白血病發病與骨髓微環境的關系

陸 榮(綜述)，黃慧芳(審校)

(1.福建醫科大學協和臨床醫學院，福州350001;2.福建醫科大學附屬協和醫院血研所，福州350001)

白血病病死率較高，危害較大，是醫學研究中的重大課題。白血病是一種克隆性起源，骨髓造血干細胞或早期祖細胞突變所引起的造血系統惡性腫瘤。其異常主要表現在骨髓中白血病細胞增殖失控、凋亡障礙和分化受阻，抑制了骨髓的正常造血。盡管近年來隨著新的化療藥物的應用和造血干細胞移植技術的進展，白血病患者的緩解率和無病生存期較前有所提高，但是始終無法解決遠期復發的問題，其主要原因在于體內殘留的白血病干細胞(leukemia stem cell，LSC)。

LSC約占白血病細胞的百萬分之一，具有強大的自我更新能力，能在免疫缺陷型小鼠體內誘發各亞型的白血病 。有文獻報道白血病干細胞與骨髓微環境密切聯系，相互作用，躲避化療藥物等的殺傷作用，最終導致白血病復發及耐藥的產生［2-4］。因此，深入探討白血病細胞與骨髓微環境的關系將有利于揭示白血病的發病機制并制訂相應的治療方案。

1 白血病細胞的生存——骨髓微環境

Schofield首次提出造血干細胞(hematopoietic stem cell，HSC)增殖、發育需要微環境支持的假說，隨后大量研究均證明了干細胞生態位區的存在［5，6］，提出HSC微環境的概念。正常的造血過程需要HSC和微環境之間復雜的雙向相互作用，一旦微環境的性質和功能發生改變，將會影響定居于此的HSC的性狀?！肮w細胞白血病”的發生進一步證實了造血微環境對HSC的重要作用［7，8］。骨髓造血微環境不僅是正常造血細胞發育的微環境，也是LSC賴以生存的基礎，對LSC的生存、耐藥具有重要意義。

骨髓造血微環境是由骨髓內的基質細胞(如成骨細胞、脂肪細胞、間充質干細胞等)與細胞外物質(如細胞因子、骨橋蛋白、鈣離子等)所組成的結構單位，具有解剖和功能上兩方面含義，包括骨內膜區和血管周圍結構即成骨龕和血管龕。目前對骨髓造血微環境的成分及其功能的研究還不是很透徹，有研究表明骨內膜區的間質細胞是成人骨髓造血微環境的重要成分，對HSC的歸巢及維持HSC的靜止狀態具有關鍵作用［9］。血管周圍結構即血管龕在造血微環境中同樣具有重要作用。Passegue等［10］研究提示，血管龕能刺激干細胞的增殖、分化及遷移。此外，血管龕還能協助HSC的跨內皮遷移，這在HSC的歸巢和動員過程中起著重要作用。成骨龕和血管龕根據機體生理的需要，相互協調，共同調節HSC的動員和歸巢過程，從而維持龕內外HSC的動態平衡。

2 白血病細胞與骨髓微環境相互作用

Ninomiya等［11］應用免疫組化等方法，研究來源于人體的白血病細胞在動物體內的歸巢及植入情況，發現白血病細胞最初分布于干骺端的骨內膜區，隨后增殖于血管區和骨干中段。移植后8周，干骺端白血病細胞明顯增加。給予大劑量化療藥物處理后，發現白血病細胞殘留于骨內膜區及血管內皮細胞周圍，表明此區域可能為白血病細胞提供抗凋亡信號。Dazzi等［12］的研究結果也提示，骨髓間充質干細胞可通過產生細胞因子或細胞間的直接接觸激活LSC中的相關信號通路，促進LSC生存、增殖及對化療藥物的抵抗。以上結果均提示白血病細胞與骨髓造血微環境相互作用，但其機制尚不完全明了，目前所揭示的機制主要有以下幾個方面。

