癌幹細胞理論與應用

The CSC theory posits tumor development might arise from a rare population of cells that show the stem cell-like properties. This theory was initially formulated approximately 150 years ago. The recent decade studies have tremendously advanced our understanding of the molecular pathogenesis of cancer. CSCs have been demonstrated to underlie resistance to conventional chemotherapeutics resulting in tumor recurrence and poor prognosis. In this context, the need to develop novel approaches for eradicating CSCs in order to inhibit tumor recurrence is con-sidered as a major challenge in cancer treatment. Novel compounds precisely designed to eliminate CSCs or affect their microenvironment, and administered in concert with conventional chemotherapy, can lead to tumor bulk shrinkage and ablate resistance and relapse. Importantly, the number of preclinical investigations and clinical trials examining the potential use of anti-CSC drugs has grown expo-nentially in recent years. Despite all efforts made to develop CSC-targeted therapy, further investigations to identify the specifi c biological characteristics of CSCs could help us in better understanding the origin and molecular behavior of cancer. This lays a solid foundation to program and perform a more specifi c, safe, effective, “personalized,” and “targeted” therapeutic plan. CSC理論認爲，腫瘤的發展可能起源於一個罕見的細胞羣體，這些細胞表現出幹細胞樣特性。這一理論最初是在大約150年前提出的。近十年的研究表明，極大地提高了我們對癌症的分子發病機制的理解。CSC已被證明是傳統化療藥物耐藥性的根源，導致腫瘤復發和預後不良。在這種情況下，有必要開發新的方法來根除CSC，以抑制腫瘤復發，這被認爲是癌症治療的主要挑戰。新型化合物精確設計以消除 CSCs 或影響其微環境，並與常規化療聯合應用，可導致腫瘤體積縮小和消除耐藥性和復發。重要的是，近年來，檢查抗 CSC 藥物潛在用途的臨牀前研究和臨牀試驗的數量呈指數級增長。儘管爲開發 CSC 靶向治療做出了所有努力，但進一步調查以確定 CSC 的特定生物學特性，可以幫助我們更好地瞭解癌症的起源和分子行爲。這爲制定和執行更具體、更安全、更有效、更“個性化”和“有針對性的”治療計劃奠定了堅實的基礎。 This book Cancer Stem Cells: Emerging Concepts and Future Perspectives in Translational Oncology aims to offer a broad framework for obtaining insight into the state-of-the-art knowledge of CSC biology and function and outline novel approaches for targeting CSCs. These revelations highlight the therapeutic implica-tions of these cells in the future of clinical oncology. This book was scrupulously designed and explicitly written being well suited for graduate students, postdoctoral fellows, and all researchers who are studying different aspects of experimental oncology. Ranging from the fundamental concepts to clinical implications, this book is composed of nineteen chapters organized in three parts. The fi