异质性在肿瘤基础及临床研究中的意义

1、异质性在肿瘤基础及临床研究中的意义人类在与癌症较量的漫长历程,已经取得了一个个阶段性成果。一是诊断方面：19世纪由于显微镜的应用，可以清楚地看到各种各样的癌细胞，由此建立了可靠的癌症诊断基础。50年代以后电子显微镜的应用，70年代以后细针穿吸细胞学的普及，使得癌症诊断向更小、更早、更准迈进了一大步。70年代随着影像学领域出现了CT、MRI以及突飞猛进的超声技术，再加上各种纤维光导内窥镜检查、免疫学开展的癌胚抗原类的测定，到目前阶段，已能使0.5 cm大小的肿瘤被检测出来，肿瘤诊断进入了亚临床水平。 二是治疗方面：手术切除癌肿开始于古代，成熟于本世纪初。对于人体任何部位的肿瘤都可以进行理想的手术

2、切除，其次是放射治疗、化学药物治疗。到70年代，手术、放疗、化疗、生物修饰剂（BRMs）被称为癌症治疗的4大医疗模式而广泛应用于肿瘤患者，使约1/3的癌症患者得到了根治性治疗。再加上我国特有的中医药治疗，经过2000多年的中医治癌实践，形成了一套独特的理论，收到了明显的临床疗效。尽管在以上方面已取得了很大的进展，但是对侵袭性恶性肿瘤生物学问题的认识仍不十分清楚，对癌症的诊断与治疗仍很困难。在基础研究上，为什么同一种癌细胞具有不同的侵袭及转移能力，为什么同一种抑癌基因却有不同的抑制癌细胞生长的作用等。在临床上，为什么同一种癌症预后有明显的不同，为什么同一种治疗方案效果却明显不一样等。其中的一个主

3、要原因是对肿瘤异质性（heterogeneity）的认识还十分有限。因此，有必要对此领域进行深入的探讨。一、定义异质性是指性质上的多样性或缺乏一致性的不同成分的组合。异质性是生物在自然界中的共同特性之一，也是生物在自然界中存活的重要保证。异质性是达尔文进化论及物种多样性的基础。二、异质性的表现1.时间异质性：由于肿瘤细胞周期的非同步性，决定了在增生的肿瘤细胞群体内，任一点时间内，只有不足10%的细胞处在S期。因此，单一的静止地测定某种增生标记物所得到的标记指数不能代表所有的增生细胞情况。联合地测定某种选定的标记物，暂时的累积情况所得到的结果不同于在某一点时间测得的结果。因此，在测定细胞增生指标

4、时，连续向肿瘤内注入标记物(如溴脱氧尿核苷)，使之进入所有细胞周期时的细胞，这样识别到的增生细胞数及生长指数远远大于单一静止地测量某种标记物所得到的结果。由此说明，肿瘤细胞具有时间异质性。时间异质性可分为：短期（以秒、分、小时计算）、中期（以天、周计算）、长期（以月、年计算）。2.空间异质性：肿瘤在地理、人种、社会、流行病学等方面存在着明显的差别，尤其表现在个体对肿瘤发生的不同敏感性上。因此，在肿瘤研究中应强调采取临床实验、大的人群病例组进行研究的重要性。3.结构异质性：肿瘤的结构异质性已为病理医生所熟知，主要表现为器官水平（大体）、组织和细胞水平（显微镜）的形态学改变。大体上表现为形状、大小

5、、颜色、质地、数目、包膜等。显微镜下表现为组织结构和细胞形态两方面。组织结构有片块状、巢状、小梁状、腺管状、腺泡状、乳头状、筛状、裂隙状、菊形团、花边状、微腺泡、双向、车辐状、栅状、漩涡状、鱼骨状、圆形、成角及血管周排列。细胞形态有立方状、柱状、圆形、多角形、梭状、纤细状、肥胖状、浆细胞样细胞、星状、气球样、淡染浆、透明、空泡胞浆、颗粒状胞浆、酸性胞浆、小细胞、大细胞、小肌样细胞、大肌样细胞、偏心核、巨大核、中心核、新月形核及多核巨细胞。这种肿瘤的结构异质性也就造成了病理诊断的复杂性。4.基因异质性：目前已经知道，肿瘤患者的基因型与其亲代基因型之间存在差别，这些差别随时间、肿瘤的生长及部位的不

