腫瘤細(xì)胞中的王者：腫瘤干細(xì)胞
原標(biāo)題：腫瘤細(xì)胞中的王者：腫瘤干細(xì)胞
在生物體內(nèi)，幾乎所有癌癥都發(fā)生在一些“特殊”的組織和器官里，而這些組織和器官往往包含一種“特殊”的細(xì)胞，這些細(xì)胞在生物體一生中均可以有序復(fù)制并替代由于衰老或損傷而丟失的細(xì)胞，這些細(xì)胞就是“干細(xì)胞”。例如：腸道細(xì)胞每7天更新一次，而皮膚的表皮細(xì)胞是每1個月更新一次。
主流觀點(diǎn)認(rèn)為，癌癥是體內(nèi)細(xì)胞多次致癌突變積累而成，那么如果組織中某些可以長期存活的“干細(xì)胞”越少，積累的突變自然也就越少，癌癥的發(fā)生也越來越少。為了搞清楚癌癥，我們有必要弄明白干細(xì)胞潛在的生物學(xué)功能以及如何分化成組織中的成熟細(xì)胞。
一篇發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊 NEJM 上的綜述文獻(xiàn)為我們詳細(xì)說明了腫瘤干細(xì)胞臨床和治療的潛在價值。作者斯坦福大學(xué)干細(xì)胞生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)研究所副所長Michael Clarke教授的主要研究方向?yàn)檎：湍[瘤干細(xì)胞自我更新的調(diào)控以及腫瘤干細(xì)胞的識別。
01
從造血干細(xì)胞開始說起
就目前而言， 造血干細(xì)胞是我們了解最多的成體干細(xì)胞，也是真正意義上的干細(xì)胞，可自我復(fù)制，可多向分化 。在1960年，加拿大科學(xué)家James Till和Ernest McCullochs首次證實(shí)了造血干細(xì)胞的存在，即在經(jīng) 骨髓移植后的小鼠脾臟內(nèi) 發(fā)現(xiàn)存在有一種可自我更新的細(xì)胞集落。
這項(xiàng)工作于1960年發(fā)表于Radiation Research雜志。 發(fā)現(xiàn)了造血干細(xì)胞后，我們可以通過小鼠造血干細(xì)胞 （HSC） 的發(fā)育概況，來了解一下造血細(xì)胞分化等級的經(jīng)典模型。
圖1. 造血細(xì)胞分化等級的經(jīng)典模型
談到干細(xì)胞的不對稱分裂，想必大家都有所了解。
以造血干細(xì)胞為例。當(dāng)一個造血干細(xì)胞分裂成兩個子細(xì)胞，這兩個子細(xì)胞還是響當(dāng)當(dāng)?shù)脑煅杉?xì)胞，可以繼續(xù)保持干性，這個過程叫自我更新；而另一個分裂方法是，其中有一個或兩個子細(xì)胞開始分化，搖身一變，成為短期造血干細(xì)胞或造血祖細(xì)胞，最終分化形成很多更下游的造血祖細(xì)胞，并向髓系和淋巴系分化，最終分化紅細(xì)胞、血小板、粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等成熟細(xì)胞，這個過程叫多向分化。
自我更新和分化主導(dǎo)著干細(xì)胞的發(fā)育。
在干細(xì)胞階段，負(fù)責(zé)“ 自我更新 ”的基因表達(dá)占主導(dǎo)地位，干細(xì)胞開始復(fù)制，體內(nèi)干細(xì)胞數(shù)量劇增；在早期祖細(xì)胞階段，負(fù)責(zé)“自我更新”和“分化”的基因齊頭并進(jìn)，細(xì)胞數(shù)量和種類增加，不對稱分裂主要發(fā)生在這一階段；在晚期祖細(xì)胞階段，負(fù)責(zé)“分化”的基因開始占表達(dá)，干細(xì)胞自我復(fù)制停止，開始分化。
圖2. 干細(xì)胞自我更新和多向分化
正是基于干細(xì)胞“自我更新”和“分化”的這種特點(diǎn)，僅僅很少數(shù)量的造血干細(xì)胞就能產(chǎn)生人體一生當(dāng)中所需的所有血細(xì)胞，堪稱四兩撥千斤。
成體干細(xì)胞和已分化的細(xì)胞區(qū)別主要在于表觀遺傳構(gòu)成 （DNA甲基化和染色質(zhì)修飾等） 不同。轉(zhuǎn)錄因子和miRNA在干細(xì)胞的自我更新中發(fā)揮著重要作用，例如，染色質(zhì)修飾因子Bmi1是造血細(xì)胞、神經(jīng)、乳腺和前列腺干細(xì)胞自我更新所必需的。
