一个标志高级别胶质瘤(HGGs)，包括最恶性的胶质瘤，胶质母细胞瘤(GBM)的主要原因是其对现有治疗方法的耐药性，导致预后极差。即使是在非明确区域的肿瘤划分良好的患者，在手术中允许最大限度的全切除，并且对照射和第一轮化疗反应良好，也不可避免地会发生肿瘤再生/复发，导致令人沮丧的结果。因此，我们有必要更好地了解这种恶性肿瘤的分子机制，以便最终为患者提供新颖有效的治疗方法。
积累的证据表明，多种遗传和代谢途径创建了复杂的信号网络，以促进致癌和致癌代谢途径之间的串扰，从而导致癌症的起始和传播以及治疗耐药性。最近的全基因组表达谱分析和全球DNA甲基化分析以及随后的临床评估已经清楚地将HGGs分为3种不同的亚型:脑内型(PN)、间充质型(MES)和经典型(或增生性)(表1)．29，34，37在这3个亚型中，大约一半具有PN特征的HGGs与CpG岛甲基化表型(CIMP)相关+)，代谢酶IDH1和肿瘤代谢产物2-羟戊二酸的突变。24在临床上，这组HGGs往往从低度胶质瘤缓慢发展到最终的GBM，以前被归类为继发性GBM。从治疗角度来看，该亚型的治疗方案应单独设计，因为与其他HGG肿瘤亚型相比，该亚型的预后明显更好。其余一半的PN肿瘤与PDGFFRα过表达和/或扩增有关。7，34，37虽然这两种PN亚型显示重叠的基因标记，但治疗反应和患者结局似乎是不同的(原因尚不确定)。相比之下，MES肿瘤是非cimp，保留野生型IDH1，并与体细胞突变和/或表达失调相关NF1基因及其相关途径。与PN和MES肿瘤之间基因表达模式和信号通路改变的显著差异相反，突出经典HGGs的遗传和表观遗传变化相对温和，除了EGFR通路中的突出信号。34鉴于PN和MES HGGs的基因特征似乎几乎完全相互排斥，因此很容易推测HGGs具有从PN到MES的单一基因特征轴。然而，要得出明确的结论还需要更多的证据。撇开这个悬而未决的问题不谈，所有这3种亚型随后的治疗反应都很差(CIMP除外)+PN肿瘤)。尽管如此，鉴于单个HGG亚型似乎依赖于不同的信号通路和肿瘤代谢通路，针对3种不同HGG的治疗策略可能应该基于肿瘤亚型设计，而不是在所有HGG病例中应用相同的治疗方案。然而，目前正在进行的临床试验的纳入/排除标准大多是针对GBM而设计的，没有划分亚型。
成人HGG亚型＊
| 肿瘤亚型 | CIMP+PN | CIMP−PN | 市场经济地位 | 经典 |
|---|---|---|---|---|
| 频率 | 12％ | 14% | 35% | 39% |
| 年龄分布 | 年轻成人(平均44.6岁) | 青壮年至成年(平均50.6岁) | 成人(平均53.4岁) | 老年人(平均57.7岁) |
| 预后 | 相对温和的 | 良性还是贫穷? | 可怜的 | 可怜的 |
| 对治疗的敏感性 | 不耐 | 不耐? | 耐药 | 耐药 |
| 基因特征&甲基组 | 与其他3个亚型不同的是，全局基因甲基化 | 互斥模式，低甲基化 | PN和MES部分重叠，甲基化程度低 | |
| 基因突变频繁 | Idh1 tp53 atrx | PDGFRA扩增，TP53, CDKN2A缺失，CDK4 | NF1 | 表皮生长因子受体(扩增或vIII突变)，CDKN2A缺失 |
| 信号通路和代谢组改变 | IDH1-regulated新陈代谢 | RTK | Stat3, c / ebpβ， taz | RTK-PI3K-AKT-mTOR |