6、同而不同。现在人们也已经明确，导致肿瘤恶性转化时所涉及的基因异常并不是单个基因的打开，而是细胞内基因改变阶段性随机的及触发性的过程。环境因素就可加速上述过程，例如接触放射性物质。遗传性基因改变也可加速上述改变，例如存在于结直肠癌演进过程中以及腺瘤性息肉病表型中的遗传性基因改变。人群中单个基因可表现出相当大的突变异质性。例如已发现在p53基因中存在至少2 000个不同的点突变，许多突变对功能改变无影响。其他在DNA中贮积的点突变可通过许多不同的机制包括基因丢失、基因扩增以及DNA甲基化导致基因的不稳定性增加以及产生引起功能障碍的蛋白质。基因紊乱的情况还可在染色体中发生。这种基因异质性的形态学表现

7、之一为非整倍体状态，可见于大部分的实体肿瘤中，这些紊乱可引起生物功能及生物标记物表达的多相性。另外，单一的基因位点不能使肿瘤获得其明确的基因型。在肿瘤生长的整个过程中都存在着基因改变，例如染色体倍性的异质性。5.功能异质性：由于肿瘤的基因异质性，也就不难理解异质性存在于肿瘤细胞的生物学功能中，如增生、凋亡、细胞内或细胞间信号传导、细胞粘附、血管生成、转移行为等，这些功能通常都在调节性基因的控制下。许多特殊的基因及它们的蛋白质产物可出现在引起正常细胞发生恶性转化的一系列因子中，充当着癌基因、肿瘤促进物或肿瘤抑制物的作用，这些基因包括fos、ras、c-erbB2、c-myc及p53等。例如，肿瘤

8、标记物表达的异质性可应用细胞周期模型来说明。细胞群是由一系列处于增殖、静止、已分化状态的细胞混合而成。生长指数是指处于增殖状态的细胞数占所有细胞数的比例，在快速增生的组织中，其生长指数可接近100%。细胞群中细胞的生长在任何时间都是不同步的，不同数目的细胞可处在静止期或处于细胞周期的任一阶段内。具有同质性的细胞群，例如培养中的肿瘤细胞系，可在任一点时间处，由于表达细胞周期依赖性标记物而出现异质性。因此，在复杂的细胞群体中(例如肿瘤)，细胞周期的不同步性可使本来一致的细胞群出现显著的生物标记物表达的异质性。许多可测定的基因产物水平在静止及增生的细胞中彼此不同，而且在细胞周期中随DNA合成以及细胞

9、分裂而波动。这些产物受到调节机制、检测点、开关的控制，包括细胞因子以及细胞因子依赖性激酶蛋白家族的控制。因此，关键的功能酶、调节蛋白以及膜受体可能在所有的细胞中表达，但是在细胞周期的不同阶段，其表达水平不同。增生标记物的测定为解释异质性如何通过许多途径，使研究资料的分析变得复杂提供了实例。许多标记物已被评估，包括分裂指数、流式细胞仪S-期指数、胸腺嘧啶脱氧核苷酸在体内及体外标记、细胞周期相关蛋白，例如：Ki67以及增生性细胞核抗原等。肿瘤的侵袭与转移的异质性也是功能异质性的主要表现之一，肿瘤细胞因存在生物学侵袭性而具有异质性特征。确定肿瘤内哪些细胞具有最强的增生、凋亡、侵袭以及转移能力是不可能

10、的。从临床病理学一系列研究中获得的肿瘤特征并不能代表肿瘤的生物学能力，单个恶性细胞的生物学行为要比整个肿瘤内所有细胞的平均生物学行为更重要。转移是决定肿瘤的侵袭性及临床后果最重要的过程。原发肿瘤及其转移灶在基因含量、形式、功能以及成分上存在相当大的异质性，不能认为转移灶是其原发肿瘤简单的克隆。转移灶在与原发肿瘤不同的免疫及营养环境下生长，例如在淋巴结、肝脏、骨髓内生长，这些生长环境会影响肿瘤的形态及结构异质性，例如小肠肿瘤在肝脏的转移灶，其空间生长平面不会象其原发肿瘤那样局限。许多临床病理研究是在原发肿瘤标本上进行的，但是，一旦肿瘤切除，其中的肿瘤细胞就不再影响患者的预后，临床的发展过程则主要

