肿瘤干细胞———抗肿瘤药物发现的机遇与挑战

肿瘤干细胞———抗肿瘤药物发现的机遇与挑战梁占超，张首国，王　林　　［摘要］　引发肿瘤的细胞亦称为肿瘤干细胞，可能成为治疗恶性血液病和实体瘤新的细胞靶点，近年来引起人们的极大兴趣。此外，肿瘤干细胞对目前肿瘤治疗药物不敏感，是目前药物治疗肿瘤局限性的可能原因。尽管对肿瘤干细胞的识别和表征有待深入，目前已经开展靶向肿瘤干细胞治疗策略的研究。本文详细综述此领域的发展及在抗肿瘤药物发现中的应用。［关键词］　肿瘤干细胞；信号通路；抗肿瘤药物［中图分类号］　Ｒ７３０．２；Ｒ９３９　　［文献标识码］　Ａ　　［文章编号］　１６７４０４４０（２０１０）０２０１４７０４作者简介：梁占超，男，在读硕士研究生，研究方向：新药设计与合成，Ｔｅｌ：０１０６６９３２２３９，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]作者单位：１００８５０北京，军事医学科学院放射与辐射医学研究所七室（梁占超，张首国，王　林）通讯作者：王　林，男，研究员，博士生导师，研究方向：新药设计与合成，Ｔｅｌ：０１０６６９３２２３９，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　近年来，对一些肿瘤患者的肿瘤引发细胞（ｔｕｍｏｒｉｎｉｔｉａｔｉｎｇｃｅｌｌ，ＴＩＣ，亦称肿瘤干细胞）的实验，不仅支持它是肿瘤生物学中的一个基本概念，也为抗肿瘤药物研发提供了新的细胞靶点。目前癌症治疗失败的原因往往不在于初级应答或初期诱导缓解缺乏，而在于治疗后的复发及肿瘤再生，在这一过程中，肿瘤干细胞具有关键作用。现在面临的主要挑战就是发现靶向明显有癌变及肿瘤复发位点的治疗药物。本文在概述肿瘤干细胞假说的基础上，着重介绍抗肿瘤药物研发的挑战和机遇。１　肿瘤干细胞：证据与争议２０世纪９０年代，研究者利用非肥胖糖尿病结合重度联合免疫缺陷（ＮＯＤＳＣＩＤ）的急性粒细胞白血病（ＡＭＬ）小鼠模型证实了肿瘤干细胞的存在。乳腺癌、脑癌、结肠癌、胰腺癌、肝癌、卵巢癌和黑色素瘤等实体肿瘤的肿瘤干细胞，已通过适当的细胞表面标记成功分离出来。这些细胞包括ＣＤ４４、ＣＤ２４、ＣＤ１３３、ＥＰＣＡＭ和ＡＢＣＢ５等，它们被移植到ＮＯＤＳＣＩＤ小鼠体内后，会产生原始肿瘤的拟表型。然而，关于是否这类细胞就是唯一在实体肿瘤患者中起作用的肿瘤干细胞所面临的理论和技术问题依旧存有争议。目前的细胞分选方案有利于生态独立的肿瘤干细胞，后者可能类似于正常干细胞实验中处于激活态和流动态的细胞。用于预期分选的某些标志物也可能用于选取能避开免疫系统的细胞，此性质与肿瘤干细胞相关。但一些用于细胞分选的标志物同时可预测疾病进程，表明其可识别临床上重要细胞群。一些白血病小鼠模型实验与肿瘤干细胞假说不相符，这表明人类某些癌症可能不符合这一模式。然而，就像很多已经失去最初形成白血病时层次结构的细胞链一样，一些实验小鼠模型无法准确地反映肿瘤的异质性和原发性人类肿瘤的病理学环境。