腫瘤研究，從認(rèn)識腫瘤細(xì)胞開始
腫瘤細(xì)胞是我們經(jīng)常接觸的研究對象，但是關(guān)于它的很多基礎(chǔ)知識你不一定全都知曉，本期就為大家揭秘這些癌變細(xì)胞的基本特征，及我們實(shí)驗(yàn)中的腫瘤細(xì)胞的那些事兒。
第一部分：腫瘤細(xì)胞基本知識
定義：人體內(nèi)由于細(xì)胞分裂失控從而無限增殖的細(xì)胞被稱為腫瘤細(xì)胞，具有轉(zhuǎn)移能力的腫瘤被稱為惡性腫瘤，又稱為癌（Cancer）。Cancer源于希臘字母螃蟹Caricinos，對應(yīng)英文就是Cancer螃蟹，因?yàn)槟[瘤細(xì)胞中伸出多條大血管，看著就像螃蟹的腿一樣，張牙舞爪。
腫瘤細(xì)胞形態(tài)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
腫瘤細(xì)胞的來源
腫瘤是一種基因疾病，腫瘤的發(fā)生源于體細(xì)胞基因突變逐漸積累的結(jié)果。如結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展過程中伴隨著一系列相關(guān)基因的突變，如APC、K-ras和p53基因等。大多數(shù)腫瘤的癌變基因有一定的相似性，如下表為常見的突變癌基因和抑癌基因。
常見癌基因（導(dǎo)致細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的基因）：
抑癌基因（抑制細(xì)胞生長并能潛在抑制癌變的基因）：
腫瘤細(xì)胞十大特征
腫瘤細(xì)胞是一群可怕的細(xì)胞，與人體正常細(xì)胞相比，有著強(qiáng)大的生命力，如無限增殖和逃離衰老的命運(yùn)等。Hanahan和Weinberg先后10年在《細(xì)胞》雜志上總結(jié)了控制癌細(xì)胞即惡性腫瘤細(xì)胞生長的幾大特征[1]，如下圖：
腫瘤細(xì)胞的特征[1]
腫瘤細(xì)胞賦予這些特征后，就具備了無限增殖的能力，并且部分有了遷移的能力，不斷入侵人體正常組織，最后導(dǎo)致人體器官衰竭至死亡。
然而腫瘤細(xì)胞并非一種細(xì)胞，它是一個(gè)大團(tuán)伙！
腫瘤具有高度異質(zhì)性，即使同一種惡性腫瘤也是由不同類型的腫瘤細(xì)胞組成。
具體來講同一種腫瘤在不同患者之間的其癌細(xì)胞組成是不一樣的；并且同一腫瘤患者體內(nèi)的癌細(xì)胞也不是均一的，而是多種。如下圖所示：
腫瘤細(xì)胞具有高度異質(zhì)性（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
這種不一樣主要體現(xiàn)在基因突變的種類和類型、基因的表觀遺傳學(xué)修飾、蛋白表達(dá)水平等。
如乳腺癌異質(zhì)性體現(xiàn)在分子表達(dá)情況不同，主要根據(jù)ER（雌激素受體）、PR（孕激素受體）和HER-2（人類表皮生長因子受體2）陽性或陰性，可分為4大類，而每一類又分為多種細(xì)胞[2]。如下表所示：
因此，由于腫瘤的高度異質(zhì)性，很難達(dá)到根治腫瘤的目的。
考慮到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的要求和高成本，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯得必不可少。自1985年之后以NCI為首的一些研究單位普遍開始放棄體內(nèi)小鼠篩選，代之為體外的人類各種常見實(shí)體瘤腫瘤細(xì)胞株篩選[3]。因此，腫瘤細(xì)胞作為一種高通量的抗腫瘤篩選體系，成為不可或缺的研究工具，下面我們就一起看看實(shí)驗(yàn)室的腫瘤細(xì)胞的來龍去脈吧。
第二部分：實(shí)驗(yàn)研究中的腫瘤細(xì)胞
為了在體外更好地研究腫瘤，自人類第一次成功從名為Hela的癌癥患者身上分離出Hela細(xì)胞，并在體外培養(yǎng)成功過后，這66年以來已被廣泛應(yīng)用于腫瘤研究，成為醫(yī)學(xué)研究中十分重要的工具。自此，越來越多的腫瘤細(xì)胞開始在體外建立，并廣泛用于實(shí)驗(yàn)研究。
