神经外科

胶质瘤干细胞辐射抗性机制的研究进展

作者:佚名 来源:医脉通 日期:2017-04-19
导读

          肿瘤是包含不同表型和功能的肿瘤细胞的混合物。在已发现的诸多类型肿瘤中,脑肿瘤是中枢神经系统的重大疾病,通常可以造成患者颅内压升高,压迫脑组织,导致神经系统功能障碍,严重威胁着患者的生命。

关键字:  胶质瘤干细胞 

        肿瘤是包含不同表型和功能的肿瘤细胞的混合物。在已发现的诸多类型肿瘤中,脑肿瘤是中枢神经系统的重大疾病,通常可以造成患者颅内压升高,压迫脑组织,导致神经系统功能障碍,严重威胁着患者的生命。

        目前,针对脑肿瘤的治疗手段主要包括手术治疗结合化疗和放疗的方法。由于脑肿瘤侵袭性生长的特点,手术不能达到完全切除的效果;化疗效果由于血脑屏障影响了抗癌药物的充分转运及肿瘤的耐药性而不明显;放射治疗是最主要的术后辅助治疗手段,但是由于某些肿瘤细胞对射线具有抵抗性,而加大剂量又会造成对周围正常脑组织的损伤,因此增加肿瘤组织对放射治疗的敏感性对于提高放疗效果和治愈率尤为重要。而胶质瘤干细胞的存在,导致了肿瘤的复发和预后不良,本文针对近年来胶质瘤干细胞的辐射抗性机制研究综述如下。

一、肿瘤干细胞的发现

        1967年,研究人员将早期小鼠胚胎细胞植入成年小鼠睾丸后,发展成为畸胎瘤,该研究为肿瘤起源于干细胞提供了思路和证据。1997年Bonnet和Dick等首次从人类急性髓性白血病中分离出一类特殊的细胞,该群细胞只占整体的0.2%~1%,但是却具有克隆形成能力和在免疫缺陷小鼠体内形成移植瘤的能力,并且能分化成为其它白血病细胞。

        2001年Reya等提出了肿瘤干细胞假说,主张:肿瘤细胞包括大部分缺乏增殖分化能力的肿瘤细胞和一小部分特殊的肿瘤细胞,这小部分细胞具有自我更新、不对称分裂和多项分化潜能等干细胞特性,是具有高致瘤性的肿瘤细胞,被成为肿瘤干细胞(cancerstemcells,CSC)或肿瘤起始细胞。2003年Clarke等发现CD44+CD24-低乳腺癌肿瘤干细胞是肿瘤发生的细胞群,通过接种免疫缺陷小鼠可以产生新的肿瘤,而大部分肿瘤细胞则不能。

        2009年Schatton等将肿瘤干细胞的特征归纳如下:①发起肿瘤和驱动新生物增殖;②通过自我更新产生自身无限拷贝;③有能力分化为非干细胞子代肿瘤。随后,越来越多的研究为肿瘤干细胞的存在提供了证据。

二、胶质瘤干细胞的鉴定

        胶质瘤(glioma)是增殖迅速、侵润性高、血管生长丰富、治疗抵抗、预后差及最具侵袭性的人类恶性病变。2002年报道了第一个证明神经胶质脑肿瘤内干细胞样细胞存在的实验,这些恶性肿瘤具备能够在正常干细胞培养条件下形成克隆的能力,也具备可以被诱导分化为星形细胞和其它神经细胞的能力。Singh等发现从胶质瘤样本中分离的CD133+细胞有很高的致瘤性,向非肥胖糖尿病/严重联合免疫缺陷(non-obesediabetes-SCIDmice,NOD-SCID)小鼠脑内注射100个这样的细胞足以引起脑肿瘤的形成,其表型与人源样本相同且可连续接种;相反,挑选105个CD133-细胞却不能产生肿瘤。

        CD133是普通神经干细胞的标志,胶质瘤样本中的CD133+细胞具有自我更新特性和体内成瘤性。对临床胶质瘤样本分析发现,组织分级、病人年龄和切除程度与CD133表达密切相关,CD133的表达和神经球的形成能力是死亡高风险的评估因素,表达CD133和nestin的胶质瘤患者生存率明显降低。