02
腫瘤干細(xì)胞打哪里來
大家都知道，正常組織（如皮膚、乳腺、腸道、肺、肝臟，甚至腦）中是存在干細(xì)胞的，它們在生物體內(nèi)特定的龕（niche）持續(xù)存在。當(dāng)其他細(xì)胞和組織、器官發(fā)生受損、炎癥或體內(nèi)穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化時，可通過不對稱分裂形成下一級祖細(xì)胞，并且可在組織中遷移從而修復(fù)組織損傷。
許多腫瘤的初始致癌突變（一處或多處）常發(fā)生于干細(xì)胞。在許多組織中，干細(xì)胞是存活最久的細(xì)胞，同樣，基因突變也是積累最多的。
那么腫瘤干細(xì)胞從哪里來的呢？有兩種說法：一種說法是，原本潛伏在組織里的成體干細(xì)胞發(fā)生了變異，變成了腫瘤干細(xì)胞；另一種說法是，某些未成熟的祖細(xì)胞發(fā)生突變后，通過“干細(xì)胞”化，變成了“特別壞”的腫瘤干細(xì)胞。
以造血干細(xì)胞為例，如果有幾個關(guān)鍵突變共同激活自我更新程序，或者共同使衰老和凋亡程序失活，則它們可賦予早期祖細(xì)胞長期增殖能力。
因此，腫瘤干細(xì)胞最終可能起源于早期祖細(xì)胞。
圖3. 向早期祖細(xì)胞賦予干細(xì)胞功能的分子突變
早在20世紀(jì)30年代，F(xiàn)urth and Kahn (1937) 就將小鼠白血病的細(xì)胞種植到同系正常小鼠內(nèi)，并發(fā)現(xiàn)約5%的移植能夠成功。 1961年Southam、Brunschwig的研究以及1963年Bruce的研究，初步證明并非每個腫瘤細(xì)胞都有再生腫瘤的能力，首次在體內(nèi)定量了具有克隆形成能力的淋巴瘤細(xì)胞的比例，顯示大約1%的移植細(xì)胞具有克隆形成能力。 1997年，John與 Bonnet首次在白血病中鑒定出腫瘤干細(xì)胞，這是在腫瘤干細(xì)胞研究領(lǐng)域的一大突破。 首次證實(shí)了白血病干細(xì)胞的存在并明確地提出了“白血病干細(xì)胞（leukemia stem cell，LSC）”的概念。 2001年，Reya在 Nature 上發(fā)表文章提出當(dāng)代腫瘤干細(xì)胞學(xué)說。 2003年，Al-Hajj首次從實(shí)體瘤組織（乳腺腫瘤）中分離純化腫瘤干細(xì)胞。研究表明，200個這樣的癌細(xì)胞便可在受體小鼠體內(nèi)形成移植瘤。而在相同的培養(yǎng)時間內(nèi)，1萬個非特殊的乳腺癌細(xì)胞并不能形成腫瘤。至此，在血液系統(tǒng)與實(shí)體瘤都發(fā)現(xiàn)這樣一種數(shù)量稀少但致瘤性極強(qiáng)的腫瘤干細(xì)胞。隨后幾年內(nèi)，腦瘤、前列腺癌、肺癌、胰腺癌、鼻咽癌等腫瘤中均發(fā)現(xiàn)了腫瘤干細(xì)胞，這奠定了腫瘤干細(xì)胞理論的研究基礎(chǔ)。
2018年來自賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的J. Joseph Melenhorst和免疫治療學(xué)大牛Carl H. June團(tuán)隊(duì)（是的，就是CAR-T細(xì)胞療法的奠基人），在頂級國際學(xué)術(shù)期刊Nature Medicine上發(fā)表了一個令人震驚的CAR-T細(xì)胞治療后復(fù)發(fā)的臨床案例。這個研究直接證實(shí)了人體存在腫瘤干細(xì)胞的假說。
03
腫瘤干細(xì)胞的臨床相關(guān)性
在腫瘤干細(xì)胞研究領(lǐng)域，存在爭議的一個主要問題是 腫瘤干細(xì)胞是否具有臨床相關(guān)性 。正常干細(xì)胞用于維持和調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、增殖。而在癌癥組織中，組織修復(fù)和分化的表觀遺傳程序遭到破壞 。有研究發(fā)現(xiàn) ， 在許多實(shí)體瘤中，只有少數(shù)癌細(xì)胞具有維持形成腫瘤的能力，大多數(shù)癌細(xì)胞增殖能力有限。 因此，深入研究腫瘤干細(xì)胞并尋找相應(yīng)的靶向藥物，對癌癥的臨床治療意義重大。
