摘要
癌症普遍被認為是基因突變所引起，文獻指出癌症需要六種基因型的改變來促使癌細胞生長，其中最新開始的原因，可能是致癌基因功能增加 (gain of function) 或抑癌基因功能降低 (loss of function) 所導致。此理論指出，癌症需要基因的突變，所以需要時間的累積，因此可以解釋為何年紀大者罹患癌症發生比例較高。雖然此學說讓我們瞭解癌症可能發生的原因，然而對於癌症化療失敗的原因卻不容易找到解答。近年來由於幹細胞研究迅速的發展，有科學家發現，在癌細胞中有一小群癌症幹細胞 (cancer stem cells, CSCs) 的存在，這群細胞可以自我更新 (self-renewal) 和具備分化能力 (幹細胞的定義)，可能與化療抗藥性有關。目前為止，對於癌幹細胞的存在與說法仍眾說紛紜，因此對於其來源的研究就更顯重要；若能瞭解癌幹細胞來源與更新的原因，則有益於設計藥物加以治療。
關鍵字： 癌幹細胞、腫瘤起始細胞、cancer stem cell、tumor-initiating cell
壹、前言
常見的幹細胞分為胚胎幹細胞 (embryonic stem cell)、成體幹細胞 (adult stem cell) 與癌症幹細胞 (簡稱癌幹細胞)，於藥學雜誌106期發表的文章中，我們曾介紹胚胎幹細胞和成體幹細胞，本篇文章要為各位藥師簡介癌幹細胞。癌幹細胞又有學者稱腫瘤起始細胞 (tumor-initiating cell)；腫瘤中是否有癌幹細胞之存在呢？這是近年大家所爭議的議題。癌幹細胞最早是由急性骨髓白血病 (acute myeloid leukemia, AML) 患者組織中分離出，移植到免疫缺乏的 SCID 小鼠體內，它能產生類似 AML 症狀的白血病起始細胞 (leukemia-initiating cells）；發現此群細胞具有特殊的表面抗原 CD34+，證實 AML 是由一群功能不同的細胞所組成，其中極少數具有幹細胞的特性1，之後科學家陸續在許多硬塊腫瘤中也發現癌幹細胞的存在2。
貳、癌症起源
目前有關癌症起源仍眾說紛紜，比較為大家所接受的是「努德森雙擊假說」 (Knudson Two-Hit Hypothesis) 3，其假說的主要精神是癌症的發生需要兩次撞擊所產生，第一是原致癌基因的突變 (原致癌基因指正常細胞內會導致癌症的基因)。第二則是腫瘤抑制基因的突變。在2000年 Cell 雜誌回顧文章中也指出4，在致癌過程中癌細胞需獲得六大能力，包含：一、充分的自我生長訊號 (如，致癌基因的活化) 二、對於抑制生長訊號不敏感 (如，腫瘤抑制基因的抑制) 三、逃脫細胞凋亡 四、無限制的細胞增生能力 五、持續的血管增生 六、組織侵犯及轉移能力。然而獲得此六大能力的順序都是要先從充分的自我生長訊號或對抑制生長訊號不敏感開始，才能獲得其他能力，也就是說致癌基因的活化與腫瘤抑制基因的抑制乃是細胞轉型 (transformation) 癌化的開始。此假說也在臨床獲得證實，因為癌細胞須獲得此六大能力，所以需要時間累積突變，因此癌症普遍發生在年長者。近十年來，由於幹細胞研究如火如荼發展，一九九四年由加拿大多倫多大學的研究人員發現，在人類 AML 患者的組織中，分離出能引發產生疑似急性骨髓性白血病症狀的白血病起始細胞，證實 AML 可能是由一群極少數具有幹細胞特性的細胞引發1。之後，學者們陸續從其他硬塊腫瘤中分離出具有幹細胞特性的癌症起始細胞或稱癌症幹細胞，目前越來越多證據顯示，癌症起始細胞或癌症幹細胞為癌症起源及復發的可能原因。
參、癌症幹細胞的篩選方法
目前普遍用來分離癌症幹細胞的方法包括：(1) 利用作者在前篇幹細胞文章中 (藥學雜誌106期第116-120頁) 提到的流式細胞儀來分離。文獻指出，利用「邊緣族群 (side-population) 」的方法可以分離出卵巢癌幹細胞5，所謂的邊緣族群的原理是因癌幹細胞膜具高度表現的三磷酸腺苷酸結合傳輸蛋白 (ABC 運輸蛋白) (ATP-binding cassette transporters (ABC-transporter))，故容易將攝入的疏水性螢光染劑如 Hoechest 33342 排出，因此將不具螢光表現的少數細胞篩選出就有可能是癌幹細胞，由於 ABC 運輸蛋白也就是目前認為的 MDR (multiple drug resistance) 或 MRP (multidrug resistance protein) 抗藥性蛋白，此類蛋白會將抗癌藥物運送到細胞膜外而降低藥物在細胞膜內的蓄積量，因而導致藥物治療失敗，此成果也間接證實癌幹細胞之所以具抗藥性之原因。(2) 目前已知許多癌幹細胞標誌，最常見的是 CD133 與 CD44 細胞表面的特殊分子，因此可以利用和這些細胞膜上蛋白標誌產生專一性結合的抗體，以流式細胞儀或是免疫磁珠來進行純化癌幹細胞。(3) 可以將腫瘤細胞培養在低貼附培養皿，以不含血清但含有少數生長因子的培養基進行細胞培養，癌幹細胞的特性會形成球狀細胞群落，從中選取單一球狀群落，從此群落中挑出單一細胞增殖成球狀群落的癌幹細胞。(4) 癌幹細胞若移植到免疫缺乏的小鼠，僅需少數 (數百至數千) 顆細胞便可引發腫瘤，但若移植非癌幹細胞則需數百萬顆細胞方可能引發腫瘤，此方法是最直接證實癌幹細胞的方法。
