癌症干细胞:癌症治疗的新靶标

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 癌症干细胞假说

干细胞是否参与癌症?癌症干细胞(CSC)是癌细胞的亚群,可以自我更新,在肿瘤块中产生多种细胞并维持肿瘤发生1。癌症研究人员推测,肿瘤是由癌症干细胞引起的,这种细胞起源于突变的正常干细胞,通过转化受限制的祖细胞或甚至通过转化已获得自我更新能力的分化细胞而形成2。这些癌症干细胞在化疗治疗后能够驱动肿瘤发展和复发,并且最近成为癌症干细胞疗法的靶标3。由于正常干细胞和癌细胞都具有自我更新的能力,许多与癌症相关的典型途径也参与正常干细胞发育的调节,其中包括Notch、Wnt、Shh、以及经典多能性转录因子途径Oct-4、Sox-2和Nanog4

癌症干细胞假说图示

癌症干细胞假说图示


 CSC的3D球状体培养

癌症干细胞(CSCs)在肿瘤 3D微环境5中寻找缺口。 体外 3D肿瘤球状体内微小数量的细胞或 体内 肿瘤表现出“干细胞样”特征,包括:1)增殖速率减缓;2)具有自我更新能力;和3)可经历多谱系分化的未分化表型。研究人员已经在3D球体模型和接受化疗的患者中发现可以在药物治疗后通过CSC重建肿瘤6。将以3D球状体生长的实体瘤细胞系与单层细胞进行比较时,观察到“干性相关基因”的表达增加7。虽然这些显然不能成为CSC存在的明确证据,但这些类型的结果说明了体外3D微环境产生“干细胞样”群体的趋势,该群体非常类似于那些被认为造成肿瘤药物抗性的体内细胞群体。

实验方案指南:肿瘤球形成实验方案


 癌症干细胞培养基

以往,人们使用3D肿瘤球聚集体从癌细胞系和在含有培养基的不确定血清中进行肿瘤活检,分离得到癌症干细胞。然而,使用不确定的培养条件会导致实验变异性和非理想细胞生长。3dGRO™球状体培养基是一种新的化学成分明确的无血清癌症干细胞培养基,支持CSC在3D肿瘤球细胞培养中的繁殖。因为肿瘤球的形成导致CSC细胞群体随时间富集,因而该培养基支持癌细胞系连续传代。

特性和优势

  • 化学成分明确的无血清配方。
  • 高肿瘤球形成效率。
  • 允许扩展的连续肿瘤球传代(> 10)。
  • 已被证明可从众多癌细胞系中富集CSC。

经3dGRO™球状体培养基测试的细胞系

MCF-7、A-431、Panc-1、LNCaP、HT-29、A-549、U-87 MG、HT1080、E006AA

应用说明:利用新的成分明确无血清3D球状体培养基进行人前列腺和乳腺癌细胞系癌症干细胞增殖

在3dGRO™球状体培养基中培养的第5代MCF7乳腺癌和E006AA前列腺癌细胞的3D肿瘤球形成


图1.
在3dGRO™球状体培养基中培养的第5代MCF7乳腺癌和E006AA前列腺癌细胞的3D肿瘤球形成


 3D球状体形成平板

Corning® Costar® 超低吸附多孔板用于抑制细胞附着以有效形成3D球状体,包括癌症干细胞。此平板表面涂有高度亲水和带中性电荷的涂层,该涂层与聚苯乙烯结合,可迫使种子细胞进入悬浮漂浮状态。此涂层稳定、无毒,且具有生物惰性和不可降解性。

 

 

 

 


 癌症干细胞标记物

 研究人员已从大多数白血病以及许多实体肿瘤中分离出少量干细胞样细胞,如脑胶质母细胞瘤、成神经管细胞瘤、乳腺癌、宫颈癌、结肠直肠癌、胃肠癌、肝细胞癌、肺癌、胰腺癌、前列腺癌和皮肤癌8。癌症干细胞显示出与其正常对应细胞相同的细胞表面标志物,但显示出不受控制的增殖,其可能是由于对负生长调节剂的响应性降低,或接触抑制和间隙连接细胞间通讯(GJIC)的丧失。

