01

介紹

癌癥是最危險(xiǎn)的疾病，在世界范圍內(nèi)造成數(shù)百萬人死亡。

圖1癌發(fā)生階段——細(xì)胞從腫瘤前細(xì)胞發(fā)展為腫瘤細(xì)胞和原位癌的過程，導(dǎo)致血管和淋巴結(jié)以及周圍組織的侵襲

干細(xì)胞療法，為對(duì)抗癌癥提供了一個(gè)有希望的選擇。由于其增強(qiáng)了對(duì)腫瘤的靶向性，可以提高其他療法的療效，從而減少脫靶事件。

許多基于干細(xì)胞的策略現(xiàn)在已經(jīng)在臨床前試驗(yàn)中進(jìn)行研究，它們顯示了癌癥治療的巨大希望和挑戰(zhàn)。

02用于癌癥治療的干細(xì)胞類型

不同來源的干細(xì)胞表現(xiàn)出不同的增殖、遷移和分化能力，這決定了它們?cè)诳鼓[瘤治療中的應(yīng)用。

2.1多能干細(xì)胞

從胚胎未分化的內(nèi)質(zhì)細(xì)胞中分離的胚胎干細(xì)胞(ESCs)具有產(chǎn)生除胎盤細(xì)胞外的所有類型細(xì)胞的能力。然而，由于倫理方面的考慮，ESCs在臨床試驗(yàn)中的應(yīng)用受到限制。

2006年，Yamanaka因子的發(fā)明從培養(yǎng)的體細(xì)胞中誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs ),標(biāo)志著細(xì)胞生物學(xué)的突破。這些iPSCs與ESCs具有相同的特征，同時(shí)消除了胚胎破壞的倫理顧慮。迄今為止，人胚胎干細(xì)胞和多能干細(xì)胞都是誘導(dǎo)效應(yīng)T細(xì)胞和NK細(xì)胞的重要來源，并用于生產(chǎn)抗癌疫苗。

2.2成體干細(xì)胞

成體干細(xì)胞可以產(chǎn)生許多組織和器官的特化細(xì)胞類型。在這一組中，造血干細(xì)胞(HSCs)、間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)和神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)經(jīng)常用于癌癥治療。

位于骨髓中的造血干細(xì)胞可以形成體內(nèi)所有的成熟血細(xì)胞。到目前為止，輸注來自臍帶血的HSCs是FDA批準(zhǔn)的用于治療多發(fā)性骨髓瘤、白血病和某些血液系統(tǒng)疾病的干細(xì)胞的唯一方法。

間充質(zhì)干細(xì)胞存在于許多組織和器官中，在組織修復(fù)和再生中發(fā)揮重要作用。它們可以在體外快速增殖并產(chǎn)生幾種特定的細(xì)胞類型，如骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和軟骨細(xì)胞。間充質(zhì)干細(xì)胞具有獨(dú)特的生物學(xué)特性，已被廣泛用于支持其他療法或在治療各種癌癥時(shí)遞送治療劑。

最初存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)干細(xì)胞可以自我更新并產(chǎn)生新的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。它們已經(jīng)在鼠模型中被廣泛測(cè)試用于治療原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性乳腺癌、肺癌和前列腺癌。

2.3腫瘤干細(xì)胞

腫瘤干細(xì)胞，即所謂的干細(xì)胞樣細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞或腫瘤起始細(xì)胞的未成熟祖細(xì)胞，是由正常干細(xì)胞或前體/祖細(xì)胞中的表觀遺傳突變產(chǎn)生的。腫瘤組織中發(fā)現(xiàn)了腫瘤干細(xì)胞，它們?cè)谀[瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)中起著重要的作用。因此，靶向腫瘤干細(xì)胞有望治療各種類型的實(shí)體腫瘤。

03干細(xì)胞在癌癥中作用的機(jī)制

3.1回歸骨髓

在侵襲性腫瘤中，通過使用非常高劑量的化療來去除所有癌細(xì)胞，造血細(xì)胞和白細(xì)胞被完全或部分破壞。在這些情況下，患者需要接受自體或異體造血干細(xì)胞的靜脈輸注。這些造血干細(xì)胞應(yīng)該發(fā)揮歸巢過程，導(dǎo)致它們快速遷移到骨髓(BM)中確定的干細(xì)胞龕中。在遇到骨髓后，移植的造血干細(xì)胞在產(chǎn)生特定的血細(xì)胞之前經(jīng)歷了植入過程。

3.2親腫瘤效應(yīng)

