干细胞与癌症

干细胞、癌症和肿瘤干细胞干细胞生物学已经成熟。证明造血系统中存在干细胞的研究已让位于对某些组织特异性干细胞和祖细胞的分离与研究、对它们的特性和基因体现程序的叙述，以及在再生医学中对它们应用的研究。可能干细胞最重要和最有用的特性是它的自我更新能力。通过这一特性能够发现干细胞和癌细胞之间有惊人的相似：肿瘤可能普通来源于正常干细胞的转化，相似的信号通路可能既调节干细胞也调节癌细胞的自我更新，且癌细胞中可能包含有“肿瘤干细胞”（cancerstemcells）----它们是某些极少的含有自我更新不定潜能的驱使肿瘤形成的细胞。干细胞被定义为永存的细胞，能通过自我更新和在特异组织中分化产生成熟细胞。在多数组织中特异性干细胞是极少的。为了研究干细胞的特性，干细胞需通过认真纯化和预期的鉴定。尽管有理由认为每种组织来自于一种组织特异性干细胞，但对这些干细胞的严格的鉴定和分离仅在极少的组织中成功的完毕。例如已自小鼠和人体中分离出造血干细胞（HSCs），并已显示它们负责血细胞和免疫系统的形成（图1）。来自于多个器官的干细胞可能被用于将来的治疗，而HSCs-----是骨髓移植中重要的成分，已广泛地用于临床治疗图1造血干细胞的发育近来的研究发现骨髓和造血干细胞（HSCs）可产生非造血组织，提示这些细胞可能含有较以前构想的更为广泛的分化潜能。这一过程尚需进一步用实验来证明。骨髓细胞与否可产生不同的非造血组织，这些非造血组织与否真是来自于HSCs或来自于其它细胞。如果进一步的研究支持造血干细胞含有可塑性，这无疑将开创对HSCs的发展潜能的理解，并进一步为临床治疗开辟新的途径。作为HSCs的特性，在较早的综述中已涵盖了有关它们的分化潜能和临床的应用，在此我们只讨论干细胞生物学中出现的能够提供对肿瘤生物学新认识的证据。我们将特别聚焦于干细胞与癌细胞有关的三个方面进行讨论。第一，干细胞与癌细胞在自我更新时有相似的调节机制；第二，瘤细胞有可能来源于正常干细胞的可能性；第三，肿瘤中可能含有“肿瘤干细胞”的观念。“肿瘤干细胞”是某些极少的含有不定的增殖潜能的可驱使肿瘤形成和生长的细胞。贯穿于该综述我们聚焦于造血系统，由于来自造血系统的正常干细胞和癌细胞均已被充足地研究。并且，血癌（也就是白血病）提供了正常干细胞是转化突变的靶细胞和癌细胞增殖是源自肿瘤干细胞的最佳的证据。造血干细胞的自我更新在干细胞生物学中，最重要的问题之一是理解自我更新的机理。自我更新是至关重要的干细胞功效，由于多个类型的干细胞在动物的生命中持续存在需要有自我更新。另外，来自于不同器官的干细胞可能有不同的发育潜能，全部的干细胞都需要自我更新和调节自我更新与分化之间的相对平衡。理解正常干细胞自我更新的调节机理也是理解癌细胞增殖的基础。由于癌症可被视作未调节的自我更新引发的疾病。造血系统中，就造血干细胞而言，其自我更新能力是多相的不均匀的。多能祖细胞（MultipotentProgenitors）占小鼠骨髓细胞的0.05%，可被分为三群：长久自我更新HSCs；短期自我更新HSCs；和未检出有自我更新潜能的多能祖细胞。这三群细胞形成由长久HSCs至短期HSCs，由短期HSCs至多能祖细胞的过程。如HSCs的自长久自我更新HSCs至多能祖细胞的成熟过程。这一成熟过程使它们逐步失去自我更新的潜能而变得更含有丝分裂活性。尽管在小鼠体内是由长久HSCs产生成熟的造血细胞，在致死性辐射小鼠体内短期HSCs和多能祖细胞的重建只需不到8周时间。尽管HSCs的表型和功效性特性已被广泛的研究，最基本的问题自我更新是如何被调节的仍未被回答。在诸多研究中发现重组生长因子能引发HSCs有效的增殖，而不能避免HSCs在长久培养中的分化。