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癌症干细胞是治疗的主要目标吗?

2018-11-22

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癌症干细胞(CSC)是当今癌症治疗中最具挑战性的靶点之一。在这里,我们首先回顾一下这一现象的背景,然后探讨靶向CSCs研究抗癌疗法中应用的各种试验模型。

癌症干细胞(CSC)简介

癌症异质性的确存在。然而,在过去20年中,癌症分级作为一种全新模式出现,改变了我们对肿瘤异质性和癌症治疗的看法。与正常组织极为相似,肿瘤组织含有一小群干细胞样群体,促进生成大量分化的癌细胞。

在常规细胞生理学中,干细胞按其不对称分裂能力定义。根据其分子和细胞微环境的不同,干细胞可:

  • 自我更新,生成新的原始干细胞,或
  • 进行分化,生成特定组织的分化细胞系。

同样,癌症干细胞(CSC)也能自我更新,生成分化的癌细胞。

然而,诸多关于癌症干细胞(CSC)的研究已经研究了肿瘤起始细胞。这些细胞:

  • 在动物模型中启动肿瘤形成(根据癌症干细胞(CSC) 模式,这类细胞由于拥有肿瘤再生能力被归类于CSC)
  • 以及通过分化生成非癌症干细胞(CSC)(缺乏自我更新和分化能力的癌细胞)。

癌症干细胞生成过程

自在1997年急性髓性白血病(AML)中被发现以来,癌症干细胞(CSC)的存在在学术界一直极具争议。

癌症干细胞(CSC)的出现被归结于:

  • 正常干细胞的致癌性转化。
  • 在癌变过程中,形态发生信号通路的激活能促进成熟肿瘤细胞的去分化。

正常干细胞的致癌性转化

在2012年曾连续发表过三篇文章,为癌症干细胞(CSC)源自正常干细胞提出了最佳证据。这些研究利用基因标记追踪了癌变过程中大脑、结肠和皮肤干细胞。在研究的组织中,这些转化的干细胞是肿瘤细胞的前体细胞,同时也是实现肿瘤永久消退的关键细胞靶点。

体细胞重新编程

随着诱导多功能干细胞(iPSC)时代的到来,重新编程分化细胞使其进入多能性阶段比之前认为的简单许多。这种多能细胞重新编程,仅由4个转录因子的表达驱动:Nanog、Sox2、Oct-4和Klf4,以及致癌蛋白c-myc。

B进一步说,微环境中的一些刺激物,也可诱发激活癌细胞中干细胞分子程序。这些包括炎症、缺氧、转化生长因子β及化疗压力。Wnt /β-连环蛋白信号通路可能是癌症中研究最多的干细胞通路。

目前对癌症干细胞(CSC)的研究和目标

20年来在这一领域中经过大量研究,已在几乎所有癌症中确定了肿瘤起始细胞,包括黑色素瘤、乳腺癌、结肠癌、肺癌、脑癌、肝癌、急性髓细胞白血病(AML)、慢性粒细胞白血病(CML)等。

除其有再生特性之外,癌症干细胞(CSC)还是肿瘤转移、对传统疗法(化疗和放疗)耐受以及治疗后复发的原因。

因此,癌症干细胞是癌症治疗的根本也可能是挑战最大的靶点。

临床定义癌症干细胞(CSC)药物疗效的方法

虽然在血液瘤(如急性髓细胞白血病(AML)和慢性粒细胞白血病(CML))中稳定确立了癌症干细胞(CSC)模式,但实体瘤中癌症干细胞(CSC)的存在仍具争议性。种种迹象表明,癌症干细胞(CSC)由特殊细胞外标记定义,这些标记可用于识别癌症干细胞(CSC)和非癌症干细胞(CSC)群体。关于实体瘤癌症干细胞(CSC) 是否存在,乳腺癌和结肠癌即为最佳证据。

癌症干细胞标记

肿瘤类型 癌症干细胞(CSC)表型 参考书目/文献
急性髓细胞白血病(AML) CD34+/CD38+ Bonnet and Dick, 1997
脑癌 CD133+ Sinh et al., 2004
乳腺癌 CD44+/CD24-/low Al-Hajj et al., 2003
结肠癌 CD133+ O’Brien et al., 2004
黑色素瘤 ABCG5+, CD20+ Shatton et al., 2008
多发性骨髓瘤 CD138-, CD20+ Matsui et al., 2008
前列腺癌 CD133+/CD44+/α1 β2+ Collins et al., 2005

另外,如果缺乏具体特异性标记,可以通过各种功能试验定义肿瘤样本中的“干细胞特性”。这些包括侧群细胞识别、ALDH分析和锚定非依赖性的肿瘤球3D培养。

样本中癌症干细胞(CSC) 的百分比取决于多个因素。这些因素包括样本是否由体外二维或三维培养,或体内动物模型中获得。此外,机体免疫缺陷程度也是影响肿瘤中癌症干细胞(CSC)发生频率的另一个因素。各种小鼠模型可以是:

  • 免疫健全(野生型):同种移植模型(依赖于小鼠癌细胞株移植)和野生型背景下的原发瘤模型(癌变为自发,或者由化学或遗传因素诱发)。这些免疫健全模型,可以试验癌症免疫疗法。
  • 免疫缺陷(如NOD-SCID、RAG等缺乏适应性免疫):主要用于人源肿瘤异种移植 (PDX)模型或传统的细胞系异种移植(CDX)模型
  • 严重免疫缺陷(如RAG-/- x γc-/-、NSG,缺乏适应性免疫及某些先天免疫因子):再次用于细胞系或人源肿瘤异种移植模型