細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)和分泌的旁分泌因子沉積的腫瘤微環(huán)境通過吸引各種類型細(xì)胞(如內(nèi)皮細(xì)胞、浸潤(rùn)性免疫細(xì)胞和MSCs)的定向遷移來限定腫瘤的生長(zhǎng)和侵襲。腫瘤被認(rèn)為是慢性創(chuàng)傷組織，具有持續(xù)的缺氧、炎癥和氧化應(yīng)激事件，但永遠(yuǎn)不會(huì)愈合。

因此，間充質(zhì)干細(xì)胞向腫瘤微環(huán)境的遷移被認(rèn)為類似于它們向損傷或缺血部位的遷移。事實(shí)上，腫瘤細(xì)胞和腫瘤相關(guān)免疫細(xì)胞都可以通過分泌各種趨化因子參與這一過程。例如，從前列腺癌、骨肉瘤、多發(fā)性骨髓瘤和乳腺癌細(xì)胞分泌的CXCL16、SDF-1、CCL-25和IL-6分別吸引MSCs向腫瘤微環(huán)境遷移。腫瘤相關(guān)免疫細(xì)胞誘導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子(TNF-α和IL-1β)在腫瘤內(nèi)間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移和分化中起重要作用。

3.3旁分泌因子分泌和分化能力

越來越多的證據(jù)表明，干細(xì)胞通過釋放各種旁分泌因子來發(fā)揮作用，包括細(xì)胞外小泡和可溶性物質(zhì)，這可能會(huì)影響腫瘤的存活、進(jìn)展和轉(zhuǎn)移。

在三種類型的EVs中，納米大小的外泌體表現(xiàn)為細(xì)胞間相互作用的重要調(diào)節(jié)者。由細(xì)胞內(nèi)多泡體的胞吐過程產(chǎn)生，包含各種生物分子，如蛋白質(zhì)、mRNAs和miRNAs一旦從MSCs釋放，外泌體可以靶向腫瘤小生境，在那里它們通過內(nèi)吞作用或受體-配體相互作用被內(nèi)化到癌細(xì)胞中，然后在受體細(xì)胞內(nèi)釋放它們的貨物。此外，干細(xì)胞可以對(duì)刺激做出反應(yīng)，產(chǎn)生許多可溶性因子。例如，間充質(zhì)干細(xì)胞可以釋放免疫抑制因子(TGF-β1、伊多、iNOS、HLA-G)、抗炎因子(TSG-6、IL-1RA、PGE-2)、抗凋亡因子(STC-1)和血管生成因子(VEGF、HO-1、IGF-1)。

此外，干細(xì)胞的分化能力對(duì)于癌癥治療非常重要。例如，移植的造血干細(xì)胞可以生成所有的血細(xì)胞類型。因此，移植造血干細(xì)胞的數(shù)量和質(zhì)量將影響臨床結(jié)果和血液系統(tǒng)的恢復(fù)。同樣，神經(jīng)干細(xì)胞可以替代腦癌中受損的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。ESCs和iPSCs可以作為誘導(dǎo)效應(yīng)免疫細(xì)胞特異性靶向腫瘤的細(xì)胞來源。

3.4腫瘤干細(xì)胞中的信號(hào)

眾所周知，分子信號(hào)通路，包括Notch、Hedgehog、Wnt/β-catenin、PI3K/PTEN、JAK/STAT和NF-κB，調(diào)節(jié)正常干細(xì)胞增殖。這些信號(hào)通路的持續(xù)變化將導(dǎo)致干細(xì)胞和后續(xù)癌細(xì)胞的形成。腫瘤干細(xì)胞具有高度的自我更新和分化能力，有助于腫瘤的生長(zhǎng)、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移(圖2)。此外，這些細(xì)胞負(fù)責(zé)腫瘤的常規(guī)治療抗性。因此，對(duì)腫瘤干細(xì)胞的研究對(duì)于開發(fā)有效的腫瘤治療方法非常重要。

圖2腫瘤形成及其復(fù)雜的微環(huán)境。正常干細(xì)胞或前體/祖細(xì)胞中的表觀遺傳突變導(dǎo)致腫瘤干細(xì)胞的產(chǎn)生，腫瘤干細(xì)胞在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、維持和轉(zhuǎn)移中起著至關(guān)重要的作用。腫瘤小生境不僅包含腫瘤細(xì)胞和腫瘤干細(xì)胞，還包含腫瘤相關(guān)免疫細(xì)胞(T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞(mφ)、樹突細(xì)胞(DC))、腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(CAF)和其他細(xì)胞。此外，所有這些細(xì)胞分泌的趨化因子(CXCL16、SDF-1、CCL-25和IL-6、TNF-α和IL-1β)將MSCs招募到腫瘤中，在腫瘤進(jìn)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