肆、癌幹細胞來源
癌幹細胞來源目前仍未定論，許多答案都可能是對的，因為可能在不同組織或細胞有不同來源，目前認為癌幹細胞的來源包含：一、成體幹細胞突變，這情況尤其可能發生在常進行細胞更新的組織，如小腸或皮膚，由於這些組織的幹細胞經常自我更新 (self-renewal)，可能較易累積某些突變而形成癌幹細胞。二、幹細胞利基 (niche) 突變，所謂利基乃指幹細胞所在環境，若是外在環境突變可能會“教壞”幹細胞導致正常幹細胞突變為癌幹細胞。三、突變的已分化細胞之去分化，已分化的細胞具有正常的生理功能，如肝細胞能解毒及胰島細胞能分泌胰島素，若這些已分化細胞產生癌化突變，接著這些突變細胞產生去分化作用則可能形成癌幹細胞，去分化的作用可能產生在 Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) 過程，EMT 是指從上皮細胞型態 (epithelium) 轉變成間葉細胞 (mesenchyme) 型態的一種特殊過程。在許多生物的胚胎發育扮演重要角色，包含可以減少細胞與細胞的附著和喪失細胞極性 (polarity)，因此最近有部分文獻指出，EMT 參與癌細胞自良性腫瘤變成轉移性癌細胞的過程，此外 EMT 也可以讓分化的細胞走向類幹細胞化，因此許多學者認為 EMT 可能也是形成癌幹細胞的主因。四、癌細胞與幹細胞的細胞融合作用，細胞融合在許多生物體會發生，最有名的例子就是精卵授精過程，若是幹細胞與癌細胞產生細胞融合作用也可能是另一種癌幹細胞來源。
伍、癌幹細胞的重要性
癌症幹細胞理論之所以近年來受到許多注視，是因為癌幹細胞可以逃脫化療藥物的毒殺作用，可以解釋化學治療失敗的原因，因為平時癌幹細胞如同幹細胞一樣處於細胞週期G0期，也就是不會進入細胞週期。目前臨床上使用化學治療藥物大多聚焦在抑制細胞週期與細胞新生，因此化療藥物可以抑制正在進行細胞週期之非癌幹細胞生長，但卻無法殺死癌幹細胞，一旦化學治療結束，存活的癌幹細胞會再新生與增生，導致癌症的復發。此外，也有文獻認為化療藥物可能會促進事後癌幹細胞之增生，因此建議利用二階段療法來殺死癌幹細胞：第一階段先促進癌幹細胞走入細胞週期；第二階段利用化療藥物或標靶療法殺死癌幹細胞6。癌幹細胞除了會促使化療後復發之外，有文獻報導也會增加腫瘤細胞侵犯和轉移能力；文獻指出，癌幹細胞會表現趨化素受體 (chemokine receptor) CXCR4，所以癌幹細胞會延著其 CXCR4 的配體 (ligand)-SDF-1的濃度轉移，從原來位在癌幹細胞利基的位置內，轉移到任何具高濃度表現 SDF-1的組織，且 CXCR-4中和性抗體可以有效抑制裸鼠癌細胞轉移，證實癌幹細胞的確可以促進癌細胞轉移和侵犯能力。
去年十二月份 Nature 雜誌同時刊出兩個不同實驗室的研究成果，Wang 和 Ricci-Vitiani 兩團隊都發現神經膠質瘤細胞都源自於類神經膠質瘤幹細胞7，且同時發現，部分腫瘤組織內的血管內皮細胞與癌細胞帶有相同的異常基因。此外，研究學者們也發現這些腫瘤衍生出來的內皮細胞皆來自癌幹細胞，也就是說，癌幹細胞可以分化為血管內皮細胞，形成腫瘤內的新生血管，此成果挑戰以前科學家認為腫瘤內血管內皮細胞是正常細胞之推論，或許這也就是為什麼近年來 vascular disrupting agent，如 combretastatin A-4 可以選擇破壞已存在的腫瘤血管內皮而較不傷害正常血管的原因。
陸、結論
癌幹細胞近年來研究如火如荼的進行，也愈來愈多文獻指出癌組織中的確有腫瘤起始細胞的存在，這些細胞或許都不是單一同質性的細胞，在不同組織或不同病人都有不同的腫瘤起始細胞，對於這些癌幹細胞或腫瘤起始細胞越瞭解，我們就越可以設計藥物加以阻止，例如使用二階段療法毒殺癌幹細胞6或者設計單株抗體或小干擾RNA (small interfering RNA) 阻斷癌幹細胞標誌，如CD44，可以促使乳癌幹細胞走向分化，達到治療目的。在各位基礎研究人員與臨床人員共同努力下，或許將來有一天可以有效控制癌症。
參考資料：
1. Lapidot T, Sirard C, Vormoor J, et al: A cell initiating human acute myeloid leukaemia after transplantation into SCID mice. Nature. 1994; 367 (6464): 645-648.
2. Alison MR, Lim SM, Nicholson LJ: Cancer stem cells: problems for therapy? J Pathol. 2011; 223 (2): 147-161.
3. Knudson AG Jr: Mutation and cancer: statistical study of retinoblastoma. Proc Natl Acad Sci U S A. 1971; 68 (4): 820-823.
4. Hanahan D, Weinberg RA: The hallmarks of cancer. Cell. 2000; 100 (1): 57-70.