2.1 整合素、CD44研究發現白血病細胞通過其表面的β1整合素(如極遲抗原4、5)等與微環境中基質細胞表面的層連蛋白結合，通過細胞間接觸激活急性髓系白血病(acute myelogenous leukemia，AML)細胞內的PI3K/AKT/Bcl-2信號通路，對維持微小殘留白血病有關鍵作用［13，14］。Mudry 等［15］發現，急性淋巴白血病(acute lymphoblastic leukemia，ALL)細胞先通過與骨髓基質細胞表面的血管細胞黏附分子1作用遷移至微環境，激活ALL細胞內的整合素連接激酶(integrin-linked kinase，ILK)。在ILK的作用下，磷酸化PI3K/AKT，激活ILK/AKT/GSK3β信號通路，使得下游信號分子Notch及STAT3表達增加，提供白血病細胞促生存信號。另外，白血病細胞也能誘導骨髓基質細胞內 AKT、ERK1/2的活化，顯著增強Hes1及Bcl-2蛋白的表達。上述研究結果提示，白血病細胞及骨髓基質細胞相互激活ILK/AKT信號，ILK/AKT信號途徑可能在維持白血病細胞在骨髓造血微環境中的生存具有重要作用;而這一信號通路可被PI3K及ILK的抑制劑所阻斷。因此，運用抑制劑干擾此通路可為根除骨髓微環境中的白血病細胞提供一條新思路。

近年研究發現，CD44幾乎表達于所有AML細胞表面，作為黏附分子參與AML-LSC歸巢至骨髓造血微環境，影響 LSC的生長發育、增殖分化及凋亡等［16，17］。CD44屬于黏附分子家族的Ⅰ型跨膜糖蛋白，介導細胞與細胞、細胞與細胞外基質間的信號轉導，在AML細胞與微環境的相互作用中扮演重要角色。據所含外顯子類型不同，CD44可分為兩類:標準型CD44(CD44s)和變異型CD44(CD44v)。CD44s廣泛分布于正常組織細胞中，CD44v僅分布于幾種特定的細胞中，尤其是腫瘤細胞。高表達CD44v的AML患者第一次緩解后有較高的復發率，這可能是因為CD44v可特異性地激活某些生長因子受體，上調抗凋亡蛋白如Mcl-1和Bcl-xL的表達，活化Akt激酶，并使促凋亡蛋白Bad磷酸化而失活。A3D8、H90是目前較常用的CD44v特異性單克隆抗體。Jin等［18］利用針對CD44的單克隆抗體H90，能在體外誘導AML細胞分化，使移植到NOD/SCID小鼠的白血病細胞數明顯降低，但相同劑量的H90對正常HSC不產生影響。H90處理過的AML細胞不能進行二次移植，提示H90抗體改變了AML干細胞的命運。CD44與LSC的歸巢和自我更新能力之間存在密切的關系，因而，CD44有望成為清除LSC的重要靶點。

2.2 CXCR4/CXCL12途徑 基質細胞衍生因子1(stromal cell-derived factor-1，SDF-1)又稱CXCL12，屬于CXC趨化蛋白超家族，SDF-1在多種細胞和組織表達分泌，骨髓基質細胞是SDF-1產生的主要來源之一，其高度特異性受體為 CXCR4。CXCL12與CXCR4相互作用構成了一個與細胞間信息傳遞、細胞遷移有密切關系的耦聯分子對，是實現其生物學功能的基礎。Jin等［19］研究發現，CXCR4的上調能促進慢性髓系白血病細胞遷移至骨髓微環境，并與之相互作用，使慢性髓系白血病細胞周期阻滯于G0/G1期，從而維持慢性髓系白血病細胞的生存。另有研究證實，SDF-1可促進CXCR4高表達的AML細胞與基質細胞的黏附和遷移，并通過激活PI3K通路加強這一作用［20］。SDF-1還可活化其他多種與細胞黏附、遷移等相關的信號分子，如 Rho［21］、Rac［22］等，且這些分子的作用大多與PI3K相關。Colmone等［23］還發現，白血病細胞最先通過SDF-1/CXCR4耦聯遷移至骨髓造血前體細胞的微環境中并大量增殖，建立起更適合自己的微環境，下調微環境中SDF-1的表達，同時高表達SCF(stem cell factor)因子，在SCF的誘導下移植至小鼠體內的細胞遷移至此微環境中，其正常的造血功能被擾亂，結果提示白血病細胞通過改變正常骨髓造血微環境的信號通路，“劫持”了歸巢的HSC。目前針對CXCR4/CXCR12的靶向治療研究主要集中于抑制白血病細胞向骨髓微環境黏附、遷移，從而降低微環境對白血病細胞的保護作用［24，25］，因此有可能為體內殘留白血病細胞的清除提供新的治療策略。

