急性髓系白血病發病機制的研究進程范文

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摘要：急性髓細胞性白血病(acutemyeloidleukemia,AML)是白血病中最常見的類型。傳統治療以聯合化療為主,而患者完全緩解率和長期無病生存率均較低。隨著研究的深入,發現AML主要的發病機制包括融合基因、信號通路、白血病干細胞(leukemiastemcells,LSCs)以及骨髓微環境的改變等。該文旨在總結目前AML發生、發展機制的研究進展,并探討其未來可能的治療研究方向。

關鍵詞：急性髓系白血病;融合基因;信號通路;白血病干細胞;骨髓微環境

急性髓系白血病(acutemyeloidleukemia,AML)是骨髓中不成熟的髓系造血細胞異常克隆性惡性腫瘤,具有高度異質性。已知AML是發生于血液系統造血干/祖細胞(hematopoieticstemorprogenitorcells,HSPCs)的惡性增殖性疾病,主要由于遺傳變化使髓細胞分化成熟障礙和凋亡受阻,導致其在骨髓中惡性增殖和積聚,從而影響正常的造血功能。目前,AML的病因及發病機制尚未完全闡明,研究AML的發病原因和機制,有助于臨床治療、藥物選擇和預后判斷。本文就近年來AML發生、發展機制的研究作一綜述。

1融合基因

融合基因是由兩個或多個基因的編碼區相連,置于同一套調控序列的控制下而構成的嵌合基因[1]。它可以通過染色體重排產生,也可以由異常轉錄產生。在大量人類腫瘤中證實,融合基因可以驅動腫瘤的發展和惡性轉化[1]。目前常見于臨床的AML融合基因主要有以下幾種。

1.1MLL(KMT2A)-AF9(MLLT3)融合基因

MLL(mixedlineageleukemia)基因位于11q23染色體,在白血病尤其是AML中可發生重排而形成融合基因,且種類和數目眾多,約占AML相關融合基因的3/5[2]。MLL常見的融合伴侶為AF4、AF9和ENL,而MLL-AF9融合最為多見,占所有AML患者的2%~5%[3]。t(9;11)(p22;q23)形成的MLL-AF9融合基因可見于86%的M5型AML中[4]。表達該類型融合基因的AML除表現出11q23染色體異常外,發病時多伴高白細胞、多器官浸潤、常規化療難以緩解、緩解后極易復發、生存期短等臨床表現,因此,MLL-AF9融合基因目前多被認為是提示預后不良的獨立因素[2]。利用MLL-AF9的逆轉錄病毒感染小鼠骨髓c-Kit+細胞,并移植到小鼠體內建立MLL-AF9的AML白血病模型,可為后續MLL白血病的信號通路和治療靶點的研究奠定基礎[5]。此外,在MLL-AF9重排中,Evi1(ecotropicviralintegrationsite1)的高表達對LSCs的維持是必要的,也是預后不良的指標[6],且其在造血干細胞(hematopoieticstemcells,HSCs)和LSCs中表達的差異性是針對MLL-AF9白血病治療的潛在靶標之一。

1.2PML-RARα融合基因

PML-RARα(promyelocyticleukemia/retinoicacidreceptoralpha)融合基因通過t(15;17)(q22;q22)染色體易位后形成,該融合基因位于費城染色體(Ph)上。PML-RARα的表達可干擾RARα在核內的分布和對細胞分化的調控,使大量細胞阻滯在早幼細胞階段,約95%的急性早幼粒細胞白血病(acutepromyelocyticleukemia,APL)具有PML-RARα融合基因,該基因可成為APL的特異性分子標志[7]。具有此融合基因的異常造血細胞在存活能力和增殖能力方面較正常造血細胞具有更大的優勢,不同基因異構體分型的預后有明顯不同,短型患者緩解前的病死率及緩解后的復發率均高于長型。此外,APL初診組和復發組的融合蛋白水平高于緩解組,因此,PML-RARα融合基因可用于APL的療效觀察、預后判斷及監測復發[8]。目前,大多數APL患者對全反式維甲酸(ATRA)較為敏感,ATRA可將未成熟的白血病早幼粒細胞分化為成熟的粒細胞,是目前較為理想的化療藥物[9]。