11、取决于转移。只从研究生物标记物在外科切除的原发肿瘤中的表达情况来判断临床预后的相关性是错误的，不能认为所有原发肿瘤细胞与其转移瘤内的瘤细胞在生物学结构及功能上是一致的，这一问题常为人们所忽视。因此强调，有必要对原发肿瘤及其转移瘤的生物学情况进行详细的比较研究。6.人为异质性：另一个十分重要的问题是人为异质性。比如，在肿瘤细胞中检测不到一些关键性的酶是很常见的现象，这就提出了一个问题， 检测不到这些酶是真正的肿瘤细胞异质性所致还是人为的异质性?又例如某种生物标记物的表达可能低于实际检测到的水平、细胞内的关键调节分子常常快速合成并降解、应用静止的检测方法未检测到的靶分子从而导致对某种重要标记物的误

12、识等。关于这一问题的突出例子是人们对凋亡的认识，凋亡的过程在组织内进行得很快，这种客观现象直到本世纪70年代才认识到它的存在。异质性可由实验者人为所造成，使得不该出现异质性的地方出现了异质性。如在免疫组化研究过程中染色敏感性、抗体特异性以及人工准备情况的差异是很普遍的。尤其突出的问题是标本固定情况，人们在研究存档的标本时，很少同时研究新鲜的相同组织作为对照，以减少由于人工固定及标本随时间延长所造成的误差。因此，与实验技术相应的详尽的对照非常重要，当比较实验数据时，还应注意考虑各研究机构之间在实验技术方法上的差异。三、异质性在肿瘤治疗中的意义1.结构异质性与肿瘤治疗：肿瘤解剖上的异质性使得肿瘤对

13、放疗、化疗具有天然的抵抗能力。大部分实体肿瘤的增生区域位于周边，中央或核心区域相对血供减少，随着瘤体增大，内部的血供、营养及气体分布越来越不均匀，这使得药物无法平均灌注在肿瘤实质内。肿瘤组织内的缺氧、酸性增强、间质内压力增加，影响了肿瘤对药物的吸收及生物活性，增强了肿瘤对化疗及放疗的抵抗性。肿瘤对放射线的敏感性是处在增殖状态及细胞周期内的细胞的异质性功能。静止的、非细胞周期内的细胞对放射性损伤的敏感性差。例如，常见于实体性肿瘤中央区域的组织缺氧状态，可使该区域具有抗放射性的能力，同样，在细胞内的损伤过程中，出现的可清除过氧化物自由基的硫醇化合物以及DNA修复机制也可使细胞具有抗放射性的能力。所

14、有的人类细胞系都具备保证细胞进行正常的繁殖和行使功能以及相当潜在的分子调节能力，以此保证细胞抵抗环境造成的损害。上述特征使得细胞能够对药物介入引起的损伤产生相当强的耐受性。在长时间内，细胞已能够适应其长期生长的环境及外界辐射，这些外界因素反过来又增强了细胞对新药及放疗所引起的损伤的修复机制。2.基因异质性与肿瘤治疗：早期化疗成功后，紧接而来的往往是肿瘤复发以及再次治疗的失败。在治疗过程中，基因发生突变，对药物产生抗性的细胞系被选择出来，并替代对药物敏感的细胞。对治疗产生抗性的进化问题与多种细胞功能的异质性有关，基因的异质性使得蛋白和酶表达时出现表型的改变，其功能的行使可影响毒性药物的吸收及肿瘤

15、对药物和DNA损害的反应性。对抗治疗作用的产生与基因多样性以及细胞群的多能性有关。处在复杂外界环境下的肿瘤，其生存竞争能力可增强。当有的细胞受到治疗作用的破坏或发生坏死，其他细胞就会表现出生物学的适应，如增生、药物抵抗性的改变、DNA修复能力增强、凋亡率下降及转移力增强。因此，在生长的肿瘤内，多能细胞群开始进行自然选择，同时，环境因素（例如细胞毒性治疗）会影响不同细胞克隆的选择。DNA的修复与维持是细胞的一个重要的异质性功能。在接受天然或治疗性放射性物质以及接受化疗的作用下，DNA损伤可在正常的分子中自然地产生。 DNA修复可保证细胞的延续性及基因表达的准确性，并减少肿瘤的发病率。据估计，每个细胞的DNA包含4109个碱基，每天单独自发的DNA损伤可暂时造成10 000个核苷酸碱基的丢失。对DNA修复有效性的估计是在DNA复制过程中，每30亿个碱基对只出现3个错误。 如此强大的DNA修复能力给肿瘤的治疗带来了很大的困难，因为如此强大的生物进化稳定性能很快修复临床治疗引起的DNA损坏。矛盾的是，放疗和化疗在治疗肿瘤的同时还增强了肿瘤的抵抗性。细胞对放疗产生的反应是修复、重新分布、再氧化以及再生。细胞对亚致死剂量的放射性的耐受结果是出现许多异质性及在治疗过程