5氟尿嘧啶上调干细胞标记物CD133在结肠癌细胞中的表达
随着中国生活水平的提高，结直肠癌的发病率不断上升。在美国，结直肠癌所致的死亡位于癌症所致死亡的第二位[1]。 新药研发改善了转移性结直肠癌患者的总体生存，然而，对于大多数晚期患者而言，治疗依然是姑息性的[2]。最近的证据表明，结肠癌由一组异质性的细胞组成，这些细胞的致肿瘤形成的能力不同。肿瘤起始细胞亦称肿瘤干细胞（Cancer Stem Cell，CSC）定义为能启动并形成肿瘤的细胞，而且这些细胞能通过其表面的标记物被识别，CD133就是其中的标记物[3]。 CD133（Prominin-1）是5跨膜蛋白家族的首个成员，含865个氨基酸，有胞外N端，胞内C端，两个大的胞外环含8个糖基化的位点。尽管CD133 已经用于分离各种肿瘤的干细胞（包括结肠癌），其功能还不得而知[4]。
5氟尿嘧啶（5-Fluorouracil，5-FU）是消化系统肿瘤的基础用药，尤其是结直肠癌，所有的化疗方案都含氟尿嘧啶类药物，即使在疾病发展较缓慢，或者存在严重的合并症而使用单药治疗的患者，也必定使用5-FU，而不是其他有效的细胞毒药物如奥沙利铂或者伊立替康。根据肿瘤干细胞的理论，常规的细胞毒药物只能杀灭快速增长的细胞，而CSC对细胞毒药物耐药， 从而导致肿瘤的复发及转移。那么，传统的化疗药物如5-FU到底对结肠癌干细胞有怎么样的影响？本文拟通过5-FU对结肠癌干细胞标记物CD133的作用探讨5-FU对结肠癌干细胞的影响，同时论证肿瘤干细胞的理论应用于在结肠癌细胞株中。
材料及方法
1 试剂
5-FU购于Sigma公司，将其溶于双蒸的水中制成100g/ml浓度的储存溶液，置于-20oC 的冰箱中备用，根据需要稀释成不同浓度的实验溶液。
2 细胞培养
6个结肠癌细胞株DLD1、HT29、HCT116、SW480、Lovo、RKO（由华盛顿大学干细胞中心Moon教授的实验室提供）培养于含100u/ml的青霉素和链霉素的10% DMEM中（Invitrogen），置于5% CO2的培养箱中在370c下培养，用于实验的细胞最多传代10次。
3 细胞活性测定及计数
新型四唑氮盐方法（MTS）通过线粒体功能测定细胞活性，试剂盒为CellTiter Aqueous Assay Kit (Promega)。细胞以3,000 cells/well/100µl的浓度种于96孔板的培养皿，限制性稀释的方法将5-FU加入各个孔中，形成倍增的浓度梯度。48h后，加入20µLMTS，370c孵育1-4h，然后在ELISA机器490nm下读数，以空白对照为参照，计算出细胞活性的百分比。所有试验设平行三组，独立重复三次。
4 流式细胞仪分析（Fluorescence Activated Cell Analysis, FACS）
单个细胞混悬液与anti-CD133/2 (293C3-PE, Miltenyi)10：1 或者异构体对照 (mouse IgG2b -PE)10：1混合40C下染色30分钟，PBS洗脱后加入7AAD(BD Biosciences)以排除死细胞对结果的影响，上流式细胞仪(FACS Canto II,BD Biosciences)检测CD133阳性细胞的比例，所有试验设平行三组，独立重复三次。
5 磁珠细胞分离（Magnetic Activated Cell Separation, MACS）