三、胶质瘤干细胞的辐射抗性机制

        放射治疗用于临床已经超过一个多世纪了,虽然放疗仍作为控制肿瘤生长的一个有力工具,但是和大多数抗肿瘤方法一样,放疗会造成肿瘤的辐射抗性。关于肿瘤辐射抗性的最新解释是由于类似于干细胞样肿瘤细胞的存在,这类肿瘤干细胞的另一个重要特征就是CSC比非CSC表现出对放疗、化疗的抵抗,是肿瘤治疗失败和复发的原因。目前研究发现影响胶质瘤干细胞(gliomastemcells,GSC)辐射抗性的原因来自两个方面:GSC自身特性和微环境(microenvironment-stemcellunit)的影响。

        1.胶质瘤干细胞的自身辐射抗性:胶质瘤干细胞抵抗放射治疗的证据源自一项实验,该实验中有10个患者都在大剂量伽马刀治疗前后经历手术切除,肿瘤治疗后发现CD133+细胞比例明显增加。体外2Gy照射并没有影响CD133+细胞的致瘤性,而5Gy照射后引发肿瘤所需的最小数目细胞比例增加。

        通过研究从胶质瘤中分离出的原代细胞克隆形成能力发现,CD133+细胞比CD133-细胞克隆形成能力强。Bao等通过体内和体外实验证实CD133+胶质瘤细胞照射后存活比率较CD133-胶质瘤细胞明显增加;CD133+胶质瘤细胞比CD133-胶质瘤细胞相比,前者凋亡率更低,照射后细胞周期检查点活化能力更强,DNA单、双链断裂的修复能力也更强。

        近来的研究发现以下几条信号通路可能参与了胶质瘤干细胞辐射抵抗:

        ①细胞周期调节因子/检测点激酶2/p53通路(ataxia-telangiectasamutatedprotein/checkpointskinase2/p53,ATM/Chk2/p53):人胶质瘤中编码DNA损伤修复(DNAdamagerepair,DDR)通路的基因突变率增加,ATM/Chk2/p53通路组分的缺失加速胶质瘤小鼠模型肿瘤的形成并增加了胶质瘤的辐射抗性。

        ②磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素受体通路(phosphatidylinositol3kinase/proteinkinaseB/mammaliantargetofrapamycin,PI3K/Akt/mTOR):胶质瘤干细胞中PI3K/Akt通路比非胶质瘤干细胞中活性更高。关于髓母细胞瘤的实验发现,表达nestin的血管周干细胞在照射后存活增加,PI3K/Akt通路活化,细胞周期发生阻滞,使细胞有更多的时间对损伤进行修复,而Akt信号通路的抑制导致血管周细胞在照射后更容易发生凋亡。

        ③核因子-κB通路(nuclearfactorkappaB,NF-kB):该通路在细胞应对电离辐射(ionizingradiation,IR)时发挥关键作用,是DNA损伤活化的促存活机制之一,与肿瘤抗凋亡和肿瘤存活有关。胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)患者CD44表达,NF-kB活化表现出辐射应答降低,提示抑制NF-kB活性可能是一个治疗GBM的途径。

        ④Notch通路:Notch介导的髓细胞白血病基因-1(myeloidcellleukemia-1,Mcl-1)上调对胶质瘤来源细胞的治疗抗性有关。

        分泌酶抑制剂使胶质瘤干细胞对辐射更加敏感,但是对非干细胞性胶质瘤细胞则没有作用。分泌酶抑制剂可以通过Notch进行靶向切割降低Mcl-1水平,通过降低CD133+细胞比例,增加细胞凋亡,达到对髓母细胞瘤的治疗效果。另一方面,Notch1或Notch2的沉默使胶质瘤干细胞对辐射敏感,破坏成瘤。而表达Notch1或Notch2活性细胞内domain增加胶质瘤干细胞辐射抗性。此外,自吞噬也是CD133+GSC放射保护机制之一。

