01
介绍
癌症是最危险的疾病，在世界范围内造成数百万人死亡。
图1癌发生阶段——细胞从肿瘤前细胞发展为肿瘤细胞和原位癌的过程，导致血管和淋巴结以及周围组织的侵袭
干细胞疗法，为对抗癌症提供了一个有希望的选择。由于其增强了对肿瘤的靶向性，可以提高其他疗法的疗效，从而减少脱靶事件。
许多基于干细胞的策略现在已经在临床前试验中进行研究，它们显示了癌症治疗的巨大希望和挑战。
02
用于癌症治疗的干细胞类型
不同来源的干细胞表现出不同的增殖、迁移和分化能力，这决定了它们在抗肿瘤治疗中的应用。
2.1多能干细胞
从胚胎未分化的内质细胞中分离的胚胎干细胞(ESCs)具有产生除胎盘细胞外的所有类型细胞的能力。然而，由于伦理方面的考虑，ESCs在临床试验中的应用受到限制。
2006年，Yamanaka因子的发明从培养的体细胞中诱导多能干细胞(iPSCs),标志着细胞生物学的突破。这些iPSCs与ESCs具有相同的特征，同时消除了胚胎破坏的伦理顾虑。迄今为止，人胚胎干细胞和多能干细胞都是诱导效应T细胞和NK细胞的重要来源，并用于生产抗癌疫苗。
2.2成体干细胞
成体干细胞可以产生许多组织和器官的特化细胞类型。在这一组中，造血干细胞(HSCs)、间充质干细胞(MSCs)和神经干细胞(NSCs)经常用于癌症治疗。
位于骨髓中的造血干细胞可以形成体内所有的成熟血细胞。到目前为止，输注来自脐带血的HSCs是FDA批准的用于治疗多发性骨髓瘤、白血病和某些血液系统疾病的干细胞的唯一方法。
间充质干细胞存在于许多组织和器官中，在组织修复和再生中发挥重要作用。它们可以在体外快速增殖并产生几种特定的细胞类型，如骨细胞、脂肪细胞和软骨细胞。间充质干细胞具有独特的生物学特性，已被广泛用于支持其他疗法或在治疗各种癌症时递送治疗剂。
最初存在于中枢神经系统中的神经干细胞可以自我更新并产生新的神经元和神经胶质细胞。它们已经在鼠模型中被广泛测试用于治疗原发性和转移性乳腺癌、肺癌和前列腺癌。
2.3肿瘤干细胞
肿瘤干细胞，即所谓的干细胞样细胞或肿瘤细胞或肿瘤起始细胞的未成熟祖细胞，是由正常干细胞或前体/祖细胞中的表观遗传突变产生的。肿瘤组织中发现了肿瘤干细胞，它们在肿瘤的生长、转移和复发中起着重要的作用。因此，靶向肿瘤干细胞有望治疗各种类型的实体肿瘤。
03
干细胞在癌症中作用的机制
3.1回归骨髓
在侵袭性肿瘤中，通过使用非常高剂量的化疗来去除所有癌细胞，造血细胞和白细胞被完全或部分破坏。在这些情况下，患者需要接受自体或异体造血干细胞的静脉输注。这些造血干细胞应该发挥归巢过程，导致它们快速迁移到骨髓(BM)中确定的干细胞龛中。在遇到骨髓后，移植的造血干细胞在产生特定的血细胞之前经历了植入过程。
3.2亲肿瘤效应
细胞外基质(ECM)和分泌的旁分泌因子沉积的肿瘤微环境通过吸引各种类型细胞(如内皮细胞、浸润性免疫细胞和MSCs)的定向迁移来限定肿瘤的生长和侵袭。肿瘤被认为是慢性创伤组织，具有持续的缺氧、炎症和氧化应激事件，但永远不会愈合。
因此，间充质干细胞向肿瘤微环境的迁移被认为类似于它们向损伤或缺血部位的迁移。事实上，肿瘤细胞和肿瘤相关免疫细胞都可以通过分泌各种趋化因子参与这一过程。例如，从前列腺癌、骨肉瘤、多发性骨髓瘤和乳腺癌细胞分泌的CXCL16、SDF-1、CCL-25和IL-6分别吸引MSCs向肿瘤微环境迁移。肿瘤相关免疫细胞诱导的促炎细胞因子(TNF-α和IL-1β)在肿瘤内间充质干细胞的迁移和分化中起重要作用。
3.3旁分泌因子分泌和分化能力
