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肿瘤干细胞及其耐药性机制研究

2023-09-02 来源:好走旅游网
中国眼耳鼻喉科杂志2012年3月第12卷第2期 123 ・综 述・ 肿瘤干细胞及其耐药性机制研究 韩宜男钱江 【摘要】 化学治疗已广泛用于肿瘤的综合治疗中。当前许多化疗方案虽然能成功缩减肿瘤的负荷,达到 暂时的临床缓解,但是大部分的化疗仍无法根治肿瘤。肿瘤对化疗药物产生的多重耐药性,无疑是化疗进展中 最大的障碍之一。多年来各种研究都致力于阐明肿瘤的耐药性机制,并从中找出有效的对抗方式。肿瘤干细 胞假设的提出为肿瘤耐药机制的研究开拓了新的领域。针对肿瘤干细胞的治疗可能成为今后肿瘤化学治疗的 突破口,因此,研究肿瘤于细胞的耐药机制将有助于肿瘤化疗的进展。 造血系统恶性肿瘤起源于干细胞样细胞,这一理论的建立 靶点药物的治疗方案并不比单药治疗更有效的原因。 在最初探讨肿瘤交叉耐药机制的研究中,Ling等 。。发现 了一个现象,即耐药细胞的细胞膜表现出对细胞毒化合物的通 改变了人们对于肿瘤发生学及化学治疗的传统看法…。随后 在乳腺癌、神经系统肿瘤及其他非造血系统的实体肿瘤中,也 陆续证实,存在着具有自我更新能力、能特异性分化成器官各 种组成成分的多能干细胞,促使人们更深入地进行肿瘤干细胞 的生物学研究 。这些具有与正常干细胞相似特性的干细胞 透性降低。随着分子技术的进步,第1个MDR后选基因被分 离出来。Roninson等 假设,经过药物筛选的细胞产生耐药性 是因为扩增了某些决定细胞膜功能的基因产物。由于注意到 耐药的仓鼠细胞系中常常出现遗传异常,他们克隆了这些被扩 增的片段,发现只有在耐药细胞中存在这些片段的基因或基因 编码扩增,而在易感细胞中则无此现象。去除选择压力后,耐 药细胞也恢复对药物敏感的表型,伴随着DNA扩增的消失。 样细胞,或称为“肿瘤干细胞”群体的存在,暗示了肿瘤的真正 来源 。现今肿瘤的化学治疗虽然能成功地缩小许多实体肿 瘤的负荷,消灭快速增殖的细胞,却难以达到根治。其失败的 根源可能就是忽略了针对肿瘤增殖池的清除,为日后的复发和 转移埋下隐患。基于正常干细胞具备天然抗药性特点的推测, 肿瘤对于化疗药物的耐药性可能也与肿瘤干细胞的耐药特性 相关。本综述尝试找出肿瘤干细胞与肿瘤耐药性之间的相关 联系,从而指导临床上肿瘤化学治疗方案的选择,并为开发新 型抗癌药物提供方向。 之后,实验的不断深入使越来越多的MDR基因被公之于世,其 中最为熟悉的就是ATP结合盒基因(ATP—binding cassette genes,ABC基因)。到2001年为止,被证实的人ABC基因已达 到48个。人们基于序列同源性和域结构的差异,又进一步将 这个庞大的家族划分成7个不同的亚家族(ABCA—ABCG)。这 一大类基因编码的正是ABC转运子(ATP.binding cassette trans— 1 肿瘤的耐药机制 目前认为,肿瘤的耐药机制主要分为两大类。第1类表现 为抗癌药物的转运过程受损。这可能源于机体对口服药物吸 收不良或代谢清除增强,导致血药浓度降低,从而减少了抗癌 药从血液向肿瘤组织的弥散作用 。也有研究 强调肿瘤血 管化程度及合适的压力梯度对于充足药物转运的重要性。此 porters),它们利用ATP水解所得的能量,主动将药物泵出细 胞,降低胞内药物浓度,从而保护其不受细胞毒物质的损害,使 细胞产生耐药性。由于这类转运子具有泛宿主性及对药物的 低特异性,因此成为肿瘤细胞多重耐药最常见的分子基础。受 ABC转运子影响的抗癌药物包括长春花生物碱类(长春碱及长 春新碱)、蒽环类(多柔比星及柔红霉素)、RNA转录抑制剂放 线菌素 D及微管稳定药物紫杉醇。 外微环境因素,如细胞外基质及肿瘤生长的几何形状等,都可 能对肿瘤细胞的耐药性产生影响 。由于这一类耐药机制与 机体对药物的影响有关,又称为药理耐药(pharmacological re— sistance) 。第2类称为生化耐药(biochemical resistance),是 指肿瘤细胞的遗传性及生化特性发生复杂的变化,从而影响自 身对药物的敏感度。体外培养的肿瘤细胞很容易通过改变药 减少药物摄取也可介导耐药性的产生。