然而，很多靶向腫瘤干細(xì)胞在臨床試驗(yàn)中的藥物效果并不理想。這是因?yàn)槲覀儗Ω杉?xì)胞與腫瘤干細(xì)胞還不夠了解， 原因主要有下面幾個 ：
或者是因?yàn)閷⒛[瘤干細(xì)胞識別為正常干細(xì)胞而不殺傷； 或者是在殺傷時，不能夠區(qū)別正常干細(xì)胞與癌癥干細(xì)胞，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的副作用； 或者是不能區(qū)分處于活躍期的腫瘤干細(xì)胞和休眠期的腫瘤干細(xì)胞，從而無法克服癌癥復(fù)發(fā)等問題。圖4.休眠期和活躍期的腫瘤干細(xì)胞
FDA批準(zhǔn)了三種針對腫瘤干細(xì)胞的靶向藥。 如下訴述，Vismodegib是一種信號通路抑制劑，靶向皮膚基底細(xì)胞癌里的腫瘤干細(xì)胞亞群，至少一種。Ivosidenib是一種異檸檬酸脫氫酶-1 （ IDH1） 的基因抑制劑，用于治療復(fù)發(fā)性白血病，已經(jīng)獲批。Venetoclax，則可增強(qiáng)白血病干細(xì)胞里的活性氧 （ ROS） 通路。
通常，干細(xì)胞的生物學(xué)功能與免疫治療相關(guān)。既然干細(xì)胞對于組織損傷的修復(fù)十分重要，那么他們可以分泌一些調(diào)控因子來躲過自身免疫損傷就不足為奇。同樣，以造血干細(xì)胞為例，就可以通過表達(dá)CD47避免被巨噬細(xì)胞吞噬，CD47是有名的“不要吃我”信號。巧合的是，癌細(xì)胞也可以表達(dá)CD47逃過此劫，真是個擅于學(xué)習(xí)的壞蛋。
04
腫瘤干細(xì)胞的未來展望
腫瘤干細(xì)胞的臨床轉(zhuǎn)化研究具有光明的前景，雖然目前僅處于起步階段。如果要想充分發(fā)揮腫瘤干細(xì)胞的臨床潛力，還有以下幾個問題需要解決：
首先，也是最重要的 基礎(chǔ)研究 ，就是要進(jìn)一步定義腫瘤組織中正常干細(xì)胞和腫瘤干細(xì)胞的分子學(xué)和細(xì)胞學(xué)特征。顯然，并非所有的致癌突變都可以把干性傳遞給一個終末細(xì)胞，此事定有蹊蹺。還要 明確腫瘤干細(xì)胞的演變的各種通路機(jī)制，知己知彼，百戰(zhàn)不殆。還需要多種途徑聯(lián)合治療，多兵種作戰(zhàn)，互相配合。
其次，治療藥物要能夠針對休眠期和增殖期的腫瘤干細(xì)胞，有的放矢，不做無用之功。
最后，治療要趁早。含有大量突變的腫瘤可能讓腫瘤干細(xì)胞靶向藥物變得更加復(fù)雜。如果能在實(shí)體瘤早期能夠清除掉腫瘤干細(xì)胞，那么治療效果可能更有效。凡事要趁早，不能姑息養(yǎng)奸。
參考資料：
[1] Clarke MF. Clinical and therapeutic implications of cancer stem cells. N Engl J Med 2019;380:2237-45.
[2]McCulloch, E.A., Till, J.E. (1960) The radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells, determined by quantitative marrow transplantation into irradiated mice. Radiation Research 13(1):115–125.
在生物細(xì)胞學(xué)研究中，有時需要體外培養(yǎng)和分析癌細(xì)胞。細(xì)胞要養(yǎng)好，就要用好血清，如Ausbian?特級進(jìn)口胎牛血清，它的內(nèi)毒素小于3Eu/ml，使細(xì)胞更健康，客戶做實(shí)驗(yàn)更加順利。
文章來源于：干細(xì)胞者說 ，作者步步先生
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