2.3 低氧誘導因子1α/血管內皮生長因子途徑 低氧誘導因子1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是一種氧依賴激活地轉錄因子，通過與低氧反應元件結合，從而引發下游基因的轉錄。HIF-1α既是HIF-1的調節亞基又是活性亞基，其蛋白穩定性和轉錄活性均受細胞內氧濃度的調節。研究發現，骨髓微環境低氧可誘導HIF-1α合成增加，HIF-1α調節下游血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達，促進白血病微環境中血管的生成。隨著白血病細胞大量增殖及繼發性貧血的發生，可能使骨髓內處于更加缺氧的狀態。與正常造血細胞相比，白血病細胞更能適應低氧環境，能在低氧環境中生長增殖。Wellmann等［26］研究發現，兒童ALL骨髓組織處于缺氧狀態且高表達HIF-1α，陽性細胞主要集中于成簇存在的ALL細胞且HIF-1α陽性的白血病細胞存在VEGF的共表達。VEGF作為生理和病理狀態下血管生成的關鍵調節因子，在白血病細胞的生長中發揮著重要作用。Okuyama等［27］報道，HIF-1α是誘導骨髓間充質細胞中VEGF表達必不可少的。在嚴重缺氧的骨髓組織內，白血病細胞可能通過HIF-1α調控血管生成因子VEGF的轉錄與表達，促進骨髓組織中異常血管的新生，以適應快速生長的白血病細胞對氧和養分的需要。

2.4 其他 骨髓造血微環境也為白血病細胞提供其他促生存信號，如 Notch/Hes、Wnt/β-catenin等信號分子通路，維持LSC的靜止狀態、抑制其凋亡。

3 結語

白血病是一個復雜的多基因的疾病，至今還不能完全治愈。LSC是白血病難以治愈及復發的根源。隨著研究手段的日新月異，眾多學者對LSC的特性、信號轉導機制及其與造血微環境的相互作用等進行深入研究，已取得較大進展，但仍有許多機制尚不明了。目前已研制出針對LSC及其微環境為靶點的藥物，在動物實驗及體外實驗中取得較理想效果，而對正常HSC影響較小，使得臨床應用成為可能。隨著研究方法的不斷革新，有理由相信對LSC將有更進一步的認識，新的治療靶點也會不斷被發現，為最終清除LSC、治愈白血病開辟新的途徑。

［1］Lane SW，Scadden DT，Gilliland DG.The leukemic stem cell niche:current concepts and therapeutic opportunities［J］.Blood，2009，114(6):1150-1157.

［2］Moshaver B，van der Pol MA，Westra AH，et al.Chemotherapeutic treatment of bone marrow stromal cells strongly affects their protective effect on acute myeloid leukemia cell survival［J］.Leuk Lymphoma，2008，49(1):134-148.

［3］Annaloro C，Onida F，Saporiti G，et al.Cancer stem cells in hematological disorders:current and possible new therapeutic approaches［J］.Curr Pharm Biotechnol，2011，12(2):217-225.

［4］ten Cate B，de Bruyn M，Wei Y，et al.Targeted elimination of leukemia stem cells;a new therapeutic approach in hemato-oncology［J］.Curr Drug Targets，2010，11(1):95-110.

［5］Lam BS，Adams GB.Hematopoietic stem cell lodgment in the adult bone marrow stem cell niche ［J］.Int J Lab Hematol，2010，32(6 Pt 2):551-558.

［6］Frisch BJ，Porter RL，Calvi LM.Hematopoietic niche and bone meet［J］.Curr Opin Support Palliat Care，2008，2(3):211-217.

［7］Flynn CM，Kaufman DS.Donor cell leukemia:insight into cancer stem cells and the stem cell niche［J］.Blood，2007，109(7):2688-2692.

［8］Crow J，Youens K，Michalowski S，et al.Donor cell leukemia in umbilical cord blood transplant patients:a case study and literature review highlighting the importance of molecular engraftment analysis［J］.J Mol Diagn，2010，12(4):530-537.

