腫瘤細胞中的王者：腫瘤干細胞
原標題：腫瘤細胞中的王者：腫瘤干細胞
在生物體內，幾乎所有癌癥都發生在一些“特殊”的組織和器官里，而這些組織和器官往往包含一種“特殊”的細胞，這些細胞在生物體一生中均可以有序復制并替代由于衰老或損傷而丟失的細胞，這些細胞就是“干細胞”。例如：腸道細胞每7天更新一次，而皮膚的表皮細胞是每1個月更新一次。
主流觀點認為，癌癥是體內細胞多次致癌突變積累而成，那么如果組織中某些可以長期存活的“干細胞”越少，積累的突變自然也就越少，癌癥的發生也越來越少。為了搞清楚癌癥，我們有必要弄明白干細胞潛在的生物學功能以及如何分化成組織中的成熟細胞。
一篇發表在國際頂級學術期刊 NEJM 上的綜述文獻為我們詳細說明了腫瘤干細胞臨床和治療的潛在價值。作者斯坦福大學干細胞生物學和再生醫學研究所副所長Michael Clarke教授的主要研究方向為正常和腫瘤干細胞自我更新的調控以及腫瘤干細胞的識別。
01
從造血干細胞開始說起
就目前而言， 造血干細胞是我們了解最多的成體干細胞，也是真正意義上的干細胞，可自我復制，可多向分化 。在1960年，加拿大科學家James Till和Ernest McCullochs首次證實了造血干細胞的存在，即在經 骨髓移植后的小鼠脾臟內 發現存在有一種可自我更新的細胞集落。
這項工作于1960年發表于Radiation Research雜志。 發現了造血干細胞后，我們可以通過小鼠造血干細胞 （HSC） 的發育概況，來了解一下造血細胞分化等級的經典模型。
圖1. 造血細胞分化等級的經典模型
談到干細胞的不對稱分裂，想必大家都有所了解。
以造血干細胞為例。當一個造血干細胞分裂成兩個子細胞，這兩個子細胞還是響當當的造血干細胞，可以繼續保持干性，這個過程叫自我更新；而另一個分裂方法是，其中有一個或兩個子細胞開始分化，搖身一變，成為短期造血干細胞或造血祖細胞，最終分化形成很多更下游的造血祖細胞，并向髓系和淋巴系分化，最終分化紅細胞、血小板、粒細胞和淋巴細胞等成熟細胞，這個過程叫多向分化。
自我更新和分化主導著干細胞的發育。
在干細胞階段，負責“ 自我更新 ”的基因表達占主導地位，干細胞開始復制，體內干細胞數量劇增；在早期祖細胞階段，負責“自我更新”和“分化”的基因齊頭并進，細胞數量和種類增加，不對稱分裂主要發生在這一階段；在晚期祖細胞階段，負責“分化”的基因開始占表達，干細胞自我復制停止，開始分化。
圖2. 干細胞自我更新和多向分化
正是基于干細胞“自我更新”和“分化”的這種特點，僅僅很少數量的造血干細胞就能產生人體一生當中所需的所有血細胞，堪稱四兩撥千斤。
成體干細胞和已分化的細胞區別主要在于表觀遺傳構成 （DNA甲基化和染色質修飾等） 不同。轉錄因子和miRNA在干細胞的自我更新中發揮著重要作用，例如，染色質修飾因子Bmi1是造血細胞、神經、乳腺和前列腺干細胞自我更新所必需的。
02
腫瘤干細胞打哪里來
大家都知道，正常組織（如皮膚、乳腺、腸道、肺、肝臟，甚至腦）中是存在干細胞的，它們在生物體內特定的龕（niche）持續存在。當其他細胞和組織、器官發生受損、炎癥或體內穩態發生變化時，可通過不對稱分裂形成下一級祖細胞，并且可在組織中遷移從而修復組織損傷。
許多腫瘤的初始致癌突變（一處或多處）常發生于干細胞。在許多組織中，干細胞是存活最久的細胞，同樣，基因突變也是積累最多的。
那么腫瘤干細胞從哪里來的呢？有兩種說法：一種說法是，原本潛伏在組織里的成體干細胞發生了變異，變成了腫瘤干細胞；另一種說法是，某些未成熟的祖細胞發生突變后，通過“干細胞”化，變成了“特別壞”的腫瘤干細胞。
以造血干細胞為例，如果有幾個關鍵突變共同激活自我更新程序，或者共同使衰老和凋亡程序失活，則它們可賦予早期祖細胞長期增殖能力。
因此，腫瘤干細胞最終可能起源于早期祖細胞。
圖3. 向早期祖細胞賦予干細胞功能的分子突變
早在20世紀30年代，Furth and Kahn (1937) 就將小鼠白血病的細胞種植到同系正常小鼠內，并發現約5%的移植能夠成功。 1961年Southam、Brunschwig的研究以及1963年Bruce的研究，初步證明并非每個腫瘤細胞都有再生腫瘤的能力，首次在體內定量了具有克隆形成能力的淋巴瘤細胞的比例，顯示大約1%的移植細胞具有克隆形成能力。 1997年，John與 Bonnet首次在白血病中鑒定出腫瘤干細胞，這是在腫瘤干細胞研究領域的一大突破。 首次證實了白血病干細胞的存在并明確地提出了“白血病干細胞（leukemia stem cell，LSC）”的概念。 2001年，Reya在 Nature 上發表文章提出當代腫瘤干細胞學說。 2003年，Al-Hajj首次從實體瘤組織（乳腺腫瘤）中分離純化腫瘤干細胞。研究表明，200個這樣的癌細胞便可在受體小鼠體內形成移植瘤。而在相同的培養時間內，1萬個非特殊的乳腺癌細胞并不能形成腫瘤。至此，在血液系統與實體瘤都發現這樣一種數量稀少但致瘤性極強的腫瘤干細胞。隨后幾年內，腦瘤、前列腺癌、肺癌、胰腺癌、鼻咽癌等腫瘤中均發現了腫瘤干細胞，這奠定了腫瘤干細胞理論的研究基礎。
