癌干细胞理论与应用

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理论认为，肿瘤的发展可能起源于一个罕见的细胞群体，这些细胞表现出干细胞样特性。这一理论最初是在大约150年前提出的。近十年的研究表明，极大地提高了我们对癌症的分子发病机制的理解。CSC已被证明是传统化疗药物耐药性的根源，导致肿瘤复发和预后不良。在这种情况下，有必要开发新的方法来根除CSC，以抑制肿瘤复发，这被认为是癌症治疗的主要挑战。新型化合物精确设计以消除 CSCs 或影响其微环境，并与常规化疗联合应用，可导致肿瘤体积缩小和消除耐药性和复发。重要的是，近年来，检查抗 CSC 药物潜在用途的临床前研究和临床试验的数量呈指数级增长。尽管为开发 CSC 靶向治疗做出了所有努力，但进一步调查以确定 CSC 的特定生物学特性，可以帮助我们更好地了解癌症的起源和分子行为。这为制定和执行更具体、更安全、更有效、更“个性化”和“有针对性的”治疗计划奠定了坚实的基础。 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 这本书《癌症干细胞：转化肿瘤学中的新兴概念和未来展望》旨在提供一个广泛的框架，以获得对CSC生物学和功能的最新知识的认识，并概述了针对CSC的新方法。这些启示突出了这些细胞在临床肿瘤学未来的治疗意义。这本书被精心设计和明确写作，非常适合研究生，博士后研究员，以及所有研究不同方面实验肿瘤学的研究人员。从基本概念到临床应用，本书由三个部分共 19 章组成。第一部分深入探讨了 CSCs 的生物学特性。第 1 章是整本书的缩影，快速介绍了相关概念。本章专门讨论了 CSC 假说和肿瘤异质性模型，并强调了以 CSC 为靶点进行癌症治疗的重要性。第 2 章描述了肿瘤进展和转移的主要机制，重点讨论了 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- 转移微环境中特定分子成分对 CSC 生理学的贡献。鉴于细胞因子网络与癌症发展之间的联系，第 3 章旨在从生存和维持的角度探讨关键细胞因子对 CSC 表型的贡献。通过阐明趋化因子作为肿瘤微环境主要调节剂的重要性，第 4 章详细介绍了 CXCR4/CXCL12 趋化因子轴在肿瘤进展、CSC 维持以及潜在转化为治疗靶点方面的最新发现。第 5 章讨论了 CSC 的一般特征以及非编码 RNA，特别是 microRNA 和长链非编码 RNA 在调节 CSC 特性方面的作用。此外，本章还总结了目前旨在调节非编码 RNA 的 CSC 治疗策略。由于干细胞在癌变过程中可能成为转化的靶点，第 6 章提供了证据表明，由于积累的突变和表观遗传学改变，干性的途径发生了紊乱。本章支持了这样一种概念，即乳腺癌的发生是由于正常乳腺干细胞的自我更新途径发生了紊乱。本书第二部分总结了不同类型实体肿瘤和血液恶性肿瘤中 CSCs 研究的最新进展。第 7、第 8、第 9、第 10、第 11 和第 12 章中，作者有效地涵盖了 CSC 理论中可能涉及的机制、其标记物以及它们作为生存和治疗某些癌症的预后或预测分子的可能性。此外，第 13 和第 14 章解释了白血病和淋巴细胞干细胞的重要性。第 13 章描述了恶性干细胞在骨髓和 B 细胞恶性肿瘤中的作用，第 14 章对急性淋巴细胞白血病 （ALL） 中的白血病干细胞进行了深入分析。最后一章具体介绍了白血病干细胞的鉴定和表征以及它们与分子研究相结合，为理解 ALL 发展的早期阶段、鉴定白血病起始细胞、定义其在肿瘤发展/进展过程中的异质性和变化提供了基础。本书的第三部分旨在为靶向 CSCs 提供新的方法。在第 15 章中，作者讨论了干性的信号通路模式，确定了可治疗的目标，并提出了针对每条通路的候选药物的临床前和临床研究结果。重要的是，本章考虑了其他疾病特异性靶向制剂，以揭示这些抗增殖制剂成功之路上的障碍，包括经济考虑、多药耐药性发展以及靶向不良反应。与以下观点一致：靶向肿瘤间质和附近癌细胞产生的旁分泌信号之间的相互作用有望成功消除 CSCs，Chap。