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癌癥干細胞是治療的主要目標嗎?

2018-11-22

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癌癥干細胞(CSC)是當今癌癥治療中最具挑戰性的靶點之一。在這里,我們首先回顧一下這一現象的背景,然后探討靶向CSCs研究抗癌療法中應用的各種試驗模型。

癌癥干細胞(CSC)簡介

癌癥異質性的確存在。然而,在過去20年中,癌癥分級作為一種全新模式出現,改變了我們對腫瘤異質性和癌癥治療的看法。與正常組織極為相似,腫瘤組織含有一小群干細胞樣群體,促進生成大量分化的癌細胞。

在常規細胞生理學中,干細胞按其不對稱分裂能力定義。根據其分子和細胞微環境的不同,干細胞可:

  • 自我更新,生成新的原始干細胞,或
  • 進行分化,生成特定組織的分化細胞系。

同樣,癌癥干細胞(CSC)也能自我更新,生成分化的癌細胞。

然而,諸多關于癌癥干細胞(CSC)的研究已經研究了腫瘤起始細胞。這些細胞:

  • 在動物模型中啟動腫瘤形成(根據癌癥干細胞(CSC) 模式,這類細胞由于擁有腫瘤再生能力被歸類于CSC)
  • 以及通過分化生成非癌癥干細胞(CSC)(缺乏自我更新和分化能力的癌細胞)。

癌癥干細胞生成過程

自在1997年急性髓性白血病(AML)中被發現以來,癌癥干細胞(CSC)的存在在學術界一直極具爭議。

癌癥干細胞(CSC)的出現被歸結于:

  • 正常干細胞的致癌性轉化。
  • 在癌變過程中,形態發生信號通路的激活能促進成熟腫瘤細胞的去分化。

正常干細胞的致癌性轉化

在2012年曾連續發表過三篇文章,為癌癥干細胞(CSC)源自正常干細胞提出了最佳證據。這些研究利用基因標記追蹤了癌變過程中大腦、結腸和皮膚干細胞。在研究的組織中,這些轉化的干細胞是腫瘤細胞的前體細胞,同時也是實現腫瘤永久消退的關鍵細胞靶點。

體細胞重新編程

隨著誘導多功能干細胞(iPSC)時代的到來,重新編程分化細胞使其進入多能性階段比之前認為的簡單許多。這種多能細胞重新編程,僅由4個轉錄因子的表達驅動:Nanog、Sox2、Oct-4和Klf4,以及致癌蛋白c-myc。

B進一步說,微環境中的一些刺激物,也可誘發激活癌細胞中干細胞分子程序。這些包括炎癥、缺氧、轉化生長因子β及化療壓力。Wnt /β-連環蛋白信號通路可能是癌癥中研究最多的干細胞通路。

目前對癌癥干細胞(CSC)的研究和目標

20年來在這一領域中經過大量研究,已在幾乎所有癌癥中確定了腫瘤起始細胞,包括黑色素瘤、乳腺癌、結腸癌、肺癌、腦癌、肝癌、急性髓細胞白血病(AML)、慢性粒細胞白血病(CML)等。

除其有再生特性之外,癌癥干細胞(CSC)還是腫瘤轉移、對傳統療法(化療和放療)耐受以及治療后復發的原因。

因此,癌癥干細胞是癌癥治療的根本也可能是挑戰最大的靶點。

臨床定義癌癥干細胞(CSC)藥物療效的方法

雖然在血液瘤(如急性髓細胞白血病(AML)和慢性粒細胞白血病(CML))中穩定確立了癌癥干細胞(CSC)模式,但實體瘤中癌癥干細胞(CSC)的存在仍具爭議性。種種跡象表明,癌癥干細胞(CSC)由特殊細胞外標記定義,這些標記可用于識別癌癥干細胞(CSC)和非癌癥干細胞(CSC)群體。關于實體瘤癌癥干細胞(CSC) 是否存在,乳腺癌和結腸癌即為最佳證據。

癌癥干細胞標記

腫瘤類型 癌癥干細胞(CSC)表型 參考書目/文獻
急性髓細胞白血病(AML) CD34+/CD38+ Bonnet and Dick, 1997
腦癌 CD133+ Sinh et al., 2004
乳腺癌 CD44+/CD24-/low Al-Hajj et al., 2003
結腸癌 CD133+ O’Brien et al., 2004
黑色素瘤 ABCG5+, CD20+ Shatton et al., 2008
多發性骨髓瘤 CD138-, CD20+ Matsui et al., 2008
前列腺癌 CD133+/CD44+/α1 β2+ Collins et al., 2005

另外,如果缺乏具體特異性標記,可以通過各種功能試驗定義腫瘤樣本中的“干細胞特性”。這些包括側群細胞識別、ALDH分析和錨定非依賴性的腫瘤球3D培養。

樣本中癌癥干細胞(CSC) 的百分比取決于多個因素。這些因素包括樣本是否由體外二維或三維培養,或體內動物模型中獲得。此外,機體免疫缺陷程度也是影響腫瘤中癌癥干細胞(CSC)發生頻率的另一個因素。各種小鼠模型可以是:

  • 免疫健全(野生型):同種移植模型(依賴于小鼠癌細胞株移植)和野生型背景下的原發瘤模型(癌變為自發,或者由化學或遺傳因素誘發)。這些免疫健全模型,可以試驗癌癥免疫療法。
  • 免疫缺陷(如NOD-SCID、RAG等缺乏適應性免疫):主要用于人源腫瘤異種移植 (PDX)模型或傳統的細胞系異種移植(CDX)模型
  • 嚴重免疫缺陷(如RAG-/- x γc-/-、NSG,缺乏適應性免疫及某些先天免疫因子):再次用于細胞系或人源腫瘤異種移植模型