即使用拟定培养条件来维持培养HSCs的活性已有进展，但该研究也证明了要拟定生长因子的结合与引发细胞培养中由HSCs产生祖细胞扩增的数量是极度困难的。干细胞自我更新调节通路与肿瘤的形成由于正常干细胞与癌细胞均含有自我更新的能力，似乎有理由提出新生的癌细胞也合用于在干细胞中正常体现的自我更新细胞分裂机制。有证据表明许多与癌细胞有关的典型调节通路可能也调节正常干细胞的发育（图2）。例如，癌基因bcl-2增强体现避免了细胞的凋亡，成果造成活体内HSCs数量的增加，这表明细胞的死亡在调节HSCs的动态平衡中起作用a图2正常干细胞发育与转化自我调节自我更新的信号通路其它与肿瘤形成有关的信号通路，如Notch、Shh和Wnt信号通路可能也参加了调节干细胞自我更新。在HSCs培养中使用配体Jagged-1的Notch激活可在体内外增加初始祖细胞的活性和数量。表明Notch激活启动了HSCs的自我更新，或最少维持了HSCs的多个潜能。Shh信号也被认为在调节自我更新中有作用，通过体外实验发现大量的人HSCs(CD34+Lin-CD38-)体现出对Shh刺激的应答，增高了HSCs自我更新。根据研究显示包含有Notch和Shh信号通路的HSCs自我更新，显得特别有趣，这些通路在调节干细胞和其它组织自我更新中起作用。一特别的有趣的信号通路显示出在不同组织中既调节自我更新也调节肿瘤形成，即Wnt信号通路。Wnt蛋白是细胞间的信号分子，它调节某些器官的发育，其异常调节时造成肿瘤发生。骨髓中Wnt体现可能同样影响HSCs。使用高度纯化的小鼠骨髓HSCs，我们已证明在长久的HSCs培养中激活β-catenin的过分体现（一Wnt的下游激活物）能扩增可移植的HSCs，其表型为(Thy1.1loLin-/loSca1+c-kit+)，且在体内含有重建造血系统的功效。进一步，Wnt信号的克制子---Axin的异常体现造成HSCs的增殖克制，增进了HSCs的死亡，减少HSCs的重建。分别研究调节培养液上清中可溶性Wnt蛋白的量可影响来源于幼鼠肝脏和人骨髓造血祖细胞的增殖。研究上皮和内脏祖细胞显示Wnt信号通路可能也作用于其它组织的干细胞和祖细胞的自我更新。培养的人高增殖能角朊细胞比低增殖的角朊细胞有较高水平的β-catenin。进一步使用逆转录病毒转染激活β-catenin，其成果增加了上皮干细胞的自我更新、减少了其分化。转基因小鼠研究成果显示在上皮干细胞中Wnt信号通路的激活造成上皮癌。进一步研究发现小鼠缺少TCF-4(Wnt信号通路中的一种转录中介体)，其内脏上皮非分化祖细胞库存，在胎儿发育时很快被耗尽，也显示这一通路在维持内脏上皮干细胞自我更新时是必需的。总而言之，Wnt信号通路可能在多个不同上皮细胞及HSCs中启动干细胞的自我更新。这一由Wnt信号影响干细胞的分子机理仍待被阐明。拟定Wnt、Notch和Shh信号通路与否作用于干细胞和祖细胞的自我更新也是很重要的。自我更新和白血病的形成如果调节正常干细胞自我更新的信号通路异常时会造成肿瘤发生，那么干细胞本身就成为某些类型癌症转化的靶细胞。有两个理由认为这一想法是对的的。第一，干细胞的自我更新机制已被激活，维持这一活性比在已分化细胞中重新打开这一通路更容易。也就是说，少数突变可能在维持细胞自我更新时更为需要，而不是激活自我更新细胞的变异。第二，不象许多高增殖的成熟细胞，干细胞普通维持较长时间，而不是短期死亡。这意味着，在个别干细胞中存在着较成熟细胞多的累积突变的机会(图3)。图3比较造血干细胞的发育与白血病的转化时细胞的自我更新有限的祖细胞不象干细胞那样经历新生物的转化，由于它们的增殖时间非常短即走向最后的分化。淋巴细胞和髓系细胞中的限制性造血祖细胞移植时均未能检测到自我更新。因此，限制性造血祖细胞首先需获得干细胞那样广泛的自我更新潜能，才有机会经历进一步的可能引发转化的突变。