肿瘤干细胞模型的争议与衍化

概要：肿瘤干细胞模型指出，肿瘤的生成由一群具有自我更新能力和分化潜能的肿瘤干细胞驱动，而给予肿瘤治疗极大启示。然而，越来越多的研究表明，肿瘤干细胞在细胞来源、细胞比例、遗传特性，乃至表型和功能特征上均存在着差异性和不稳定性，这催生了对肿瘤干细胞模型的质疑。本文将梳理对此模型的争议，总结现有证据和观点，并强调在肿瘤干细胞模型核心观点之上充实和衍化。

肿瘤干细胞（CancerStemCell，CSC）的概念在十几前提出，这一模型假设：肿瘤的发生和生长由肿瘤细胞中一类具有高度恶性的细胞子类群驱动。这一子类群与正常的干细胞类似，具有自我更新的能力与分化的潜能，因而被称为肿瘤干细胞。与正常组织类似，肿瘤在肿瘤干细胞的驱动下，也形成细胞层级结构而表现出异质性。肿瘤干细胞则处于这种层级结构的最顶层，控制着肿瘤的发生、转移和复发。

肿瘤干细胞概念的提出对肿瘤治疗极具启示意义，它指出只有将肿瘤干细胞作为靶位点，才能彻底医治肿瘤。然而，肿瘤干细胞往往处于缓慢分裂或休止状态，且往往对化疗药物、辐射等具有较强的抗性，因而在治疗中往往躲过攻击而造成肿瘤的复发。目前，大量的研究将目标锁定在了直接或间接的肿瘤干细胞杀伤方法。

然而，对肿瘤干细胞概念使用的不一致性以及定义的不明确性，阻碍了研究的发展。与此同时，越来越多的研究揭示出肿瘤干细胞的多样性和不稳定性，其在不同情况下的细胞来源、细胞比例、遗传特性，乃至表型和功能特征均存在差异。这使得肿瘤干细胞的定义变得越来越模糊，以致产生了对模型本身的怀疑。本文将梳理对肿瘤干细胞模型的争议，总结现有证据和观点，并强调在在肿瘤干细胞模型核心观点之上充实和衍化。

肿瘤干细胞经典概念

生理状态下的干细胞居于成年人新生组织的细胞层级顶端，是以其特殊的功能而定义的：它们终生的自我更新能力，即通过细胞分裂产生新的干细胞的能力；具有分化的潜能，即多能型；能可逆的进入静止或休眠状态；能够抵抗细胞毒性药物。与新生组织类似，很多肿瘤也遵循层级化的细胞结构；而与正常干细胞类似，肿瘤干细胞也可以通过相似的功能而定义：

(1)自我更新。与其已分化的子代细胞不同，肿瘤干细胞具有无限的自我更新的能力。因而，当其转移或被移植之后，仍能长期存活乃至产生新的肿瘤。

(2)分化潜能。肿瘤干细胞可以分化产生所有在肿瘤中出现的细胞，其在自我更新的同时，可以产生非干性、已分化的子代，这些细胞通常组成肿瘤的主体。

自我更新和分化潜能是肿瘤干细胞具有的基本特性。此外，在某些研究中还发现了肿瘤干细胞类似于正常干细胞的一些其它特性，对于解释肿瘤的复发非常重要：

(3)缓慢分裂或休眠状态。一些肿瘤干细胞被发现能想成年人正常干细胞一样，在休眠、缓慢分裂或活跃状态间可逆转化。例如，在急性髓系白血病的老鼠模型中，发现了休眠的白血病干细胞的存在。通过克隆跟踪技术，人们在急性髓系白血病和结肠癌中，发现了延迟起作用的肿瘤干细胞类群，显示人类肿瘤干细胞中有长期休眠的类群存在。

重要的是，由于传统疗法大多作用于细胞周期，肿瘤干细胞的这种特性可能导致其免受其攻击。当治疗结束后，正如正常干细胞在组织受到创伤后可激活修复组织一样，肿瘤干细胞也有可能重新激活造成癌症的复发。