腫瘤干細(xì)胞可以被鑒定為具有高的乙醇酸活性、緩慢的細(xì)胞分裂、增強(qiáng)的治療抗性和增強(qiáng)的免疫抗性。特別是腫瘤相關(guān)抗原(TAAs)在腫瘤干細(xì)胞中，包括通常只在生殖細(xì)胞和胚胎發(fā)育中表達(dá)的癌/睪丸抗原和癌胚胎抗原，可以作為免疫治療的良好靶向分子。

04干細(xì)胞治療在癌癥中的潛在應(yīng)用

已經(jīng)開發(fā)了使用干細(xì)胞療法治療癌癥的各種策略，包括HSC移植、用于癌癥后治療的MSC輸注、用于治療載體的干細(xì)胞、免疫效應(yīng)細(xì)胞的產(chǎn)生和疫苗生產(chǎn)(圖3)。

圖3干細(xì)胞療法在癌癥治療中的應(yīng)用策略。(1) HSC移植已被用于重化療或放療后造血細(xì)胞和白細(xì)胞的重建。(2) ESCs和iPSCs可用于產(chǎn)生效應(yīng)免疫細(xì)胞，然后構(gòu)建用于過繼細(xì)胞轉(zhuǎn)移技術(shù)的CAR。此外，ESCs和iPSCs可以成為生產(chǎn)抗癌疫苗的潛在來源。(3)由于其固有的腫瘤嗜性，MSCs/NSCs可有效地將基因、NP和OVs遞送至腫瘤龕。從藥物引發(fā)的MSCs/NSCs培養(yǎng)物中提取的外泌體可用于將藥物靶向腫瘤部位。

4.1HSC移植

HSC移植主要作為高劑量放療或化療后治療多發(fā)性骨髓瘤、白血病和淋巴瘤的標(biāo)準(zhǔn)方法。此外，這種方法現(xiàn)在在臨床試驗(yàn)中被廣泛研究，與化療或免疫療法結(jié)合，用于治療其他類型的癌癥，如腦腫瘤(NCT00528437)、成神經(jīng)細(xì)胞瘤、肉瘤(NCT01807468)和乳腺癌(NCT00003927)。

然而，當(dāng)使用同種異體來源的HSC時(shí)，移植物抗宿主病(GVHD)的發(fā)生仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，通常用免疫抑制藥物治療，效果較差且副作用嚴(yán)重。

4.2癌癥治療后的間充質(zhì)干細(xì)胞移植

侵襲性癌癥的治療包括侵入性腫瘤切除和高劑量治療，通常會(huì)導(dǎo)致正常組織和造血系統(tǒng)的損傷。明確的證據(jù)表明，輸注MSCs有助于維持HSC的未分化狀態(tài)和增殖，從而增強(qiáng)治療的總體效果。

此外，具有免疫調(diào)節(jié)作用的間充質(zhì)干細(xì)胞可有效降低難治性GVHD患者的強(qiáng)烈免疫反應(yīng)。最近的臨床試驗(yàn)顯示，在MSCs和HSCs聯(lián)合移植后，沒有相關(guān)的不良反應(yīng)。一項(xiàng)正在進(jìn)行的多中心試驗(yàn)(NCT02923375)正在對(duì)患有類固醇抵抗性GVHD的成人進(jìn)行間充質(zhì)成血管細(xì)胞來源的MSC輸注的安全性、耐受性和療效進(jìn)行測(cè)試。還發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞促進(jìn)受損器官的恢復(fù)，并能使身體耐受高劑量化療，從而提高腫瘤殺傷效果。

4.3干細(xì)胞作為潛在的治療載體

在癌癥治療中使用干細(xì)胞載體的基本原理是：(I)保護(hù)治療劑免于快速生物降解，(ii)減少全身副作用，(iii)由于干細(xì)胞固有的腫瘤靶向作用，增加局部治療水平。

該系統(tǒng)的抗腫瘤功效依賴于定位于腫瘤微環(huán)境中的干細(xì)胞的數(shù)量。

• 4.3.1轉(zhuǎn)基因干細(xì)胞

在這種方法中，干細(xì)胞，包括MSCs和NSCs，被病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)以增強(qiáng)可溶性因子的表達(dá)和分泌，所述可溶性因子是前體藥物轉(zhuǎn)化酶或腫瘤毒性細(xì)胞因子/趨化因子。