體外的腫瘤細(xì)胞定義：一種人工培養(yǎng)，具有無限增殖能力的細(xì)胞。
在實(shí)驗(yàn)研究主要分為：腫瘤原代細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞系或細(xì)胞株。
1. 實(shí)驗(yàn)中常用腫瘤細(xì)胞的分類
①腫瘤原代細(xì)胞：是指直接從機(jī)體取出的組織(如人、小鼠或大鼠等組織)獲得單個(gè)細(xì)胞并在體外進(jìn)行培養(yǎng)的細(xì)胞，稱為原代細(xì)胞。一般認(rèn)為，培養(yǎng)的原代的第1和傳代到第10代以內(nèi)的細(xì)胞統(tǒng)稱為原代細(xì)胞培養(yǎng)。
來源：主要從組織或外周血里提取，來源于手術(shù)或活檢瘤組織。
優(yōu)勢：原代細(xì)胞更加接近患者組織特性，可以更好實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療的腫瘤診治模式。例如將基因篩選與體外腫瘤模型分析相合，可以更大程度上的篩選出對病人個(gè)體有效的化療藥物，從而最終實(shí)現(xiàn)對患者進(jìn)行個(gè)體化精準(zhǔn)用藥的目的。
缺點(diǎn)：但是分離比較困難，操作麻煩。
②腫瘤細(xì)胞系/株：細(xì)胞系是指原代細(xì)胞經(jīng)首次傳代成功后的細(xì)胞，泛指一般可能傳代的細(xì)胞。
細(xì)胞株：細(xì)胞系具有相同或不同表型的幾個(gè)細(xì)胞譜系，如果用克隆培養(yǎng)或其他選擇技術(shù)分離選擇了一種細(xì)胞譜系，證明其中細(xì)胞具有某些特殊性質(zhì)或標(biāo)志物的細(xì)胞。
腫瘤細(xì)胞系或株：是現(xiàn)有細(xì)胞系中最多的一類，多由癌瘤建成，體外培養(yǎng)穩(wěn)定，常已傳幾十代或百代以上，并具有不死性和異體接種致瘤性。
來源：從病人或者動(dòng)物腫瘤組織分離，后續(xù)通過人工誘導(dǎo)建系；
應(yīng)用：廣泛用于細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、腫瘤學(xué)等各項(xiàng)研究；
優(yōu)勢：成分均一、可人為控制研究條件。
缺點(diǎn)：培養(yǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生基因突變，丟失原有生物學(xué)特性，對藥物處理做出的反應(yīng)差距越來越大。如已服務(wù)于全球癌癥研究界20多年的NCI-60，經(jīng)過世界各地的研究人員25年多的大量實(shí)驗(yàn)，NCI-60的培養(yǎng)經(jīng)過數(shù)千代，這些細(xì)胞已經(jīng)適應(yīng)了生活在塑料培養(yǎng)皿內(nèi)，它們的基因組成和行為方式在發(fā)生著變化。為此，NCI-60也發(fā)文將其從藥物篩選程序中“退休”。
2. 這些腫瘤細(xì)胞可用于哪些研究？
腫瘤細(xì)胞是研究癌變機(jī)理、抗癌藥篩選檢測和藥物作用機(jī)理等極其重要的工具。
①癌變機(jī)理研究：如研究蛋白表達(dá)情況與腫瘤的關(guān)系，在結(jié)腸癌干細(xì)胞中敲低BMI-1蛋白，并給予不同細(xì)胞量荷瘤，發(fā)現(xiàn)腫瘤的發(fā)生頻率減少，進(jìn)一步推測BMI-1 在腫瘤中的作用[4]。
腫瘤細(xì)胞可用于結(jié)腸癌變機(jī)理研究[4]
②抗癌藥篩選檢測：如20世紀(jì)80年代末，NCI建立了60個(gè)人類腫瘤細(xì)胞系用于抗癌藥物研發(fā)，篩選過超過100000種物質(zhì)。一般可以通過細(xì)胞上的體外結(jié)果，將其進(jìn)一步應(yīng)用到動(dòng)物體內(nèi)研究。如下圖，首先在細(xì)胞水平研究發(fā)現(xiàn)AIL的抗前列腺癌效果，進(jìn)一步在動(dòng)物水平研究保持一致結(jié)果。