频率和年龄分布数据基于Sturm等人。34
前质和间质GSC亚型
在对这些GBM亚型进行鉴定后，本文发表了两篇论文5，262013年发表的一项研究发现，HGG肿瘤中存在两种相互排斥的具有干细胞特性的肿瘤细胞，称为胶质瘤起始/繁殖细胞或胶质瘤干细胞(GSCs) (表2而且图1)．这两种不同的GSC亚型，脯神经型(PN)和间充质型(MES)，是通过全基因组分析确定的，具有独特的性质，被认为是导致个体HGG亚型的治疗耐药性的原因。鉴于不同的基因集和信号通路在每个亚型的HGG中被差异激活，每个亚型的GSCs也可能具有不同的和失调的通路，这是它们在肿瘤起始、传播和随后对治疗的耐药性方面的独特表型的原因。因此，在每个亚型中推进对肿瘤启动GSCs的分子理解是至关重要的，这样才能最终实现针对单个HGGs的量身定制的靶向策略的建立。此外，具有经典特征的GSC亚型尚未被令人信服地确定。HGG亚型和GSC亚型之间的差异是否仅仅是由于技术限制(例如，当前的体外培养有利于已确定的两种GSC亚型中的任何一种，而不是全部三种GSC亚型)，还是由于科学原因(例如，经典的HGG来自PN和MES GSC及其后代细胞的混合群体)，尚有待确定。未来的研究将澄清这个悬而未决的问题。
胶质瘤干细胞亚型＊
| 特征 | 子类型 | |
|---|---|---|
| PN | 市场经济地位 | |
| 频率 | 60 - 65% | 35 - 40% |
| 原发肿瘤分级 | III级，通过GBM的少突细胞瘤 | 大部分是GBM，一些是III级星形细胞瘤 |
| 对治疗的敏感性 | 对辐射相对敏感 | 抗放射性的 |
| 体内生长动力学 | 相对较慢，类似于MES | 快 |
| 干细胞标记 | CD133, CD15 | ALDH1A3 (Aldefluor) |
| 潜在细胞来源 | 胚胎-新生儿神经干细胞 | 成人神经干细胞分化的星形胶质细胞 |
| 基因个体发生 | 神经发生 | 间充质干细胞，免疫系统 |
| 信号通路改变 | Notch, PDGFRA, glut3介导的葡萄糖摄取 | NF-κB, ALDH1A3，糖酵解，炎性小体 |
| 与每个亚型相关的临床试验 | Notch/ γ -分泌酶抑制剂(RO4929097)， PDGFR抑制剂(sorafenib)， PI3K-mTOR抑制剂，病毒治疗 | NF-κB抑制剂(地塞麦醇)，免疫治疗，糖酵解抑制剂(DCA) |
答:PN和MES GSCs差异表达基因的分级聚类。B:菲利普斯HGG数据集的皮尔逊相关热图29用微阵列样本。同类型的微阵列样品与同亚型的Phillips样品相比具有更强的相关性。美国国家科学院科学院110(21): 8644 - 8649年,2013年。
GSC亚型的表型差异
表型上，这两种GSC亚型似乎也明显不同。5，26无论在体内还是体外，MES GSCs都比PN GSCs更具侵袭性、侵袭性、血管生成性和抗放射治疗性。此外，MES GSCs主要来源于新生的原发性GBMs，而PN GSCs存在于III级胶质瘤中，特别是那些含有少突细胞瘤成分的胶质瘤和GBMs中。26然而，这些数据需要仔细解释。在体外特定条件下的良好生长并不一定意味着一组肿瘤细胞在临床上比另一组更具有侵略性。目前使用动物进行体内生长试验的一个主要限制是由于异种移植人类细胞到免疫功能低下的动物大脑中导致免疫反应减弱。