也有人认为，将某些表型独特的人类癌症细胞注入免疫缺陷小鼠时，由于人鼠微环境的差异而无法成长，所以肿瘤干细胞在小鼠模型上的鉴定为肿瘤干细胞假说增加了可信度。此外，转基因模型更有利于推动谱系跟踪实验，它可以提供没有限制和移植变异性的肿瘤引发和肿瘤分类的证据。肿瘤干细胞假说为研究癌症细胞的异质性、异常分化及肿瘤宿主相互作用等提供了一个新的框架。２　肿瘤干细胞假说肿瘤干细胞假说与现存的癌症克隆演变观点并不冲突，而是恰恰表明了肿瘤细胞体系在肿瘤演变中的关键作用，并强调了其在肿瘤异常分化过程中的重要性。肿瘤干细胞由母细胞分离出来，并带有增强的自我更新能力。自我更新会受到增殖、分化和凋亡的影响。异常增强的自我更新能力可能由不同机制所致。肿瘤干细胞在癌症转移及肿瘤宿主的相互作用中起重要作用。肿瘤干细胞假说推测癌症的宏观转移源于肿瘤干细胞的迁移和扩散。在乳腺癌患者转移性胸腔积液中，很容易检测到致癌性ＣＤ４４＋ＣＤ２４－细胞，而且在骨髓中检测到的早期扩散的癌细胞大多具有乳腺肿瘤干细胞表型。处在上皮细胞转型成间叶细胞过程（ＥＭＴ）的细胞和肿瘤干细胞很多标记物和属性相同。这些发现显示了这些肿瘤细胞的潜在可塑性，表明了在ＥＭＴ及自我更新过程中有一些共同的可控的发展过程。正常干细胞的行为受细胞微环境信号的严格控制。微环境支持自我更新及维持干细胞特性的同时，亦能控制干细胞的数量及增殖，这可能成为抑制癌症的作用机制。同样，肿瘤微环境也可抑制肿瘤干细胞，如使一些肿瘤处于休眠状态或在几十年内发展缓慢。但突·７４１·国际药学研究杂志　２０１０年４月　第３７卷第２期　ＪＩｎｔＰｈａｒｍＲｅｓ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２，Ａｐｒｉｌ，２０１０变可能使肿瘤干细胞不依赖于微环境信号，从而使自我更新加快并增加转移的风险。３　肿瘤预后不佳的可能机制许多癌症患者，尤其是实体肿瘤患者，对现有的癌症治疗包括化疗、放疗及肿瘤靶向药物没有反应，或经过初步缓解后又迅速复发。其主要原因可能包括肿瘤干细胞自身耐药、治疗手段本身疗效不佳和（或）癌细胞基因不稳定。研究表明，侵袭性越强的癌症，其肿瘤干细胞越多。ＡＭＬ中高表达干细胞的发现预示着疾病经治疗后微小残留的可能性高，而且预后不佳。而且，化疗增加了乳腺癌患者中ＣＤ４４＋ＣＤ２４－肿瘤细胞百分比，此与肿瘤干细胞的抗药性是一致的。许多肿瘤干细胞对化疗药物如紫杉醇和多柔比星类具有耐药性，原因包括其休眠或缓慢增殖特性、ＡＴＰ结合盒泵的高位表达、高水平的抗凋亡分子、对氧化或ＤＮＡ损伤的抵抗性，以及其有效修复ＤＮＡ的能力。虽然肿瘤干细胞可能比肿瘤块更能抵抗治疗，但不同肿瘤干细胞对治疗的敏感性存在差异。与传统抗癌药物相似，许多新型肿瘤靶向治疗药物也是针对迅速增殖的癌细胞，因此许多肿瘤干细胞可能也对此类靶向药物并不敏感。如靶向ＢｃｒＡｂｌ蛋白的酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼，其根除的是白血病定向祖细胞的增生，而非原始的休眠肿瘤干细胞。而且，大多数患者经过治疗后融合基因转录仍呈阳性。