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脑肿瘤干细胞的研究进展

录入:linle    文章来源:网络    点击数:    更新时间:2012-2-21

  早在20世纪70年代,Hamburger等[2]发现在肺癌、卵巢癌与神经母细胞瘤中,有1/1 000~ 1/5 000的细胞可以在体外软琼脂培养基上形成克隆,并推测这可能是一种“癌干细胞”。但由于当时的实验技术条件未能对其进行分离和纯化,所以研究一直处于停滞阶段。 1997年Bonnet等[3]首先在急性髓性白血病患者体内分离出一种CD34+CD38-,仅占肿瘤细胞5%,但却具有自我更新和增殖分化潜能的干细胞样肿瘤细胞。将这类细胞移植到NOD/SCID(非肥胖型糖尿病/ 严重联合免疫缺陷)小鼠,可以产生与人类类似的急性白血病,而CD34+CD38- 的白血病细胞却不易成瘤,因此认为CD34+CD38- 的肿瘤细胞可能是急性髓性白血病的肿瘤干细胞,比较其与造血干细胞的表型后,发现前者为 CD34+CD38- Thy1- 而后者为CD34+CD38- Thy1+,因此推测白血病干细胞可能来自丧失了Thy1表达能力的造血干细胞。此后在实体瘤如乳腺癌[4]也分离出相应的肿瘤干细胞,为肿瘤起源的研究指明了方向。

  干细胞和肿瘤干细胞

  干细胞是一类具有自我更新和多向分化潜能的原始细胞,按其来源和分化潜能可分为3类:胚胎干细胞、生殖干细胞及成体干细胞。

  肿瘤组织中存在少量肿瘤干细胞,它具有不定的增殖潜能,可驱使肿瘤形成和生长,在肿瘤的发生、发展、转移、复发过程中起关键作用。除此以外,其余肿瘤中大部分细胞为这一小群特殊细胞的分化细胞,不具有上述能力,仅能分化成具有肿瘤表型特征的细胞,经过短暂的生存期后最终凋亡[5]。因此,肿瘤干细胞可以说是肿瘤的种子和源泉。对其生物学特征及基因、信号传导机制的研究,将有助于阐明肿瘤发生、发展的机制。杀伤肿瘤细胞,为最终治愈肿瘤提供研究基础。脑肿瘤中是否存在肿瘤干细胞

  CD133是相对分子质量为12 000的跨膜蛋白,Nestin 属于中间微丝,是比较公认的神经干细胞的表面标志物,随着神经干细胞分化为神经元和胶质细胞而停止表达。Singh等[6]在包括髓母细胞瘤、星形细胞瘤及室管膜瘤等14 例儿童原发性脑肿瘤中,发现有0.3%~ 25.1% 的肿瘤细胞在体外培养条件下可以形成克隆性的神经球样集落。把他们再次制成单细胞悬液后,不同病理类型的肿瘤细胞再次形成了与原代肿瘤细胞相同的肿瘤球。表明这部分比例较少的肿瘤细胞具有自我更新的能力,进一步的研究发现它们都表达CD133和Nestin蛋白这一神经干细胞的表面标志物。将表达CD133+ 和Nestin 蛋白的细胞在体外促分化条件下培养,这些细胞呈现贴壁生长,并增殖分化为神经元和胶质细胞,其比例和表型与原肿瘤一致。这与神经干细胞在促分化的条件下,按一定的比例分化成星形细胞(50%~60%),神经元(20%~30%) 和少枝胶质细胞(5%~10%)[7]明显不同。

  同时核型分析证实这些细胞存在染色体的异常,核型为45XY,从而证实了他们是肿瘤细胞而非为神经干细胞的污染。同样 Hemmati 等[8]采用相似的方法在髓母和恶性胶质瘤细胞中也分离出一种肿瘤细胞来源的前体细胞,除具有自我更新及多向分化的能力外,同时也表达多个干细胞特异性的基因,如Nestin、CD133、musashi-1和bmi-1等,把这类细胞移植到新生小鼠新纹状体后,它们能发生迁移、分化为神经元和胶质细胞,并增生至少4 周。为进一步研究脑肿瘤干细胞在体内是否可以产生肿瘤,Singh等[9]采用免疫磁珠法从髓母和胶质母细胞瘤组织中分离出CD133+ 和CD133- 的细胞,将其移植入NOD/ SCID 小鼠的脑内,比较两种肿瘤细胞致瘤能力的差别,结果移植12~24 周后,发现仅100 个 CD133+ 肿瘤细胞就可以在小鼠体内形成肿瘤,而移植50 000~100 000个 CD133-肿瘤细胞仅在移植部位形成一条胶质瘢痕,紧接着将子代肿瘤中CD133+ 肿瘤细胞分离后,再移植入小鼠体内,5 周后5 只小鼠均可见肿瘤的发生,且其表型与亲代的肿瘤相同。这提示脑肿瘤干细胞有连续传代及致瘤的能力。

