腫瘤研究，從認識腫瘤細胞開始
腫瘤細胞是我們經常接觸的研究對象，但是關于它的很多基礎知識你不一定全都知曉，本期就為大家揭秘這些癌變細胞的基本特征，及我們實驗中的腫瘤細胞的那些事兒。
第一部分：腫瘤細胞基本知識
定義：人體內由于細胞分裂失控從而無限增殖的細胞被稱為腫瘤細胞，具有轉移能力的腫瘤被稱為惡性腫瘤，又稱為癌（Cancer）。Cancer源于希臘字母螃蟹Caricinos，對應英文就是Cancer螃蟹，因為腫瘤細胞中伸出多條大血管，看著就像螃蟹的腿一樣，張牙舞爪。
腫瘤細胞形態（圖片來自網絡）
腫瘤細胞的來源
腫瘤是一種基因疾病，腫瘤的發生源于體細胞基因突變逐漸積累的結果。如結腸癌的發生發展過程中伴隨著一系列相關基因的突變，如APC、K-ras和p53基因等。大多數腫瘤的癌變基因有一定的相似性，如下表為常見的突變癌基因和抑癌基因。
常見癌基因（導致細胞惡性轉化的基因）：
抑癌基因（抑制細胞生長并能潛在抑制癌變的基因）：
腫瘤細胞十大特征
腫瘤細胞是一群可怕的細胞，與人體正常細胞相比，有著強大的生命力，如無限增殖和逃離衰老的命運等。Hanahan和Weinberg先后10年在《細胞》雜志上總結了控制癌細胞即惡性腫瘤細胞生長的幾大特征[1]，如下圖：
腫瘤細胞的特征[1]
腫瘤細胞賦予這些特征后，就具備了無限增殖的能力，并且部分有了遷移的能力，不斷入侵人體正常組織，最后導致人體器官衰竭至死亡。
然而腫瘤細胞并非一種細胞，它是一個大團伙！
腫瘤具有高度異質性，即使同一種惡性腫瘤也是由不同類型的腫瘤細胞組成。
具體來講同一種腫瘤在不同患者之間的其癌細胞組成是不一樣的；并且同一腫瘤患者體內的癌細胞也不是均一的，而是多種。如下圖所示：
腫瘤細胞具有高度異質性（圖片來自網絡）
這種不一樣主要體現在基因突變的種類和類型、基因的表觀遺傳學修飾、蛋白表達水平等。
如乳腺癌異質性體現在分子表達情況不同，主要根據ER（雌激素受體）、PR（孕激素受體）和HER-2（人類表皮生長因子受體2）陽性或陰性，可分為4大類，而每一類又分為多種細胞[2]。如下表所示：
因此，由于腫瘤的高度異質性，很難達到根治腫瘤的目的。
考慮到動物實驗的要求和高成本，細胞實驗顯得必不可少。自1985年之后以NCI為首的一些研究單位普遍開始放棄體內小鼠篩選，代之為體外的人類各種常見實體瘤腫瘤細胞株篩選[3]。因此，腫瘤細胞作為一種高通量的抗腫瘤篩選體系，成為不可或缺的研究工具，下面我們就一起看看實驗室的腫瘤細胞的來龍去脈吧。
第二部分：實驗研究中的腫瘤細胞
為了在體外更好地研究腫瘤，自人類第一次成功從名為Hela的癌癥患者身上分離出Hela細胞，并在體外培養成功過后，這66年以來已被廣泛應用于腫瘤研究，成為醫學研究中十分重要的工具。自此，越來越多的腫瘤細胞開始在體外建立，并廣泛用于實驗研究。
體外的腫瘤細胞定義：一種人工培養，具有無限增殖能力的細胞。
在實驗研究主要分為：腫瘤原代細胞、腫瘤細胞系或細胞株。
1. 實驗中常用腫瘤細胞的分類
①腫瘤原代細胞：是指直接從機體取出的組織(如人、小鼠或大鼠等組織)獲得單個細胞并在體外進行培養的細胞，稱為原代細胞。一般認為，培養的原代的第1和傳代到第10代以內的細胞統稱為原代細胞培養。
來源：主要從組織或外周血里提取，來源于手術或活檢瘤組織。
優勢：原代細胞更加接近患者組織特性，可以更好實現精準醫療的腫瘤診治模式。例如將基因篩選與體外腫瘤模型分析相合，可以更大程度上的篩選出對病人個體有效的化療藥物，從而最終實現對患者進行個體化精準用藥的目的。
缺點：但是分離比較困難，操作麻煩。
②腫瘤細胞系/株：細胞系是指原代細胞經首次傳代成功后的細胞，泛指一般可能傳代的細胞。
細胞株：細胞系具有相同或不同表型的幾個細胞譜系，如果用克隆培養或其他選擇技術分離選擇了一種細胞譜系，證明其中細胞具有某些特殊性質或標志物的細胞。
腫瘤細胞系或株：是現有細胞系中最多的一類，多由癌瘤建成，體外培養穩定，常已傳幾十代或百代以上，并具有不死性和異體接種致瘤性。
來源：從病人或者動物腫瘤組織分離，后續通過人工誘導建系；
應用：廣泛用于細胞生物學、分子生物學、腫瘤學等各項研究；
優勢：成分均一、可人為控制研究條件。