即使如此，限制性祖细胞能够通过获得突变潜能象干细胞那样自我更新即可被转化；或通过遗传从干细胞存在的突变如单一突变在引发祖细胞的转化是必需的(图3)。干细胞是突变的靶细胞在大多数的癌症，转化突变的靶细胞尚不明确。然而，有诸多的证据表明某些类型的白血病来源于HSCs中突变的累积，能在引发NOD/SCID（非糖尿病/严重联合免疫缺点）小鼠人急性髓系白血病(AML)的细胞在大多数的小鼠AML亚型中有CD34+CD38-的表型。也因此含有与正常HSCs相似的表型。相反，CD34+CD38+白细胞，尽管事实上它们显示着白血病母细胞表型，但在多数状况下，它们不能将白血病转移给小鼠。这表明正常HSCs较由其来源的祖细胞更象是白血病转化的靶细胞。在AML中多见的染色体异常是t（8;21）染色体异位，这是白血病细胞中AML1-ETO嵌合转录的成果。研究缓和期病人HSCs，及在骨髓中也发现部分正常HSCs中有AML1-ETO联合转录。这预示着分离出的HSCs和其后裔不是白血病的，且有可能在体外分化为正常的髓红系细胞。这显示异位发生于最初的正常HSCs，进一步的突变发生于这些HSCs或它们的后裔时成果造成白血病。在本研究中，正常HSCs为CD34+CD38-Thy-1+,然而白血病母细胞为CD34+CD38-Thy-1-。即使异位一定是发生于正常HSCs，后续的转化突变可能发生于Thy-1-祖细胞下游，或是，如果新生物增殖的一种成果是失去Thy-1的体现，转化突变也可能发生在HSCs下游。干细胞是前白血病或白血病转化普通的靶细胞，这一想法也在髓系和慢性髓细胞性白血病的研究工作中被证明。克隆化白血病有关染色体重排也是发生于CD34+CD38-细胞（一族富含HSCs的细胞群）中，因此多数的白血病可能来源于HSCs中突变的累积，造成在干细胞及其后裔中发生恶性转化。祖细胞作为转化的靶细胞尽管干细胞普通是引发恶性转化必需的遗传靶细胞，另首先限制性祖细胞或已分化细胞也可能被转化（图.3)。用hMRP-8启动子特异性的转基因体现限制性的髓系祖细胞，这能够建立来自限制性祖细胞髓系白血病的小鼠模型。即使靶基因的变化造成白血病来源于限制性祖细胞和某些干细胞，这些白血病在多方面类似人的白血病。如；我们建立的转基因小鼠髓系白血病模型，用一种hMRP-8启动子是特异性转基因体现髓系祖细胞的。增强抗凋亡基因bcl-2在髓系细胞的体现所造成的疾病类似于人类慢性髓样单核细胞白血病，涉及有成年小鼠的单核细胞增多、脾肿大和中性粒细胞减少。然而，这些小鼠极少发生急性恶变。为检测与否需要进一步的突变来加强bcl-2启动AML,hMRP8-bcl-2转基因小鼠与lpr/lprFas-缺少小鼠繁殖，明显的失去这两个清晰的凋亡通路造成15%小鼠发生AML。这些小鼠体现为在全部的造血组织中髓母细胞的增生和在骨髓及外周血中的粒细胞明显减少。这些研究显示避免细胞的死亡在髓系白血病的发生中是至关重要的，且证明限制性祖细胞是能被转化的。如前所述，在自发性人类白血病好象干细胞中累积突变是新生物的增殖所必需的；这些突变可能在干细胞中累积，其有效突变体现于限制性祖细胞。也就是，在干细胞中累积的突变可能造成来自干细胞的下游最初的祖细胞新生物的增殖。可能在体现Bcl-2和缺少Fas的小鼠中仅有15%进展为AML，是由于这些小鼠的祖细胞也必需获得进一步的突变引发自我更新的异常调节（图3)。如果单一的进一步突变引发转化，那么这个转化可能是获得了一种功效的突变，例如那些构成启动自我更新的突变。由于稳定的β-catenin可启动HSCs和其它类型祖细胞的自我更新。我们认为由β-catenin作用而获得的功效突变，在多数状况下通过启动增殖转化不死的前恶性细胞变为癌细胞。