前列腺癌研究中細(xì)胞水平結(jié)果和動(dòng)物水平一致[5]
3. 實(shí)驗(yàn)研究中的腫瘤細(xì)胞從哪來？
一般腫瘤研究中的細(xì)胞，通過商業(yè)途徑購買，比較權(quán)威的細(xì)胞庫有：
①美國菌種保藏中心（American Type Culture Collection, ATCC），ATCC是一個(gè)世界性的生物制品中心，成立于1925年，作為一個(gè)國際性非贏利生物資源中心，提供超過150種不同物種的4000多種細(xì)胞株，包括950多種癌癥細(xì)胞株。
②權(quán)威細(xì)胞庫還有德國微生物菌種保藏中心(DSMZ)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞收藏中心(ECACC)，中國科學(xué)院細(xì)胞庫等。
③除通過購買途徑獲得細(xì)胞，還可和擁有細(xì)胞的學(xué)者進(jìn)行細(xì)胞交換或者請求文章作者饋贈(zèng)。
4. STR鑒定
新買的細(xì)胞，性質(zhì)是否正確，或者是否和其他細(xì)胞發(fā)生交叉污染，是一個(gè)很重要的問題。如Plos One發(fā)表文章指出有3萬余篇的研究論文因細(xì)胞系的錯(cuò)認(rèn)而紛紛陣亡，國外實(shí)驗(yàn)室有20%左右的細(xì)胞株被錯(cuò)誤辨識和交叉污染而導(dǎo)致研究結(jié)論錯(cuò)誤、結(jié)果不可重復(fù)、臨床細(xì)胞治療災(zāi)難性后果。
近年來，NIH、ATCC、Nature和Science等雜志就對此現(xiàn)象多次發(fā)出呼吁，要求研究者對細(xì)胞進(jìn)行鑒定。因此對細(xì)胞系的鑒定非常必要。
近年來，大量研究表明STR 基因分型方法是進(jìn)行細(xì)胞交叉污染和性質(zhì)鑒定的最有效和準(zhǔn)確的方法之一，STR基因分型應(yīng)用于細(xì)胞鑒定已被ATCC等機(jī)構(gòu)強(qiáng)烈推薦。美國的ATCC細(xì)胞庫、德國的DSMZ細(xì)胞庫等已為STR分型提供了各細(xì)胞株的數(shù)據(jù)供比對。
本期關(guān)于腫瘤細(xì)胞的介紹就到這里了，希望大家能夠更加全面的認(rèn)識到我們實(shí)驗(yàn)研究中的細(xì)胞。接下來我們會(huì)繼續(xù)以實(shí)驗(yàn)技巧為主，為大家講述那些在腫瘤細(xì)胞上的實(shí)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] Hanahan, D. & Weinberg, R.A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell 144, 646-674 (2011).
[2] Shoemaker R H. The NCI60 human tumour cell line anticancer drug screen.[J]. Nature Reviews Cancer, 2006, 6(10): 813-823.
[3] Antoinette Hollestelle, et al. Distinct gene mutation profiles among luminal-type and basal-type breast cancer cell lines. Breast Cancer Res Treat 121:53–64 (2010).
[4] Antonija Kreso, et al. Self-renewal as a therapeutic target in human colorectal cancer. Nature Medicine (2014).
[5] He Y, Peng S, Wang J, et al. Ailanthone targets p23 to overcome MDV3100 resistance in castration-resistant prostate cancer[J].Nature Communications, 2016, 7: 13122.