        Lomonaco等发现,照射后CD133+GSC细胞比CD133-细胞表达更高水平的自吞噬蛋白,抑制自吞噬则增加CD133+GSC辐射敏感性,降低其成球能力。辐射可以引起DNA活性蛋白激酶C(DNA-activatedproteinkinasec,DNA-PKcs)沉默的胶质瘤干细胞发生大量自吞噬。

        2.微环境对胶质瘤干细胞辐射抗性的影响:近年来,关于肿瘤的研究发现,各种外源应激因子包括缺氧、炎症、抗肿瘤治疗和/或内在机制等都能启动肿瘤细胞再编程,改变其自我更新和分化能力。通过对体外培养和颅内接种肿瘤的CD133+细胞进行照射,Jamal等发现体内H2Axfoci水平下降的更快。H2Axfoci是DNA损伤评判的金标准,其水平的高低直接反应DNA损伤的严重程度。该实验结果表明颅内接种肿瘤的CD133+细胞DNA修复能力更强,这提示胶质瘤干细胞和正常干细胞相似,与微环境构成适合其生存的“龛”(niche),这对其维持干细胞特性,保持辐射抗性具有重要意义。

        肿瘤微环境的动态变化可能决定了正常干细胞的表型和功能特性向恶性细胞转化,促进肿瘤发展和肿瘤细胞迁移。肿瘤微环境由多种组分组成,包括免疫细胞、细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)、血管组分、一氧化氮(nitricoxide,NO)及缺氧等,每一个都可能对CSC辐射抗性有帮助。除了与内皮细胞相互作用外,血管周区域的胶质瘤干细胞也和细胞外基质组分相互作用。

        与内皮细胞相互作用:一方面,胶质瘤干细胞通过血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)在内皮细胞刺激下有促血管生成的作用。CD133+GSC通过增加VEGF表达促进肿瘤血管形成,而中和VEGF的抗体vevacizumab可以特异性抑制GSC血管发生。另一方面,内皮细胞帮助维持胶质瘤的干细胞特性。Hovinga等利用三维器官外植系统对胶质瘤样本进行研究发现,模型中内皮细胞的减少使单个细胞的成球能力下降50%以上。通过不同细胞类型共培养成球实验研究发现,与内皮细胞的共培养可能维持CD133+/nestin+脑肿瘤细胞自我更新。经过3Gy照射后单培养的内皮细胞比与胶质瘤细胞共培养的内皮细胞凋亡率更高。

        与ECM组分相互作用:ECM组分主要作用是为调控辐射应答蛋白提供场所;作为肿瘤细胞内照射后促存活整联蛋白介导的信号级联反应活化的平台;形成有利于照射后存活细胞增殖的“龛”。在整联蛋白1、αv3和αv5的表达和活化情况下胶质瘤细胞辐射抗性增加。键糖蛋白C照射后表达增加,而且有胶质瘤干细胞存在的血管周"龛"键糖蛋白C表达也增加。键糖蛋白C通过刺激细胞增殖抵消受照细胞死亡。过表达键糖蛋白C的胶质瘤患者存活率降低,而低表达键糖蛋白C的患者存活率增加。

        与NO相互作用:利用血小板源性生长因子(plateletderivedgrowthfactor,PDGF)诱导的胶质瘤小鼠模型实验研究发现内皮型一氧化氮合酶(endothelialnitricoxidesynthase,eNOS)与内皮细胞共定位,且内皮细胞被表达nestin、Notch和NO受体可溶性鸟苷酸环化酶的肿瘤细胞所包围,NO活化Notch通路并促进原代培养的鼠胶质瘤细胞干细胞特性。可能血管周"龛"NO合成的增加活化了Notch通路,增加了邻近胶质瘤干细胞的辐射抗性。