伊马替尼治疗慢性髓样白血病所产生的耐药性和疾病复发问题可通过靶向涉及维持Ｈｅｄｇｅｈｏｇ的干细胞必需通路而避免。在某些类型的癌症中，肿瘤干细胞可增加，信号生长通路对这类细胞有重要作用，因此可作为癌症的治疗靶点。若患者体内存在大量肿瘤干细胞，由于再生肿瘤仅需其中一小部分，因此要求治疗药物必须高效率地杀死这些细胞，以避免复发。如果一次治疗能杀死肿瘤中９５％的肿瘤干细胞，虽然使肿瘤缩小，但也可能有足够的肿瘤干细胞残留以致复发。因此肿瘤干细胞抗药性仍是影响疗效的关键。如果肿瘤干细胞假说广泛适用，它可能延伸到易于治疗的一些肿瘤领域，如某些胚细胞瘤和成神经细胞瘤。事实上，对这类肿瘤的化疗往往能消除未分化癌细胞，并产生由分化细胞组成的良性肿瘤残留块。这就表明它们的干细胞组成可能是先天性化疗敏感，无法抵抗。针对肿瘤干细胞的治疗同时难以避免现有肿瘤治疗面临的问题：抗药性的出现以及日益增长的顽固性癌细胞。然而，了解肿瘤干细胞行为的分子基础将有助于新治疗策略的设计。４　治疗策略肿瘤干细胞假说为几种超越传统抗增殖药物的治疗策略的合理性奠定理论基础。潜在的杀死肿瘤干细胞的方法包括：阻断基本的自我更新信号通路、抑制其生存机制或通过抗体细胞毒素方法定位肿瘤干细胞表面标志物，以及诱导肿瘤细胞分化。许多肿瘤干细胞可能依赖于微环境来维持它们的性质，因此靶向微环境可能会是一种间接抑制或分化肿瘤细胞的策略。许多肿瘤细胞都能异常分化，自我更新失控可能是关键因素之一，因此一些发育信号通路已成为抗肿瘤新药研发的新重点。目前进入临床前和临床试验的药物有：靶向Ｈｅｄｇｅｈｏｇ通路的５Ｅ１、环巴胺（ｃｙｃｌｏｐａｍｉｎｅ）、ＧＤＣ０４４９和ＩＰＩ９２６，靶向Ｗｎｔ通路的ＡＷＮＴ２特异性单抗和各种ＴＣＦβ连锁蛋白抑制剂，靶向Ｎｏｔｃｈ通路的ＤＢＺ、ＭＫ０７５２、ＤＬＬ４特异性单抗，靶向ＡＢＣＢ５的３Ｃ２１Ｄ１２和ＡＢＣＢ５特异性单抗，靶向ＣＤ４４的Ｈ９０、Ｐ２４５以及靶向ＥｐＣＡＭ的阿德木单抗（ａｄｅｃａｔｕｍｕｍａｂ）、依决洛单抗（ｅｄｒｅｃｏｌｏｍａｂ）、ｃａｔｕｍａｘｏｍａｂ和ＭＴ１１０。虽然目前对肿瘤干细胞存活机制了解不多，但这些存活通路也可成为杀死肿瘤干细胞的潜在靶标。如具有ＮＦκＢ通路抑制活性的蛋白酶体抑制剂ＭＧＢ２可快速诱导白血病干细胞ＣＤ３４＋ＣＤ３８－凋亡；白细胞介素４特异性单抗可降低ＣＤ１３３－和ＣＤ１３３＋克隆癌细胞存活；ｍＴＯＲ和ＳＴＡＲ３通路的激活是乳腺肿瘤干细胞存活与维持必需。肿瘤干细胞表面标志物也是重要的靶点，特别是对基于抗体的疗法。表面标志物如ＣＤ３４、ＣＤ４４、ＣＤ１３３和ＡＢＣＢ５已经被用于从各种肿瘤类型中鉴别肿瘤干细胞。这些标志物大多表达为正常细胞，所以寻找一个治疗窗可能是一个挑战。靶向肿瘤干细胞表面标志物可通过影响细胞微环境发挥作用。干细胞样的成胶质细胞能够促进肿瘤血管生成，表明这些细胞可能有助于创造其自身的微环境。而且微环境相互作用中的信号可能是双向的，肿瘤干细胞既是其信号源又是其靶标。值得强调的是，大部分的微环境相互作用的数据来自动物模型，并且微环境在不同人体组织及癌症中的作用尚不清楚。