1.3AML1(RUNX1)-ETO(RUNX1T1)融合基因

AML1-ETO(acutemyeloblasticleukemia1-Eighttwenty-one)融合基因由t(8;21)(q22;q22)染色體易位形成,見于大約15%的AML患者中,多發生于M2型白血病中[10]。由AML1-ETO表達生成的融合蛋白是一種轉錄抑制因子,可抑制正常AML1蛋白質介導的功能,改變造血祖細胞自我更新及成熟過程,同時也產生啟動異常造血細胞增殖的信號,引起白血病細胞的生長[11]。AML1-ETO可通過直接結合和介導c-Kit(c-kitproto-oncogeneprotein)的啟動子和內含子增強子區域之間的遠程相互作用來反式激活c-Kit的表達;基因表達分析證實,在t(8;21)AML中c-Kit的表達顯著增高,且通過ChIP-3C-qPCR分析證實,AML1-ETO還可通過介導c-Kit啟動子和內含子增強子區域之間遠程相互作用形成DNA循環[12]。另有研究表明,AML-M2型AML1-ETO患者中GATA-2基因表達量高,其高表達與疾病復發風險高、預后差緊密相關[13]。因此,具有AML1-ETO融合基因且GATA-2高表達的AML-M2患者需要借助于其他治療,如地西他濱結合CAG[阿糖胞苷(Ara-c)+阿克拉霉素(ACR)+粒細胞集落刺激因子(G-CSF)]等的聯合化療方案。

1.4其他融合基因

除上述幾種融合基因外,近年來尚有許多新的融合基因型不斷被發現,如NUP98-NSD1、ETV6-LYN、CBFB-MYH11、AML1/MTG8、SET-CAN、TEL-PDGFR、TLS-ERG、MLL-ELL、MLL-AF6(MLLT4)、FUS(TLS)-ERG和NUP98-HOXA9等[14-18],均成為白血病診斷、預后及微小殘留病(minimalresidualdisease,MRD)診斷的重要生物學標志分子。此外,一些正常核型AML發生的功能性基因突變,如FLT3-ITD、c-KIT、MLL-PTD、NPM1等[19-22]分子特征的發現,也為患者個體化治療提供了豐富的分子靶點。

2異常信號轉導通路

2.1Wnt/β-Catenin信號通路

Wnt/β-catenin信號通路是一條在生物進化中極為保守的通路。在正常的體細胞中,β-catenin只是作為一種細胞骨架蛋白在胞膜處與上皮–鈣黏蛋白(E-cadherin)形成復合體,對維持同型細胞的黏附、防止細胞的移動發揮作用[23]。研究表明,Wnt信號在造血系統中發揮重要作用,β-catenin作為Wnt通路中重要的“調節子”,在HSCs的自我更新過程中具有重要作用[23]。將β-catenin在骨髓HSCs中過表達后,發現HSCs能在長達8周的時間內群體倍增100多倍,且約有30%細胞保持其干細胞特征,以上結果表明,β-catenin具有維持HSCs特性的能力[24]。鑒于Wnt/β-catenin通路對HSCs自我更新的重要性,Wnt/β-catenin通路的失控可能是AMLLSCs發生的一個潛在機制。研究表明,Wnt信號通路中各個組成部分及其調節因子的失調和異常可導致HSCs的不適當擴增和其分化子代的增殖,進而導致白血病的形成[23]。有研究發現,新型化合物SKLB-677具有阻斷Wnt/β-Catenin信號轉導的能力,該化合物在體內外均顯示出良好的抑制AML的效果。