［9］Carlesso N，Cardoso AA.Stem cell regulatory niches and their role in normal and malignant hematopoiesis［J］.Curr Opin Hematol，2010，17(4):281-286.

［10］Passegue E，Wagers AJ，Giuriato S，et al.Global analysis of proliferation and cell cycle gene expression in the regulation of hematopoietic stem and progenitor cell fates［J］.J Exp Med，2005，202(11):1599-1611.

［11］Ninomiya M，Abe A，Katsumi A，et al.Homing，proliferation and survival sites of human leukemia cells in vivo in immunodeficient mice［J］.Leukemia，2007，21(1):136-142.

［12］Dazzi F，Ramasamy R，Glennie S，et al.The role of mesenchymal stem cells in haemopoiesis［J］，Blood Rev，2006，20(3):161-171.

［13］Matsunaga T，Takemoto N，Sato T，et al.Interaction between leukemic-cell VLA-4 and stromal f i bronectin is a decisive factor for minimal residual disease of acute myelogenous leukemia［J］.Nat Med，2003，9(9):1158-1165.

［14］Guo BW，Xiao QC，Qi RG，et al.Arsenic Trioxide overcomes cell adhesion-mediated drug resistance through down-regulating the expression of beta(1)-integrin in K562 chronic myelogenous leukemia cell line［J］.Leuk Lymphoma，2010，51(6):1090-1097.

［15］Mudry RE，Fortney JE，York T，et al.Stromal cells regulate survival of B-lineage leukemic cells during chemotherapy［J］.Blood，2000，96(5):1926-1932.

［16］Orian-Rousseau V.CD44，a therapeutic target for metastasising tumours［J］.Eur J Cancer，2010，46(7):1271-1277.

［17］Majeti R.Monoclonal antibody therapy directed against human acute myeloid leukemia stem cells［J］.Oncogene，2011，30(9):1009-1019.

［18］Jin L，Hope KJ，Zhai Q.Targeting of CD44eradicates human acute myeloid leukemic stem cells［J］.Nat Med，2006，12(10):1167-1174.

［19］Jin L，Tabe Y，Konoplev S，et al.CXCR4 up-regulation by imatinib induces chronic myelogenous leukemia(CML)cell migration to bone marrow stroma and promotes survival of quiescent CML cells［J］.Mol Cancer Ther，2008，7(1):48-58.

［20］Chang CK，Li X，Wu LY，et al.Biological behavior of stromal cellderived factor-1 on migration，adhesion and apoptosis in different kinds of AML cell lines［J］.Zhongguo Shi Yan Xue Ye Xue Za Zhi，2008，16(3):461-465.

［21］Chen L，Necela BM，Su W，et al.Peroxisome proliferator-activated receptor gamma promotes epithelial to mesenchymal transformation by Rho GTPase-dependent activation of ERK1/2［J］.J Biol Chem，2006，281(34):24575-24587.

［22］Barber MA，Welch HC.PI3K and RAC signalling in leukocyte and cancer cell migration［J］.Bull Cancer，2006，93(5):E44-52.

［23］Colmone A，Amorim M，Pontier AL，et al.Leukemic cells create bone marrow niches that disrupt the behavior of normal hematopoietic progenitor cells［J］.Science，2008，322(5909):1861-1865.

［24］Tavor S，Eisenbach M，Jacob-Hirsch J，et al.The CXCR4 antagonist AMD3100 impairs survival of human AML cells and induces their differentiation［J］.Leukemia，2008，22(12):2151-5158.

［25］Burger JA，Peled A.CXCR4 antagonists:targeting the microenvironment in leukemia and other cancers［J］.Leukemia，2009，23(1):43-52.

［26］Wellmann S，Guschmann M，Griethe W，et al.Activation of the HIF pathway in childhood ALL，prognostic implications of VEGF［J］.Leukemia，2004，18(5):926-933.

［27］Okuyama H，Krishnamachary B，Zhou YE，et al.Expression of vascular endothelial growth factor receptor 1 in bone marrow-derived mesenchymal cells is dependent on hypoxia-inducible factor 1［J］.J Biol Chem，2006，281(22):15554-15563.