第 16 章对新策略的优化和定制进行了精确描述，这些新策略旨在消除 CSC 或影响其微环境，并与常规化疗联合使用，可导致肿瘤体积缩小和消除抗性和复发。由于耐药性是提高癌症患者长期生存率时需要克服的最重要障碍之一，第 17 章讨论了已确定的与 CSC 相关的化疗耐药性的多种机制，并介绍了为使 CSC 对化疗药物敏感而设计的表观遗传学修饰药物和抑制剂。18概述了CSCs抵抗电离辐射的机制- 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. 最后，第 19 章讨论了 CSC 的诊断和治疗潜力，并介绍了临床前模型和临床试验中的生物标志物，以评估 CSC 的治疗有效性。最后，第 19 章讨论了 CTC 的诊断和治疗潜力，并介绍了临床前模式和临床试验中的生物标志物，以评估 CTc 的治疗有效性。 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. 如果没有梅拉尼娅·鲁伊斯的持续支持和行政协助，以及斯普林格国际出版公司瑞士分社玛琳·穆尔和伊尔莎·亨森-库伊曼提供的额外行政协助，本书将不会面世。我还想感谢巴巴克·巴赫希内贾德博士在编辑过程中提供的宝贵意见。最后，我想对所有作者为完成这个项目而付出的时间和努力表示衷心的感谢。我非常荣幸有机会与这样一个杰出的团队合作。希望本书能够鼓励作者们继续合作。 Tehran, Iran Sadegh Babashah , Ph.D. 伊朗德黑兰萨德赫·巴巴沙博士。 October, 2015 2015年10月

干细胞起源的细胞融合假说 1911年，Aichel第一次提出肿瘤进展过程中的细胞融合理论：细胞融合引起染色体数量异常，进而引起肿瘤形成。他认为非整倍体可能是肿瘤细胞和侵入的白细胞发生融合产生的，认为额外的染色体和染色体数量上的异常导致转移表型的出现。几十年以后，Meckler和Goldenberg分别独立提出了相同的理论：转移是由肿瘤细胞和白细胞融合产生的。现在几个实验室报道融合可以使细胞出现非整倍体和获得高转移潜能。1984年LaGarde 和Kerbel也做出总结：融合可能导致肿瘤细胞基因表达发生重要改变。这些过程导致了已经有显著缺失或获得恶性侵袭的肿瘤细胞亚群的进展，并因此可能是产生大规模基因型和表型变异的遗传机制。如果与肿瘤细胞发生融合的正常宿主细胞正好是一个淋巴造血干细胞，那么它可能对使肿瘤细胞获得异常的转移特性并获得干细胞特性。因此，不合适的细胞融合可能有助于CSCs的形成（图3-7）。 [插图] 图3-7　细胞融合潜在的干性获得机制 （一）依据 细胞融合是生物发育过程中重要的一环。在发育过程中，相同细胞的融合产生了多核的巨细胞、骨、肌及胎盘。不同细胞的融合产生异核体，导致细胞分化。异核体随时间的推移趋于稳定，并且融合细胞的功能和特征也被体现出来。在成体中也可观察到细胞融合。循环的HSCs可以和肝细胞、心肌细胞、少突胶质细胞和蒲肯野纤维等融合。肝再生和组织修复过程中，异核体具有重要的功能。 许多肿瘤细胞存在融合基因。肿瘤细胞间或肿瘤细胞和正常宿主细胞间的混乱融合能够使细胞产生新的特性，并且肿瘤细胞和正常成体细胞的融合可以产生比亲本更具恶性的细胞。如增殖速度加快、转移能力增强，耐受凋亡信号，包括化疗药物。进一步的证据表明，肿瘤相关巨噬细胞，通过他们高的融合基因潜能，可能在肿瘤细胞融合中具有重要作用。假设，在高融合的环境下，突变吸引干细胞过来，参与了细胞融合的发生，这可能导致基因重新程序化并产生CSCs。 已知的侵袭和转移的途径很多。然而，从非转移的细胞群体中产生的转移细胞仍然不能够被人们所理解。引起上皮中肿瘤或黑色素瘤细胞脱离邻近细胞采取迁移表型，穿过基底膜进入真皮层，进入血液循环或淋巴，经过渗出，在淋巴结、远隔组织或器官形成新的肿物的机制是什么？长期以来认为在宿主选择性压力作用下，不稳定的肿瘤基因组在不具有转移能力的原位肿瘤里产生了具有转移能力的细胞。这一观点继续为设想的肿瘤进程提供了最好的框架。然而很难设想这个过程是如何通过持续、渐进的转移表型的突变产生的，这些突变表型要求在原位肿瘤激活或沉默大量基因。解决这一问题的方法是激活控制多条信号途径和起始前转移级联反应的管家调控基因。