缺點：培養過程中會產生基因突變，丟失原有生物學特性，對藥物處理做出的反應差距越來越大。如已服務于全球癌癥研究界20多年的NCI-60，經過世界各地的研究人員25年多的大量實驗，NCI-60的培養經過數千代，這些細胞已經適應了生活在塑料培養皿內，它們的基因組成和行為方式在發生著變化。為此，NCI-60也發文將其從藥物篩選程序中“退休”。
2. 這些腫瘤細胞可用于哪些研究？
腫瘤細胞是研究癌變機理、抗癌藥篩選檢測和藥物作用機理等極其重要的工具。
①癌變機理研究：如研究蛋白表達情況與腫瘤的關系，在結腸癌干細胞中敲低BMI-1蛋白，并給予不同細胞量荷瘤，發現腫瘤的發生頻率減少，進一步推測BMI-1 在腫瘤中的作用[4]。
腫瘤細胞可用于結腸癌變機理研究[4]
②抗癌藥篩選檢測：如20世紀80年代末，NCI建立了60個人類腫瘤細胞系用于抗癌藥物研發，篩選過超過100000種物質。一般可以通過細胞上的體外結果，將其進一步應用到動物體內研究。如下圖，首先在細胞水平研究發現AIL的抗前列腺癌效果，進一步在動物水平研究保持一致結果。
前列腺癌研究中細胞水平結果和動物水平一致[5]
3. 實驗研究中的腫瘤細胞從哪來？
一般腫瘤研究中的細胞，通過商業途徑購買，比較權威的細胞庫有：
①美國菌種保藏中心（American Type Culture Collection, ATCC），ATCC是一個世界性的生物制品中心，成立于1925年，作為一個國際性非贏利生物資源中心，提供超過150種不同物種的4000多種細胞株，包括950多種癌癥細胞株。
②權威細胞庫還有德國微生物菌種保藏中心(DSMZ)，歐洲標準細胞收藏中心(ECACC)，中國科學院細胞庫等。
③除通過購買途徑獲得細胞，還可和擁有細胞的學者進行細胞交換或者請求文章作者饋贈。
4. STR鑒定
新買的細胞，性質是否正確，或者是否和其他細胞發生交叉污染，是一個很重要的問題。如Plos One發表文章指出有3萬余篇的研究論文因細胞系的錯認而紛紛陣亡，國外實驗室有20%左右的細胞株被錯誤辨識和交叉污染而導致研究結論錯誤、結果不可重復、臨床細胞治療災難性后果。
近年來，NIH、ATCC、Nature和Science等雜志就對此現象多次發出呼吁，要求研究者對細胞進行鑒定。因此對細胞系的鑒定非常必要。
近年來，大量研究表明STR 基因分型方法是進行細胞交叉污染和性質鑒定的最有效和準確的方法之一，STR基因分型應用于細胞鑒定已被ATCC等機構強烈推薦。美國的ATCC細胞庫、德國的DSMZ細胞庫等已為STR分型提供了各細胞株的數據供比對。
本期關于腫瘤細胞的介紹就到這里了，希望大家能夠更加全面的認識到我們實驗研究中的細胞。接下來我們會繼續以實驗技巧為主，為大家講述那些在腫瘤細胞上的實驗。
參考文獻：
[1] Hanahan, D. & Weinberg, R.A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell 144, 646-674 (2011).
[2] Shoemaker R H. The NCI60 human tumour cell line anticancer drug screen.[J]. Nature Reviews Cancer, 2006, 6(10): 813-823.
[3] Antoinette Hollestelle, et al. Distinct gene mutation profiles among luminal-type and basal-type breast cancer cell lines. Breast Cancer Res Treat 121:53–64 (2010).
[4] Antonija Kreso, et al. Self-renewal as a therapeutic target in human colorectal cancer. Nature Medicine (2014).
[5] He Y, Peng S, Wang J, et al. Ailanthone targets p23 to overcome MDV3100 resistance in castration-resistant prostate cancer[J].Nature Communications, 2016, 7: 13122.