(4)对传统治疗方法的抗性。与正常干细胞相似，有些肿瘤干细胞对传统治疗有着很强的抗性。例如，在局部晚期的乳腺癌患者中，当采用化疗清除大部分肿瘤细胞后，仍可发现乳腺癌干细胞积累于体内。类似地，在慢性髓系白血病中，络氨酸激酶抑制剂能杀灭大部分的BCR-ABL驱动的白血病细胞（RT-PCR无法检出BCR-ABLmRNA），但却无法杀灭白血病干细胞。类似的例子也在带有5q缺失的脊髓发育不良中被发现，尽管大部分的肿瘤细胞被免疫调节剂有效清除，使临床症状彻底缓解，但由于抗性肿瘤干细胞的存在，大多数病人都会遭遇复发。

肿瘤干细胞的支持性证据

异种移植实验

支持肿瘤干细胞的典型证据是肿瘤细胞的异种移植实验，它将从病人中分离的肿瘤细胞移植进免疫缺陷的小鼠当中，以鉴定其是否具有产生恶性肿瘤细胞后代的能力。实验证实，同一肿瘤内部的细胞是异质化的，即只有部分的细胞具有导致新的肿瘤的能力，而其它细胞不能。它们通常能通过特定标记而被有目的地、选择性地富集，而与其它细胞区分开来。这些细胞被认为是肿瘤干细胞。

最早的这类实验开展于各种白血病细胞的异种移植，包括急性淋巴系白血病（ALL）、急性髓系白血病（AML）和慢性髓系白血病（CML）。随后，这类方法被成功地应用于实体瘤上，包括在人体乳腺、大脑、结肠、卵巢、肺和头颈部的肿瘤。

肿瘤干细胞标记的确定

多种类型肿瘤的肿瘤干细胞标记的确定，也证实了肿瘤细胞的异质性，进而支持了肿瘤干细胞的存在。年人们首次证明，只有一小类群的人类AML细胞具有导致肿瘤的能力。随后，在年人们鉴定出一类非常像正常造血干细胞的，CD34+/CD38-的细胞为AML的肿瘤干细胞。在实体瘤方面，年人们取得了第一个进展，在乳腺胸腔积液和肿瘤样品中鉴定出ESA+/CD44+/CD24low-neg的细胞类群为乳腺癌干细胞。少至一百个的ESA+/CD44+/

CD24low-neg细胞就可在NOD/SCID的小鼠中诱发原先的肿瘤，而一万个另一种细胞类群的细胞则不能。

临床经验性验证

肿瘤干细胞模型可以较有效地解释肿瘤的复发和转移。由于肿瘤干细胞具有的可逆休眠或缓慢分裂状态，以及其对传统治疗的抗性，导致其可能躲过治疗的攻击而保存下来，这被认为是造成临床上观察到的消除肿瘤多年后复发的原因。另一方面，一些证据显示，肿瘤转移起始细胞（metastasis-initiatingcells，MIC）可能是肿瘤干细胞的一个子类群。首先，肿瘤干细胞具有肿瘤发生能力，这是在远距离器官处生成二级肿瘤的必要条件。其次，肿瘤干细胞可以表达上皮间质转化（EpithelialMesenchymalTransition，EMT）的标记，显示它们可能进行迁移而成为起始肿瘤转移行为的可能对象。

肿瘤干细胞的质疑性证据

异种移植实验的局限性

目前，以免疫缺陷小鼠为受体的异种移植实验，是检测并定量多种人类肿瘤干细胞的最灵敏的方法。然而，由于不能完美地模拟人体内真实环境，这种方法得到的结果有可能是不准确的。其局限性体现在：

