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细胞分化与肿瘤
作者: 来源: 2014-05-14

  

 

  肿瘤是细胞在各种致瘤因素的作用下,基因发生改变,失去对其生长的正常调控,导致细胞异常增生。恶性肿瘤又称为癌症(cancer),是目前危害人类健康最严重的一类疾病。我国城市地区居民死因第一位为恶性肿瘤。

  肿瘤细胞在很多生物学特性上不同于正常细胞,也有别于修复性增生的细胞,具有明显的去分化现象。

    一、肿瘤细胞的分化特征

  恶性肿瘤细胞的特征之一是分化程度低,表现为形态上的幼稚性,功能上的异常,细胞的多种表型(phenotype)又回到原始的胚胎细胞表型,即发生细胞的去分化现象。机体在致癌物质的作用下,干细胞发生分化障碍或已分化的细胞发生去分化,导致细胞增殖失控则形成肿瘤。不过目前多倾向于认为肿瘤来源于分化障碍的干细胞。

  (一)肿瘤细胞去分化的标志蛋白

  在个体发育中,一些蛋白只在胎儿期表达,但成年动物细胞发生癌变时,一些关闭的基因被激活,重新分泌胚胎时期特有的蛋白,已用于医学诊断的癌胚蛋白主要有甲胎蛋白、癌胚抗原和胰胚胎抗原等。

  1、甲胎蛋白

  在胚胎时期由卵黄囊及胚胎肝脏产生,在妊娠5个月时达高峰,出生时下降。胎儿出生后1年,血清AFP应降至正常成人水平(5.8μg/L以下,男性略高于女性)。AFP是原发性肝癌的最灵敏、最特异的肿瘤标志,血清AFP测定结果大于500μg/L以上,或含量有不断增高者,更应高度警惕。

  2、癌胚抗原

  为存在于结肠癌及胚胎结肠粘膜上皮细胞的一种糖蛋白。由胎儿胃肠道上皮组织、胰和肝的细胞所合成,通常在妊娠前6个月内CEA含量增高,出生后血清中含量已很低下,健康成年人血清中CEA浓度小于2.5μg/L。胃肠道肿瘤时因极性消失,CEA反流入淋巴或血液而使血清CEA升高,当CEA高于 20μg/L时,则意味着可能有消化道肿瘤。

  3、胰胚抗原

  是一种糖蛋白,正常人群血清中小于7U/ml。胰腺癌的POA的阳性率为95%,其血清含量大于20U/ml,当肝癌、大肠癌、胃癌等恶性肿瘤时也会使POA升高,但阳性率较低

  (二)肿瘤的异质性

  肿瘤的组织由实质和间质两部分构成,肿瘤实质是肿瘤细胞,是肿瘤的主要成分,具有组织来源特异性。肿瘤的间质起支持和营养肿瘤实质的作用,不具特异性,一般由结缔组织和血管组成,有时还可有淋巴管。肿瘤组织常呈现不同程度的形态和功能上的异质性(heterogeneity),主要表现为瘤细胞分化程度和分化方向的差异性。这种现象可使得肿瘤呈现多向分化,如髓母细胞瘤可见神经元分化成分和各种胶质细胞分化成分,甚至出现肌细胞成分,后者称为趋异性分化(divergent differentiatio)。将一种类型肿瘤组织中出现另一种肿瘤成分的现象称为肿瘤的化生(tumor metaplasia)。

  (三)肿瘤细胞的自然分化

  有些肿瘤可发生自然分化现象,如儿童时期的脂肪母细胞瘤,复发后可形成成熟的脂肪细胞。有关肿瘤自然分化的经典论文是由Cushing和Wolback (1927)报道的,他们给一个婴儿治疗神经母细胞瘤时发现了这一现象。患儿由于肿瘤分期太高而被带回家等死。很难想象,后来这个孩子长成了一个十几岁的少年,得了阑尾炎,在做阑尾切除手术时,外科大夫也探察了腹腔,目的是想寻找神经母细胞瘤,结果发现在腹腔中有多发性小肿瘤,而且证明这些是良性的神经节瘤。