越来越多的证据表明，干细胞通过释放各种旁分泌因子来发挥作用，包括细胞外小泡和可溶性物质，这可能会影响肿瘤的存活、进展和转移。
在三种类型的EVs中，纳米大小的外泌体表现为细胞间相互作用的重要调节者。由细胞内多泡体的胞吐过程产生，包含各种生物分子，如蛋白质、mRNAs和miRNAs一旦从MSCs释放，外泌体可以靶向肿瘤小生境，在那里它们通过内吞作用或受体-配体相互作用被内化到癌细胞中，然后在受体细胞内释放它们的货物。此外，干细胞可以对刺激做出反应，产生许多可溶性因子。例如，间充质干细胞可以释放免疫抑制因子(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，干细胞的分化能力对于癌症治疗非常重要。例如，移植的造血干细胞可以生成所有的血细胞类型。因此，移植造血干细胞的数量和质量将影响临床结果和血液系统的恢复。同样，神经干细胞可以替代脑癌中受损的神经元和神经胶质细胞。ESCs和iPSCs可以作为诱导效应免疫细胞特异性靶向肿瘤的细胞来源。
3.4肿瘤干细胞中的信号
众所周知，分子信号通路，包括Notch、Hedgehog、Wnt/β-catenin、PI3K/PTEN、JAK/STAT和NF-κB，调节正常干细胞增殖。这些信号通路的持续变化将导致干细胞和后续癌细胞的形成。肿瘤干细胞具有高度的自我更新和分化能力，有助于肿瘤的生长、复发和转移(图2)。此外，这些细胞负责肿瘤的常规治疗抗性。因此，对肿瘤干细胞的研究对于开发有效的肿瘤治疗方法非常重要。
图2肿瘤形成及其复杂的微环境。正常干细胞或前体/祖细胞中的表观遗传突变导致肿瘤干细胞的产生，肿瘤干细胞在肿瘤的发生、发展、维持和转移中起着至关重要的作用。肿瘤小生境不仅包含肿瘤细胞和肿瘤干细胞，还包含肿瘤相关免疫细胞(T细胞、巨噬细胞(mφ)、树突细胞(DC))、肿瘤相关成纤维细胞(CAF)和其他细胞。此外，所有这些细胞分泌的趋化因子(CXCL16、SDF-1、CCL-25和IL-6、TNF-α和IL-1β)将MSCs招募到肿瘤中，在肿瘤进展中发挥关键作用。
肿瘤干细胞可以被鉴定为具有高的乙醇酸活性、缓慢的细胞分裂、增强的治疗抗性和增强的免疫抗性。特别是肿瘤相关抗原(TAAs)在肿瘤干细胞中，包括通常只在生殖细胞和胚胎发育中表达的癌/睾丸抗原和癌胚胎抗原，可以作为免疫治疗的良好靶向分子。
04
干细胞治疗在癌症中的潜在应用
已经开发了使用干细胞疗法治疗癌症的各种策略，包括HSC移植、用于癌症后治疗的MSC输注、用于治疗载体的干细胞、免疫效应细胞的产生和疫苗生产(图3)。
图3干细胞疗法在癌症治疗中的应用策略。(1)HSC移植已被用于重化疗或放疗后造血细胞和白细胞的重建。(2)ESCs和iPSCs可用于产生效应免疫细胞，然后构建用于过继细胞转移技术的CAR。此外，ESCs和iPSCs可以成为生产抗癌疫苗的潜在来源。(3)由于其固有的肿瘤嗜性，MSCs/NSCs可有效地将基因、NP和OVs递送至肿瘤龛。从药物引发的MSCs/NSCs培养物中提取的外泌体可用于将药物靶向肿瘤部位。
4.1HSC移植
HSC移植主要作为高剂量放疗或化疗后治疗多发性骨髓瘤、白血病和淋巴瘤的标准方法。此外，这种方法现在在临床试验中被广泛研究，与化疗或免疫疗法结合，用于治疗其他类型的癌症，如脑肿瘤(NCT00528437)、成神经细胞瘤、肉瘤(NCT01807468)和乳腺癌(NCT00003927)。
然而，当使用同种异体来源的HSC时，移植物抗宿主病(GVHD)的发生仍然是一个挑战，通常用免疫抑制药物治疗，效果较差且副作用严重。