正如文献所示，对肿瘤细胞的免疫反应在癌症生长和/或抑制中起着重要作用。事实上，在MES型GSCs中，各种免疫相关基因被特异性上调，这可能表明免疫功能低下条件以某种方式影响了MES型GSCs的生长。这一假设得到以下事实的支持:MES - GBM与其他亚型之间对免疫治疗的临床试验反应显著不同。30.为了解决治疗反应的差异，几个转化研究实验室最近建立了具有不同肿瘤亚型的小鼠基因工程GBM模型。这些模型可以帮助我们了解在免疫系统完整的微环境中个体GSC亚型(甚至缺失GSC亚型)的病理生理学。
越来越多的证据表明，在相同的肿瘤中，GBM中表达cd133的一小部分GSCs亚群可能比非GSCs更能抵抗放射治疗，因为它们更强大和有效地激活了DNA损伤检查点反应。2，18然而，两种GSC亚型以不同程度的放射敏感性来区分。MES GSCs表现出明显高于PN GSCs的辐射抗性，与DNA修复相关的基因显著上调。事实上，Phillips等人。29基于对HGG病例的大量临床数据的分析，提出了至少一些PN肿瘤在MES状态下复发的证据。YKL40和CD44的表达与放射抗性和较差的总生存率相关，6，28作为GSCs和HGG肿瘤MES亚类的富集标记物。这一观察结果类似于治疗性侮辱诱导的癌细胞上皮-间充质转化(EMT)的表型变化(例如，在乳腺中，17，21结肠癌、31和胰14，38癌症)。是否特定的GSC亚群激活信号和代谢通路以响应治疗是临床肿瘤中全球MES转分化的主要驱动因素仍有待确定。Bhat等人的研究数据。5研究表明，体外MES GSCs和体内MES gsc衍生的小鼠gbm样肿瘤可以比具有PN特征的细胞更有效地修复DNA损伤，这可以通过减少这些细胞中的γ-H2AX病灶来证明。可以说，来自不同来源细胞的HGG细胞可能在克服辐射损伤的能力上有所不同(稍后将详细讨论)。
临床意义
针对癌症患者的个性化治疗尚未实现，但基于分子分层的GBM治疗效果预测正在发展。一个这样的例子是HGGs对DNA烷基化剂替莫唑胺的敏感性。的启动子甲基化状态O-6-甲基鸟嘌呤- dna甲基转移酶(MGMT)表明治疗肿瘤对替莫唑胺的敏感性具有统计学意义。15同样，一组基因已被证明可以可靠地预测GBM患者的结局，并可能指导患者研究对当前疗法难以治疗的肿瘤的替代的、更具探索性的治疗方案。11Bhat等。5所提供的实验数据表明，传统的抗生素药物二甲胺四环素可能是具有MES特征的GBM患者的一种候选治疗方法。这种药物在临床上很有吸引力，因为它已经被FDA批准，并且具有众所周知的药代动力学和毒性特征，27专利已失效(这将最大限度地降低成本)，并且已知可以穿过血脑屏障。39根据这些观察，二甲胺四环素可能是一种可行的策略，至少针对这种毁灭性疾病的MES亚类。然而，显然，我们应该继续探索针对所有GBM亚型的治疗策略的更多可能性。
肿瘤中GSC亚型特异性标记物
癌症干细胞(CSCs)的另一个标志是在手术和辅助治疗完成后重新启动和形成癌症的能力，这可能直接表明每个肿瘤在治疗后保持稳定的时间以及后续个别病例复发的风险。在GSCs中进行的旨在识别此类抗原的广泛研究主要是由于使用CD133的混合结果，3.，23，32，33最初被提议作为GSCs的权威标记。32CD15在许多GSCs中也令人信服地显示为肿瘤起始标记物33和其他研究表明，各种各样的标记(如L1CAM，11和整合素α620.)，不仅富集了具有肿瘤启动潜能的肿瘤细胞，而且在维持GSC表型中起着关键作用。