免疫健全模型

同种移植、致癌基因和化学物质诱导的模型使人们可以全面了解微环境对癌症干细胞特性的影响。这些模型可用于靶向癌症干细胞(CSC)的免疫疗法研究。

同种移植和细胞系异种移植模型之一大优点,就是已发表了大量与癌症干细胞(CSC) 等级及表型相关的证据。然而,同种移植肿瘤模型存在体外培养过度的问题,可能会改变细胞群体的异质性和细胞的启动肿瘤发生的能力。

常见同基因模型中的癌症干细胞(CSC)群体

癌症类型 细胞株 小鼠品系 癌症干细胞(CSC)表型 参考书目/文献
恶性腺瘤 JC 细胞/c  
膀胱癌 MBT-2 C3H/He Oct-3/4 Chang et al., 2008
乳腺癌 4T1 细胞/c 侧群细胞 Kruger et al., 2006
  EMT-6 细胞/c  
结肠癌 CT-26.WT 细胞/c CD44 (not exclusive) Dotse and Bian, 2016
  MC38 C57BL/6 CD44+ ALDH1+ Jinushi et al., 2001
纤维肉瘤 WEHI-164 细胞/c  
肾癌 Renca 细胞/c 侧群细胞 Nishizawa et al., 2012
      包裹肿瘤细胞群落,Sca1, Oct4, CD44 Smith et al., 2011
肺癌 LL/2 (LLC1) C57BL/6 范围,CD133、CD34、Sox2、Oct4 Zhang et al., 2018
      侧群细胞 Zhang et al., 2012
  KLN205 DBA/2  
淋巴瘤 A20 细胞/c  
黑色素瘤 B16-F10 C57BL/6 CD133+ CD44+ Zhao et al., 2017
        Dou et al., 2007
胰腺癌 Pan02 C57BL/6 ALDH+ Zhang et al., 2016
前列腺癌 RM-1 C57BL/6  

常见异种移植模型中的癌症干细胞(CSC)群体

癌症类型 细胞株 小鼠品系 癌症干细胞(CSC)表型 参考书目/文献
乳腺癌 MCF-7 NOD-SCID CD44+ CD24low Vazquez-Santillan et al., 2016
Afzali et al., 2016
侧群细胞 Han and Crowe, 2009
结肠癌癌 COLO205 细胞/c nude CD133+ CD44+ Li et al., 2012
CD133+ Zangiacomi et al., 2014
HCT-116 细胞/c nude CD44+ Yeung et al., 2010
CD133+ Botchkina et al., 2009
肺癌 A549 细胞/c nude CD44+ CD24-/low Balla et al., 2015
淋巴母细胞癌 Raji 免疫缺陷/米色 ALDH+, Sox2, Nanog Ryu et al., 2017
卵巢癌 TOV-21G 无胸腺裸鼠 ALDH+ Wang et al., 2012
TOV112D NCR nu/nu  
前列腺癌 22Rv1 细胞/c nude ALDH+ Nishida et al., 2012
CD133+ Kanwal et al., 2018
DU145 细胞/c nude CD44+ integrinα2β1+ CD133+  Chen and Wang, 2012
CD133+ CD44+ Wei et al., 2007
Wang et al., 2013
PC-3 细胞/c nude CD133+ CD44+ Wang et al., 2013

与移植瘤模型相比,小鼠原发瘤模型在反映肿瘤发生及癌变各阶段微环境变化方面具有诸多优势。另一方面,致癌基因驱动的模型可能无法再现肿瘤异质性和层次性,因而化学诱导或自发小鼠肿瘤模型可能为最佳的模型选择。

然而,这些化学诱导或自发小鼠肿瘤模型,往往无法完全模拟人类癌症(例如MCA诱导的肉瘤、新西兰黑小鼠慢性淋巴细胞白血病)。

最后,把同种移植模型和原发瘤模型用于癌症干细胞研究时,需要考虑物种特异性。诸多癌症干细胞标记,如干细胞抗原1 (Sca-1),只适于小鼠干细胞生物学,不适用于人类癌症。这也意味着这些相关信号通路也不能作为人类疾病的治疗靶点。

人源肿瘤异种移植 (PDX)

在寻找癌症干细胞(CSC)疗法时,人源肿瘤异种移植 (PDX)提供了最佳选项,不包括免疫疗法药物。人源肿瘤异种移植 (PDX)从未在体外传代,因此其癌症干细胞(CSC)百分比、表型和分子标记应该与其亲代肿瘤相似。与传统异种移植模型不同,人源肿瘤异种移植 (PDX)缺乏体外诱导或基因改造引起的永生化,可能会改变其癌症干细胞(CSC)表型。

人源肿瘤异种移植 (PDX)样本中癌症干细胞(CSC)群体,可能会受到患者先前是否接受治疗或样本是否来自转移部位的影响。利用人源化小鼠,免疫疗法也能在人源肿瘤异种移植 (PDX)模型的癌症干细胞(CSC)靶向策略中发挥作用。

结论

癌症干细胞(CSC) 模式彻底改变了人们对肿瘤生物学的理解,同时创造了癌症干细胞(CSC)靶向的新型治疗策略。探索新型癌症疗法需要一系列模型与追踪技术全面评估靶向癌症干细胞(CSC)、根除肿瘤疗法的潜力。

Topics: Oncology

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