放射对肿瘤干细胞信号通路的影响.docx

肿瘤放射抗拒性的研究进展摘要：肿瘤是我国常见恶性疾病之一，放射治疗是其重要的治疗手段之一，放疗后复发与转移导致了放射治疗的失败，而肿瘤干细胞的放射抗性在其中扮演着重要角色。肿瘤干细胞假说是近年来提出的一种新理论，具有自我更新、多向分化等多种潜能，是肿瘤预后不良的一个重要因素，此概念的提出为研究肿瘤的发生、发展、治疗提供了新视野。肿瘤干细胞放射抗性的相关机制错综复杂，其中涉及凋亡基因的调控、DNA损伤修复能力、细胞周期状态以及多种分子信号通路的改变。文章对肿瘤干细胞的起源、肿瘤干细胞放射抗拒生物特性和相关机制及其临床意义,研究前景进行了阐述。关键词：肿瘤干细胞；放射抗拒Abstract: Tumor is one of the most common malignant diseases, radiation therapy is one of the important measures of treatment, recurrence and metastasis after radiotherapy cause the failure of the radiotherapy, radiation resistance and cancer stem cells play an important role in it. Cancer stem cell hypothesis is a new theory put forward in recent years. Cancer stem cell has the potential of self-renewal and multi-directional differentiation, which is an important factor of tumor prognosis.The concept is provides a new perspective for the research, development and treatment of tumor. Radiation resistive mechanism of tumor stem cells is complex, involving apoptosis gene regulation, DNA damage repair ability, the change of the state of the cell cycle as well as a variety of molecular signaling pathways. This article will show that recent origin, radiation resist biological characteristics, mechanism, clinical significance and research prospects of cancer stem cells.Key words: cancer stem cells; radiation resistance; molecular signaling pathways1肿瘤干细胞的起源目前存在两种肿瘤形成学说，即随机学说与阶层学说1。随机学说认为所有肿瘤细胞是功能同质的，每个肿瘤细胞都有形成肿瘤的能力，但其进入细胞周期增殖分裂是由一些低概率的随机事件控制。因此，要阐明肿瘤的生物学特性必须研究全部肿瘤细胞。而阶层学说认为，肿瘤细胞在功能上存在很大的异质性，只有极小部分肿瘤起源细胞才有成瘤能力，且成瘤率很高。这种肿瘤起源细胞即为肿瘤干细胞，与其他肿瘤细胞不同，它具有自我更新和分化能力，是肿瘤研究的靶点2。两种观点都有各自的实验证据，但目前肿瘤干细胞起源得到越来越多研究结果的支持3-7。Sell等8认为恶性肿瘤的产生和发展是由于干细胞的分化受阻，而不是成熟细胞的去分化。倪晓光等9认为肿瘤干细胞是肿瘤起始事件的靶子或“第一次打击”致突变的靶标。体细胞的突变不会形成肿瘤，是因为成熟细胞存活的半衰期短，在促进事件或“第二打击”发生之前，细胞通常早已死亡。肿瘤的启动阶段必须发生在干细胞或其前体细胞，因为此类细胞存活时间较长。研究表明，肿瘤是干细胞在长期的自我更新过程中，由于多基因突变导致干细胞生长失去了正常调控而停止在分化的某一阶段无限制增殖所形成，干细胞所处的微环境通过某些信号通道以及分泌多种细胞因子来发挥调控作用，而微环境的改变致使干细胞的分化方向发生改变可能是肿瘤发生的基础。