搭载着平时用于 运载营养物质的转运子进入细胞的水溶性药物,以及通过胞吞 作用入胞的物质,即使在没有证据证明存在外流增加的情况 下,在细胞内也可能无法积蓄。此类药物包括叶酸拮抗剂甲胺 蝶呤,核苷酸类似物如5-氟胞嘧啶、顺铂等。 MDR还可源于协同调节解毒系统(如DNA修复及细胞色 素P450多功能氧化酶类)的活化。事实上,多药转运蛋白P-糖 蛋白(P—glycoprotein,PGP)与细胞色素P450 3A的协同诱导现 物作用靶点或增强对药物诱导损伤(多为DNA损伤)的修复而 达到对一种或一类药物耐药 J。令人惊奇的是,经过单种药物 耐药筛选之后的肿瘤细胞系,往往表现出对其他结构和作用机 制毫不相干药物的交叉耐药。这种现象称为“多重耐药性 象已经在研究中观测到 。这种的MDR性可在暴露于任何 药物后被诱导产生。近年来有证据提示特定的孤核受体,如 (multidrug resistance,MDR)”,进而解释了那些结合不同作用 作者单位:复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科通讯作者:钱江(Email:qianjiang58@126.eom) 上海200031 124 SXR,可能涉及介导这种对环境压力的总体反应 。 最后,耐药性的产生还可能是凋亡途径缺失的结果。这在 恶性转化中较为多见。促凋亡基因(如p53)的突变或功能缺 失,或抗凋亡基因(如bc1.2)的过度表达,都将相应导致肿瘤细 胞对化疗药物产生耐药。细胞在化学药物的选择压力之下还 可能通过改变神经酰胺水平 、改变细胞周期的调控机制而 阻止凋亡的产生。 综上所述,第2类耐药机制的一个重要原理就是:肿瘤细 胞具备遗传异质性。虽然肿瘤的克隆扩增过程导致了细胞的 失控生长,但暴露于化疗药物的肿瘤细胞,将凭借自身的生存 能力被选择性保留下来并与细胞毒性药物共存。这些残留的 肿瘤细胞很可能因为具有突变物的显型而表现出遗传异质性。 因此,任何经过化疗的肿瘤细胞都可能产生不只一种耐药机 制。这种现象称为“多因素的多重耐药性(multifactorial multi— drug resistance)”E9 3。 2 肿瘤干细胞理论与肿瘤耐药机制 正常干细胞除了具备自我更新及分化潜能之外,还保留着 其他区别于成熟分化细胞的特质,使其能获得相当长的寿命。 这些特质包括:大部分时间处于静止状态、表达多种ABC转运 子从而抵抗药物和毒物的损害;同时具有DNA修复能力和抗 凋亡能力。干细胞的生存也离不开其他细胞、基质及生长因子 组成的特定微环境,即干细胞的小生态环境(niche) 。 在干细胞的这些特质中,一个引人入胜而被广泛关注的是 它们高水平表达某些特异性ABC药物转运子。例如造血干细 胞表达高水平的ABCG2,但在大部分定向前体细胞和成熟血细 胞中该基因却被关闭 。其中ABCB1、ABCC1及ABCG2被认 定为3个最基本代表肿瘤MDR性的基因。这些泛宿主存在的 ABC转运子超家族中的成员,能同时转运亲水和疏水化合物, 在许多生理屏障间的物质转运中也起重要作用 J。干细胞通 过ABC转运子获得的药物转运特性是分离和分析干细胞的重 要标志。已知大部分细胞能积蓄荧光染料, ̄IlHoechst 33342和 若丹明123(rhodamine 123,R123),而它们又分别是ABCG2和 ABCB1的底物;因此干细胞能通过这2种ABC转运子的外泵 作用,将两者排出细胞而不着色,进而与普通细胞分离。这些 不被染色的细胞又称为边群细胞 。大部分干细胞都是在边 群细胞群内被发现的。 在许多肿瘤中已证实存在边群细胞 。这部分肿瘤细胞 和正常干细胞之间的相似性,使人们提出肿瘤干细胞的理 论 J。认识到MDR转运子在保护正常干细胞中扮演的重要 角色,可帮助人们进一步完善此理论,并加入了可能解释肿瘤 治疗失败、晚期复发、转移和组织特异性区别的新见解。这一 认识还可进一步指导人们利用肿瘤和正常干细胞之间的相似 及差异,设计合理治疗方案。基于此理论,现今对于肿瘤细胞 耐药性的获取模式存在以下几种假设。 1)肿瘤起始细胞是一种组织干细胞,具有许多与正常干细 胞相似的特性,如自我更新、自我保护、耐受损伤等。复杂的向 肿瘤转变过程始于循环中的组织干细胞突变。