(1)小鼠寿命较短，无法体现移植细胞在体内的长期效应；

(2)免疫缺陷的小鼠体内缺乏对肿瘤细胞的正常免疫监视作用；

(3)小鼠的内环境与人类有种间差异，例如细胞因子、趋化因子，以及肿瘤脉管系统、肿瘤微环境等，鼠源与人源都存在一定差异。

此外，由于存在多种免疫缺陷型小鼠品系，且有多种肿瘤细胞的分离和移植方法，这类对肿瘤干细胞的检测和计数都非常依赖于具体实验系统与操作，而可能得出差异性的结论。

某些肿瘤干细胞的标记物不能确定

最典型的这一证据来自对黑色素瘤的研究。Quintana等人（）在对黑色素瘤细胞的筛查中，未能发现任何不能在异种移植实验中导致肿瘤的较大的细胞类群。在实验检测的22个包括CD和ABCB5在内的异质表达标记中，均未发现有在致瘤细胞中富集的趋向。而在老鼠体内发生转移的癌细胞，也可非特异地来源于CD-或CD+的细胞。另外，很多标记在致瘤性的黑色素瘤细胞中均能进行可逆性表达。这些实验显示，在某些肿瘤中，癌细胞可能表现出均质性而不符合肿瘤干细胞模型。这些肿瘤中的细胞可能只是随机地带有致瘤性。

肿瘤干细胞性质的巨大差异性

越来越多的研究发现，肿瘤干细胞在细胞来源、细胞比例、遗传特性以及表型中存在着巨大的差异性和复杂性，这使得人们对肿瘤干细胞概念本身的实用性和正确性产生了怀疑。在些差异性具体体现在：

(1)细胞来源的差异。目前有不同的证据支持肿瘤干细胞的不同来源。一种观点认为，肿瘤干细胞可能来源于正常干细胞，这类细胞本身即具有了自我更新和分化的能力，例如植入受体鼠皮下的胚胎干细胞可以形成畸胎瘤。另一种观点认为，肿瘤干细胞可以起源于已分化的祖细胞，它们通过积累遗传或表观遗传的异常改变而获得干性。例如，在AML中，虽然AML-ETO融合蛋白出现在造血干细胞中，但功能性的白血病干细胞是在一种Thy1-的组细胞中被检测到。类似的结果也在CML中被发现。

诱导性多能干细胞（iPS）的发现则提供了另一种解释，当受到仅4个转录因子的激活后，任何类型的细胞均可能获得自我更新的能力及多能性。事实上，在人类皮肤成纤维细胞的体外重编程实验中，通过hTERT、H-RasV12、SV40LT和ST四个抗原的稳定表达，可使其具有肿瘤干细胞的性质，在移植的老鼠体内可以形成有细胞层级结构的肿瘤。

(2)细胞比例的差异。不同种类的肿瘤，其肿瘤干细胞占主体肿瘤细胞的比例出现巨大的变化，从0.2%到82.5%不等。而对I期和III期乳腺癌的体内有限稀释测定显示，对于同一肿瘤，这一比例也可能随肿瘤进展而不断增加。在对III–IV期黑色素瘤的分析中，致瘤性细胞的比例可高达30%。而普遍观点认为，肿瘤干细胞应与正常干细胞类似，其在组织中的比例应非常小。这加剧了人们对肿瘤干细胞模型的怀疑。

(3)肿瘤干细胞标记的差异与不明确性。多项研究发现，同一肿瘤的某些肿瘤干细胞类群显现出不同的、甚至是无重叠性的标记特征。例如，只有1%的乳腺癌细胞同时表达ESA+/CD44+/CD24low-neg和ALDH-1+两种被认定的肿瘤干细胞标记。在对大量AML病人的检测中发现，肿瘤干细胞存在于几个免疫表型不同的细胞类群中，显示出显著的病人见差异。

另外，肿瘤干细胞标记的确定也可能因实验条件而得出不同结果。例如，当被移植入缺少功能性的IL2RG链（NSGorNOG）的NOD/SCID免疫缺陷型小鼠时，CD34+CD38+和CD34+CD38-的AML细胞均高频率地表现出肿瘤干细胞活性。然而，在早前进行的向更少免疫缺陷的NOD/SCID小鼠的移植实验中，肿瘤干细胞活性大多局限在CD34+

CD38?的细胞中。

(4)肿瘤干细胞遗传及表型特征的不稳定性。一些证据表明，赋予恶性细胞肿瘤干细胞特性的具体分子机制可能是不稳定的，而导致肿瘤干细胞的状态不稳定。例如，在结肠癌中，遗传不稳定性可以产生与亲代不同的新的肿瘤干细胞品系。而一些肿瘤干细胞的标记在肿瘤发展的某些时期是相关的，而在另一些时期则是不相关的。