  脑肿瘤干细胞的来源无外乎两类,一是体内的实体瘤,一是体外的细胞系。上述研究表明在体内实体瘤中确实存在一种类似干细胞特征的肿瘤细胞,即肿瘤干细胞。那么体外细胞系中的情况又如何呢?近来有研究发现[10],某些干细胞和肿瘤细胞可以将一种脂溶性的DNA 结合染料-Hoechest33342排出细胞,利用该特性分离出的这部分细胞就叫做SP 细胞。现已发现SP 细胞不仅可以在人、猪、鼠的造血系统中表达,在骨骼肌、脑组织等非造血系统,以及胚胎干细胞中也有一定比例的SP细胞。根据其存在的广泛性和表型的保守性,推测SP表型可以作为鉴定不同组织来源干细胞的新标志。随后, Kondo 等[11]证实在小鼠C6 胶质瘤细胞系及小鼠神经母细胞B104 等细胞系中存在0.4%~2.0% 不等的SP 细胞,进一步研究发现C6胶质瘤细胞系中的SP细胞不仅可以在培养基中产生SP 细胞和非SP 细胞,并能在裸鼠体内形成含有神经元和胶质细胞的肿瘤。李茗初等[12]采用悬浮法培养C6胶质瘤细胞系,也从中分离出一种比例低,仅占1.18%,但却具有增殖和分化能力,并能在体外维持细胞系的肿瘤细胞,即肿瘤干细胞。同样,王金鹏等[13] 也在人脑胶质瘤SHG44细胞系中证实了脑肿瘤干细胞的存在。

  脑肿瘤干细胞的来源

  脑肿瘤干细胞的概念是源于一小部分肿瘤细胞在自我更新及增殖机制和免疫组化研究中与神经干细胞具有惊人的相似性而提出来的。传统的观点认为脑肿瘤起源于发生基因突变分化成熟的胶质细胞,这种观点一度非常流行[14]。1992年Reynolds等在**脑组织中发现神经干细胞的存在,人们才开始重新审视脑肿瘤的起源问题。

  如果把脑肿瘤作为一种新生物来看待的话,其必然要经历一个从无到有、由小到大的过程,而这正与具有自我更新和增殖潜能的神经干细胞或其前体细胞的生物学特性相符,所不同的是神经干细胞的这一过程是自限性的,而后者的过程则呈明显的失控状态。研究表明[5],肿瘤组织一般由3 种细胞构成 :

  ①具有无限增殖能力,可形成新的肿瘤克隆的肿瘤细胞,又称肿瘤干细胞;

  ② 具有有限增殖能力,但不能形成新的肿瘤克隆的肿瘤细胞;

  ③上述两种能力都丧失的肿瘤细胞。其中肿瘤干细胞在肿瘤组织中起主要作用,其通过现在还未明确的机制不断分裂增殖、更新自身,产生出具有有限分裂和分化能力的肿瘤细胞,推动了肿瘤的形成。

  如果调节正常干细胞及其前体细胞自我更新的信号通路异常时会导致肿瘤发生,那么干细胞及其前体细胞本身就成为某些类型癌症转化的靶细胞。这可以从两方面来解释:首先,干细胞及其前体细胞的自我更新机制已被激活,维持这一活性比在已分化细胞中重新打开这一通路更容易;其次,由于其高度活跃、生存期长,也更具可能发生基因突变并不断积累,而向恶性转变。有文献报道[15]单个细胞经过4~7次基因突变就有可能发生恶性转变,组织更新快,复制转录过程中发生基因突变的概率就越高。在干细胞发生恶性转变后,其分化成熟能力受阻,分裂、增殖能力增强,形成肿瘤[16]。除此以外,临床上在许多脑肿瘤组织细胞中,不仅可以表现出多个谱系的表型并且可以非常原始,除了用干细胞外很难解释。为了证明这一观点,Holland等[17]将癌基因Ras及Akt联合转入小鼠脑组织的神经前体细胞中,结果诱发出与人类胶质母细胞瘤相类似的高级别胶质瘤,而将其转入已经分化的星型细胞则无上述结果。除此以外,将癌基因Ras 或Akt 单独转入神经前体细胞或已经分化的星型细胞也不能诱发肿瘤形成。Wnt和Sonic hedgehog(shh)信号传导通路在调节神经干细胞和祖细胞的增殖过程中起重要作用,在生理条件下,当组织因各种原因受到损伤时,其信号传导通路被激活,在完成必要的更新后,相应的通路关闭,这一过程受到严格的调控。

  但在某种致瘤因素下发生基因突变时,Wnt、shh通路异常活化,而分化成熟受阻则诱发肿瘤,现已证明Wnt、shh 通路的异常与髓母细胞瘤的发生密切相关,同时也有研究显示运用其信号传导通路的抑制剂,可以导致小鼠体内的移植瘤衰退,并能诱导手术切除的髓母细胞瘤细胞迅速凋亡[18~20]。尽管干细胞及其前体细胞通常是引起恶性转化必需的遗传靶细胞,但已分化的细胞也可能被转化而获得干细胞自我更新的能力,由于基因突变造成分化成熟受阻转变为肿瘤干细胞而形成肿瘤。Uhrbom等[21]把Ras基因转入Ink4a-Arf locus基因(编码两种细胞周期调节蛋白p16INK4a 和p14ARF)丢失的已分化细胞,同样可诱发胶质瘤且肿瘤表达Nestin+,这表明Ink4a-Arf locus基因的丢失造成已分化细胞的去分化而获得了干细胞自我更新的能力,并由于基因突变而成瘤。同样也有研究表明[22],在神经前体细胞及已分化的星型细胞中,Platelet-Derived Growth Factor (PDGF)及其受体的过渡表达可以产生少突胶质细胞瘤,进一步的研究表明,PDGF 造成已分化的星型细胞去分化变为前体细胞。虽然这种观点也认为脑肿瘤来源于已分化细胞的去分化,但与传统观点已经有了本质的不同。





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