第二节 癌细胞
多细胞生物是由不同类型细胞受控于严格的调控机制而形成的细胞社会。癌细胞( (cancer cell)脱离了细胞社会赖以构建和维持的规则的制约，表现出细胞增殖失控和侵袭并转移到机体的其他部位生长这两个基本特征，其结果破坏了组织和器官的正常生理功能。全世界每年死于癌症的人数达人口总数的0.01%~0.035%。基因突变的结果有可能招致某些分化细胞的生长与分裂失控，脱离了衰老和死亡的正常途径而成为癌细胞。癌细胞与正常分化细胞明显不同的一点是，分化细胞的细胞类型各异，但都具有相同的基因组；而癌细胞的细胞类型相近，但基因组却发生不同形式的改变。随着环境因素的影响，基因突变率提高，细胞癌变的概率也随之增加。此外少数癌细胞其基因组DNA序列并未改变，但由于其DNA或组蛋白的修饰发生了变化，即表观遗传改变( epigenetic change)，导致基因表达模式的改变，从而引起癌症的发生。因此，对癌细胞形成与特征的了解不仅有助于了解细胞增殖、分化与凋亡的调节及其分子机制，而且也是人类健康所面临的十分严峻的问题。
一、癌细胞的基本特征
动物体内因细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞( ( tumor cell)。具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤( malignancy)，源于上皮组织的恶性肿瘤称为癌。目前癌细胞已作为恶性肿瘤细胞的通用名称。其主要特征是：
(一)细胞生长与分裂失去控制
在正常机体中细胞或生长与分裂，或处于静息状态，执行其特定的生理功能(如肝细胞和神经细胞)在成体一些组织中，会有新生细胞的增殖、衰老细胞的死亡，在动态平衡中维持组织与器官的稳定，这是一种严格受控的过程。而癌细胞失去控制，成为“不死”的永生细胞，核质比例增大，分裂速度加快，结果破坏了正常组织的结构与功能。
(二)具有浸润性和扩散性
动物体内特别是衰老的动物体内常常出现肿瘤，这些肿瘤细胞仅位于某些组织特定部位，称之为良性肿瘤，如疣和息肉。如果肿瘤细胞具有浸润性和扩散性则称之为恶性肿瘤，即癌症发生良性肿瘤与恶性肿瘤细胞的最主要区别是：恶性瘤细胞(癌细胞)的细胞间黏着性下降，具有浸润性和扩散性，易于浸润周围健康组织，或通过血液循环和淋巴途径转移并在其他部位黏着和增殖。由转移并在身体其他部位增殖产生的次级肿瘤称为转移灶( metastasis).，这是癌细胞的基本特征(图13-13)。此外，癌细胞在分化程度上低于正常细胞和良性肿瘤细胞，失去了原组织细胞的某些结构和功能。
(三)细胞间相互作用改变
正常细胞之间的识别主要通过细胞表面特异性蛋白的相互作用实现的，进而形成特定的组织与器官。癌细胞冲破了细胞识别作用的束缚，在转移过程中，除了会产生水解酶类(如用于水解基底膜成分的酶类)，而且要异常表达某些膜蛋白，以便与别处细胞黏着和继续增殖。并借此逃避免疫系统的监视，防止天然杀伤细胞等的识别和攻击。
(四)表达谱改变或蛋白质活性改变
癌细胞的种种生物学特征主要归结于基因表达及调控方式的改变。人们曾用基因表达谱分析技术( serial analysis of gene expression，，GE)对乳腺癌和直肠癌细胞与正常细胞中基因表达谱进行了比较。在检测的30万个转录片段( transcript)，至少相当于4.5万个所表达的基因中只有500个转录片段(相当于75个基因)有明显不同，仅占整个基因表达谱中很少一部分。