2 肿瘤干细胞放射抗拒性的相关机制肿瘤干细胞与非肿瘤干细胞相比具有自我更新、多向分化的潜能，在肿瘤的发生、转移和放化疗耐受中扮演着重要的角色。肿瘤干细胞产生放射抗性的机制与各种信号通路改变有关，高效的DNA损伤修复机制，抗凋亡程序的激活，细胞周期的异常调控，较高的自由基清除水平以及肿瘤干细胞的微环境有关。其中信号通路改变包括细胞外信号调节酶（ERK）,表皮生长因子调节的信号传导通路（VEGF），同源重组（HR），非同源末端链接(NHEJ)10，还有比较熟悉的Wnt、Hedgehog (Hh)和Notch信号转导通路的改变。2.1 信号转导通路的改变多个细胞信号通路在肿瘤进展过程，包括癌症的侵袭和转移是至关重要的，参与细胞的信号转导通路在细胞外刺激和细胞的内反映之间起着桥梁作用，在肿瘤细胞中也不例外。与肿瘤干细胞关系密切的信号转导通路有Wnt、Hedgehog (Hh)和Notch，它们不仅在各自的通路中发挥重要作用，而且它们三者之间也存在着密切的关系。经典Wnt 信号转导通路是通过膜Frizzled（FZD）信号受体和低密度脂蛋白相关蛋白（LRP） 受体的-catenin 信号级联，-catenin 是Wnt 信号通路上一个重要的下游调节者，并且是干细胞自我再生所必须的，经典Wnt /-catenin 信号的异常激活在人类癌症中是最常见的一种异常信号。激活Wnt 信号在肿瘤中的发展，促进细胞核内的-catenin 积累，由此产生特定的靶基因的转录激活11-12。已发现Wnt 配体和Wnt 结合蛋白不适当的激活Wnt 信号表达在各种人类肿瘤细胞中13-15。Eyler16等发现Wnt /-catenin 在乳腺癌干细胞的放射不敏感中起着重要作用。Bao17等研究发现肿瘤干细胞放射抗拒的出现与Wnt/-catenin 参与细胞受射线照射后的存活与自我更新和肿瘤干细胞通过激活CHK1 / 2 加强DNA 损伤的修复之间相互联系密切相关。Christine 18 等的研究说明DNA 的损伤可以增强-catenin 的活性，再一次说明Wnt /-catenin 可以增加肿瘤干细胞的抗射线能力。Clement 19 表明诱导非贴壁表面表达Jagged-1 的肿瘤干细胞富集，在增大Notch 的活性后进行射线照射，其肿瘤干细胞的富集程度是升高的，Jagged-1 增加Notch活性后表现出抗辐射现象。Wang20等的研究也表明- 分泌酶抑制剂（GSIS）与抑制Notch 信号通路的活性可以增加胶质瘤干细胞的放射敏感性，其原理与照射后胶质瘤干细胞的DNA损伤反应无关，而是降低Akt 的活性和Mcl-1 水平。Hedgehog(Hh)-GLI1 途径在人脑胶质瘤CSC 的自我更新和致瘤性的作用得到证明，所以可以想象的是，这一途径可能参与辐射治疗后肿瘤复发，与肿瘤干细胞放射治疗后的存活也有关系20。2.2高效的DNA损伤修复机制电离辐射的生物有效性取决于细胞不可修复的DNA 损伤，主要是DNA 双链断裂，其次是累积的亚致死DNA 损伤，正常组织与肿瘤组织之间往往有不同的修复能力。Bao 等17认为肿瘤干细胞具有更强的DNA 损伤检查点和损伤修复能力，因此导致细胞的放射抗拒。检查点激酶（checkpointkinase，Chk）Chk1 和Chk2 在肿瘤干细胞的放射抗性中起重要作用21，通过抑制Chk1 和Chk2 的活性，可削弱脑胶质瘤干细胞对照射的抵抗能力，恢复其对放射的敏感性17。同时还发现脑胶质瘤CD133细胞和CD133细胞在受到相同剂量照射后DNA 的损伤程度相同，但CD133细胞能更有效地激活对DNA 损伤的应答，修复照射所致的DNA损伤，使细胞凋亡率显著降低22。2.3抗凋亡程序的激活肿瘤干细胞受到电离辐射刺激时，特殊的调节机制就会启动，同时PI3-K、MAPK、NF-B 通路会随之级联激活，抗凋亡蛋白Mcl-1 的表达增加，使细胞凋亡率降低。Fulda 等23发现异常激活的抗凋亡程序，高表达的抗凋亡蛋白（inhibitor ofapoptosis protein，IAP）能够降低放射治疗的效果。而其中XIAP 发挥的抗凋亡作用最强，通过激活NF-B 参与诱导肿瘤的放射抗性和耐药性，还可以通过细胞周期阻滞、自我更新和缺氧环境影响放射治疗的效果。2.4细胞周期的异常调控p27KIP1 是周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）抑制剂，具有限制性调节细胞周期进程的作用，使细胞停滞在G1 期，细胞生长停止，可能是一种肿瘤抑制物。