2.2PI3-K/Akt/mTOR信號通路

PI3-K/Akt/mTOR信號通路作為調節細胞周期和細胞凋亡的眾多機制之一,在多種細胞生命過程中起著關鍵的作用,在HSCs中同樣也扮演著重要的角色。通路中的一個組件失調則可引起腫瘤的發生[25]。PI3-K/Akt/mTOR(phosphatidylinositol-3-kinase/Akt/mammaliantargetofrapamycin)信號通路的異常激活與白血病細胞的增殖、存活和耐凋亡有關。有研究報道,50%~70%的AML患者表現出PI3-K/Akt的活化,PI3-K/Akt信號通路的激活與LSCs的凋亡缺失密切相關,而LSCs的凋亡缺失是LSCs耐藥的根本原因之一[26]。因此,靶向阻斷異常激活的PI3-K/Akt信號通路,可能成為清除LSCs、逆轉LSCs耐藥和治愈白血病的關鍵。由于以PI3-K/Akt為中心連接的上下游基因或者負性調節基因等都能使PI3-K/Akt信號通路異常激活產生癌變并抵抗常規治療,因此,針對這一生物學特性制定聯合化療可能有效清除LSCs[27]。

2.3NF-κB信號通路核轉錄因子

-κB(nuclearfactor-kappaB,NF-κB)是一類具有多向轉錄調節作用的核蛋白因子,廣泛存在于多種組織細胞中,主要調節細胞生存、增殖和分化等相關基因的表達[28]。NF-κB信號的失調可導致炎癥反應和腫瘤等疾病的發生[28]。研究表明,NF-κB信號在多種白血病細胞中,特別是LSCs中可被持續活化,因此,抑制NF-κB的激活可緩解對正常HSCs的抑制,使正常HSCs進入細胞周期[29]。研究表明,內源性腫瘤壞死因子-α(tumornecrosisfactor-α,TNF-α)作為一種促炎細胞因子,是腫瘤中NF-κB活性升高的原因[30]。在AML亞型M3、M4和M5細胞中均可產生TNF[31]。在TNF刺激下可促進HSPCs壞死和凋亡,但導致AMLLSCs的增加。臨床研究發現,通過阻斷TNF-JNK-AP1信號通路,可以顯著提高LSCs對NF-κB抑制劑的敏感性,TNF-JNK-AP1和NF-κB信號的共同抑制可為表達TNF的AML患者提供更有效的治療[31]。

2.4JAK/STAT信號通路

Janus蛋白酪氨酸激酶(Janusproteintyrosinekinase,JAK)/信號轉導和轉錄活化蛋白(signaltransducerandactivatoroftranscription,STAT)信號通路在細胞生長、分化、免疫功能和造血等多種生理過程中起重要作用[32-33]。近年來,越來越多的研究報道發現,JAK/STAT信號通路在多種腫瘤中被異常激活。JAK/STAT信號在AML干/祖細胞中表達增強,尤其是高危AML。JAK/STAT活性的增強與AMLLSCs中包括受體酪氨酸激酶c-KIT和Fms樣酪氨酸激酶3(Fms-liketyrosinekinase,FLT3)在內的生長因子受體表達的增加和信號改變有關。c-KIT和FLT3的表達下調可顯著抑制JAK/STAT信號傳導,并且JAK抑制劑能有效抑制FLT3突變AMLLSCs。小分子抑制劑或RNAi形成的JAK2抑制,可限制AMLLSCs的生長,而保留正常的HSCs。因此,JAK/STAT信號是支持AMLLSCs生長和存活的重要機制[34]。JAK/STAT信號通路的持續激活為靶向JAK/STAT通路治療提供了理論依據。研究發現,伊馬替尼除了特異性抑制Bcr/Abl激酶活性外,還可間接抑制STAT通路;FLT3抑制劑可下調JAK/STAT通路的激活;JAK3抑制劑WHI-P131/JANEX-1和JAK2抑制劑AG490也可抑制白血病細胞增殖、促進凋亡而不影響HSCs[35]。此外,JAK2抑制劑Ruxolitinib在被FDA和EMA批準用于骨髓纖維化治療的同時,正被用于治療復發/難治AML患者的臨床試驗階段[36]。此外,細胞因子受體的單抗及拮抗劑和RNAi技術也是靶向JAK/STAT通路治療的策略[37-38]。