癌细胞的蛋白质表达谱系中，往往出现一些在胚胎细胞中所表达的蛋白质，如在肝癌细胞中表达胚肝细胞中的多种蛋白质。多数癌细胞中具有较高的端粒酶活性。此外癌细胞还异常表达与其恶性增殖、扩散等过程相关的蛋白质组分，如纤连蛋白表达减少，某些蛋白如蛋白激酶Src、转录因子Myc等过量表达。
此外，由于癌细胞基因突变位点不同，同一种癌甚至同一癌灶中的不同癌细胞之间也可能具有不同的表型，而且其表型不稳定，特别是具有高转移潜能的癌细胞其表型更不稳定，这就决定了癌细胞异质性的特征。生物芯片技术可用于检测细胞mRNA或蛋白质的表达谱，目前已用于肿瘤的研究、诊断，并有望用于优化对肿瘤患者的个体化治疗。
(五)体外培养的恶性转化细胞的特征
应用人工诱导技术可培养出恶性转化( malignant transformation)的细胞及恶性程度不同的转化细胞。恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖的潜能，在体外培养时贴壁性下降，可不依附在培养器皿壁上生长，有些还可进行悬浮式培养；正常细胞生长到彼此相互接触时，其运动和分裂活动将会停止，即所谓接触抑制。癌细胞失去运动和分裂的接触抑制，在软琼脂培养基中可形成细胞克隆，这也是细胞恶性程度的标志之一。当将恶性转化细胞注入易感染动物体内，往往会形成肿瘤。对体外培养的恶性转化细胞及癌细胞的比较研究有助于了解癌细胞的特征及发生机制。
(六)抵御死亡
抵御死亡是癌细胞的另一个基本特征。在过去的二十年间人们逐步认识到，成为“不死”的永生细胞的内在原因还应包括细胞自身对死亡的抵御。在生物机体内，细胞增殖即受到其内在的正反双向调控因子的严格监控，也受到外在正反因素的调节。在个体发育特定阶段完成时效任务的正常细胞往往通过程序化死亡而清除，而一些受到不良因素影响而发生变化的非正常细胞也往往会启动自行死亡机制。也有一些细胞，虽然不合时宜的产生，却逃脱不了有机体内的监控机制而难免被及时清除。因而，促使细胞死亡是生物机体免受癌症发生的重要机制之一。但是，癌症之所以发生，原因之一恰恰是癌细胞发展了抵御死亡的机制。
癌细胞能够抵御死亡，原因之一是获取了抗细胞凋亡的能力，既可能是其促凋亡基因突变而失活，也可能是抑制细胞凋亡基因突变而活性加强，最终表现为细胞凋亡调控通路的抑制(见第十五章第一节)。另个原因是逃脱了生物机体对它的监控，这可能是由于身基因突变而不能对细胞外来信号产生应答，也可能是外界信号的变化导致不能被有效监控所造成。另外一个原因是促使细胞增殖的细胞外信号过强，导致细胞增殖超越及时分化或细胞死亡。癌细胞正是这样的类细胞，由于其逃离了凋亡调控径路或生物机体监控径路，对外界促增殖信号的应答尤显敏感，增殖愈加迅速。
二、癌基因与抑癌基因
癌症主要是由携带遗传信息的DNA的病理变化而引起的疾病。与遗传病不同，癌症主要是体细胞DNA突变，而不是生殖细胞DNA突变。然而由于癌症涉及多个基因位点的突变，因此生殖细胞某些基因位点的突变无疑也会加大癌变的可能性。
癌基因( oncogene)是控制细胞生长和分裂的一类正常基因，其突变能引起正常细胞发生癌变。癌基因最早发现于诱发鸡肿瘤的劳氏肉瘤病毒( Rous sarcomairus，属于反转录病毒)，称之为Src基因。该基因对病毒繁殖不是必需的，但当病毒感染鸡后，可以引起细胞癌变，导致肉瘤。20世纪70年代中后期和80年代，Jm. Bishop和H.e. Varmus证实癌基因起源于细胞，并普遍存在于许多生物基因组中，二人因此获得1989年诺贝尔生理学或医学奖。