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化疗不能有效地清除肿瘤干细胞是肿瘤复发的根本原因,其机制众说纷纭。以往的研究主要集中探讨肿瘤干细胞的内在性机理,包括耐药基因的表达、细胞周期静止状态、表观遗传基因改变以及亚克隆的遗传多样性获得等。近年来,随着对外在性因素(或肿瘤微环境)的初步研究,表明肿瘤微环境可为残留的肿瘤干细胞逃避化疗提供避难所。然而,肿瘤微环境的结构特征以及保护肿瘤干细胞的机制尚不清楚。本研究基于我们新近建立的离体外成像(ex vivo imaging)技术,结合传统的苏木素-伊红(HE)和免疫染色方法,在人急性淋巴细胞白血病(ALL)异体移植小鼠模型中,发现白血病细胞的浸润逐渐改变正常骨髓微环境结构,破坏骨髓血管微环境和骨髓骨内膜微环境。我们选取两个时间点的模型小鼠作为化疗对象:1.白血病细胞浸润尚未破坏正常骨髓微环境模型(第6天,D6model),化疗2天(A2D)或4天(A4D)后,残留白血病细胞位于骨髓血管微环境或骨髓骨内膜微环境中;2.白血病细胞浸润且完全破坏正常骨髓微环境模型(第12天,D12model),化疗2天或4天后,残留白血病细胞置身于新形成的骨髓微环境的包绕中。通过体内外的实验鉴定化疗后模型中新的骨髓微环境细胞组分,发现新的骨髓微环境一过性动态演化:Nestin+Vimentin+CCR1+CD51+CD29+间充质干细胞启动微环境的形成,分化成熟为α-SMA+Vimentin+成纤维样细胞,残留网状纤维(reticulin fibers)为终点,我们命名为NSM-niche。机制研究发现化疗后存留的白血病分泌趋化和细胞因子募集、增殖和诱导分化间充质干细胞形成NSM-niche。同样,利用离体外成像技术和传统的免疫染色方法,发现NSM-niche并非为残留白血病细胞提供一个物理性屏障,致使药物不能有效到达白血病细胞而起保护作用,也非通过使残留细胞处于静止状态,而起保护作用。进一步的研究发现,残留白血病细胞化疗损伤后分泌的前体生长和分化因子15(pro-GDF15)在niche细胞表达的蛋白剪切酶Furin作用下加工为成熟GDF15(mGDF5),进而结合自身的TGF-β受体,激活Smad3信号通路介导NSM-niche和残留白血病细胞之间的保护作用。阻断GDF15的表达或封闭其功能,结合阿糖胞苷化疗,可以有效提高化疗药物的杀伤作用和白血病小鼠的生存时间。有临床意义的是,在白血病病人骨髓原代细胞移植小鼠模型中,发现化疗后骨髓出现NSM-niche,而且证实残留的白血病细胞次代移植后具有重建白血病的能力,说明残留的白血病细胞为白血病干细胞。关键是在临床白血病病人的骨髓活检切片中,找到了NSM-niche直接存在的证据,而且只存在于化疗部分缓解的病例中,说明NSM-niche的形成与化疗反应或预后相关。总之,我们的研究第一次发现在白血病(或肿瘤)早期化疗过程中,白血病干细胞(或肿瘤干细胞)形成一个动态演化微环境用以保护其免受化疗的损伤。