然而，这些抗原中没有一个被证明是HGG中GSCs的通用或独家标记。事实上，PN HGGs似乎在其GSCs中表达CD133和CD15，而MES HGGs几乎完全不表达CD133或CD15，而是表现出CD44的表达增加，CD44是另一种细胞表面标记物，也被证明在其他器官的CSCs中富集。6，22有趣的是，这3种分子(CD133、CD15或CD44)中的任何一种表达均与GBM患者的生存期呈统计学意义上的负相关。换句话说，肿瘤患者的任何这些标志物表达水平较高，预后较差。定义这些标记与GSCs或GSCs子集的相关性需要进一步研究，但至少编码它们的基因对预测临床结果有价值。
特定谱系特异性抗原在GSCs不同亚群中的表达可能具有超越标记作用的价值。例如，CD15在胚胎和成体神经干细胞(NSCs)中均有表达，这可能表明具有PN特征的HGGs的来源细胞是胚胎或成体大脑中的NSCs。8另一方面，CD44识别出一种星形胶质细胞受限前体细胞(ARP)，它已经失去了NSC的不成熟和多能状态，并在体外和体内都致力于星形胶质细胞谱系。25与这些观察结果一致，成熟的星形胶质细胞也已在GBM小鼠模型中成功转化。1总的来说，成人大脑中的成熟星形胶质细胞可能代表MES GBMs的细胞起源。反过来，少突细胞瘤的非干细胞起源也被提出。22，23为了支持这一观点，在少突细胞瘤来源的GSCs中报道了其他细胞表面标志物的表达，如PDGFRα和/或NG2，它们都是针对少突细胞前体细胞(OPCs)的特异性表达。总的来说，不同亚型胶质瘤的细胞来源可能是不同的。
GBM亚型中调节干细胞特征的不同癌基因通路
根据Carro等人的研究，胶质瘤肿瘤的MES表型是胶质瘤发生和发展的原因，与不受控制的入侵和刺激血管生成的能力有关。9基因表达分析表明，MES特征的过表达和PN特征的缺失与GBM的不良预后共存。然而，在整个发育过程中，在正常的神经组织中几乎检测不到MES谱系的分化。因此，目前尚不清楚向MES谱系的表型转移是否是脑肿瘤进展过程中发生的异常事件，或者胶质瘤细胞是否再现了神经干细胞(NSCs)罕见的MES可塑性。除了这个悬而未决的问题，最近的一项系统生物学方法有效地推断出策划神经胶质瘤MES转化的主要调控因子。6，9，11例如，C/EBPβ和STAT3是HGG细胞中MES转化所必需的两个主要主调控因子。MES转化源于这两种相互冲突的转录调控因子的同时激活，通常作用于驱动相反的信号(C/EBPβ的神经发生vs STAT3的胶质发生)。这种情况对于正常的NSCs来说是不可容忍的，而在伴随HGG起始和建立的遗传和表观遗传变化(例如EGFR扩增，AKT激活)的背景下，它可以永久地驱动异常的MES表型。由于C/ EBPβ和STAT3在HGG中的表达对于维持肿瘤启动能力和浸润邻近正常大脑的能力至关重要，这两种组织因子(TFs)为诊断和药物干预提供了重要线索。与此一致的是，C/EBPβ和STAT3的联合表达与原发性GBM的MES特征有关，并为肿瘤侵袭性提供了一个极好的预后生物标志物。