 

标记物 正常干细胞 癌症干细胞
Oct3/4, Sox2, 
Nanog
维持ES和iPS细胞的多能性和自我更新 在乳腺癌、胶质母细胞瘤和膀胱癌的低分化肿瘤中高度表达。干细胞样细胞中的转录因子上调
CD133 
(Prominin-1)
造血干细胞、神经干细胞和在许多组织中发现的体干细胞的标记物 人口腔鳞状细胞癌的克隆性、侵袭性和肿瘤发生率较高。
CD44 自我更新和分化 在实体瘤和HNSCC癌症中上调
ALDH 干细胞样性质包括集落形成、自我更新和肿瘤发生 正常和恶性乳腺干细胞的标记。乳腺癌的预后标志物和转移的预测因子。
侧群细胞(Hoechst) 富含于造血干细胞中 在实体肿瘤中鉴定,例如肝细胞癌、神经胶质瘤、卵巢癌和乳腺癌

 

癌症干细胞抗体
 

CD133 CD44 CD24 CD29 CD90 Nestin SCA-1 BMI-1 ALDH1 OCT3/4


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 癌症干细胞ALDH检测

癌症干细胞中醛脱氢酶(ALDH)表达水平升高,被认为是所有CSC的标志9。一直以来,ALDEFLUOR™检测被用于测量ALDH水平,并且其已对研究罕见的CSC群体具有重要影响。ALDEFLUOR检测的发射波长位于电磁波谱的绿色区域内(512nm)。因此,该试剂不能用于表达绿色荧光蛋白(发射于绿色荧光光谱)的细胞或小鼠中。AldeRed是用于ALDH的红移荧光底物,其可标记活的ALDH阳性细胞,从而可留下绿色发射通道以用于进一步的实验10。该 AldeRed ALDH检测分析解决了当前ALDEFLUOR分析的局限性。

阅读Nature 中的AldeRed的相关信息

AldeRed的特性和优势:

  • 红移检测可留下绿色通道以用于进一步的实验
  • 活干细胞识别有利于对稀有细胞群进行流式分类
  • 快速酶测定实验方案

AldeRed 588-A

图2. AldeRed 588-A是一种发荧光且无毒的ALDH底物,可自由扩散到活的完整细胞中,但一旦被ALDH转化为相应的酸,则会被留在细胞内。


 材料

     


 参考文献

  1. Dick JE. Evolution of the cancer stem cell model. Cell Stem Cell. 2014 Mar 6;14(3):275-91.
  2. K. Lenhard Rudolph. Aging-Induced Stem Cell Mutations as Drivers for Disease and Cancer. Cell Stem Cell. 2015 Jun 4; 16(6): 601–612.
  3. Xin Wei. Cancer stem cells and drug resistance: the potential of nanomedicine. Nanomedicine (Lond). 2012 Apr; 7(4): 597–615.
  4. Ailles L. Developmental signaling pathways in cancer stem cells of solid tumors. Biochim Biophys Acta. 2013 Feb;1830(2):2481-95.
  5. Zena Werb. The Cancer Stem Cell Niche: How Essential is the Niche in Regulating Stemness of Tumor Cells? Cell Stem Cell. 2015 Mar 5; 16(3): 225–238.
  6. Domingo-Domenech J. Targeting cancer stem cells to suppress acquired chemotherapy resistance. Oncogene. 2014 Sep 4;33(36):4451-63.
  7. Chang HY. Stemness, cancer and cancer stem cells. Cell Cycle. 2008 Dec;7(23):3622-4. Epub 2008 Dec 2.
  8. Eaves CJ. Cancer stem cells: an evolving concept. Nat Rev Cancer. 2012 Jan 12;12(2):133-43.
  9. Lee PW. Aldehyde dehydrogenase: its role as a cancer stem cell marker comes down to the specific isoform. Cell Cycle. 2011 May 1;10(9):1378-84.
  10. Pomper MG. A red-shifted fluorescent substrate for aldehyde dehydrogenase. Nat Commun. 2014 Apr 23;5:3662.