单个混悬的细胞与anti-CD133/1磁珠微粒40C下混合(AC133, mouse IgG1, cell isolation kit, Miltenyi)30分钟，洗脱后通过磁柱，阳性细胞被吸附，而阴性细胞直接流过柱子，然后将阳性的细胞洗出。磁性分离后，台盼兰染色评估细胞活性，分离后的细胞以流式细胞仪检测阳性细胞和阴性细胞的纯度。细胞与anti-CD133/2 (293C3-PE, Miltenyi) 或者异构体对照 (mouse IgG2b -PE)混合染色30分钟，洗脱后加入7AAD(BD Biosciences)以排除死细胞对结果的影响，上流式细胞仪(FACS Canto II,BD Biosciences)检测CD133阳性细胞的比例，所有试验设三组并独立重复三次。
6 细胞克隆形成实验
MACS方法将DLD1细胞分为DLD1CD133+和DLD1CD133-两群细胞后，限制性稀释的方法将细胞稀释成1个/孔的浓度种植于96孔板，各3板，每3d更换培养液，10d后在显微镜下计算克隆形成的数量。
7 实时定量PCR（qPCR）
Qiagen试剂盒提取总RNA，Invitrogen逆转录酶逆转录成cDNA。与Taqman探针混合后在ABI PRISM 7300HT的机器(Applied Biosystems)进行PCR反应，引物为Hs01009257_m1 prominin1, 或者内源性对照4333762T ACTB(Applied Biosystems)。反应条件为：95℃10min，然后50×15s 95℃，60℃ 1min。相对定量通过比较Ct。数据处理和统计使用软件ABI PRISM SDS version 2.1 (Applied Biosystems)。所有试验设三组并独立重复三次。
8 统计分析
t检验比较两组间的差别。当P值小于0.05被认为是有统计学差异，数据以平均值±标准差( ±S)的方式显示。
结果
1 CD133在各个细胞株中的表达情况
FACS的方法检测结肠癌细胞株DLD1、HT29、SW480、HCT116、Lovo、RKO中CD133的表达情况，如图1所示，其表达率分别为30.2%、82%、0.34%、91.8%、85.3%、0.28%。其中只有DLD1细胞中有两个明显分开的细胞群分别为DLD1CD133+和DLD1CD133-，HT29中几乎所有的细胞都表达CD133，因此，以下的实验选取DLD1和HT29为主要研究对象。
5-FU剂量依赖性抑制结肠癌细胞生长：为了最佳的选用体外使用5-FU浓度，我们以MTS方法测定梯度5-FU浓度对HT29、DLD1细胞增殖的影响。细胞活性的测定在48h后，如图2所示，5-FU对HT29和DLD1的抑制都成剂量依赖性，IC50约为10µg/ml。
2 CD133阳性的细胞克隆生长能力较CD133阴性的细胞强
DLD1细胞明显有CD133阳性和CD133阴性，阳性的细胞比例为30.87%±2.51%，如图2A所示。通过MACS方法分离后阳性细胞群中CD133阳性细胞比例为87.21%±5.33%, 而阴性细胞群中阴性细胞的比例为84.3%±4.65%（图3A），DLD1细胞分为DLD1CD133+和DLD1CD133-两群细胞后，限制性稀释的方法将未分离和分离后的三群细胞以1个/孔的浓度种植于96孔板，各3板，10天后在显微镜下计算克隆形成的数量，结果显示DLD1、DLDCD133+和DLDCD133-细胞形成的克隆数分别为：39.67%±5.62%、46.33%±4.44%、31%±2%，DLDCD133+和DLDCD133-细胞之间的克隆形成能力比较有统计学差异，P=0.04，如图3B所示。两群细胞形成的克隆如图3C、3D所示。
3 CD133阳性的细胞对5-FU敏感性下降
MACS方法分离DLD1细胞后，DLD1、DLDCD133+和DLDCD133-细胞被不同浓度的5-FU处理，浓度梯度为0 µg/ml、6.25 µg/ml、12.5 µg/ml、25 µg/ml、50 µg/ml、100 µg/ml，48h后MTS方法测定三群细胞的活性，结果显示三条曲线基本平行，未分离的DLD1细胞位于中间，DLD1CD133+细胞的曲线在其他两条曲线的上方，与DLD1CD133-细胞相比，对5-FU的敏感性显著下降20%，P <0.01,图4。