这一点已经在发育过程中EMT管家调节子的报告中证实，如SNAIL、SLUG、SPARC和TWIST在侵袭和转移过程中有相似的作用。在这个过程中，它们激活了与细胞黏附和转移相关的间质途径。例如，在乳腺癌中，TWIST激活microRNA-10b，而microRNA-10b又反过来引起前转移基因RHOC的表达，它增加了受影响细胞的转移潜能。然而，诸如TWIST等的管家调节子在肿瘤中自我上调的机制仍然不是很清楚。目前认为，至少在某种条件下，这种情况是可以通过肿瘤细胞和BMDCs的融合产生。尽管从上皮到间质基因表达的过渡确实是侵袭和转移的特征，表达的基因经常与迁移的BMDCs相似，如巨噬细胞和其他髓系细胞。迁移的BMDCs和肿瘤细胞发生融合共同表达融合后的基因组为这种现象提供了可能的解释。按照这一观点，融合理论比以往提出的任何理论更接近于统一肿瘤进展的解释。融合代表了一种非突变机制，它可以解释与恶性相关的基因缺失表达模式。巨噬细胞-肿瘤细胞融合的研究已经阐明了在亲本和融合细胞中的基因表达模式。在这种细胞中，基因表达反应了髓系基因和肿瘤细胞基因的结合，这些都是以解除细胞分裂为背景的。实际上，许多与肿瘤进展相关的分子和特征是通过正常的髓系细胞表达的，如血管生成、移动、趋化和趋向性、免疫信号、基质解除和重塑、对低氧的耐受和对化疗药物的耐受。肿瘤细胞发生融合可能对转移细胞的非整倍体和基因重排有作用。毫无疑问，动物和人肿瘤的研究表明，在体内这种融合是转移的来源。 在从人髓母细胞瘤和胶质瘤中分离的CSCs中观察到了染色体紊乱的现象。有趣的是，这两个报道都描述了非整倍体的CSCs群体，而髓母细胞瘤和胶质瘤干细胞有不同的核型，包括不同的非整倍体癌干细胞群体的存在。这就产生一个问题：肿瘤的非整倍体是从何而来？在许多肿瘤非整倍体的早期表现表明非整倍体的获得非常快。通常的观点是：一套关键突变影响控制基因组稳定性的分子，这些分子反过来导致非整倍体的出现。然而，有众多报道表明细胞可以通过细胞融合获得其他细胞的表型。例如，小鼠的骨髓细胞可以和胚胎干细胞发生融合并自发的采取受体细胞的表型，没有详细的遗传分析，可能被作为转分化或去分化的解释。另外，体外神经干细胞和胚胎干细胞融合，融合细胞注射到鼠胚泡。融合细胞获得了组织特异性特征和宿主细胞的分化潜能。许多融合细胞是非整倍体。然而，也不排除融合细胞经历减数分裂产生二倍体。因此，一个二倍体细胞也可能是一个融合细胞。 融合也可能发生在不同的肿瘤细胞，也可能发生在肿瘤细胞和正常体细胞之间。这可能是一个小概率事件，但在肿瘤进展中可能具有重要作用（图3-8）。 [插图] 图3-8　肿瘤进展过程中的细胞融合 细胞融合可能产生细胞的多样性。细胞和环境因素可能诱导肿瘤细胞和正常细胞的细胞融合。大多数细胞要么死亡要么静默，但小部分可能增殖，产生新的肿瘤和对肿瘤血管生成起作用的细胞。有证据表明实体瘤内的内皮细胞遗传异常。这些细胞表现为非整倍体，具有多条染色体和多个中心体。这提示在肿瘤细胞和内皮细胞间可能发生了细胞融合。 （二）细胞融合的机制 融合发生在肿瘤细胞吞噬、肿瘤相关的巨噬细胞或其他吞噬细胞的凋亡体出现之后。体外肿瘤细胞吞噬过程中，出现癌基因的水平转移。病毒可以诱导肿瘤细胞融合。Syncytin蛋白可以使子宫内膜癌和乳腺癌发生融合。蛋白激酶AKT2的慢性激活导致人肾上皮细胞多核化和细胞融合的发生。细胞内化的细胞—细胞侵袭机制可能也引起细胞融合的发生。融合的一个基本的要求是，融合细胞的膜要充分接近。这伴随着受体—配体的相互作用，这在病毒—细胞融合、巨噬细胞—巨噬细胞融合形成破骨细胞和巨细胞过程中可以看到。至于巨噬细胞，它的一些基因也参与了细胞融合。在破骨细胞的形成中，参与融合的三个受体系统是巨噬细胞融合受体MFR、CD44及DC-STAMP。CD44是一个未知的融合配体，在融合的早期阶段也瞬时表达。通过Ⅰ型基质金属硫蛋白酶去除膜表面CD44胞外结构域，可能使细胞靠近发生融合。DC-STAMP是一个趋化因子样受体，在巨噬细胞融合产生破骨细胞和巨细胞过程是必需的。尽管DC-STAMP的配体还不能确定，但细胞因子CCL2是一个候选配体，CCL2是破骨细胞和巨细胞形成过程中的一个重要成分。