3LSCs表面標志物

AML細胞群是由不同分化階段的白血病細胞組成,其中最原始的細胞為LSCs。雖然LSCs所占比例極少,但其具有維持白血病細胞克隆的作用。LSCs與正常HSCs相比有許多相似之處,不僅具有自我更新能力和有限的分化潛能,同時又具有其自身獨特的特征。由于LSCs大多處于G0期,對常規化療藥物具有耐藥性,因此,LSCs的存在是白血病復發的根源[39]。研究表明,LSCs表面獨特的分子標志物,對于白血病早期診斷、微小殘留細胞的檢測以及靶向性治療具有重要意義[40]。表1總結了目前LSCs的表面標志物。在以上LSCs表面標志物中,目前研究較多的是關于細胞表面標志物CD123的特異性抗體試劑及結合嵌合抗原受體(chimericantigenreceptor,CAR)的T細胞技術治療[41]。現已研發出幾種靶向CD123的單克隆抗體類藥物如7G3、MGD006、SCL362和SL-401等正在進行臨床前及臨床試驗。此外,關于靶向CD123的CAR-T治療也已完成臨床前研究并顯示出顯著的抗瘤效應,并處于I期臨床試驗階段[42]。CAR-T細胞通過基因轉導使T淋巴細胞表達特定的抗原受體,通過該受體特異性識別靶抗原,進而達到T細胞殺傷靶細胞的目的[43]。隨著CAR-T技術的發展并在B細胞腫瘤中取得顯著療效,人們把目光投入到更多的實體瘤與其他血液腫瘤的治療中。細胞表面標志物CD47在AML患者的LSCs中高表達。CD47與巨噬細胞表面的信號調節蛋白α結合產生抑制性信號,從而通過降低吞噬細胞的活性降低機體固有免疫系統對白血病細胞的清除作用[44]。已發現CD47的單克隆抗體B6H12.2和BRIC126可增強巨噬細胞對LSCs的吞噬,但對HSCs無明顯影響[45],該特異性為AML的靶向治療提供了新靶點。

4白血病微環境

Schofield于2008年首次提出HSCs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[46-47],并提出HSCs微環境的概念。正常造血過程需要HSCs和微環境之間復雜的相互作用,一旦微環境的性質和功能發生改變,將會影響HSCs的性狀和功能。骨髓造血微環境不僅是正常造血細胞發育的微環境,也是LSCs賴以生存的基礎,對LSCs的生存和耐藥具有重要影響。

4.1歸巢到骨髓微環境

趨化因子受體CXCR4可介導骨髓微環境中的細胞錨定,并且在25%~30%的AML患者中過表達。CXCR4與CXCL12相互作用構成了一個與細胞間信息傳遞、細胞遷移密切相關的偶聯分子對,是實現其生物學功能的基礎[48]。研究證實,CXCL12還可促進CXCR4高表達的AML細胞與基質細胞的黏附和遷移,并通過激活PI3-K通路加強這一作用[49]。Colmone等[50]發現,白血病細胞通過CXCL12/CXCR4信號通路改變正常骨髓造血微環境,使其正常的造血功能被擾亂,“劫持”了歸巢的HSCs。目前,針對CXCL12/CXCR4的靶向治療的研究主要集中在抑制白血病細胞向骨髓微環境的黏附與遷移上,從而降低微環境對白血病細胞的保護作用。現已證明,CXCR4的單抗T134和CXCR4抑制劑AMD3100、AMD3465均可促進AML細胞的分化和增殖抑制[51-52]。因此,針對CXCR4的研究可能為體內殘留白血病細胞的清除提供新的治療策略。