4 5-FU上调结肠癌细胞中CD133mRNA水平
两组浓度的5-FU 1µg/ml、5-FU 10µg/ml处理HT29和DLD1，48h后RT-PCR的方法检测药物处理后CD133mRNA水平的变化，未处理的DLD1mRNA水平相对量为1，5-FU 1µg/ml 处理后DLD1细胞mRNA水平从1分别变为1.684±0.012(p=0.001), HT29细胞从30.702±0.28分别变为49.379±0.46(p=0.002)。5-FU 10µg/ml处理后DLD1和HT29细胞CD133mRNA水平分别变为0.877±0.010(p=0.43)，40.318±0.38(p=0.07)。5-FU 1µg/ml的浓度能显著增加CD133mRNA在两种细胞株中表达，且与处理前相比有统计学差异。
讨 论
尽管治疗策略不断发展，综合应用目前所有对转移性结直肠癌有效的药物，晚期结直肠癌患者的平均生存期只有20-24个月，其治疗依然只是姑息性的［2］。
因此进一步探讨结直肠癌的发生学理论，靶向某些对肿瘤生长起决定性作用的细胞群是关键。肿瘤干细胞的理论认为，肿瘤起始细胞对传统的细胞毒药物耐药，对放疗不敏感，在传统治疗中存活从而导致了肿瘤的复发和转移。根据肿瘤干细胞理论的模型，未来发展方向将是研发针对这些对治疗不敏感的肿瘤干细胞的药物，可能为治愈肿瘤带来新的希望。
多种不同类型的细胞中，CD133是成人干细胞表面膜的标记物，其表达意味着细胞干性的保持[4]。从外周血中分离的CD133阳性的细胞能用于骨髓移植，CD133阳性的细胞能分化成肌肉细胞和心肌细胞等等[7]。肾脏分离出来的CD133阳性的细胞在体内外有自我更新的能力，可通过向肾脏上皮和内皮细胞分化而再生肾脏[8]。最近，CD133被认为是多种肿瘤干细胞的标记物，包括结肠癌、前列腺癌、胰腺癌、肝癌和脑恶性胶质瘤中[7]。尽管其蛋白功能还不太明确，由于是一个肿瘤干细胞的标记物，用于分离肿瘤干细胞能有助于寻找靶向治疗肿瘤干细胞的靶点。
Bao等从恶性胶质瘤细胞中分离了CD133阳性的肿瘤干细胞，发现这些细胞对离子型的放疗不敏感，可能是由于DNA修复功能强[9]。Woodward等也发现乳腺癌的干细胞对放疗不敏感[10]，Todaro等发现CD133阳性的细胞对5-FU和奥沙利铂的敏感性下降[11]。本研究将结肠癌细胞株DLD1中的两群细胞通过MACS的方法分离，发现CD133阳性的细胞在克隆形成能力方面较CD133阴性的细胞强，说明CD133阳性的细胞体外自我更新的能力比阴性的细胞强；通过MTS方法发现阳性细胞对5-FU的敏感性下降，也与干细胞对传统化疗药物耐药的假设；并且5-FU导致干性标记物CD133mRNA水平的表达上调，与肿瘤干细胞的假设相符，即传统的细胞药物杀灭快速分裂的细胞（CD133阴性细胞），而无法杀灭肿瘤干细胞，那么在细胞毒药物处理细胞后，肿瘤干细胞（CD133阳性）所占的比例将上调，表现为其标记物表达的上调，说明5-FU能富集CD133高表达的结肠癌干细胞，能为将来靶向治疗干细胞提供一种富集的方法。
本研究通过探讨从肠癌细胞中分离CD133阳性的细胞群，并证实阳性细胞自我更新能力强，对传统化疗药物不敏感，证明了肿瘤干细胞的理论在结肠癌细胞株中应用。5-FU能富集结肠癌肿瘤干细胞群。针对肿瘤干细胞的治疗将给治疗晚期癌症的患者带来新的希望。
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