有证据支持以上的提法，由于激活β-catenin和Wnt信号通路的调节异常在癌细胞中非常普遍，且使这一信号的过分体现可致转基因小鼠的肿瘤38。也有可能其它信号通路的突变增进了祖细胞的自我更新。进一步进行研究非常重要，由于理解癌细胞的非调节自我更新的分子基础将能够构思出更有效的治疗途径。本质上，新生癌细胞可能运用了普通体现于干细胞的自我更新细胞分裂机制。在造血系统中，仅有髓红系中(图1,bottom)的长久自我更新细胞是HSCs;然而，最少有两类分化的细胞类型(图1,top)也能自我更新。T和B细胞经刺激后均产生克隆的扩增和记忆淋巴细胞。这些淋巴细胞再次与抗原接触时可增殖。在白血病形成的过程中，淋巴细胞白血病能够激活这些受体介导的有丝分裂。肿瘤干细胞与异常器官发生癌症研究基本上聚焦于对引发癌细胞遗传学变化的拟定。这使我们对肿瘤形成和恶性转化的分子和生物化学通路方面的认识有了极大的提高。但是当我们聚焦于肿瘤分子生物学时，我们对癌细胞分子生物学的理解却已经滞后。也就是说，尽管我们已理解了在增殖和活细胞模型中详尽的细胞突变成果，如纤维母细胞或细胞株中，但我们经常仅靠推测这些突变对实际的癌细胞作用的成果。这有碍于我们解释拟定的突变，有碍于设计新的抗癌治疗办法。肿瘤可被视作是致瘤癌细胞通过累积突变而获得了不定增殖能力的异常器官的开始。如果将肿瘤视作异常的器官，那么正常干细胞生物学的原理能更加好地用于理解肿瘤是如何发生的。事实上，许多观察表明正常干细胞与肿瘤细胞之间有一定的相似。正常干细胞和肿瘤细胞都有广泛的增殖潜能，以及产生新（正常或异常）组织的能力。肿瘤组织和正常组织均由不同的细胞构成，且有不同的表型特性和不同的增殖潜能。由于多数肿瘤有克隆的来源，肿瘤癌细胞很可能产生表型变化了的子代细胞，涉及含有不定增殖潜能的癌细胞和有限的或不含有增殖能力的癌细胞。这表明了肿瘤细胞经历了类似正常干细胞自我更新和分化的过程。即使，肿瘤中的不同细胞是持续突变的成果，肿瘤中这些不同的细胞也象是来自癌细胞的异常分化。资料显示，许多类型的癌细胞包含有癌细胞及含有不同表型的细胞，这反映了分化也发生于肿瘤组织中。正常分化标志在肿瘤癌细胞中的不定体现显示某些肿瘤中的不同细胞是肿瘤细胞异常分化的成果。例如；在慢性髓系白血病中髓细胞标志的不定体现，外周神经原标志的不定体现，在乳腺癌细胞中乳蛋白和雌激素受体的不定体现。换句话讲，正常干细胞和肿瘤细胞引发细胞表型不同，显示了细胞不同的分化程度。因此，肿瘤细胞能够引发如肿瘤干细胞，他们通过类似于正常干细胞在器官形成过程中所经历的异常或无调节的过程。肿瘤细胞的行为类似于正常干细胞，使得癌细胞趋于显示其正常来源细胞的功效与表型的属性，也就不令人吃惊了。肿瘤干细胞的证据首先来自白血病与多发性骨髓瘤的广泛资料显示仅有极少亚群的癌细胞能广泛地增殖。如来自小鼠腹水的骨髓瘤细胞、分离出的正常的造血干细胞、在体外克隆形成实验中能够形成克隆的癌细胞仅占万分之一至百分之一（53）。在白血病细胞移植实验中，仅有1--4%的比例形成脾脏内克隆。白血病细胞克隆形成的差别反映了正常造血干细胞的克隆形成的差别，这些已克隆的白血病细胞被认为是白血病干细胞。有两种可能性存在：要么全部白血病细胞含有较低的广泛增殖的能力，如在上述这些实验中全部白血病细胞都有白血病干细胞的潜能；要么多数白血病细胞不能广泛增殖，仅少量细胞可定义为克隆形成细胞亚群。为证明第二种可能性，有必要分离不同种类的白血病细胞并显示某一亚群含有高度的克隆形成能力，而其它细胞在克隆形成时体现为逐步衰竭减少。这一实验已由Dick及其同事们完毕，他们并且预测了病人的AML干细胞被纯化后应是CD34+CD38-细胞。尽管事实上这些细胞代表比例可变的一小部分AML细胞（每一病人中占0.2%）。