rst part is devoted to delving deep into the biology of CSCs. Chapter 1 serves as an emblem of the whole book and presents a quick walk through the concepts. This chapter deals exclusively with CSC hypothesis and tumor heterogeneity models and high-lights the importance of targeting CSCs for cancer therapy. Chapter 2 describes the principal mechanisms of tumor progression and metastasis, focusing in particular 這本書《癌症幹細胞：轉化腫瘤學中的新興概念和未來展望》旨在提供一個廣泛的框架，以獲得對CSC生物學和功能的最新知識的認識，並概述了針對CSC的新方法。這些啓示突出了這些細胞在臨牀腫瘤學未來的治療意義。這本書被精心設計和明確寫作，非常適合研究生，博士後研究員，以及所有研究不同方面實驗腫瘤學的研究人員。從基本概念到臨牀應用，本書由三個部分共 19 章組成。第一部分深入探討了 CSCs 的生物學特性。第 1 章是整本書的縮影，快速介紹了相關概念。本章專門討論了 CSC 假說和腫瘤異質性模型，並強調了以 CSC 爲靶點進行癌症治療的重要性。第 2 章描述了腫瘤進展和轉移的主要機制，重點討論了 on contribution of defi ned molecular constituents of metastatic niche to CSC physi-ology. Given that a link has been established between cytokine networks and cancer development, Chap. 3 aims to explore the contribution of key cytokines to the CSC phenotype in terms of survival and maintenance. By delineating the importance of chemokines as major modulators of tumor microenvironment, Chap. 4 details recent fi ndings on the roles of CXCR4/CXCL12 chemokine axis for tumor progression, CSC maintenance, and its potential translation into therapeutic targeting. In Chap. 5 , the general features of CSCs and the roles of noncoding RNAs, especially microRNAs and long noncoding RNAs, in the regulation of CSC properties are discussed. In addition, current therapeutic strategies aimed at regulating noncoding RNAs for the purpose of CSC therapy are summarized. As stem cells might be the targets of transformation during carcinogenesis, Chap. 6 provides evidence that stemness pathways are dysregulated due to accumulated mutations and epigenetic alterations. This chapter lends support to the concept that breast carcinogenesis results from dysregulation of self-renewal pathways of normal mammary stem cells. The second part of the book summarizes recent advances in the study of CSCs in different types of solid tumors and hematological malignancies. In Chaps. 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , and 12 , authors effectively cover possible mechanisms involved in CSC theory, its markers, and their potential as prognostic or predictive molecules in terms of survival and treatment of selected cancers. Also, Chaps. 