前一種系統(tǒng)因其名稱“自殺基因療法”或“基因?qū)蛎盖绑w藥物療法(GDEPT)”而廣為人知。從活的干細(xì)胞釋放的酶可以將前藥轉(zhuǎn)化為對(duì)癌細(xì)胞表現(xiàn)出更大毒性的活性分子。

表1.使用干細(xì)胞作為治療載體治療癌癥的臨床試驗(yàn)

此外，干細(xì)胞可以遺傳表達(dá)可分泌的細(xì)胞因子/趨化因子。腫瘤毒性腫瘤壞死因子-α相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體(TRAIL)在其全身遞送后表現(xiàn)出短的半衰期。有趣的是，神經(jīng)干細(xì)胞作為基因載體持續(xù)釋放TRAIL，已被證明可以減少腦瘤轉(zhuǎn)移并提高治療小鼠的存活率，該系統(tǒng)已經(jīng)在臨床試驗(yàn)中用于治療人肺腺癌(NCT03298763，recruiting)。干細(xì)胞中自殺基因(即CD)和細(xì)胞毒性基因(即IFN-β，防止腫瘤生長(zhǎng)并促進(jìn)其凋亡)的共表達(dá)顯示了增強(qiáng)治療效果的前景。

• 4.3.2攜帶納米粒子的干細(xì)胞

長(zhǎng)期以來，納米顆粒一直被用于運(yùn)送抗癌藥物。然而，它們從體內(nèi)的快速排泄、缺乏靶向作用以及不可控制的被正常細(xì)胞攝取是其主要缺點(diǎn)。

有趣的是，干細(xì)胞可以作為攜帶納米顆粒到腫瘤部位的有效載體。在這種方法中，納米顆?？梢员谎b載到細(xì)胞中或者結(jié)合到細(xì)胞表面。

納米顆粒的內(nèi)化是通過被動(dòng)攝取或主動(dòng)內(nèi)吞，這取決于納米顆粒的大小、表面特征和濃度，以及孵育時(shí)間。主要關(guān)注的是對(duì)細(xì)胞載體的潛在毒性和藥物裝載控制。

• 4.3.3干細(xì)胞作為溶瘤病毒的載體

OVs在癌細(xì)胞中表現(xiàn)出選擇性復(fù)制。據(jù)推測(cè)，OVs可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞溶解，并釋放危險(xiǎn)信號(hào)激活免疫系統(tǒng)，從而更有效地殺死腫瘤細(xì)胞。

然而，裸露的OVs很容易被免疫細(xì)胞識(shí)別并迅速?gòu)捏w內(nèi)清除。干細(xì)胞可以作為有希望的載體來保護(hù)和運(yùn)送OVs到腫瘤部位。例如發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞可有效地裝載了減毒溶瘤麻疹病毒(OMV)和溶瘤HSV，它們分別抑制了小鼠肝細(xì)胞癌和GBM的生長(zhǎng)。

然而，干細(xì)胞載體的功效取決于它們的治療效果以及載體細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞之間的關(guān)系。例如，發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞都支持病毒復(fù)制，但神經(jīng)干細(xì)胞可以釋放更多的病毒。此外，轉(zhuǎn)導(dǎo)的神經(jīng)干細(xì)胞能更有效地延長(zhǎng)荷瘤小鼠的存活時(shí)間。

• 4.3.4作為治療載體的干細(xì)胞衍生的外泌體

外泌體已被用于包封各種抗癌治療材料，如小RNA、蛋白質(zhì)或小藥物。與其他合成納米顆粒相比，這些天然載體具有許多優(yōu)勢(shì)，包括獨(dú)特的生物相容性、穩(wěn)定性、高貨物裝載能力和增強(qiáng)的腫瘤細(xì)胞內(nèi)化。此外，它們可以很容易地被其表面上的特定蛋白質(zhì)或配體功能化，以增強(qiáng)對(duì)腫瘤微環(huán)境的靶向作用。

4.4用于生產(chǎn)免疫細(xì)胞的干細(xì)胞源

嵌合抗原受體(CAR) T細(xì)胞和自然殺傷(NK)細(xì)胞已成功應(yīng)用于抗癌免疫治療。這些臨床級(jí)免疫細(xì)胞通常從自身患者身上采集、激活、用CAR構(gòu)建體進(jìn)行基因轉(zhuǎn)導(dǎo)、擴(kuò)增，然后再輸注給患者。