描述两种不同GSC亚型的研究可能表明，与GSCs相关的分子特征不是静态的实体，而是可以由旁分泌因子(如TNFα)驱动，后者反过来触发主tf的激活，包括NF-κB和STAT3，从而驱动GSCs子集中的MES特征。5这一观察结果与外源性细胞因子在HGG和其他癌症类型的肿瘤进展中发挥突出作用的研究一致。这些发现的临床意义是通过药物消除这些tf来抑制体内肿瘤。特别是NF-κB家族，包括p65和p50，是激活MES GSCs中主要参与细胞增殖、炎症和抗凋亡的众多基因的主要调节因子。p65/p50在肿瘤进展中的作用也在各种器官的CSCs中被广泛研究，这主要是由于炎症和癌症之间的相互作用。4，13转录因子TAZ被认为是MES GBMs的第三个关键中介。6虽然这些主tf的异常激活是对GBM中观察到的整体MES特征的一个有吸引力的解释，但这些因素如何以多向方式起作用仍有待澄清。有趣的是，这些tf在炎症反应中发挥着重要作用，过去的研究表明这些tf之间存在相当大的相互作用。一致地，全基因组基因特征显示炎症组基因如较高的表达白细胞介素6，IL8 (CXCL8)，IL1B1C,CXCL2在MES亚型中，进一步强化了细胞因子分泌(可能是由于在MES GBM中更常见的坏死增加)和炎症相关tf之间的相互作用驱动MES特征。5，26然而，应该注意的是，MES GSCs以细胞自主的方式表现出独立于微环境的这些因子的组成性更高的表达，因此必须存在维持它们在MES GSCs中的表达的附加机制。
GBM中GSCs的代谢重编程
hgg来源的GSC通路分析显示，两种GSC亚型之间与细胞代谢相关的基因集存在显著差异。涉及糖酵解和糖异生途径的基因，特别是ALDH家族基因ALDH1A3，在MES GSCs中较PN GSCs显著上调(图2)．26催化乙酸从乙醛转化为乙酸的酶ALDH1A3的活性在MES GSCs中显著增加，但在PN GSCs中没有。此外，通过药物抑制剂或短发夹RNA (shRNA)介导的基因沉默对ALDH1A3的实验抑制减弱了MES基因特征及其相关表型(例如，体外生长和抗辐射)的增益。综上所述，这些数据表明，临床HGG肿瘤组织中GSCs的亚型可通过其体外和体内行为以及其整体mRNA表达谱进行识别。包括ALDH1A3在内的肿瘤代谢通路的上调不仅区分了MES GSCs与PN GSCs，而且还有助于MES GSCs的持续放射抗性。值得注意的是，ALDH1最近被认为是各种器官中CSC的替代标记物，实验中ALDH1的消除抑制了CSC的生长，并使乳腺中的CSC对化疗增敏。12结肠癌、16和肺35癌症。与这些报道一致，ALDH1A3活性的增加与MES GSCs中的干细胞特性有关。这一观察结果具有临床意义，因为胶质肿瘤的免疫组化显示ALDH1A3比例增加+在临床环境中，细胞与胶质瘤恶性和患者生存率差相关。此外，ALDH1A3的上调也可能是间接监测胶质瘤脂质代谢的潜在生物标志物。癌细胞中激活的细胞代谢(如糖酵解)在导致恶性肿瘤和对HGG治疗反应差方面起着关键作用。32在诊所里，18F-FDG PET通常用于评估肿瘤中葡萄糖消耗和糖酵解的增加。我们发现，催化乙醛转化为乙酸的酶ALDH1A9和ALDH1A3在MES GSCs中显著增加。HGG的检测11最近报道了基于这两种酶活性增加的c -醋酸酯PET。36因此，具有潜在的临床应用价值11C-acetate PET也可用于评估人HGGs亚型，以及肿瘤复发与放射性坏死的鉴别诊断。
含有乙醛脱氢酶基因的糖酵解/糖异生途径(KEGG ID: hsa00010)在MES GSCs中显著富集(p = 0.0001315)。26基因在红色的与PN GSCs相比，MES中表达上调。京都基因和基因组百科全书;三羧酸。美国国家科学院科学院110(21): 8644 - 8649年,2013年。已获授权发布。
两种GSCs亚型的可塑性研究