13 and 14 explain the importance of leukemic and lymphoid stem cells. Chapter 13 delineates the role played by malignant stem cells in myeloid and B-cell malignancies, and Chap. 14 provides an in-depth analysis to leukemic stem cells in acute lymphoblastic leuke-mia (ALL). The latter chapter particularizes that identifi cation and characterization of leukemic stem cells and their integration with molecular studies have served as a basis for understanding the early stages of ALL development, identifi cation of puta-tive leukemia-initiating cells, and defi nition of their heterogeneity and changes dur-ing tumor development/progression. The third part of the book aims to offer novel approaches for targeting CSCs. In Chap. 15 , authors discuss the signaling paradigm for stemness pathways, identify druggable targets, and present selected preclinical and clinical fi ndings with agents targeting each pathway. Importantly, this chapter considers other disease-specifi c targeted agents to uncover roadblocks to the suc-cess of these anti-stemness agents including fi nancial considerations, development of Multidrug resistance, and on-target adverse effects. Consistent with the notion that targeting the interplay between paracrine signals arising in the tumor stromal and the nearby cancerous cells holds promise for the successful elimination of CSCs, Chap. 16 offers a precise description to the latest fi ndings in the optimization and tailoring of novel strategies designed for eliminating CSCs or affecting their microenvironment and administered in concert with conventional chemotherapy which can lead to tumor bulk shrinkage and ablate resistance and relapse. As che-moresistance is one of the most important hurdles to be overcome for improving long-term cancer patient survival, Chap. 17 discusses multiple mechanisms identi-fi ed for CSC- associated chemoresistance and introduces epigenetic-modifying drugs and inhibitors designed for resensitizing CSCs to chemotherapeutics. In line with this, Chap. 18 outlines mechanisms that CSCs employ to resist ionizing radia- 轉移微環境中特定分子成分對 CSC 生理學的貢獻。鑑於細胞因子網絡與癌症發展之間的聯繫，第 3 章旨在從生存和維持的角度探討關鍵細胞因子對 CSC 表型的貢獻。通過闡明趨化因子作爲腫瘤微環境主要調節劑的重要性，第 4 章詳細介紹了 CXCR4/CXCL12 趨化因子軸在腫瘤進展、CSC 維持以及潛在轉化爲治療靶點方面的最新發現。第 5 章討論了 CSC 的一般特徵以及非編碼 RNA，特別是 microRNA 和長鏈非編碼 RNA 在調節 CSC 特性方面的作用。此外，本章還總結了目前旨在調節非編碼 RNA 的 CSC 治療策略。由於幹細胞在癌變過程中可能成爲轉化的靶點，第 6 章提供了證據表明，由於積累的突變和表觀遺傳學改變，乾性的途徑發生了紊亂。本章支持了這樣一種概念，即乳腺癌的發生是由於正常乳腺幹細胞的自我更新途徑發生了紊亂。本書第二部分總結了不同類型實體腫瘤和血液惡性腫瘤中 CSCs 研究的最新進展。第 7、第 8、第 9、第 10、第 11 和第 12 章中，作者有效地涵蓋了 CSC 理論中可能涉及的機制、其標記物以及它們作爲生存和治療某些癌症的預後或預測分子的可能性。