癌基因可以分成两大类：一类是病毒癌基因，指反转录病毒的基因组里带有可使受病毒感染的宿主细胞发生癌变的基因，简写成v-onc(v是 virus的缩写)；另一类癌基因是细胞癌基因，简写成c-onc(c是cl的缩写)，又称原癌基因( proto oncogene)。在后来的研究中，大多数con基因是依靠病毒的vonc基因探针找到的。近年来研究表明，许多致癌病毒中的癌基因不仅与致癌密切相关，而且与正常细胞中的某些DNA序列高度同源，从而推测病毒癌基因起源于细胞的原癌基因。反转录病毒所携带的癌基因，可能是由于这类病毒特殊的增殖方式而从宿主细胞中获得的。病毒中的癌基因由于碱基序列的突变，引起所编码的蛋白质产物超活化或失去控制，最终导致肿瘤的发生
conc是在正常细胞基因组中对细胞正常生命活动起主要调控作用的基因，这些基因一旦发生突变或被异常激活，可使细胞发生恶性转化。换言之，在每一个正常细胞基因组里都带有原癌基因，但它不出现致癌活性，只是在发生突变或被异常激活后才变成具有致癌能力的癌基因。因为已活化的癌基因或是从癌细胞里分离出来的癌基因，可将体外培养的哺乳类细胞，转化成为具有癌变特征的癌细胞，所以癌基因有时又被称为转化基因( transforming gene)。因此，c-onc基因是一类具有正常的生理功能的基因，而只有在发生突变或异常表达的情况下才会引起细胞癌变。实际上，cnc基因向癌基因的转化是一种功能获得性突变，即细胞的c-onc基因被不适当地激活后，会造成蛋白质产物的结构改变，-onc基因出现组成型激活，以及过量表达或不能在适当的时刻关闭基因的表达等。
目前已识别的conc基因有100多个，其编码的蛋白质主要包括生长因子、生长因子受体、信号转导通路中的分子、基因转录调节因子、细胞凋亡蛋白、DNA修复相关蛋白和细胞周期调控蛋白等几大类型(图13-14)。当然，因突变而诱发癌症的基因还不止这些。细胞信号转导是细胞增殖与分化过程的基本调控方式，而信号转导通路中蛋白因子的突变是细胞癌变的主要原因如人类各种癌症中约30%的癌症是信号转导通路中的Ras基因突变过表达引起的。此外，很多癌基因在演化上是相当保守的，如c-Ras基因在酵母、果蝇、小鼠和人的正常基因组均有存在人们还注意到，视网膜母细胞瘤( (retinoblastoma)是由于Rb基因突变失活而导致的。随后又发现p53等基因均有类似的现象。这类基因称为抑癌基因或肿瘤抑制基因( tumor-suppressor gene)，又称抗癌基因( antioncogene)，或者更为确切地说是这类基因编码的蛋白质，其功能是正常细胞增殖过程中的负调控因子，在细胞周期的检查点上起阻止周期进程的作用(图1-15)，或者是促进细胞凋亡，或者既抑制细胞周期调节，又促进细胞凋亡。如果抑癌基因突变，丧失其细胞增殖的负调控作用，则导致细胞周期失控而过度增殖。抑癌基因是基因的功能丢失性突变。抑癌基因原先有对细胞分裂周期或细胞生长设置限制的功能当抑癌基因的一对等位基因都缺失或都失去活性时，这种限制功能也就随之丢失，于是出现了细胞癌变。抑癌基因与癌基因之间的区别在于癌基因的突变性质是显性的，抑癌基因的突变性质是隐性的。目前已发现的抑癌基因有10多种。例如，p53基因是于1979年发现的第一个抑癌基因，开始时被认为是一种癌基因，因为它能加快细胞分裂的周期，以后的研究发现只有在p53的失活或突变时才会导致细胞癌变，才认识到它是一个抑癌基因。抑癌基因或其编码的蛋白质的主要功能可概括为3类：①偶联细胞周期与DNA损伤，即只要细胞有DNA损伤，那么细胞将不会分裂。如果DNA损伤被修复，那么细胞周期可以继续运行。②如果DNA损伤未被修复，那么细胞将起始凋亡程序，以解除这类细胞可能对机体造成的危险。③与细胞黏着有关的某些蛋白质可以防止肿瘤细胞的扩散，阻止接触抑制的丧失并抑制转移，这类蛋白质起转移抑制者作用。