虽然GBM的转录组亚型的确切数量仍有争议，但PN和MES特征代表了强有力的互斥肿瘤亚型，而其他亚型没有明确划分。34如上所述，在一些(如果不是所有)GBMs中，标准治疗失败后的肿瘤复发伴随着从PN亚型到MES亚型的表型转移。29Lu等人。25在临床前小鼠GBM模型中显示了与使用抗血管生成剂贝伐单抗相关的emt样变化。本研究也证实了贝伐单抗治疗患者中MES标记物GBM标本的升高。就其作用的分子机制而言，致癌受体酪氨酸激酶MET信号的激活诱导了一个让人联想到肿瘤中EMT的程序，并增强了MES特征。毛等人。26描述了这种emt样的表型转移也发生在GSCs中。PN GSCs的放射治疗下调了PN标记，上调了MES标记，提示辐射诱导了GSCs及其子代的emt样表型变化。相比之下，尽管WHO III级胶质瘤与IV级肿瘤相比具有明显的遗传背景(例如，恶性少突胶质瘤的杂合度损失为1p/19q)，但单个GSCs的放射敏感性与肿瘤分级没有显示出任何统计学意义上的相关性。观察到更多的PN GSCs来源于包括少突细胞瘤在内的III级肿瘤，更多的MES GSCs来源于IV级GBMs，进一步支持了MES特征的重要性，特别是在GSCs中(表2)．这种独特现象的分子洞察力值得进一步研究。
当前的限制和未来的方向
目前的研究提出了几个有待进一步调查的悬而未决的问题。在全脑放射治疗失败后复发的GBM肿瘤中建立了PN GSCs。26反过来，PN GBM肿瘤中一小部分表达cd44的细胞显示MES特征，5这表明PN和MES GSCs可以在同一肿瘤中共存。这些数据可能代表了GSCs的瘤间异质性，这就提出了一种可能性，即针对一种GSCs亚型的治疗可能导致另一种亚型的富集，而与GSC的可塑性无关。
PN和MES特征在HGGs中的临床意义还需要进一步深入研究。尽管神经胶质瘤(和其他癌症)中MES特征对受影响患者的侵袭性和较差预后的贡献得到了广泛的认可，但Sturm等人最近的一项研究表明。34报道了一小部分PN GBMs，去除后IDH1-突变样本，预后较差。目前仍有争议的是，哪种亚型的胶质瘤预后更好或更差，对任何给定的治疗都有反应或无反应。
从其他CSC研究中得到的一个教训是，一些刺激(例如，治疗性侮辱)可能会诱导癌细胞可能的去分化能力，否则这些癌细胞就失去了干细胞表型，并已分化为非致瘤细胞。事实上，Pajonk实验室最近的一项研究19证明了电离辐射治疗乳腺癌细胞重新激活干细胞相关基因的表达，如Oct4 (POU5F1)而且SOX2并以Notch信号依赖的方式在非致瘤性乳腺癌细胞中诱导新生CSC特征。一些GBM细胞可能在不同的分子机制中具有类似的潜力。如果这是临床上发生的情况，失去干细胞特性的GBM细胞可能会重新激活诱导干细胞表型的信号，导致肿瘤内细胞层次结构的重建(图3)．针对GSCs和非GSCs的平衡治疗策略是成功治疗GBM所必需的。除了针对GSCs和非GSCs的这些策略外，从一种类型的GSCs向另一种类型的GSCs的转变可能必须同时被阻止(图3)．在HGG肿瘤中很可能没有一个明确的细胞靶点来实现疾病的治愈。相反，必须消除现有的和新生的干细胞特征，或一组特征，为HGGs患者提供希望。
图示显示了细胞层次和克隆进化的结合理论，以解释胶质瘤肿瘤如何建立异质性。根据这一理论，一个肿瘤中存在多个GSCs克隆。在一定的环境下，非干细胞能够获得干细胞的特征，称为“去分化”。此外，细胞应激可诱导一种GSCs向另一种GSCs的转分化。