此外，第 13 和第 14 章解釋了白血病和淋巴細胞幹細胞的重要性。第 13 章描述了惡性幹細胞在骨髓和 B 細胞惡性腫瘤中的作用，第 14 章對急性淋巴細胞白血病 （ALL） 中的白血病幹細胞進行了深入分析。最後一章具體介紹了白血病幹細胞的鑑定和表徵以及它們與分子研究相結合，爲理解 ALL 發展的早期階段、鑑定白血病起始細胞、定義其在腫瘤發展/進展過程中的異質性和變化提供了基礎。本書的第三部分旨在爲靶向 CSCs 提供新的方法。在第 15 章中，作者討論了乾性的信號通路模式，確定了可治療的目標，並提出了針對每條通路的候選藥物的臨牀前和臨牀研究結果。重要的是，本章考慮了其他疾病特異性靶向製劑，以揭示這些抗增殖製劑成功之路上的障礙，包括經濟考慮、多藥耐藥性發展以及靶向不良反應。與以下觀點一致：靶向腫瘤間質和附近癌細胞產生的旁分泌信號之間的相互作用有望成功消除 CSCs，Chap。第 16 章對新策略的優化和定製進行了精確描述，這些新策略旨在消除 CSC 或影響其微環境，並與常規化療聯合使用，可導致腫瘤體積縮小和消除抗性和復發。由於耐藥性是提高癌症患者長期生存率時需要克服的最重要障礙之一，第 17 章討論了已確定的與 CSC 相關的化療耐藥性的多種機制，並介紹了爲使 CSC 對化療藥物敏感而設計的表觀遺傳學修飾藥物和抑制劑。18概述了CSCs抵抗電離輻射的機制- tion and therapeutic strategies that are currently being used in the clinic or are in various stages of development for overcoming CSC-associated radioresistance. Finally, Chap. 19 discusses the diagnostic and therapeutic potentials of CSCs and introduces biomarkers in preclinical models and clinical trials to evaluate the thera-peutic effectiveness of CSCs. 最後，第 19 章討論了 CSC 的診斷和治療潛力，並介紹了臨牀前模型和臨牀試驗中的生物標誌物，以評估 CSC 的治療有效性。最後，第 19 章討論了 CTC 的診斷和治療潛力，並介紹了臨牀前模式和臨牀試驗中的生物標誌物，以評估 CTc 的治療有效性。 This book would not have come to fruition without the continuous support and administrative assistance of Melania Ruiz, along with the additional administrative help by Marleen Moor and Ilse Hensen-Kooijman from Springer International Publishing Switzerland. I also want to thank Dr. Babak Bakhshinejad for his valu-able comments during the editing process of the book. Ultimately, I would like to express my profound gratitude to all of the authors for their time and efforts in bringing this project to completion. I am truly honored to have the opportunity to work with such a prestigious team. It is hoped that this book will serve to encourage continued collaboration among its authors. 如果沒有梅拉尼婭·魯伊斯的持續支持和行政協助，以及斯普林格國際出版公司瑞士分社瑪琳·穆爾和伊爾莎·亨森-庫伊曼提供的額外行政協助，本書將不會面世。我還想感謝巴巴克·巴赫希內賈德博士在編輯過程中提供的寶貴意見。最後，我想對所有作者爲完成這個項目而付出的時間和努力表示衷心的感謝。我非常榮幸有機會與這樣一個傑出的團隊合作。希望本書能夠鼓勵作者們繼續合作。 Tehran, Iran Sadegh Babashah , Ph.D. 伊朗德黑蘭薩德赫·巴巴沙博士。 October, 2015 2015年10月

幹細胞起源的細胞融合假說 1911年，Aichel第一次提出腫瘤進展過程中的細胞融合理論：細胞融合引起染色體數量異常，進而引起腫瘤形成。他認爲非整倍體可能是腫瘤細胞和侵入的白細胞發生融合產生的，認爲額外的染色體和染色體數量上的異常導致轉移表型的出現。幾十年以後，Meckler和Goldenberg分別獨立提出了相同的理論：轉移是由腫瘤細胞和白細胞融合產生的。現在幾個實驗室報道融合可以使細胞出現非整倍體和獲得高轉移潛能。1984年LaGarde 和Kerbel也做出總結：融合可能導致腫瘤細胞基因表達發生重要改變。這些過程導致了已經有顯著缺失或獲得惡性侵襲的腫瘤細胞亞羣的進展，並因此可能是產生大規模基因型和表型變異的遺傳機制。如果與腫瘤細胞發生融合的正常宿主細胞正好是一個淋巴造血幹細胞，那麼它可能對使腫瘤細胞獲得異常的轉移特性並獲得幹細胞特性。因此，不合適的細胞融合可能有助於CSCs的形成（圖3-7）。 [插圖] 圖3-7　細胞融合潛在的乾性獲得機制 （一）依據 細胞融合是生物發育過程中重要的一環。在發育過程中，相同細胞的融合產生了多核的鉅細胞、骨、肌及胎盤。不同細胞的融合產生異核體，導致細胞分化。異核體隨時間的推移趨於穩定，並且融合細胞的功能和特徵也被體現出來。在成體中也可觀察到細胞融合。循環的HSCs可以和肝細胞、心肌細胞、少突膠質細胞和蒲肯野纖維等融合。肝再生和組織修復過程中，異核體具有重要的功能。 許多腫瘤細胞存在融合基因。腫瘤細胞間或腫瘤細胞和正常宿主細胞間的混亂融合能夠使細胞產生新的特性，並且腫瘤細胞和正常成體細胞的融合可以產生比親本更具惡性的細胞。如增殖速度加快、轉移能力增強，耐受凋亡信號，包括化療藥物。進一步的證據表明，腫瘤相關巨噬細胞，通過他們高的融合基因潛能，可能在腫瘤細胞融合中具有重要作用。假設，在高融合的環境下，突變吸引幹細胞過來，參與了細胞融合的發生，這可能導致基因重新程序化併產生CSCs。 已知的侵襲和轉移的途徑很多。然而，從非轉移的細胞羣體中產生的轉移細胞仍然不能夠被人們所理解。引起上皮中腫瘤或黑色素瘤細胞脫離鄰近細胞採取遷移表型，穿過基底膜進入真皮層，進入血液循環或淋巴，經過滲出，在淋巴結、遠隔組織或器官形成新的腫物的機制是什麼？長期以來認爲在宿主選擇性壓力作用下，不穩定的腫瘤基因組在不具有轉移能力的原位腫瘤裏產生了具有轉移能力的細胞。這一觀點繼續爲設想的腫瘤進程提供了最好的框架。然而很難設想這個過程是如何通過持續、漸進的轉移表型的突變產生的，這些突變表型要求在原位腫瘤激活或沉默大量基因。解決這一問題的方法是激活控制多條信號途徑和起始前轉移級聯反應的管家調控基因。這一點已經在發育過程中EMT管家調節子的報告中證實，如SNAIL、SLUG、SPARC和TWIST在侵襲和轉移過程中有相似的作用。在這個過程中，它們激活了與細胞黏附和轉移相關的間質途徑。例如，在乳腺癌中，TWIST激活microRNA-10b，而microRNA-10b又反過來引起前轉移基因RHOC的表達，它增加了受影響細胞的轉移潛能。然而，諸如TWIST等的管家調節子在腫瘤中自我上調的機制仍然不是很清楚。目前認爲，至少在某種條件下，這種情況是可以通過腫瘤細胞和BMDCs的融合產生。儘管從上皮到間質基因表達的過渡確實是侵襲和轉移的特徵，表達的基因經常與遷移的BMDCs相似，如巨噬細胞和其他髓系細胞。遷移的BMDCs和腫瘤細胞發生融合共同表達融合後的基因組爲這種現象提供了可能的解釋。按照這一觀點，融合理論比以往提出的任何理論更接近於統一腫瘤進展的解釋。融合代表了一種非突變機制，它可以解釋與惡性相關的基因缺失表達模式。巨噬細胞-腫瘤細胞融合的研究已經闡明瞭在親本和融合細胞中的基因表達模式。在這種細胞中，基因表達反應了髓系基因和腫瘤細胞基因的結合，這些都是以解除細胞分裂爲背景的。實際上，許多與腫瘤進展相關的分子和特徵是通過正常的髓系細胞表達的，如血管生成、移動、趨化和趨向性、免疫信號、基質解除和重塑、對低氧的耐受和對化療藥物的耐受。腫瘤細胞發生融合可能對轉移細胞的非整倍體和基因重排有作用。毫無疑問，動物和人腫瘤的研究表明，在體內這種融合是轉移的來源。 在從人髓母細胞瘤和膠質瘤中分離的CSCs中觀察到了染色體紊亂的現象。有趣的是，這兩個報道都描述了非整倍體的CSCs羣體，而髓母細胞瘤和膠質瘤幹細胞有不同的核型，包括不同的非整倍體癌幹細胞羣體的存在。這就產生一個問題：腫瘤的非整倍體是從何而來？在許多腫瘤非整倍體的早期表現表明非整倍體的獲得非常快。通常的觀點是：一套關鍵突變影響控制基因組穩定性的分子，這些分子反過來導致非整倍體的出現。然而，有衆多報道表明細胞可以通過細胞融合獲得其他細胞的表型。例如，小鼠的骨髓細胞可以和胚胎幹細胞發生融合並自發的採取受體細胞的表型，沒有詳細的遺傳分析，可能被作爲轉分化或去分化的解釋。另外，體外神經幹細胞和胚胎幹細胞融合，融合細胞注射到鼠胚泡。融合細胞獲得了組織特異性特徵和宿主細胞的分化潛能。許多融合細胞是非整倍體。然而，也不排除融合細胞經歷減數分裂產生二倍體。因此，一個二倍體細胞也可能是一個融合細胞。 融合也可能發生在不同的腫瘤細胞，也可能發生在腫瘤細胞和正常體細胞之間。這可能是一個小概率事件，但在腫瘤進展中可能具有重要作用（圖3-8）。 [插圖] 圖3-8　腫瘤進展過程中的細胞融合 細胞融合可能產生細胞的多樣性。細胞和環境因素可能誘導腫瘤細胞和正常細胞的細胞融合。大多數細胞要麼死亡要麼靜默，但小部分可能增殖，產生新的腫瘤和對腫瘤血管生成起作用的細胞。有證據表明實體瘤內的內皮細胞遺傳異常。這些細胞表現爲非整倍體，具有多條染色體和多箇中心體。這提示在腫瘤細胞和內皮細胞間可能發生了細胞融合。 （二）細胞融合的機制 融合發生在腫瘤細胞吞噬、腫瘤相關的巨噬細胞或其他吞噬細胞的凋亡體出現之後。體外腫瘤細胞吞噬過程中，出現癌基因的水平轉移。病毒可以誘導腫瘤細胞融合。Syncytin蛋白可以使子宮內膜癌和乳腺癌發生融合。蛋白激酶AKT2的慢性激活導致人腎上皮細胞多核化和細胞融合的發生。細胞內化的細胞—細胞侵襲機制可能也引起細胞融合的發生。融合的一個基本的要求是，融合細胞的膜要充分接近。這伴隨着受體—配體的相互作用，這在病毒—細胞融合、巨噬細胞—巨噬細胞融合形成破骨細胞和鉅細胞過程中可以看到。至於巨噬細胞，它的一些基因也參與了細胞融合。在破骨細胞的形成中，參與融合的三個受體系統是巨噬細胞融合受體MFR、CD44及DC-STAMP。CD44是一個未知的融合配體，在融合的早期階段也瞬時表達。通過Ⅰ型基質金屬硫蛋白酶去除膜表面CD44胞外結構域，可能使細胞靠近發生融合。DC-STAMP是一個趨化因子樣受體，在巨噬細胞融合產生破骨細胞和鉅細胞過程是必需的。儘管DC-STAMP的配體還不能確定，但細胞因子CCL2是一個候選配體，CCL2是破骨細胞和鉅細胞形成過程中的一個重要成分。