4.2癌症治疗后的间充质干细胞移植
侵袭性癌症的治疗包括侵入性肿瘤切除和高剂量治疗，通常会导致正常组织和造血系统的损伤。明确的证据表明，输注MSCs有助于维持HSC的未分化状态和增殖，从而增强治疗的总体效果。
此外，具有免疫调节作用的间充质干细胞可有效降低难治性GVHD患者的强烈免疫反应。最近的临床试验显示，在MSCs和HSCs联合移植后，没有相关的不良反应。一项正在进行的多中心试验(NCT02923375)正在对患有类固醇抵抗性GVHD的成人进行间充质成血管细胞来源的MSC输注的安全性、耐受性和疗效进行测试。还发现间充质干细胞促进受损器官的恢复，并能使身体耐受高剂量化疗，从而提高肿瘤杀伤效果。
4.3干细胞作为潜在的治疗载体
在癌症治疗中使用干细胞载体的基本原理是：(I)保护治疗剂免于快速生物降解，(ii)减少全身副作用，(iii)由于干细胞固有的肿瘤靶向作用，增加局部治疗水平。
该系统的抗肿瘤功效依赖于定位于肿瘤微环境中的干细胞的数量。
4.3.1转基因干细胞
在这种方法中，干细胞，包括MSCs和NSCs，被病毒转导以增强可溶性因子的表达和分泌，所述可溶性因子是前体药物转化酶或肿瘤毒性细胞因子/趋化因子。
前一种系统因其名称“自杀基因疗法”或“基因导向酶前体药物疗法(GDEPT)”而广为人知。从活的干细胞释放的酶可以将前药转化为对癌细胞表现出更大毒性的活性分子。
表1.使用干细胞作为治疗载体治疗癌症的临床试验
此外，干细胞可以遗传表达可分泌的细胞因子/趋化因子。肿瘤毒性肿瘤坏死因子-α相关凋亡诱导配体(TRAIL)在其全身递送后表现出短的半衰期。有趣的是，神经干细胞作为基因载体持续释放TRAIL，已被证明可以减少脑瘤转移并提高治疗小鼠的存活率，该系统已经在临床试验中用于治疗人肺腺癌(NCT03298763，recruiting)。干细胞中自杀基因(即CD)和细胞毒性基因(即IFN-β，防止肿瘤生长并促进其凋亡)的共表达显示了增强治疗效果的前景。
4.3.2携带纳米粒子的干细胞
长期以来，纳米颗粒一直被用于运送抗癌药物。然而，它们从体内的快速排泄、缺乏靶向作用以及不可控制的被正常细胞摄取是其主要缺点。
有趣的是，干细胞可以作为携带纳米颗粒到肿瘤部位的有效载体。在这种方法中，纳米颗粒可以被装载到细胞中或者结合到细胞表面。
纳米颗粒的内化是通过被动摄取或主动内吞，这取决于纳米颗粒的大小、表面特征和浓度，以及孵育时间。主要关注的是对细胞载体的潜在毒性和药物装载控制。
4.3.3干细胞作为溶瘤病毒的载体
OVs在癌细胞中表现出选择性复制。据推测，OVs可以诱导肿瘤细胞溶解，并释放危险信号激活免疫系统，从而更有效地杀死肿瘤细胞。
然而，裸露的OVs很容易被免疫细胞识别并迅速从体内清除。干细胞可以作为有希望的载体来保护和运送OVs到肿瘤部位。例如发现间充质干细胞可有效地装载了减毒溶瘤麻疹病毒(OMV)和溶瘤HSV，它们分别抑制了小鼠肝细胞癌和GBM的生长。
然而，干细胞载体的功效取决于它们的治疗效果以及载体细胞和肿瘤细胞之间的关系。例如，发现间充质干细胞和神经干细胞都支持病毒复制，但神经干细胞可以释放更多的病毒。此外，转导的神经干细胞能更有效地延长荷瘤小鼠的存活时间。
4.3.4作为治疗载体的干细胞衍生的外泌体
外泌体已被用于包封各种抗癌治疗材料，如小RNA、蛋白质或小药物。与其他合成纳米颗粒相比，这些天然载体具有许多优势，包括独特的生物相容性、稳定性、高货物装载能力和增强的肿瘤细胞内化。此外，它们可以很容易地被其表面上的特定蛋白质或配体功能化，以增强对肿瘤微环境的靶向作用。