然而，控制用于免疫治療的這些細(xì)胞的數(shù)量和質(zhì)量仍然具有挑戰(zhàn)性，特別是在經(jīng)歷過大量化療的患者或年齡較高的患者中。此外，由于這些CAR免疫細(xì)胞快速分化為短命效應(yīng)細(xì)胞，其體內(nèi)抗腫瘤活性通常受到限制。因此，需要從其他來源產(chǎn)生CAR細(xì)胞，這使得這種免疫療法能夠擴(kuò)展到更多的患者。人類多能干細(xì)胞，包括iPSCs和ESCs，可以為此目的提供無限的來源。

分化過程包括將干細(xì)胞在含有NK細(xì)胞或T細(xì)胞起始細(xì)胞因子的生長(zhǎng)培養(yǎng)基中孵育一個(gè)月。例如，為了誘導(dǎo)NK細(xì)胞分化，引發(fā)細(xì)胞因子包含干細(xì)胞因子(SCF)、IL-3、IL-7、IL-15和fms樣酪氨酸激酶受體-3配體(FLT3L)。.為了誘導(dǎo)T細(xì)胞分化，將人胚胎干細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞(OP9)培養(yǎng)在含有SCF、IL-7和FLT3L的培養(yǎng)基中。

有趣的是，在HSCs上誘導(dǎo)CAR在治療癌癥方面顯示出更多的益處。移植的CAR-HSCs將植入骨髓并持續(xù)產(chǎn)生各種表達(dá)CAR的免疫細(xì)胞，如T細(xì)胞、NK細(xì)胞、單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞。這些細(xì)胞的聯(lián)合作用將產(chǎn)生更強(qiáng)的殺傷癌癥的免疫力。

4.5基于干細(xì)胞的抗癌疫苗

由于腫瘤干細(xì)胞在腫瘤形成和發(fā)展中的不可否認(rèn)的作用，靶向腫瘤干細(xì)胞的治療將顯著提高對(duì)抗癌癥的療效。

在各種靶向腫瘤干細(xì)胞的方法中，抗癌疫苗的生產(chǎn)因其高免疫原性而顯示出極大的前景。抗癌疫苗可以從癌胚肽或基于CSC/ESC/iPSC的全細(xì)胞中獲得。不過從腫瘤組織中分離少量的腫瘤干細(xì)胞仍然具有挑戰(zhàn)性，盡管在這些細(xì)胞的鑒定方面取得了快速進(jìn)展，這阻礙了腫瘤干細(xì)胞作為疫苗來源的使用。

同時(shí)，由ESCs/iPSCs衍生的多種抗原生產(chǎn)的疫苗將提供更多治療癌癥的應(yīng)用。主要關(guān)注的是四聯(lián)瘤形成和誘導(dǎo)自身免疫的可能性。與異種來源相比，發(fā)現(xiàn)同種異體ESCs和自體iPSCs為基礎(chǔ)的疫苗更有效地預(yù)防小鼠中的腫瘤復(fù)發(fā)。然而，這些疫苗應(yīng)該用于預(yù)防性治療，而不是治療性治療，具有強(qiáng)免疫抑制微環(huán)境的預(yù)制腫瘤會(huì)降低疫苗治療的效力。

05結(jié)論

目前，各種干細(xì)胞類型已被用于抗癌治療。

HSC移植為治療白血病、多發(fā)性骨髓瘤和淋巴瘤等血液系統(tǒng)癌癥提供了一種有效的方法。然而，在一些患者中發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重GVHD需要解決。大量臨床試驗(yàn)證明，免疫調(diào)節(jié)MSCs的共輸注在減少GVHD病例以及修復(fù)重度化療或放療后的損傷組織方面表現(xiàn)出高度有效性。

另一方面，MSCs和NSCs，以及它們的外泌體，具有內(nèi)在的腫瘤嗜性，已經(jīng)在臨床前模型中廣泛研究了攜帶治療材料至腫瘤。

然而，到目前為止，“自殺基因治療”是注冊(cè)到I/II期臨床試驗(yàn)的干細(xì)胞載體的唯一應(yīng)用。最大的挑戰(zhàn)是治療劑量控制、低細(xì)胞靶向性和在腫瘤部位的滯留，這些應(yīng)該在未來的研究中解決。

此外，最近出現(xiàn)了從干細(xì)胞(即iPSCs和HSCs)誘導(dǎo)效應(yīng)性CAR免疫細(xì)胞。確定的誘導(dǎo)方案能夠產(chǎn)生大量通用臨床級(jí)免疫細(xì)胞，用于在不久的將來用于人類治療。

最后，通過遞送來源于腫瘤干細(xì)胞和PSCs抗原的抗癌疫苗來靶向腫瘤干細(xì)胞可能提供有希望的策略來防止腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)。

因此，干細(xì)胞治療在腫瘤治療方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

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