免疫健全模型

同種移植、致癌基因和化學物質誘導的模型使人們可以全面了解微環境對癌癥干細胞特性的影響。這些模型可用于靶向癌癥干細胞(CSC)的免疫療法研究。

同種移植和細胞系異種移植模型之一大優點,就是已發表了大量與癌癥干細胞(CSC) 等級及表型相關的證據。然而,同種移植腫瘤模型存在體外培養過度的問題,可能會改變細胞群體的異質性和細胞的啟動腫瘤發生的能力。

常見同基因模型中的癌癥干細胞(CSC)群體

癌癥類型 細胞株 小鼠品系 癌癥干細胞(CSC)表型 參考書目/文獻
惡性腺瘤 JC 細胞/c  
膀胱癌 MBT-2 C3H/He Oct-3/4 Chang et al., 2008
乳腺癌 4T1 細胞/c 側群細胞 Kruger et al., 2006
  EMT-6 細胞/c  
結腸癌 CT-26.WT 細胞/c CD44 (not exclusive) Dotse and Bian, 2016
  MC38 C57BL/6 CD44+ ALDH1+ Jinushi et al., 2001
纖維肉瘤 WEHI-164 細胞/c  
腎癌 Renca 細胞/c 側群細胞 Nishizawa et al., 2012
      包裹腫瘤細胞群落,Sca1, Oct4, CD44 Smith et al., 2011
肺癌 LL/2 (LLC1) C57BL/6 范圍,CD133、CD34、Sox2、Oct4 Zhang et al., 2018
      側群細胞 Zhang et al., 2012
  KLN205 DBA/2  
淋巴瘤 A20 細胞/c  
黑色素瘤 B16-F10 C57BL/6 CD133+ CD44+ Zhao et al., 2017
        Dou et al., 2007
胰腺癌 Pan02 C57BL/6 ALDH+ Zhang et al., 2016
前列腺癌 RM-1 C57BL/6  

常見異種移植模型中的癌癥干細胞(CSC)群體

癌癥類型 細胞株 小鼠品系 癌癥干細胞(CSC)表型 參考書目/文獻
乳腺癌 MCF-7 NOD-SCID CD44+ CD24low Vazquez-Santillan et al., 2016
Afzali et al., 2016
側群細胞 Han and Crowe, 2009
結腸癌癌 COLO205 細胞/c nude CD133+ CD44+ Li et al., 2012
CD133+ Zangiacomi et al., 2014
HCT-116 細胞/c nude CD44+ Yeung et al., 2010
CD133+ Botchkina et al., 2009
肺癌 A549 細胞/c nude CD44+ CD24-/low Balla et al., 2015
淋巴母細胞癌 Raji 免疫缺陷/米色 ALDH+, Sox2, Nanog Ryu et al., 2017
卵巢癌 TOV-21G 無胸腺裸鼠 ALDH+ Wang et al., 2012
TOV112D NCR nu/nu  
前列腺癌 22Rv1 細胞/c nude ALDH+ Nishida et al., 2012
CD133+ Kanwal et al., 2018
DU145 細胞/c nude CD44+ integrinα2β1+ CD133+  Chen and Wang, 2012
CD133+ CD44+ Wei et al., 2007
Wang et al., 2013
PC-3 細胞/c nude CD133+ CD44+ Wang et al., 2013

與移植瘤模型相比,小鼠原發瘤模型在反映腫瘤發生及癌變各階段微環境變化方面具有諸多優勢。另一方面,致癌基因驅動的模型可能無法再現腫瘤異質性和層次性,因而化學誘導或自發小鼠腫瘤模型可能為最佳的模型選擇。

然而,這些化學誘導或自發小鼠腫瘤模型,往往無法完全模擬人類癌癥(例如MCA誘導的肉瘤、新西蘭黑小鼠慢性淋巴細胞白血病)。

最后,把同種移植模型和原發瘤模型用于癌癥干細胞研究時,需要考慮物種特異性。諸多癌癥干細胞標記,如干細胞抗原1 (Sca-1),只適于小鼠干細胞生物學,不適用于人類癌癥。這也意味著這些相關信號通路也不能作為人類疾病的治療靶點。

人源腫瘤異種移植 (PDX)

在尋找癌癥干細胞(CSC)療法時,人源腫瘤異種移植 (PDX)提供了最佳選項,不包括免疫療法藥物。人源腫瘤異種移植 (PDX)從未在體外傳代,因此其癌癥干細胞(CSC)百分比、表型和分子標記應該與其親代腫瘤相似。與傳統異種移植模型不同,人源腫瘤異種移植 (PDX)缺乏體外誘導或基因改造引起的永生化,可能會改變其癌癥干細胞(CSC)表型。

人源腫瘤異種移植 (PDX)樣本中癌癥干細胞(CSC)群體,可能會受到患者先前是否接受治療或樣本是否來自轉移部位的影響。利用人源化小鼠,免疫療法也能在人源腫瘤異種移植 (PDX)模型的癌癥干細胞(CSC)靶向策略中發揮作用。

結論

癌癥干細胞(CSC) 模式徹底改變了人們對腫瘤生物學的理解,同時創造了癌癥干細胞(CSC)靶向的新型治療策略。探索新型癌癥療法需要一系列模型與追蹤技術全面評估靶向癌癥干細胞(CSC)、根除腫瘤療法的潛力。

Topics: Oncology

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