4.2黏附到骨髓

研究表明,LSCs對骨髓微環境的黏附保護其免受化學療法或激酶抑制劑的損傷,整合蛋白通過與選擇素的相互作用鏈接到跨膜糖蛋白CD44上[53]。CD44作為促進白血病進展和化療耐藥的因素之一,可調節microRNA表達、啟動子甲基化狀態和基因表達,并誘導白血病細胞重編程以表現出更多的LSCs表型[54]。Jin等[55]證明,抗CD44的H90抗體可顯著減少人AML細胞在NOD/SCID鼠中的重建,且連續移植實驗進一步證明LSCs可直接被靶向。目前已將CD44確定為LSCs的關鍵調控分子。另有最新研究表明,AMLblast細胞的外泌體(exosome)可改變骨髓微環境,進而促進白血病細胞的生長并阻斷體內骨代謝發育和骨形成。通過靶向參與外泌體釋放的調節劑Rab27a可影響AML細胞中的外泌體分泌,顯著延遲白血病的發展。在骨髓基質細胞中,AML外泌體可誘導DKK1蛋白的表達,從而導致成骨細胞的損失。此外,AML外泌體在骨髓基質細胞中誘導HSCs支持因子(如CXCL12、KITL和IGF1)的廣泛下調,并降低其支持正常造血的能力[56]。以上研究揭示,AML細胞可通過外泌體分泌抑制正常造血作用,從而形成有利于LSCs增殖和生存的微環境。LSCs與微環境相互作用對其干性的維持為清除LSCs提供了治療策略,并有望被應用于其他類型的癌癥。

4.3缺氧/HIF-1α信號

研究發現,白血病的生成發生在骨髓低氧的條件下[57]。已有研究表明,降低人AML細胞對低氧相關的缺氧誘導因子-1α(hypoxia-induciblefactor-1α,HIF-1α)或缺氧誘導因子-2α(HIF-2α)的應答可引起細胞凋亡和異常定植,提示HIF-1α或HIF-2α可作為治療AML的靶標[58]。微血管是骨髓微環境的有效成分,可提供適當的氧氣和營養物質。缺氧/HIF-1α的應答可促進血管內皮生長因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)的產生和血管生成,VEGF可激活內皮細胞上的受體,在白血病細胞的生長中起重要作用[59]。咖啡酸苯乙酯(caffeicacidphenethylester,CAPE),是蜂膠中的主要有效成分,具有抗氧化、抗病毒、抗菌、消炎及提高免疫力等多種藥理活性,其中抗腫瘤活性最為顯著,是當前新藥研發的熱點化合物[60]。CAPE可誘導HIF-1α的產生,并促進HSPCs的歸巢和植入,這種作用主要依賴于HIF-1α的活化和骨髓微環境中CXCL12和VEGF表達的上調。HIF-1α抑制劑PX-478可降低腫瘤異種移植物中缺氧介導的VEGF表達,發揮抗腫瘤活性[61]。另有研究發現,缺氧可上調AML細胞中CXCR4的表達[62],同時,HIF-1α可調節內皮細胞中的CXCL12的表達,從而促進CXCR4陽性白血病細胞的遷移和歸巢[63]。

5結語

據統計,我國目前至少有400萬白血病患者,每年約有4萬新增患者。我國已將白血病列入重點防治的十大惡性腫瘤之一。其中,AML是最常見的白血病類型,約占小兒白血病的30%和成人急性白血病的80%,嚴重威脅人類健康。該病具有發病快、病情發展迅速、控制難、易復發、預后差和發病率隨著年齡的增加而上升等特征。隨著細胞遺傳學、免疫分型、分子遺傳學以及最近開展的基因表達譜分析等領域的進展,近年來的研究對于AML發病機制的理解已經有了顯著的進步,AML發病的許多異常分子逐漸明晰,因此,對于AML的本質認識越來越深刻。了解AML的分子機制對于設計針對病變分子的治療藥物,從而達到治愈AML的目的有著重要的作用。目前,根據不同發病機制研究出許多藥物,并逐漸應用于臨床。盡管眾多學者對白血病的研究日益深入,但是完全治愈白血病仍然很困難,不少謎團尚待破解。因此,針對AML發生發展機制方面的研究須不斷深入進行,在此基礎上的靶向治療也必將為攻克該類白血病奠定堅實的基礎。

作者：林凡琳；潘慧；劉勝先；陳晨；王黎；崔昌浩 單位：大連理工大學盤錦校區生命與醫藥學院