转化为泌胰岛素细胞[12]。
其次,SP细胞具有很强的可塑性,能转分化。Jackson[13]等将骨髓干细胞中提纯的SP细胞植入鼠心肌梗塞区,发现移植的SP细胞分化成心肌细胞和内皮细胞,并参与有功能组织的形成。而从骨骼肌分离出的SP细胞,移植后能参与重建受致死剂量放射性照射的小鼠的造血系统[14]。
第三,SP细胞对化疗药物的耐受能力很强。众所周知,HSCs一个重要特征是停滞在细胞周期的G0/G1期,处于静止状态,因此对细胞周期特异性的化疗药物不敏感。Umemoto等发现,尽管多种细胞周期蛋白和细胞周期依赖激酶(cyclin-dependent kinases Cdks)在SP细胞中表达增高,提示其有很高的增殖潜能,但是,Cdk抑制剂,尤其是p57Kip2表达增高,阻断了cyclin/Cdk复合物活性,使细胞处于静止状态[15]。SP细胞的耐药机制还和表达ABCG2蛋白有关。SP细胞一个重要特征是能将烟酸己可碱33342染料泵到胞外,该作用已被证实是通过ABCG2实现的。ABCG2是ATP-结合盒转运子(ATP-binding cassette transporter ABC )家族一个新成员,该家族包含转运多种物质进出细胞的膜蛋白,其中药物输出转运子(Drug efflux transporters) 以能量依赖方式能把底物药物排出细胞,限制细胞内的药物浓度,在宿主解毒和保护宿主免受外来物质损害方面起着重要作用,也是产生多药耐药现象的原因。ABCG2是1998年Doyle等从阿霉素耐药的MCF7乳腺癌细胞株(MCF-7/AdrVp)首次克隆出来的,因此也称为乳腺癌耐药蛋白(breast cancer resistance protein BCRP)。该蛋白含655个氨基酸,是导致哺乳类细胞耐药的三个主要转运子之一,而且可能是干细胞唯一表达的药物输出转运子,其底物包括多种抗肿瘤药,如盐酸米托蒽醌(mitoxantrone)、甲氨喋呤(methotrexate)、喜树碱camptothecin、黄酮类抗肿瘤药flavopiridol等等,因此SP细胞对这些药物不敏感[16]。研究还发现,ABCG2还为干细胞在缺氧条件下存活提供有利条件[17]。此外,Woodward等研究发现,SP细胞对放疗也有较强耐受力,其机制可能与Wnt信号传导通路有关[18]。

三、SP细胞与肿瘤的关系
长期以来,人们始终未能揭示肿瘤发生的本质。现在有充分的证据表明,肿瘤起源于单个细胞,但尚不清楚肿瘤组织中究竟哪些细胞具有肿瘤起始细胞(tumor-initiating cell,T-IC)功能,能维持肿瘤生长。
目前,主要有两个理论解释肿瘤的来源[19]。一是随机假说(stochastic hypothesis),即肿瘤组织是相对均一的,致瘤因素(信号转导途径和基因表达)对所有的细胞都有同样的作用;每个肿瘤细胞都是潜在的T-IC,它们以很小的几率、随机地进入细胞周期;对T-ICs进行预测是不可能的,了解肿瘤特性只能通过对大量肿瘤细胞的研究。另一个理论是阶层假说(hierarchy hypothesis),即肿瘤干细胞假说。该理论认为肿瘤细胞不是均一的,分为不同的细胞阶层;能够形成肿瘤的只是一小部分细胞,即肿瘤干细胞;肿瘤干细胞具有自我更新和多向分化的潜能;肿瘤的生物学特性由肿瘤干细胞决定。
现在,越来越多的证据支持后一种假说[20]。人们首先在急性髓性白血病( human acute myeloid leukaemia AML)中证实了肿瘤干细胞的存在[21-23]。体内实验表明,将人AML细胞移植到免疫缺陷小鼠,只有极小部分肿瘤细胞有能力形成新的肿瘤,称为白血病起始细胞,这种细胞显示出惊人的不成熟的特征,为CD34+/CD38-表型。相反,尽管CD34+/CD38+白血病细胞显示出成白血病细胞表型,但并不能在免疫缺陷小鼠复制出白血病。此后,相继在乳腺癌[24]和脑肿瘤[25]中证实存在相应的肿瘤干细胞。这些发现为肿瘤领域的研究开辟了新局面,带来了蓬勃的生机。但分离鉴定肿瘤干细胞通常需要依赖器官特异性标志物,如:乳腺癌干细胞标志物为CD44+CD24-/low Lin,中枢神经系统肿瘤干细胞为CD133。但多数器官细胞表面特异性标志物尚属未知,使得肿瘤干细胞分离鉴定成为难题。
鉴于肿瘤异质性表现,人们推测肿瘤组织如同正常组织可能也存在SP细胞,从肿瘤组织中分离SP细胞有可能为分离鉴定肿瘤干细胞提供一条捷径。目前已从多种肿瘤类型如AML[26]、乳腺癌[27]和脑胶质瘤[1]、肾癌[28]等以及近40种恶性肿瘤细胞株[见表1]中分离得到相应SP细胞,提示肿瘤SP细胞可能是恶性肿瘤存在的一个较普遍现象。
研究发现,肿瘤SP细胞具备多种干细胞样特征。Kondo [29]等发现小鼠C6胶质瘤细胞株含有0.4%SP细胞,体外培养时既能产生SP也能产生非SP细胞,裸鼠移植后,SP 细胞在体内同时分化产生神经元细胞和胶质细胞。Haraguchi[30]等从16个胃肠道肿瘤细胞株中分离得到15株SP细胞,占整个细胞比例0.3-2.2%。他们利用DNA芯片技术分析肝癌HuH7细胞株SP和非SP细胞基因表达差异,结果表明,GATA6,一种和胚胎期发育及肝细胞分化相关的基因,在SP细胞显著上调,同时,ABCG2, ABCB1 和CEACAM6等耐药相关的基因的表达也显著增高。而且,肝癌SP细胞能同时表达胆管细胞标志物(KRT 19)和肝细胞标志物(ALBU),提示其具备双向分化潜能。此外,SP细胞还显示出自我更新能力,分裂产生SP和非SP细胞,对阿霉素、5-Fu和健择等化疗药物显示出较高的耐药性。
Wulf[26]等研究发现,80%以上急性髓性白血病(AML)患者存在恶性CD45+CD34low/neg SP细胞亚群,这些细胞能产生CD45+CD34+恶性造血干细胞以及髓系定向祖细胞,能泵出细胞内的抗白血病药物。Hirschmann-Jax[1]等首次从脑肿瘤中分离出SP细胞。他们研究了23例原发神经母细胞瘤,最后从15例(65%)中分离得到SP细胞。这些SP细胞显示出非对称性分裂,产生SP和非SP子代细胞,高水平表达ABCG2和ABCA3药物输出转运子,能强有效地泵出细胞毒药物米托蒽醌。