  二、肿瘤的诱导分化

  肿瘤的诱导分化就是应用某些化学物质使不成熟的恶性细胞逆转,向正常细胞分化。这些物质称为分化诱导剂。在分化诱导剂的作用下,肿瘤细胞的形态特征、生长方式、生长速度和基因表达等表型均向正常细胞接近,甚至完全转变为正常细胞,这种现象称为诱导分化(induced differentiation)。采用这一策略进行恶性肿瘤的治疗,称为分化治疗(differentiation therapy)。

  目前,诱导分化治疗的研究非常活跃,已成为国际肿瘤研究的新热点。维甲酸已成功地应用于急性早幼粒细胞白血病(APL)的治疗,实体瘤诱导分化也处于体外实验阶段。

  (一)诱导分化的机制

  分化诱导剂作用于肿瘤细胞后,通过信号转导机制诱导肿瘤细胞分化,封闭或抑制肿瘤细胞中与细胞增殖有关的受体;降低蛋白质的磷酸化水平,促进细胞分化基因的表达;启动细胞凋亡程序。有些表现为先分化后凋亡,有些表现为分化与凋亡同时发生。诱导剂对肿瘤细胞的作用与以下因素有关。

  1、信号转导与肿瘤分化

  细胞的增殖和分化均与信号转导途径有关,不同的分化诱导剂尽管其作用方式不同,其最终结果都是抑制细胞增殖信号,同时启动细胞分化和凋亡途径。例如, cAMP信号途径参与调节多种肿瘤细胞分化,其作用可概括为:①抑制细胞增生,促进细胞分化;②诱导肿瘤细胞凋亡;③逆转肿瘤细胞的多药耐药性;④影响某些基因产物,如myc蛋白含量下降,Ras下调等。

  2、肿瘤细胞诱导分化与基因

  肿瘤细胞是正常细胞分化失控的细胞,肿瘤细胞与分化正常的细胞最本质的区别是基因组发生不同形式突变,如慢性粒细胞白血病(CML)第9号与22号染色体易位形成了bcr/abl融合基因,源于CML患者的K562细胞中该融合基因扩增5倍。bcr/abl融合基因编码的P210具有极高酪氨酸蛋白激酶活性,能促进细胞增殖。有研究证明K562细胞经诱导分化后,bcr/abl转录产物显著下降,P210蛋白质水平降低,细胞趋向分化。

  3、转录调控与肿瘤分化

  甲基转移酶抑制剂活性增高使抑癌基因高甲基化进而表达失活的主要因素,用甲基化转移酶抑制剂处理肿瘤细胞,发现基因组甲基化水平降低,细胞增殖受抑制。另一方面,核心组蛋白的乙酰化状态与基因调控密切相关,负责组蛋白乙酰化和去乙酰化的是一对功能相互拮抗的蛋白酶――组蛋白乙酰化酶(HAT)和去乙酰化酶(HDAC)。HAT对组蛋白乙酰化可中和组蛋白电荷,使DNA结构松散、开放,便于转录因子及RNA聚合酶更加接近DNA,促进基因表达;而HDAC的作用相反,组蛋白去乙酰化使DNA更加紧密,抑制基因表达。HDAC还参与细胞周期的调控,其中RB对转录因子E2F的转录抑制就是通过募集HDAC实现的。

  (二)肿瘤分化的标志

  由于肿瘤细胞起源的多样性,其分化的具体指标亦各不相同,一般包括形态与功能的分化、增殖能力与致瘤性的降低或丧失等。代表终末分化,具有成熟表型的标志物多为特异性细胞产物或涉及产物合成的酶,如红细胞的血红蛋白、表皮细胞的角蛋白、胆管上皮分化标志cK7(cytokeratin7)、肝细胞分化标志白蛋白、消化道肿瘤分化标志LAP(肠碱性磷酸酶)、胃癌分化标志PG(胃蛋白酶原)、LDH(乳酸脱氢酶)、横纹肌肉瘤中的desmin以及星形细胞瘤的胶质纤维酸性蛋白(GFAP)等。肿瘤细胞分化程度越低,越是缺乏分化标记物。

