| 為人類最終戰勝癌症展現曙光 |
| ——記上海交通大學醫學院仁濟醫院臨床幹細胞研究中心教授高建新 |
■本報記者 潘鋒
惡性腫瘤，俗稱癌症，是目前人類健康的主要威脅。徹底消滅癌症，是醫學界老生常談卻始終沒有實現的目標。近日，由上海交通大學醫學院仁濟醫院臨床幹細胞研究中心教授高建新領銜的一項研究證實：生殖幹細胞基因PIWIL2在DNA損傷修復中扮演著重要角色，相關研究論文於11月16日發表在國際知名學術期刊《公共科學圖書館·綜合》雜誌上。
高建新早年畢業於上海第二醫科大學，獲得免疫學與微生物學博士學位，之後前往加拿大達爾豪西大學醫學院做博士後研究，主攻免疫性炎症方向。隨後赴美國俄亥俄州立大學醫學中心綜合癌症中心和病理學系任助理教授，從事細胞免疫與腫瘤幹細胞的研究。現任職於上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院幹細胞研究中心，任腫瘤發生與免疫研究室主任，從事腫瘤幹細胞發生、發展及與免疫系統的相互消長關係的研究，率先報導了癌前幹細胞相關理論，提出了腫瘤發生、發展新概念，以求找出腫瘤防治的新途徑。高建新介紹，這篇文章是驗證他提出的腫瘤發生、發展新理論的系列研究中的一環。
研究背景：癌症幹細胞假說被證實，催生新爭論
究竟是所有癌細胞都一模一樣，都同樣有能力促使腫瘤生長、擴散；還是僅其中一群癌細胞比另一群癌瘤細胞更「高級」，即更具增殖、侵襲、抗藥、轉移的潛力，只有它們才是真正罪魁禍首？這一問題一直困擾著腫瘤研究者。2003年，繼1997年加拿大多倫多大學約翰·迪克（John Dick）在血癌中驗證癌症幹細胞（Cancer Stem Cell）假設後，美國密西根大學癌症中心首次在實體腫瘤中驗證了癌症幹細胞假設：癌症發展主要由少數的癌症幹細胞主導。儘管如此，癌症發生、發展是否由癌症幹細胞介導，癌症幹細胞是否僅僅由幹細胞變壞而來，目前醫學界仍然存在爭論。
從腫瘤發生的條件來看，幹細胞的確是癌變基因的理想萌生處和持久的載體。但是，只要條件允許，體細胞也有可能轉化為癌症幹細胞。癌症幹細胞是如何發展而來的才是問題的關鍵所在。高建新分析說，首先，癌變發生在哪個細胞，要看這個細胞是否具有不斷分裂、增殖的能力，增殖細胞則具有較多的基因突變的機會。癌細胞的形成，往往需要長期、多個癌基因突變而致。幹細胞無疑最易累積突變基因而向癌細胞轉化。由於幹細胞具有自我更新的特性，其積累的突變癌基因不太會因為組織更新而丟失。在器官、組織內，只要需要，一個幹細胞可以產生兩個子代細胞：其中一個細胞保持原樣即自我更新狀態，另一個細胞可以分化成該組織特異性祖細胞並進一步擴增分化成該組織特有的細胞。雖然不能完全排除體細胞分化而發展成腫瘤幹細胞，但一般而言，高度分化的組織特異性細胞不太會是腫瘤的始作俑者，因為它們是不會無限增殖的，終究會走向凋亡，而具有長久活力、無限增殖能力的幹細胞很可能是腫瘤發生的元兇。
那麼，癌症幹細胞假說是否成立？科學界能否進行證實？高建新為我們講述了這一漫長而又艱難的過程。
早在20世紀五、六十年代，一些醫學專家就已在實驗中發現，其實腫瘤中存在的細胞群落差異非常大，將它們移植到體外觀察發現，它們各自形成新腫瘤的能力大不相同，其中只有極小比率的癌細胞能夠生成新的腫瘤組織。那麼要想根除癌症，針對這些特定細胞也許會更加有效。由此醫學界提出了「癌症幹細胞假說」，認為「癌症是由一小群具有幹細胞特性的腫瘤細胞所造成的」。醫學界有過一個形象比喻：癌症就像蒲公英，修剪草坪看上去好像把它們都除掉了，但只要蒲公英的根還在，就還會再長起來。癌症也是一樣。化療和放療儘管可以摧毀大部分的癌細胞，但只要它沒有殺滅癌症幹細胞，也就是癌症的根，癌症就還會捲土重來。