4.4用于生产免疫细胞的干细胞源
嵌合抗原受体(CAR)T细胞和自然杀伤(NK)细胞已成功应用于抗癌免疫治疗。这些临床级免疫细胞通常从自身患者身上采集、激活、用CAR构建体进行基因转导、扩增，然后再输注给患者。
然而，控制用于免疫治疗的这些细胞的数量和质量仍然具有挑战性，特别是在经历过大量化疗的患者或年龄较高的患者中。此外，由于这些CAR免疫细胞快速分化为短命效应细胞，其体内抗肿瘤活性通常受到限制。因此，需要从其他来源产生CAR细胞，这使得这种免疫疗法能够扩展到更多的患者。人类多能干细胞，包括iPSCs和ESCs，可以为此目的提供无限的来源。
分化过程包括将干细胞在含有NK细胞或T细胞起始细胞因子的生长培养基中孵育一个月。例如，为了诱导NK细胞分化，引发细胞因子包含干细胞因子(SCF)、IL-3、IL-7、IL-15和fms样酪氨酸激酶受体-3配体(FLT3L)。.为了诱导T细胞分化，将人胚胎干细胞和骨髓基质细胞(OP9)培养在含有SCF、IL-7和FLT3L的培养基中。
有趣的是，在HSCs上诱导CAR在治疗癌症方面显示出更多的益处。移植的CAR-HSCs将植入骨髓并持续产生各种表达CAR的免疫细胞，如T细胞、NK细胞、单核细胞和中性粒细胞。这些细胞的联合作用将产生更强的杀伤癌症的免疫力。
4.5基于干细胞的抗癌疫苗
由于肿瘤干细胞在肿瘤形成和发展中的不可否认的作用，靶向肿瘤干细胞的治疗将显著提高对抗癌症的疗效。
在各种靶向肿瘤干细胞的方法中，抗癌疫苗的生产因其高免疫原性而显示出极大的前景。抗癌疫苗可以从癌胚肽或基于CSC/ESC/iPSC的全细胞中获得。不过从肿瘤组织中分离少量的肿瘤干细胞仍然具有挑战性，尽管在这些细胞的鉴定方面取得了快速进展，这阻碍了肿瘤干细胞作为疫苗来源的使用。
同时，由ESCs/iPSCs衍生的多种抗原生产的疫苗将提供更多治疗癌症的应用。主要关注的是四联瘤形成和诱导自身免疫的可能性。与异种来源相比，发现同种异体ESCs和自体iPSCs为基础的疫苗更有效地预防小鼠中的肿瘤复发。然而，这些疫苗应该用于预防性治疗，而不是治疗性治疗，具有强免疫抑制微环境的预制肿瘤会降低疫苗治疗的效力。
05
结论
目前，各种干细胞类型已被用于抗癌治疗。
HSC移植为治疗白血病、多发性骨髓瘤和淋巴瘤等血液系统癌症提供了一种有效的方法。然而，在一些患者中发现的严重GVHD需要解决。大量临床试验证明，免疫调节MSCs的共输注在减少GVHD病例以及修复重度化疗或放疗后的损伤组织方面表现出高度有效性。
另一方面，MSCs和NSCs，以及它们的外泌体，具有内在的肿瘤嗜性，已经在临床前模型中广泛研究了携带治疗材料至肿瘤。
然而，到目前为止，“自杀基因治疗”是注册到I/II期临床试验的干细胞载体的唯一应用。最大的挑战是治疗剂量控制、低细胞靶向性和在肿瘤部位的滞留，这些应该在未来的研究中解决。
此外，最近出现了从干细胞(即iPSCs和HSCs)诱导效应性CAR免疫细胞。确定的诱导方案能够产生大量通用临床级免疫细胞，用于在不久的将来用于人类治疗。
最后，通过递送来源于肿瘤干细胞和PSCs抗原的抗癌疫苗来靶向肿瘤干细胞可能提供有希望的策略来防止肿瘤生长、转移和复发。
因此，干细胞治疗在肿瘤治疗方面有着广泛的应用前景。
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