它们是能将人的AML经移植转移给大部分NOD/SCID小鼠的细胞。这排除了第一种可能性---即全部的AML细胞都有相似的克隆形成能力，并显示可预知的细胞亚群是有持续较高的增殖和传递该病能力的细胞。在实体瘤中，细胞的不同表型和体外培养时仅一小部分细胞是含有克隆形成性的。例如：只有千分之一至五千分之一的肺癌，卵巢癌和神经母细胞瘤细胞可在软琼脂中形成克隆。如上文中的白血病干细胞，这些观察引出了这样的假设：仅少数癌细胞是事实上致瘤性的细胞，且这些致瘤细胞能被认为是肿瘤干细胞。如上解释也存在两种可能性：要么是全部实体癌细胞含有较低的广泛增殖能力，并在克隆形成实验中体现为肿瘤干细胞特点；或是大多数癌细胞仅含有有限的增殖潜能而不能体现为肿瘤干细胞行为特点，而少数细胞富有广泛的增殖和形成肿瘤的能力可定义为肿瘤干细胞。在以上两种状况，癌细胞的异质性可能产生于肿瘤周边的环境不同和持续的突变。这两种可能性的本质差别是可预测的，按第二种可能性，无论环境或细胞的突变状态，仅有少数表型明显的癌细胞有广泛增殖潜能或形成新的肿瘤能力（图4）。实体瘤细胞的异质性的这些模式不能被分辨，由于现在仍无人发表证明纯化的非培养实体瘤细胞是富有肿瘤形成能力的.图4实体瘤干细胞的含义如果实体瘤的生长是受肿瘤干细胞的驱使，这将对癌症的治疗含有深远的意义。现在，全部表型不同的癌细胞均被视为似乎有无限增殖的潜能和能够获得转移的能力。然而，数年来已认识到仅有少数散布的远离肿瘤初始发生部位的癌细胞能在无明确转移癌的病人中被检测到。一种可能性是免疫监视作用在癌细胞形成可检出的肿瘤之前已将散布的癌细胞高效地杀灭。另一可能性是多数癌细胞缺少形成新的肿瘤的能力，这样仅有散布的极少量的肿瘤干细胞能引发癌症转移。如果是这样，治疗的目的必须是拟定和杀灭肿瘤干细胞。如果实体瘤干细胞能够预先被识别并分离出，那么我们将能够拟定出更有效的新的诊疗标志物和针对体现于肿瘤干细胞进行治疗的靶位。如果肿瘤的生长和转移是源自少量的肿瘤干细胞，这能够解释惯用的根除实体瘤治疗的失败因素。尽管现在使用的药品可使转移瘤体缩小，这些效果普通是临时的，也不能明显地延长患者的生命。这些治疗失败的因素之一是癌细胞逐步获得了耐药性；另一可能的因素是现有的治疗办法不能有效的杀灭肿瘤干细胞。现有的治疗办法已发展为重要是减少肿瘤细胞的体积和数量，由于普通是通过它们缩小肿瘤的能力来拟定其效果的。由于多数细胞及癌肿的增殖潜能是有限的，而药品缩小肿瘤的能力重要反映了杀灭这些增殖细胞的能力。似乎是来自于不同组织的正常干细胞比来源于同一组织的成熟细胞更能耐受化疗药品。其因素尚不清晰，可能与抗凋亡蛋白的高水平体现有关或与ABC转运如多药耐受基因有关。如果对肿瘤干细胞也同样，那么能够预言由于肿瘤干细胞的增殖能力有限，它们将比肿瘤细胞对化疗药品更具耐药性。即使治疗使肿瘤完全的衰退，可能剩余的肿瘤干细胞足以使肿瘤再生。针对肿瘤干细胞的治疗可能效果更持久，同时能制止肿瘤的转移。图5遗传学能够提供强有力的拟定药品作用于癌细胞靶位的办法。即使针对遗传学突变不需要分离干细胞，似乎在肿瘤干细胞与瘤细胞之间有限的增殖潜能力方面有着基因体现的差别。基因芯片用于恶性肿瘤的分析已显示基因体现模式能被用于将肿瘤团块进行分类，反映出不同的突变。其成果可用于无法用病理学办法区别的肿瘤类型，但可用于区别基因体现谱的不同，检测对治疗敏感性的不同。然而，基因体现谱经常体现出其它性质，由于肿瘤标本中含混有正常细胞，高增殖的癌细胞，和增殖能力有限的癌细胞。这一混合的体现谱使得肿瘤之间可能差别不明显，由于驱使肿瘤形成的高增殖细胞普通只体现于少数的癌细胞。肿瘤干细胞的基因体现谱将使体现谱能够反映出实际致肿瘤形成细胞的生物学特性。对于