肿瘤干细胞模型的充实与衍化

回顾围绕肿瘤干细胞的争议可发现，肿瘤干细胞模型的提出是建立在实验及临床经验基础上的。其出发点是异种移植实验中，肿瘤细胞表现出的生成新肿瘤能力上异质性。其价值体现在，为临床中肿瘤的复发和转移提供了一种较有效的理论模型，启示肿瘤的治疗必须将肿瘤干细胞纳入攻击靶点。

虽然异种移植实验存在着局限性，但其在证明肿瘤细胞的异质性上仍然是充分的。为得到更能使人信服的证据，实验需要进一步改进，可能包括：引入第二代受体鼠以检验长期效果；提前植入CD34+细胞，对淋巴器官人源化或同时移植免疫细胞，以减小免疫缺陷造成的影响；人源化脉管系统和小鼠器官，以减小异种内环境的偏差。更加直接的实验证据，则可能需要换用新的体内或体外实验系统来获得。

肿瘤干细胞标记物鉴定的困难，以及肿瘤干细胞在细胞来源、细胞比例、遗传特性以及表型上存在着差异性和复杂性，其实均没有否定肿瘤干细胞模型的核心，即：肿瘤的生成由一类具有自我更新能力和分化潜能的细胞子类群驱动。这些证据只是充实和衍化了这一基本模型，显示出其动态和复杂的一面。肿瘤干细胞在细胞来源、细胞比例上差异可能指向不同肿瘤类型，以及不同发展阶段肿瘤的差异性。而同一肿瘤的肿瘤干细胞标记物的差异，则可能显示出了其不同的子类型。综合这些证据，可以构建出以下衍化模型：

A.多品系肿瘤干细胞。早期的肿瘤可能仅有单个肿瘤干细胞品系控制，但在晚期肿瘤中，由于肿瘤干细胞自身的演变，或其子代细胞的突变或微环境诱导作用，可能含有多个互相区别但相互联系的品系。因此，晚期肿瘤不应被看作独头的细胞层级结构，而更像是寡头结构。动态的细胞层级既存在于单个的肿瘤干细胞品系及其子代间，也存在于具有遗传差异的、互相竞争的不同肿瘤干细胞品系间。

靶向性治疗或化疗可以清除肿瘤的主体，甚至可能包括一些肿瘤干细胞。但至少需要一个具有抗性的肿瘤干细胞品系，造成肿瘤的复发，而新复发的肿瘤将对原有疗法产生抗性，造成临床上观察到的“获得性抗性”。

B.品系竞争造成的细胞均质化。在晚期肿瘤的多个肿瘤干细胞品系中，某些品系可能获得增强的自我更新能力，同时分化能力减弱。随着肿瘤生长，品系之间互相竞争，造成至少一个此类品系的优势地位，分化的肿瘤细胞也随之减少。随着时间推移，这造成细胞层级结构的平坦化，并且选择出具有较高侵略性的细胞。因此，晚期的肿瘤可能完全由侵略性强、多重抗性的肿瘤干细胞组成，例如晚期黑色素瘤。

C.转移过程中肿瘤干细胞的可塑性。恶性上皮肿瘤的肿瘤干细胞在进行全身扩散时，其表型会呈现动态变化：它们可以至少部分地通过EMT失去上皮细胞性状。其上皮细胞的标记可能会被下调，而典型的筛选一般会直接排除缺少如EPCAM这样的上皮标记的细胞，而将其忽略掉。在肿瘤进展过程中，上皮细胞的肿瘤干细胞可能强力地调节其表型，以致早起肿瘤中检测到的肿瘤干细胞表型与分离到循环系统中的完全不同。由于这种可塑性，某些被鉴定的肿瘤干细胞标记可能只在特定时期的肿瘤中相关，但在另一些时期不相关。

像众多理论模型一样，肿瘤干细胞模型需要不断根据新的发现进行调整。应认识这一模型的核心，即肿瘤干细胞控制下的肿瘤细胞层级结构。在此基础上，模型并不排除复杂的衍化。在直接的实验证据出现之前，关于肿瘤干细胞模型的争议仍将继续。不能仅仅因为实验证据中不断出现的多样性和复杂性，而否定模型本身。

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（来源：三亿文库年8月23日）