2018年來自賓夕法尼亞大學醫學院的J. Joseph Melenhorst和免疫治療學大牛Carl H. June團隊（是的，就是CAR-T細胞療法的奠基人），在頂級國際學術期刊Nature Medicine上發表了一個令人震驚的CAR-T細胞治療后復發的臨床案例。這個研究直接證實了人體存在腫瘤干細胞的假說。
03
腫瘤干細胞的臨床相關性
在腫瘤干細胞研究領域，存在爭議的一個主要問題是 腫瘤干細胞是否具有臨床相關性 。正常干細胞用于維持和調節細胞分化、增殖。而在癌癥組織中，組織修復和分化的表觀遺傳程序遭到破壞 。有研究發現 ， 在許多實體瘤中，只有少數癌細胞具有維持形成腫瘤的能力，大多數癌細胞增殖能力有限。 因此，深入研究腫瘤干細胞并尋找相應的靶向藥物，對癌癥的臨床治療意義重大。
然而，很多靶向腫瘤干細胞在臨床試驗中的藥物效果并不理想。這是因為我們對干細胞與腫瘤干細胞還不夠了解， 原因主要有下面幾個 ：
或者是因為將腫瘤干細胞識別為正常干細胞而不殺傷； 或者是在殺傷時，不能夠區別正常干細胞與癌癥干細胞，從而產生嚴重的副作用； 或者是不能區分處于活躍期的腫瘤干細胞和休眠期的腫瘤干細胞，從而無法克服癌癥復發等問題。圖4.休眠期和活躍期的腫瘤干細胞
FDA批準了三種針對腫瘤干細胞的靶向藥。 如下訴述，Vismodegib是一種信號通路抑制劑，靶向皮膚基底細胞癌里的腫瘤干細胞亞群，至少一種。Ivosidenib是一種異檸檬酸脫氫酶-1 （ IDH1） 的基因抑制劑，用于治療復發性白血病，已經獲批。Venetoclax，則可增強白血病干細胞里的活性氧 （ ROS） 通路。
通常，干細胞的生物學功能與免疫治療相關。既然干細胞對于組織損傷的修復十分重要，那么他們可以分泌一些調控因子來躲過自身免疫損傷就不足為奇。同樣，以造血干細胞為例，就可以通過表達CD47避免被巨噬細胞吞噬，CD47是有名的“不要吃我”信號。巧合的是，癌細胞也可以表達CD47逃過此劫，真是個擅于學習的壞蛋。
04
腫瘤干細胞的未來展望
腫瘤干細胞的臨床轉化研究具有光明的前景，雖然目前僅處于起步階段。如果要想充分發揮腫瘤干細胞的臨床潛力，還有以下幾個問題需要解決：
首先，也是最重要的 基礎研究 ，就是要進一步定義腫瘤組織中正常干細胞和腫瘤干細胞的分子學和細胞學特征。顯然，并非所有的致癌突變都可以把干性傳遞給一個終末細胞，此事定有蹊蹺。還要 明確腫瘤干細胞的演變的各種通路機制，知己知彼，百戰不殆。還需要多種途徑聯合治療，多兵種作戰，互相配合。
其次，治療藥物要能夠針對休眠期和增殖期的腫瘤干細胞，有的放矢，不做無用之功。
最后，治療要趁早。含有大量突變的腫瘤可能讓腫瘤干細胞靶向藥物變得更加復雜。如果能在實體瘤早期能夠清除掉腫瘤干細胞，那么治療效果可能更有效。凡事要趁早，不能姑息養奸。
參考資料：
[1] Clarke MF. Clinical and therapeutic implications of cancer stem cells. N Engl J Med 2019;380:2237-45.
[2]McCulloch, E.A., Till, J.E. (1960) The radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells, determined by quantitative marrow transplantation into irradiated mice. Radiation Research 13(1):115–125.
在生物細胞學研究中，有時需要體外培養和分析癌細胞。細胞要養好，就要用好血清，如Ausbian?特級進口胎牛血清，它的內毒素小于3Eu/ml，使細胞更健康，客戶做實驗更加順利。
文章來源于：干細胞者說 ，作者步步先生
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