1997年，加拿大多倫多大學的約翰·迪克和同事們率先在白血病中找到癌症幹細胞。他們發現，這種細胞只佔白血病細胞的1%，而它們卻是唯一可以在小鼠體內引發腫瘤的細胞，就像「種子」一樣。然而當時這項研究在學界並沒有引起足夠的重視，因為人們懷疑它能否在實體腫瘤中重複，比如乳腺癌、結腸癌、前列腺癌或腦癌等。直到2003年，美國密西根大學的麥可·克拉克等終於證明，乳腺癌中也存在著癌症幹細胞。
克拉克博士發現，通過細胞表面的標記蛋白，可將人乳腺癌細胞分成兩類。將兩類細胞分別注入老鼠的乳腺中，第一類腫瘤細胞雖然只佔整個細胞數量的極小部分，注入幾十個細胞便能引發腫瘤，第二類腫瘤細胞佔整個細胞的絕大多數，注入幾百萬個，卻不能引起腫瘤發生。由第一類癌細胞形成的腫瘤，可以一代代傳下去。進一步研究發現，這些細胞類似於成體幹細胞，有著分裂、增殖、自我更新以及分化成其他乳腺癌細胞的能力，因此被命名為癌症幹細胞。
從那以後，世界各地的實驗室都開始在各種癌症中尋找這種具有幹細胞性質的細胞群，一時間相關研究突飛猛進，短短幾年時間，人們已經證實了包括結腸癌、頭頸癌、肺癌、前列腺癌、腦癌和胰腺癌等腫瘤當中都有癌症幹細胞的存在。
但是，這些癌症幹細胞僅僅是通過異種動物腫瘤移植實驗得出的，其形成腫瘤的過程往往僅代表腫瘤發展的晚期階段，與臨床腫瘤發生、發展的自然過程相距甚遠，許多臨床表現還不能得到合理的解釋。因此，癌症幹細胞實際代表了腫瘤幹細胞發展的晚期階段。
早期腫瘤幹細胞是怎樣的？高建新領導的研究小組對此進行了不懈的研究。
繼往開來：發現癌前幹細胞，提出腫瘤發生、發展新概念
自上世紀70年代初由美國總統尼克森發起對癌症的「戰爭」（War on Cancer）以來，人類對攻克癌症的希望在經歷了40多年來無數次的失敗後，仍然前途未卜。高建新認為，人類最終能否戰勝癌症，取決於對癌症是否有準確、全面的認識。到目前為止，研究人員及醫學界對癌症的認識，一般還停留在「癌基因水平」，認為癌症僅僅是一個基因病。到目前為止，雖然已發現了6500多個癌基因，但是，絕大多數不是真正意義上的致癌基因或誘癌基因（Cancer-inducing or Cancer-causing gene）；多數屬於助癌基因（Cancer-contributing gene）, 包括原癌基因（Ocogene）、腫瘤抑制基因（Tumor suppressor gene）和穩定基因（Stability gene）。這些基因的功能一般為正常細胞所需，參與細胞的分裂、增殖、分化和抗凋亡，只有在突變導致其功能增強或減弱並失去控制時，才會促進腫瘤發生、發展；而致癌基因，顧名思義，它與細胞的正常功能無關，只有在致癌環境中，才會被激活。只要它被激活，就可能會影響細胞基因組的穩定性，誘導助癌基因突變，促進腫瘤發生。目前，科學界對這類基因的認識幾乎空白。
2007年，高建新及其團隊發現腫瘤中存在一群有別於癌症幹細胞的具有幹細胞特徵的腫瘤細胞，它們被命名為癌前幹細胞（Precancerous Stem Cell）。癌前幹細胞具有良性和惡性分化的潛能，其走向主要取決於其所處的環境。與癌症幹細胞可在正常小鼠內致瘤相比，癌前幹細胞僅在免疫缺陷小鼠內能長成腫瘤。在相應的環境中，癌前幹細胞可以繼續成長為癌症幹細胞，引發癌症，也可以保持靜默的狀態或被人體的免疫系統清除。癌前幹細胞的這些特徵，可以解釋為什麼大多數臨床癌前病變（早癌）可以自行消退或容易治癒。