        与缺氧相互作用:缺氧条件下,自由基更容易与H+反应,恢复原始状态,降低DNA损伤的水平。在缺氧应激中存活的肿瘤细胞产生促存活反应,这些反应由应对缺氧诱导因子(hypoxia-induciblefactors,HIF)家族的各种基因转录所诱导。胶质瘤干细胞对缺氧有不同的反应,实验发现胶质瘤干细胞HIF2α水平更高,HIF调控的基因也不同于非干细胞。胶质瘤干细胞HIFs沉默导致干细胞特性降低。通过成瘤实验发现,干扰素或bevacizumab处理后瘤内氧合作用的增加使肿瘤的辐射敏感性提高。因此,缺氧条件可能维持和加强了胶质瘤干细胞内细胞特性和辐射抗性。

四、展望

        随着对胶质瘤研究的不断深入,越来越多的研究证实GSC对胶质瘤的放射治疗至关重要,GSC的消灭与否直接关系着胶质瘤能否彻底根治,而目前这一问题的解决仍面临巨大的挑战。首先,GSC辐射抵抗涉及到复杂的调控作用,不仅有上面提到的损伤修复通路及微环境作用,还有其它一些分子的参与,例如:包括多梳家族成员(polycombgroup,PcG)也参与了胶质瘤干细胞的辐射抵抗作用。多梳家族包括胞质分裂调控蛋白1(polycombrepressivecomplex1,PRC1)和胞质分裂调控蛋白2(polycombrepressivecomplex2,PRC2)两大复合物。近年来的研究发现DNA损伤附近有PcG富集,PcG在40%的辐射抵抗细胞中发挥功能,包括B淋巴瘤Mo-MLV插入区域1同族体(BlymphomaMo-MLVinsertionregion1homolog,Bmi1)、同族体8号染色体(chromoboxhomolog8,CBX8)、果蝇zeste基因增强子同源物2(enhancerofzestehomolog2,EZH2)等。

        BMI1是多梳家族成员中的重要一员,是在神经发育和肿瘤组织中发挥重要调控作用的转录因子,Facchino等发现BMI1在CD133+胶质瘤干细胞中高表达,通过募集方式操控DNA双链断裂应答和非同源末端连接(non-homologousend-joining,NHEJ)蛋白引起细胞辐射抗性增加。而且胶质瘤细胞与脑微血管内皮细胞共培养有利于成瘤,内皮细胞通过上调Bmi1促进胶质瘤细胞向GSC转化。EZH2是PRC2亚基之一,与有丝分裂激酶MELK(maternalembryonicleucinezipperkinase)在胶质瘤中共表达,并且辐射可以明显诱导其表达,且与患者预后呈负相关。

        MELK或FOXM1通过调控EZH2参与GSC辐射抗性,EZH2通过依赖MELK/FOXM1的方式保护胶质瘤干细胞免于辐射诱发的细胞死亡。EZH2是PRC2中的赖氨酸甲基转移酶,是转录抑制因子,GSC中STAT3的活化必须经过EZH2对其进行甲基化激活。

        此外,调控多梳家族的microRNA也可能参与了胶质瘤对辐射的抵抗。miRNA-128和SUZ12/Bmi1在正常脑和胶质瘤干细胞中表达相反,miR-128通过阻止辐射对PRC组分的诱导表达,使胶质瘤干细胞样细胞辐射敏感性降低。同时,胶质瘤模型鼠发病前脑组织的神经干细胞中mir-128表达明显降低。microRNA-218在胶质瘤中表达下调,而过表达miR-218后,胶质瘤细胞中Bmi1表达下调,肿瘤细胞迁移、侵袭及增殖能力下降,GSC细胞的自我更新被破坏。

        因此,鉴于如此众多复杂的因素参与了GSC的辐射应答反应,必须通过更多、更细致深入的研究去发现GSC辐射抵抗的机制,包括DNA损伤修复、信号转导、靶基因调控及与微环境相互作用的机制,构建清晰的网络机制图;其次,在明确机制后,寻找出克服GSC辐射抗性的靶向分子,彻底解决胶质瘤放疗后复发的问题。相信解决了胶质瘤干细胞放射抵抗的问题,不仅可以从根本上胶质瘤的治愈,而且为其它肿瘤的根治提供良好的应用前景。

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