然而，肿瘤干细胞与脉管系统间的相关联，增加通过影响肿瘤干细胞中的血管微环境使抗血管生成疗法发挥作用的可能性，而且可将靶向肿瘤干细胞的抗血管生成药物联合用药，·８４１·国际药学研究杂志　２０１０年４月　第３７卷第２期　ＪＩｎｔＰｈａｒｍＲｅｓ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２，Ａｐｒｉｌ，２０１０还可以设想靶向肿瘤干细胞其他微环境的治疗策略。５　治疗窗与联合用药潜在的治疗窗一直是所有抗癌方法关注的重点，包括那些靶向肿瘤干细胞的药物。敲除ＰＴＥＮ肿瘤抑制基因将导致小鼠移植白血病干细胞的增殖及正常肝星状细胞的衰竭。有趣的是，西罗莫司（雷帕霉素）不仅可使白血病干细胞衰竭，还使白血病模型小鼠肝星状细胞浓度恢复正常。尽管这种情况尚未在人类癌症的情况下证实，但这一发现支持靶向肿瘤干细胞治疗窗实现的潜在可行性。如果治疗窗足够大，联合靶向在肿瘤干细胞中起作用的多个通路，将比抑制单个通路更有效。在临床前研究模型中结合肿瘤家族背景及生物标志物评估药物和联合用药的有效性和可能的耐药性是至关重要的。研究其对基质细胞和脉管系统的影响，并密切关注不同联合用药的治疗窗也很重要。根据相关临床模型中获取的数据所设计出的组合治疗策略有望克服通路冗杂和耐药性问题，有助于实现临床肿瘤长期缓解。６　靶向肿瘤干细胞的药物发现抗癌药物研发的传统方法是针对细胞增殖而不是细胞的自我更新或分化，所以这种方法通常偏向于选择具有同源表达模式的靶标以及能有效杀死大部分癌细胞的化合物。肿瘤干细胞依赖于微环境及若干发育信号通路，为此，要对与之相关的抗肿瘤药物研发平台做相应调整，使之与临床相关联（图１）。７　结语明确当前部分有效的全身化疗和靶向抗肿瘤药物的作用机制尚需要进一步的研究。在临床前期研究中出现了一些组合治疗策略，包括细胞毒药物、肿瘤靶向药物及肿瘤干细胞靶向药物，有可能同时或陆续地瞄准肿瘤干细胞、肿瘤细胞的快速增殖及其微环境。研究者希望此新策略能迅速消除肿瘤细胞核心亚群，并避免肿瘤干细胞或重新获得自我更图１　靶向肿瘤干细胞的抗癌药物发现平台（下转第１５３页）·９４１·国际药学研究杂志　２０１０年４月　第３７卷第２期　ＪＩｎｔＰｈａｒｍＲｅｓ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２，Ａｐｒｉｌ，２０１０外，二吲哚基甲烷还能够降低女性患乳腺癌和男性患前列腺癌的风险。把苹果和大豆提取物置于无水丁二醇中而成ｅｑｕｉｓｔａｔ。苹果提取物包含萜类化合物如熊果酸，已被证实是弹性蛋白酶抑制剂，具有抗炎和胶原刺激活性。大豆水解产物中的肽类与大豆异黄酮（染料木素、大豆黄酮及其糖苷类）及苹果三萜类一起共同发挥基质金属蛋白酶抑制剂的作用。熊果酸通过恢复皮肤胶原组织的弹性来帮助减缓皱纹及老年斑的出现。染料木素和大豆黄酮刺激皮肤细胞中透明质酸的生成。单甲磺酸双氢麦角碱是双氢麦角考宁、双氢麦角克碱以及α、β麦角隐亭的甲磺酸盐混合物。喜得镇（也称海得琴或安得静）是一个强效抗衰老药，有助于治疗与年龄相关的智力退化。它可模拟神经生