细胞癌变的基本特征之一是细胞增殖失控，而细胞的增殖是通过细胞信号调控网络中细胞增殖相关基因和抑制细胞增殖相关基因的协同作用而调控的。细胞的癌变归根结底也恰恰是这两大类基因的突变或异常表达，破坏了正常的细胞增殖的调控机制，形成了具有无限分裂潜能的肿瘤细胞(图13-16)。
肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果
根据DNA复制过程中的基因突变率(10)及人的一生中细胞分裂次数(10)推测，人类基因组中每个基因都可能发生10次的突变。如果再考虑生活环境中的致癌因素(如辐射等物理因素、化学诱变剂等化学因素和肿瘤病毒感染等生物因素)，令人们感到惊奇的并不是细胞为什么会癌变，而是肿瘤的发生频率为什么如此之低。
根据大量的病例分析，癌症的发生一般并不是单基因的突变，而至少在一个细胞中发生5~6个基因突变，才能赋予癌细胞所有的特征，即癌细胞不仅增殖速度快，而且其子代细胞能够逃脱细胞衰老的命运，取代相邻正常细胞的位置，不断从血液中获取营养，进而穿越基膜与血管壁在新的组织部位安置、存活与生长。因此，细胞基因组中产生与肿瘤发生相关的某一原癌基因的突变，并非马上形成癌，而是继续生长直至细胞群体中新的偶发突变的产生。某些在自然选择中具有竞争优势的细胞，再经过类似的过程，逐渐形成具有癌细胞切特征的恶性肿瘤。如结肠癌发生的病程中开始的突变仅在肠壁形成多个良性的肿瘤(息肉)，进一步突变才发展为恶性肿瘤(癌)，全部过程至少需要10年或更长时间(图13-17)。从这一点上看，癌症是一种典型的老年性疾病，它涉及一系列的原癌基因与抑癌基因的致癌突变的积累。
在人的二倍体细胞中抑癌基因有两个拷贝，只要其中一个拷贝正常，便可保证正常的调控作用。如两个拷贝都丢失或失活，才能引起细胞增殖的失控，而原癌基因的两个拷贝中只需要一个基因发生突变，便可能起到与癌基因类似的作用。
在某些癌症病例中，其生殖细胞中原癌基因或肿瘤抑制因子发生致癌突变，结果个体所有的体细胞的相应基因都已变异。在这种情况下，癌变发生所需要的基因突变数的积累时间就会减少，携带这种基因突变的家族成员更易患癌症(图13-18)。
同样白血病等血细胞的恶性增生，并不涉及浸润这环节，而直接随血流遍布全身。因此，只有少数基因突变，便可导致癌症发生，患病年龄也相应提早。
四、肿瘤干细胞
在长期的肿瘤研究与临床治疗中人们注意到两个值得关注的现象：(1)在恶性肿瘤组织中，并非将每一个癌细胞移植到免疫缺陷的裸鼠体内，都能形成肿瘤，肿瘤的形成往往需要10个癌组织的细胞。(2)化学药物是治疗恶性肿瘤的有效方法，但总有少量癌细胞依然存活，因而常常引起肿瘤的复发。
显然，癌组织中各细胞的致癌能力及对化学药物的抗性是有很大差别的。近年来，随着干细胞研究的进展，人们自然会联想到肿瘤组织中是否也存在着类似于成体干细胞的肿瘤干细胞( (cancer stem cell)。这也是涉及肿瘤发生机制及肿瘤治疗策略的重要问题。