  从细胞周期调控来看,肿瘤细胞去分化的一个重要特征就是G1-S期控制点失控,进人S期细胞异常增多,因此G1期称为细胞分化期,G1期停滞可作为细胞分化的指标。

  (三)诱导分化剂的种类

  肿瘤的诱导分化剂有多种。按照来源可分为内源性分化诱导剂和外源性分化诱导剂,前者是指肿瘤或宿主细胞所产生的具有分化诱导作用的化学物质,例如集落刺激因子、糖皮质激素、前列腺素及一些细胞因子等,后者是指肿瘤或宿主不能产生而必须依赖外界补给的分化诱导剂,包括:①维生素类,如维甲类、维生素C、维生素E等;②核苷及其类似物:如三磷酸腺苷、8-氯环腺苷类;③抗癌抗生素类,如丝裂霉素、放线菌素D、蒽环类抗癌抗生素;④有机化合物类,如DMSO、六亚甲基二乙酰胺(HMBA)、二甲基甲酰胺(DMP)、丁酸钠、溴脱氧尿核苷、5氮杂-2-脱氧核苷;⑤中草药类,如人参、乳香等;⑥无机化合物,如砷剂(As2O3和As3O4等)、硒;⑦如茶碱、干扰素、生长因子受体抗体及分化诱导的增强剂(本身对细胞增殖及分化无影响,但可显著增强分化诱导剂的作用,如环化酶激活剂、亚硒酸钠)等。

  不同的诱导剂可能具有某些共同的作用机制,但不同的化学结构又决定了它们有不同的细胞内、外受体和不同的初始环节,因此也会有不同的作用机制;此外,体内应用诱导分化剂的同时,又可通过影响不同组织或细胞的代谢和分化,从而间接作用于肿瘤细胞。

  (四)维甲酸对肿瘤的诱导分化作用

  维甲酸(retinoic acids,RA)又称视黄酸或维生素A酸,是维生素A的衍生物。它由环己烯环、侧链和极性基团三部分组成,由于极性基团及侧链部分不同,维甲酸包括多种同分异构体,其中最重要的是13-顺式维甲酸(13-cis-RA)、全反式维甲酸(ATRA)和9-顺式维甲酸(9-cis-BA)。机体内一定浓度的维甲酸可调节细胞的增殖、分化、成熟,是机体正常生长发育和各种生理活动必不可少的重要因子。RA对多种肿瘤细胞有诱导分化作用,尤其是对急性白血病具有较高的疗效。

  维甲酸由胃肠道吸收后经氧化形成ATRA,通过扩散进入细胞与胞内维甲酸结合蛋白(cellular retinoic acid binding protein,CRABP)结合后有2种去路:一是被位于光面内质网上的细胞色素P450酶系氧化破坏;二是通过异构酶的作用,转化为11-cRA, 13-cRA及9-RA。ATRA及顺式维甲酸进入细胞核内,与核维甲酸受体结合。维甲酸受体属于核受体超家族,包括RAR和RXR两类,均由α、β、γ 三个亚型构成,每个亚型均有一个以上的异构体。这些受体形成RAR-RxR异源二聚体或RxR-RxR同源二聚体。维甲酸活化的受体与维甲酸响应元件(retinoic acid response element,RARE)结合,以时间、剂量依赖的方式调节靶基因的表达,从而调节细胞的正常分化。

  RA对多种肿瘤细胞有诱导分化作用,对急性早幼粒细胞白血病的作用尤为突出。APL是造血细胞分化阻滞在早幼粒阶段的异质性肿瘤。其中t(15;17)易位后导致PML(promyelocytic leukemia)与RARα基因融合,90%以上的APL患者具有PML/RARα融合基因;其余为t(5;17)、t(11;17)等易位形式。 PML/RARα融合基因是导致APL的功能基因,PML/RARα融合蛋白结合DNA并与核共同抑制因子及组蛋白去乙酰化酶(HDAC)形成复合体, HDAC促使组蛋白去乙酰化,组蛋白与DNA牢固结合,抑制目标基因的转录。ATRA与融合蛋白分子的维甲酸受体部分结合,释放核共同抑制因子复合物,促使组蛋白乙酰化,进而组蛋白与DNA解离,开放目标基因的转录,细胞分化成熟。ATRA还通过激活Caspase,降解PML/RARα融合蛋白,解除转录抑制作用,细胞得以进一步分化成熟。最近研究表明,PML/RARα融合蛋白与目标基因结合后,还能募集DNA甲基化酶,导致目标基因沉默,维甲酸部分地解除甲基化,诱导低水平的目标基因表达。