正常情况下,组 Chin J Ophthalmol and Otorhinolaryngol,March 2012,Vol 12.No.2 织干细胞在结构上具有MDR活性;但一旦进入细胞周期,MDR 就被暂时下调,导致DNA易受损伤的窗口期。在不对称分裂 的过程中,循环干细胞自我复制,生成一个有MDR保护的静止 期干细胞和一个对药物敏感、具有高度增殖能力的扩增前体细 胞。当子代干细胞受损后,它将退出细胞周期并同时回归MDR 保护状态;而当前体细胞受损后,便扩增形成大量对药物敏感 的异常发育细胞。随着更多突变和遗传不稳定性在受损干细 胞中累积,导致进一步生长失调,最终形成肿瘤。可以看出,在 这一过程中肿瘤干细胞始终处于被保护的状态并极少进入细 胞周期。大量的肿瘤实体是源于分裂活跃、对药物敏感的扩增 前体细胞。当暴露于各种为MDR底物的抗肿瘤物质时,这些 对药物敏感的肿瘤细胞被清除,但处于静止期的肿瘤干细胞却 极少受影响 J。这一假设模式同样令肿瘤干细胞得以将长期 突变累积的各种耐药性传给它们异常发育的后代。例如,人白 血病及淋巴瘤细胞中ABCB1表达上调的遗传改变就可能起源 于干细胞。 2)肿瘤干细胞及其亲近子代在选择压力下突变导致MDR 转运子过表达,使肿瘤前体细胞获得耐药表型,并繁衍出一批 具备MDR的肿瘤细胞。这些细胞已在许多化疗后复发的肿瘤 患者体内被发现。 3)肿瘤干细胞和各种分化细胞都天生具有耐药性,因此化 疗收效甚微或不起作用,导致肿瘤生长。后者可在固有耐药的 肿瘤,如肾细胞癌中得到例证。肾细胞癌的所有细胞都表达 ABCB1,并因此对化疗药物耐受。在这个例证中,肿瘤干细胞 的耐药表型持续存在于组成肿瘤细胞增殖池的、发育异常的定 向祖细胞中 。 上述假设中强调了ABC转运子在干细胞耐药机制中的地 位,但它却不是产生耐药的唯一决定因素。因为干细胞的DNA 修复能力及抗凋亡机制具有同等重要地位。在肿瘤干细胞研 究中,CD133通常被视作它的一个重要标志 J,许多实验都是 通过CD133 细胞与CD133一细胞之间的比较,来探讨肿瘤干细 胞的特性。Todaro等 研究认为结肠癌的CD133 细胞可通 过产生和利用白细胞介素4来保护自身,抵抗凋亡。Ma等 则提出肝细胞肝癌中CD133 细胞可通过活化Ak ̄PKB及bcl-2 抗凋亡途径,增加自身在肿瘤组织中的含量,从而使肿瘤获得 耐药性。Annabi等 还发现U87神经胶质瘤的CD133 细胞 中,环氧化酶2(cyclooxygenase 2,COX一2)的表达增加。c0x_2 是前列腺素亚型(PGE )合成酶,而PGE 被认为能抑制肿瘤细 胞的凋亡 。这些研究虽然具有局限性,但从一个侧面也反 映肿瘤干细胞抗凋亡的机制对于其获得耐药的重要性。 3 结语 肿瘤的耐药性被视为化学治疗中的最大障碍。当前肿瘤 化疗失败的根源可能是对治疗靶点的错误选择。肿瘤干细胞 理论的出现,不仅使人们重新认识了肿瘤的发生机制及生物学 行为,更使肿瘤治疗进入了一个新的领域。与正常干细胞相 似,肿瘤干细胞也具有独特的抵抗药物及毒物损害机制,因而 可能成为肿瘤难治性基础。对于肿瘤耐药性的研究,尤其是分 中国眼耳鼻喉科杂志2012年3月第12卷第2期 125 析肿瘤干细胞与其之间的关系,对于推动肿瘤化学治疗的发展 具有重要意义。本文综述的各种肿瘤细胞获得耐药性的,都可 能成为今后化学治疗的靶点。同时寻找出正常干细胞与肿瘤 [14] Liu YY,Han TY,Giuliano AE,et a1.Cermiade glycosylation po— tentiates cellulr muhiadrug resistance[J].FASEB J,2001,15(3): 719-730. 干细胞之间的差异,设计更具针对性的抗肿瘤药物,也将成为 今后肿瘤化疗发展中的难点和重点。 参考文献 [1] Reya T,Morrison SJ,Clarke MF,et a1.Stem cells,cancer,and cancer stem ceils[J].Nature,2001,414(6859):105—1l1. 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