肿瘤干细胞是一群存在于某些肿瘤组织中的干细胞样细胞。自1997年首次报导分离出白血病肿瘤干细胞后，陆续报道分离与鉴定了乳腺癌干细胞、脑瘤干细胞和黑色素瘤干细胞，并建立了脑瘤干细胞和乳腺癌干细胞的体外培养。2004年，S.. Singh等人在人脑肿瘤细胞中成功分离到含CD133标志的肿瘤干细胞，并将其注射到小鼠脑中，结果发现小鼠脑中长出了含有该标志的肿瘤，并可通过再注射而实现鼠一鼠传递。一般情况下，注射成千上万的不表达CD133标志的肿瘤细胞都不会致瘤，而注射不足百个含CD133标志的肿瘤细胞即可成功致瘤，说明致瘤干细胞只是致瘤中一个很小的类群，含有特殊的标志。随着肿瘤干细胞在更多的不同肿瘤组织中分离成功，更有力地证明了肿瘤干细胞的存在，同时为深入探讨肿瘤的发生、发展及评价预后等提供了新的理论依据，同时也为肿瘤的治疗带来了新的思路。
干细胞具有自我更新和几乎无限增殖的能力，具有迁移至某些特定组织和排除有毒化学因子的能力。而肿瘤干细胞也具有无限增殖、转移和抗化学毒物损伤的能力。而且，二者使用一些共同的信号转导通路，如Wnt、 Notch和Shh信号通路及相关的信号分子。然而肿瘤干细胞和正常干细胞在细胞增殖、分化潜能和细胞迁移等行为上有明显差异。正常干细胞的增殖(又称为自我更新)是严格受控的过程，具有迁移到特定组织分化成多种功能细胞的潜能，以构建正常的组织器官。而肿瘤干细胞增殖失控，失去正常分化的能力，转移到多种组织后形成异质性的肿瘤，破坏正常组织与器官的功能。与一般肿瘤细胞相比，肿瘤干细胞具有高致瘤性。很少量的肿瘤干细胞在体外培养，就能生成集落。将很少量的肿瘤干细胞注入实验动物体内，即可以形成肿瘤。肿瘤干细胞耐药性强。多数肿瘤干细胞的细胞膜上表达ATP结合盒(ABC)家族膜转运蛋白。这类蛋白质大多可运输并外排包括代谢产物、药物、毒性物质内源性脂质、多肽、核苷酸及固醇类等多种物质，使之对许多化疗药物产生耐药性。目前认为肿瘤干细胞的存在是导致肿瘤化疗失败的主要原因。
通过上面的比较，人们很容易想到肿瘤干细胞起源于成体干细胞的可能性。而且，与终末分化细胞相比较，成体干细胞的寿命要长得多(图13-19)，细胞基因组发生多个位点突变的可能性更大。当然这也并不排除肿瘤干细胞来源于已分化细胞的可能性。因此，研究肿瘤干细胞存在的普遍性及探索其发生的机制，是目前肿瘤生物学研究的一个非常重要的课题。
五、肿瘤的治疗
肿瘤治疗的根本是移除肿瘤细胞，采取的方法手段当然离不开这一根本。手术移除、化学疗法和放射疗法是目前最常用的肿瘤治疗手段。但是，手术、化疗和放疗都有相当多的局限性和不确定性，如部位限制而不能有效移除，化疗和放疗的剂量与移除效果直接相关，对正常细胞同样具有杀伤力，从而产生副作用。生物学治疗近年来备受推崇，即有的放矢地对癌细胞采取相应措施，如通过寻找癌细胞特异靶点进行有目的攻击，或者通过分子细胞生物学方法如基因治疗、调节性微小核糖核酸( micrORNA)导入、基因改造的肿瘤细胞免疫治疗等，干预发生变化的某个调控通路，达到杀死癌细胞、或者促其转化为不具恶性的正常细胞之目的。
肿瘤细胞免疫治疗是重要的生物学治疗模式之一。
虽然这一模式包涵多种方法手段，但其基本原理则是基于细胞增殖、分化、代谢及机体免疫等方面的调控机制来设计的。例如，先从生物机体内分离出T淋巴细胞，通过基因改造的方法增加其对癌细胞的识别能力并进行扩增，获得能够特异识别含有某个特异标志的癌细胞的能力，然后将这些经过基因改造的T细胞回注到生物体内，让其自动寻找和杀伤具特异标志的癌细胞。
生物学治疗之所以受推崇，理论上说它可以精确清剿癌细胞，既适合早期恶性肿瘤患者，也适合较晚期的恶性肿瘤患者。若与其他疗法联合应用，还可以减少其他疗法所用剂量，减轻副作用，提高治愈率。更重要的是，生物学治疗将会实现对患者肿瘤发生特点的个体化分析，通过采取个体针对性强的方式，真正实现个体化治疗。因此，生物学肿瘤治疗将为有效移除癌细胞提供切实可行的手段。