五、肿瘤SP细胞研究意义

诸多研究表明,肿瘤SP细胞代表着一族肿瘤干细胞,这些细胞对化疗药有内在的高抵抗性,纵使大部分肿瘤细胞被常规化疗方案杀死,只要残存SP细胞,都可能成为肿瘤复发的根源,因此,治愈肿瘤,首先应清除SP细胞。
目前,多数研究尚致力于阐明不同的肿瘤类型中是否存在SP细胞,针对肿瘤SP细胞治疗的研究尚未见报道。但一些领域正成为研究热点,以期发现克服肿瘤耐药的有力工具,如:寻找ABCG2抑制剂。FumitremorginC (FTC),是一种抗烟曲菌的真菌霉素,能有效增加药物在表达ABCG2细胞内的蓄积,逆转细胞耐药,但因其具有神经毒性,不适合体内应用。现已合成多种FTC类似物,Ko可能是目前知道的最强的ABCG2抑制剂,小鼠体内实验未发现明显毒性反应[31]。库马霉素、新生霉素等能部分逆转ABCG2介导的耐药作用[32]。然而,ABCG2在体内分布广泛,存在于多种正常组织,例如胎盘合胞体滋养层的顶膜,肝细胞胆管膜、小肠和结肠绒毛上皮腔侧细胞膜等,参与多种药物体内分布过程,全身应用ABCG2抑制剂可能带来的副作用尚难以预测,可能会因改变其他底物的药代动力学产生毒性,并使在正常情况下受ABCG2保护的细胞变的高敏。寻找合理的给药途径或鉴定非ABCG2转运子底物的化疗药物可能成为克服该问题的方法。
另外,新近研究发现,ABCG2基因点突变后产生的表达产物,R482G,其底物不同于野生型蛋白,对阿霉素、玫瑰红123的输出能力明显增强。Ujhelly等利用该蛋白作为祖细胞基因转染的选择标记,证实R482G蛋白能选择性保护被转染细胞免受临床一些毒性药物的损伤[33]。

六、小结

SP细胞在哺乳动物体内分布广泛,代表着浓缩的成体组织干细胞群,在正常机体的损伤、修复中起着重要作用。越来越多的依据表明,肿瘤组织内也存在SP细胞,具有肿瘤干细胞样特性,可能是肿瘤耐药、复发的根本原因,应成为肿瘤治疗的靶点,彻底清除肿瘤SP细胞是治愈肿瘤的关键。但目前,肿瘤SP细胞的分子机制,及其与非SP细胞和正常干细胞间的区别所知甚少,鉴定这些独特的区别有可能为将来肿瘤治疗提供新策略。


证实存在SP细胞的细胞株
细胞株 %of SP
食管癌 0.67±0.64%
TE1 1.4%
TE2 0.3%
TE1undefined 0.3%
胃癌 (1.45±0.84%)
NUGC3 2.1%
MKN1 2.2%
MKN7 0.6%
MKN2undefined 0.8%
结肠癌 (0.43±0.07%)
WiDr 0.3%
CCK8undefined 0.5%
Colo201 0.3%
Colo205 0.5%
SW48undefined__0.7~7~Kbr_~H~M~2~1HSC15__0.3~7~Kbr_~H~M~2~1肝癌 (0.90±0.90%)
HuHundefined__0.9~7~Kbr_~H~M~2~1Hep3undefined 1.8%
HepG2 0.0
胰腺癌 (0.85±0.64%)
PKundefined 0.4%
PK45H 1.3%
乳腺癌
MCF7
SK-BR-3
MCF-7 (重复) 2.0%
前列腺癌 LAPC-9
胶质瘤 4-37%
SK-N-SH
IMR-32
LAN-1
LAN-5
JF
U373
U87MG
HS 683
B104大鼠成神经细胞瘤 0.4%
C6大鼠胶质瘤 0.4%
卵巢癌
SK-OV-3
小细胞肺癌
NCI-H146
NCIH345
畸胎瘤
PA-1
胚胎癌
Tera-1
肾脏wilms瘤
Ewing肉瘤
RD-ES
宫颈癌
HeLa. 1.2%

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