5. Szotek PP, Pieretti-Vanmarcke R, Masiakos PT, et al: Ovarian cancer side population defines cells with stem cell-like characteristics and Mullerian Inhibiting Substance responsiveness. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006; 103 (30): 11154-11159.
6. Trumpp A, Essers M, Wilson A: Awakening dormant haematopoietic stem cells. Nat Rev Immunol. 2010; 10 (3): 201-209.
7. Bautch VL: Cancer: Tumour stem cells switch sides. Nature. 2010; 468 (7325): 770-771.
Cancer and Cancer Stem Cells
Hsin-Pao Pan1, Mei-Yun Lung2 and Chien-Chih Ou3
Department of Pharmacy, Taichung Armed Forces General Hospital1
Department of Pharmacy, Keelung Hospital, Department of Health2
R & D Unit, Sinphar Pharmaceutical Company3
Abstract
Several lines of evidence indicate that tumorigenesis is a multistep process and that these steps reflect genetic alterations that drive the progressive transformation of normal human cells into highly malignant derivatives. These studies suggest that cancer cell genotypes need six essential alterations that dictate malignant growth. Mutations in certain oncogenes and tumor suppressor genes can occur early and might become leading cause of tumorigenesis. Because gene mutations occurring in cancer cells is required time accumulation, this theory indicates that cancers are frequently found in older adults. Although gene mutation theory helps us to know the possible causes of cancer, the answers for cancer chemotherapy failure are still unknown. Due to the rapid development of stem cells in recent years, scientists find that among the cancer cells exist a small heterogeneous group of cancer stem cells (CSCs). Although the current chemotherapy kills most of dividing cancer cells, CSCs are resistant to it. It is thought that the CSCs escape the killing of chemotherapeutic agents because the CSCs remain in G0 phase without entering the cell cycle. In addition, CSCs also possess the abilities to self-renew and differentiation and might be related to chemo-resistance. Thus, understanding where CSCs come from and how CSCs self-renew and differentiation is important for us to design the drugs for cancer treatment.