高建新團隊用他們建立的癌前幹細胞株做了一個有趣的實驗。他們將癌前幹細胞分別注射到三組具有不同免疫功能的小白鼠的皮下組織、腹腔膜或靜脈中，觀察腫瘤生長情況。研究結果顯示，免疫系統的強度決定了小鼠是否發生癌症。
也就是說，在同樣面臨癌症威脅時，人類自身的免疫力強弱起著關鍵作用。自身免疫力弱，患上癌症的可能性就大；自身免疫力強，患上癌症的可能性就小。
通過對癌前幹細胞的研究，高建新領導的團隊在腫瘤發生、發展方面取得了一系列原創性新成果：
首次證實癌前幹細胞可以直接參與腫瘤血管生成（Tumor vasculature），打破了傳統的腫瘤血管增生（Tumor angiogenesis）概念，釐清了抗腫瘤血管藥物的發展方向。同時發現了腫瘤特異性廣譜生物標誌PIWIL2-like（PL2L）蛋白。其中PL2L60可以長期、穩定地表達在癌前幹細胞中，可在各種腫瘤細胞株和臨床各期原發癌腫檢出，為發展腫瘤早期診斷和免疫防治方法提供了有效的靶標。尤其為廣譜腫瘤疫苗的研製提供了有效靶標。
PL2L60是生殖幹細胞基因PIWIL2異化激活的產物之一。這種激活不是由基因突變引起，而是因基因內啟動子表觀遺傳激活所致。在腫瘤細胞內，PIWIL2本身很少表達，而且往往與細胞凋亡有關。顯然，PIWIL2 與PL2L60在腫瘤發生、發展中有相反的作用。
PIWIL2基因的異化激活產物，用傳統基因晶片技術或蛋白組學技術不一定能檢測到。癌基因異化激活現象，顯然與傳統的基因突變概念不同。這一特點，為尋找誘癌基因提供了新思路。
癌前幹細胞與免疫系統的相互作用結果，可決定癌前幹細胞的命運。在免疫功能正常的個體內，它們難以立足。初步試驗表明，用針對癌前幹細胞的多肽疫苗或抗體，能有效地阻斷癌前幹細胞在免疫缺陷小鼠體內致瘤。
根據這些新發現，高建新提出：腫瘤不是單一的基因疾病，而是所累細胞由誘/致癌基因如PIWIL2的異化激活而轉化、增殖，直到多個助癌基因突變，同時在由腫瘤啟動幹細胞向癌前幹細胞和癌症幹細胞進展的過程中，弱化腫瘤免疫監視系統的結果。因此，癌症是包括多個癌基因變異和抗癌免疫力進行性弱化的複合性疾病。
如果上述假設屬實，那麼，當一個正常細胞對致癌因子作出反應時，PIWIL2應該有所反應。高建新的研究視角，自然地轉向了腫瘤發生的最早階段：DNA損傷對PIWIL2的影響，因為腫瘤的發生是由於細胞內DNA受到損傷後發生基因突變，致使細胞功能改變，其增殖無法自我控制而引起的。
最新成果：PIWIL2基因可促DNA修復，初露發現致癌基因的曙光
自相關文章在《公共科學圖書館·綜合》這一國際知名學術期刊上發表後，這一腫瘤領域的最新學術成果立即引起了廣泛的關注。
所謂冰凍三尺非一日之寒，在高建新的帶領下，從美國俄亥俄州立大學綜合癌症中心到上海交通大學醫學院仁濟醫院臨床幹細胞研究中心，研究小組甘於寂寞，不隨大流，努力創新，為闡明腫瘤幹細胞發生、發展機理進行了多年不懈的研究。
研究團隊在發現完整的PIWIL2基因產物具有不同於其異化激活產物PL2L60的功能後，又發現PIWIL2基因在由電離輻射、紫外線照射以及化學藥物等誘致的DNA損傷的修復中都扮演著非常重要的角色。