Tong 等24发现低表达的p27KIP1 改变了细胞周期状态，导致食管癌细胞的放射抗拒。细胞周期性蛋白（S phase kinase protein 2，Skp2）参与p27KIP1 泛素化降解过程，使其在许多恶性肿瘤中处于低表达水平，并正性调控G1/S 期的转换。Wang 等25研究发现在ESCC 组织中Skp2 的表达升高，通过作用于p27KIP1 促进了细胞的放射抗性，而Skp2 基因的敲除可提高肿瘤细胞的放射敏感性。2.5较高的自由基清除水平肿瘤细胞常处于缺氧的环境中，使细胞中的ROS 水平降低，同时缺氧诱导因子（hypoxia inducible factors，HIF）的水平升高，与肿瘤的放射抗拒密切相关26。肿瘤干细胞具有更高的活性氧基团（reactive oxygen species，ROS）清除水平，产生的ROS 较少，DNA 的损伤较非肿瘤干细胞小。研究发现中枢神经系统干细胞和造血干细胞的ROS水平比普通体细胞低，这种差异对维持干细胞功能至关重要。Diehn 等27发现人和小鼠乳腺肿瘤干细胞与非肿瘤干细胞相比含有更低浓度的ROS，而低水平的ROS 与较强的自由基清除能力有关，放射所致的DNA 损伤明显少于非肿瘤干细胞，因此更具有放射抗拒性。组蛋白H2A 磷酸化被认为是DNA 损伤修复的标志28，乳腺癌干细胞受到照射后会产生更少的-H2AX，而且在小鼠乳腺癌干细胞的研究中发现，肿瘤干细胞中-H2AX的清除速度较非肿瘤干细胞更快29。2.6 肿瘤干细胞的微环境肿瘤干细胞的微环境又叫肿瘤干细胞壁龛（niche），由壁龛细胞、细胞外基质和来源于壁龛细胞的可溶性因子等组成。干细胞壁龛学说认为壁龛作为干细胞生存的微环境，通过和干细胞之间直接和（或）间接的作用影响干细胞的增殖、分化和避免龛外因素对其损害30。能够解释肿瘤干细胞壁龛调控干细胞命运的机制之一就是对称控制（产生两个一致的子代细胞）和不对称分裂（产生一个一致的子代细胞和一个分化细胞）。不对称分裂产生一个干细胞留在壁龛内，而另一个子代细胞逃出壁龛，以保持壁龛中干细胞数量的稳定31，增加了射线杀死肿瘤干细胞的难度。此外，有文献报道脑胶质瘤干细胞在壁龛里以微血管为中心排列，微血管不仅可以供应脑肿瘤生长所需的营养，还可以通过分泌可溶性因子维持干细胞的更新和增殖。Calabrese32发现内皮细胞和胶质瘤干细胞共移植可以加快肿瘤的形成速度。Folkins33等建立鼠C6 胶质瘤模型后，联合应用抗血管生成剂和细胞毒药物治疗，结果明显降低了肿瘤中脑肿瘤干细胞的比例。以上说明肿瘤干细胞壁龛对干细胞与射线对抗起着重要作用。3肿瘤干细胞放射抗拒生物特性研究在恶性肿瘤放射治疗中的意义及存在的问题由于恶性肿瘤多浸润性生长, 手术难以做到真正的彻底切除, 放射治疗作为重要的辅助治疗,对于提高患者的生存期发挥至关重要的作用。随着在神经肿瘤中成功分选出神经肿瘤干细胞, 我们从肿瘤干细胞角度去解释和分析恶性肿瘤放射生物学特性, 能给临床诊断和治疗提供新的思路。我们可以推断: 肿瘤放射治疗敏感性的预测对于放射线的反应, 肿瘤干细胞相对于一大块肿瘤组织应该更具有意义, 更能预测临床治疗的结果。当然, 对于放射增敏剂的设计也应该更注重考虑其对于肿瘤干细胞的作用。肿瘤干细胞从根本上导致了肿瘤放射治疗的抗拒, 从而治疗失败。将肿瘤干细胞作为放射治疗的切入点, 针对其放射生物学行为制订对策, 才能从根本上解决问题。今后从肿瘤干细胞角度去进行肿瘤放射治疗研究需着重解决以下几个关键问题: ( 1) 探索和揭示肿瘤干细胞放射敏感性调节相关的信号转导通路。( 2) 研究肿瘤干细胞niche 的本质及它对肿瘤干细胞放射生物学行为的作用机制。( 3) 针对肿瘤干细胞放射抗拒机制, 寻找逆转靶点, 对靶点药物进行研发, 进行临床前和临床试验。毫无疑问, 随着肿瘤干细胞放射抗拒生物特性研究的深入将有助于对肿瘤发生发展本质的理解,同时有必要对其进行深入的研究，这样新的治疗方法才有可能解决肿瘤放射治疗失败的问题，从而降低肿瘤的复发和转移几率。未来，我们期待对肿瘤干细胞有的可塑性和维护状态的内外控制因素有更多的了解。由于放疗的复杂性，不同的信号转导通路和不同的机制对每个患者放疗抵抗性所起的作用不同。应该发明新的辐射敏化剂针对不同的肿瘤干细胞和不同的信号转导通路起作用，减少对正常组织的细胞毒性，从而达到个性化治疗。1Reya T, Morrison SJ, Clarke MF, Weissman IL. 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