  RA对几种实体瘤也呈现出明显的诱导分化作用。如Rutka等(1988)证实ATRA和13-cis-RA对人胶质瘤细胞系U 343 MC-A具有诱导分化效应。经其处理后U343MC-A细胞增殖减慢,并出现了特异的形态学改变和GFAP含量的增高。Steck等(1990)证明RA 对多种胶质瘤细胞系具有不同程度的生长抑制作用,RA处理后胶质瘤细胞的表皮生长因子受体的活性降低。

  维甲类进行诱导分化治疗时有一些共同的副作用,但多数反应较轻,偶尔也发生过严重的甚至致命的反应。特别是对APL患者,ATRA和9-cis-RA最常见的副作用是注射后数小时发生头痛,粘膜炎也是最常见的不良反应之一。此外,RA还存在耐药性问题。

  (五)其他诱导剂

  1、二甲亚砜(DMSO)

  为无色液体,是较早发现的一种分化诱导剂。20世纪70年代初,首次在体外观察到DMSO可诱导小鼠红白血病细胞(MEL)分化为正常网织红细胞,增殖停止,并合成血红蛋白。此后,其它实验室相继证明,DMSO对多种癌细胞系有诱导分化作用,如鼠神经母细胞瘤、鼠胚胎癌细胞系、大鼠乳腺癌细胞、人HL- 60细胞系、人类食管癌上皮细胞株、人结肠癌细胞、人直肠癌细胞及黑色素瘤。

  2、六亚甲基二乙酰胺(HMBA)

  于1976年人工合成,对小鼠红白血病细胞、神经母细胞瘤、黑色素瘤、SHG-44细胞具有诱导分化作用。Marks等(1994)认为HMBA诱导MEL细胞分化是一个细胞周期依赖的过程,主要是通过降低Cyclin A和CDK4以及增加低磷酸化的Rb蛋白而实现。

  3、8-氯环腺苷酸(8-Chloro-cyclic-adenosine monophosphate,8-Cl-cAMP)

  8-Cl-cAMP是近年发展起来的一种很有价值的分化诱导剂,对恶性肿瘤具有广谱抑制作用(如:白血病、乳腺癌、直肠癌、肺癌、胃癌、纤维肉瘤、神经胶质瘤等)。8-Cl-cAMP通过蛋白激酶A(PKA)发挥促进分化的作用。根据调节亚基(RⅠ、RⅡ)不同,PKA又分Ⅰ、Ⅱ两型,RⅠ能刺激细胞增殖和去分化,RⅡ可使细胞停止增殖并促进分化。恶性肿瘤细胞中Ⅰ型蛋白激酶升高,Ⅱ型蛋白激酶降低,Ⅰ型和Ⅱ型的比值明显升高,因此选择性调节两种蛋白激酶以恢复cAMP受体蛋白的生理平衡,是应用cAMP类似物治疗肿瘤的一个新的理论依据。8-Cl-cAMP及其类似物能选择性地与Ⅱ型蛋白激酶特异性结合,从而提高Ⅱ型蛋白激酶的表达,减少Ⅰ型蛋白激酶的表达,以抑制细胞增殖和促进分化。

  4、干扰素

  INFα与β可使U937细胞形态趋向成熟、黏附能力改变,NBT还原率增加,对单纯B47和B41的反应从10%上升到47%。rINFγ可使U937细胞分化成熟,增殖受抑,NBT还原率及吞噬发光率明显增高。

  5、维生素D

  在骨髓细胞、乳腺和结肠上皮细胞等发现有维生素D3受体,维生素D3可降低白血病、乳腺癌、结肠癌和前列腺癌细胞系的生长,促进细胞凋亡。维生素D3还能降低某些肿瘤的发病率。1,25-二羟基维生素D3是维生素D3的活性形式。已有报道,1,25-二羟基维生素D3能诱导白血病细胞株细胞向单核细胞分化,对人类急慢性髓系白血病细胞也有分化作用。

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