正常情況下，PIWIL2僅表達在睪丸的生殖幹細胞和精原細胞中。該團隊的研究表明，在DNA未受損的情況下，細胞內的PIWIL2基因是基本沉默的。當受到急性輻射或化學藥物作用等導致DNA受損時，原本沉默的PIWIL2基因會被短暫激活，參與調節染色質鬆弛、解鏈，促進DNA修復。細胞染色質緊密的雙鏈結構得到鬆弛是實現其它蛋白質對染色質內部進行準確、有效修復的關鍵。在修復後，PIWIL2基因又恢復到原有水平。而對於缺陷細胞而言，當受損DNA由於缺少PIWIL2基因而無法成功解鏈時，便無法完成對DNA的修復。此時，細胞就可能走向衰老、凋亡或向腫瘤細胞轉化，喪失自身對細胞分裂的控制功能，導致腫瘤形成。
事實上，人體內每天都在發生DNA受損的情況，只是在DNA受損之後，人體會自動對其進行修復，成為防止腫瘤發生最早的一道天然屏障。DNA的修復過程與染色質解鏈、修復蛋白激活並積聚到損傷部位有關。目前國際上關於DNA自身修復的研究多聚焦於染色質鬆弛、解鏈後的修復過程，但對於在DNA修復早期的關鍵步驟，染色質是如何鬆弛、解鏈的機制，了解甚少。
由於染色質解鏈是細胞編程變化的一個重要前提條件，PIWIL2解鏈功能的發現，將為深入研究PIWIL2基因的生物學功能以及癌症防治的潛在手段提供新視角。高建新認為，作為誘癌基因，PIWIL2本身具有腫瘤屏障基因（Tumor-barrier gene）功能，而其異化激活後，則具有腫瘤啟動基因(Tumor-initiating gene) 功能。他們正在驗證這一假設。
高建新預測PIWIL2基因今後有可能作為一個新的生物標記，來檢測、評估人體受到急性輻射所造成的傷害。
可見將來：認識腫瘤發生、發展的共性，駕馭腫瘤個性化治療
發現、鑑定癌前幹細胞，揭示了癌症幹細胞僅代表腫瘤幹細胞發展的一個晚期階段，這一研究擴展、豐富了腫瘤幹細胞理論。結合臨床實際，高建新提出了腫瘤發生、發展的新理論，勾勒出了腫瘤發生、發展的共同通路：
在漫長的腫瘤生長過程中，從早期DNA損傷到腫瘤形成的終末階段，PIWIL2 始終具有屏障功能，短暫表達促進DNA修復，長期表達誘導細胞轉化凋亡，不管助癌基因如何變化。而PIWIL2異化激活後，則具有啟動腫瘤發生、發展的功能。通過誘導細胞轉化，影響基因組的穩定性，導致助癌基因突變，最終轉化細胞失去增殖控制，成為具有無限增殖能力的腫瘤幹細胞。這個過程中，腫瘤幹細胞的發生、發展與免疫系統互相消長。因此，免疫系統健全與否，是決定腫瘤發生、發展方向的關鍵。
目前，這一假設的幾個關鍵節點都得到了證實。高建新的團隊正在進一步驗證這一假設。如果這一腫瘤共有的發生、發展通路在分子、細胞水平得到證實，將為腫瘤防治方法帶來革命性的變化。「比如，」高建新舉例，「改變化療作為抗癌一線治療傳統；摒棄現在正在提倡的以基因組學為基礎的昂貴的腫瘤個體化治療（Personalized medicine）」。
在採訪即將結束時，高建新表示，醫學學術研究只有在應用於臨床實踐之後才能真正為人類帶來福音。面對自己取得的學術突破，高建新認為那只是滄海一粟，能為在病痛中掙扎的人減輕痛苦，才是醫學人士的終極理想。
在談及為什麼會選擇腫瘤作為研究方向時，高建新說：「正是因為腫瘤給病人帶來了極大的困擾，作為曾經當過醫生的自己，有責任來為他們減輕痛苦。雖然明明知道腫瘤研究這條路很難走，難以攻克，但是為了自己的理想，一切都是值得的。」
至今為止，「徹底消滅癌症」仍然是醫學界尚未實現的目標。究其原因，主要是不知道癌症是如何引起的。多年以來，越來越多的醫學家投身於此，希望能夠逆流而上，截斷癌症的源頭。而高建新及其團隊的最新研究，無疑為通往成功的彼岸開闢了可靠途徑，並將引領腫瘤研究的未來發展方向，讓我們看到了最終戰勝疾病的曙光。
《中國科學報》 (2012-01-01 B32 專題)