肿瘤细胞生物学 Tumor cell biology 食管癌/基础肿瘤学教研室 肿瘤细胞生物学 Tumor cell biology

怎 么 样 学？ 熟悉细胞生物学知识 参考教材： 细胞生物学（第二版）郑国錩，1992，高等教育出版社 细胞生物学（第二版）汪堃仁等,1998，北京师范大学出版社 细胞生物学（第三版）翟中和等，2007，高等教育出版社

对比着学 关注前沿 学术期刊（中国期刊网、万方数据库、Google直接搜索等）； 生物论坛（生物通、丁香园、生命科学论坛等）

前 言

1. 细 胞 生 物 学？ 细胞生物学是研究细胞结构、功能及生活史的一门科学。 现代细胞生物学从显微水平，超微水平和分子水平等不同层次研究细胞的结构、功能及生命活动（基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点）。

2.细胞生物学发展史上的重大事件 1953年DNA双螺旋结构的提出，1958年生物学中心法则的建立明确了细胞最本质问题是自我复制（ self-replication ），这些科学的发现把当时从细胞形态结构研究而引申出的“细胞学”推向了一个更高阶段，“细胞生物学”应运而生。

诺贝尔奖 连续多年的诺贝尔奖内容几乎都在细胞生物学范围内

2001年生理医学奖：细胞周期调控机理 2002年生理学或医学奖：器官发育的遗传 调控和细胞程序性死亡 2003年化学奖：细胞膜水通道，离子通道结构和机理 2006年生理学或医学奖：RNA干扰机制；化学奖：捕捉DNA的复制过程

2007年生理医学奖：利用小鼠胚胎干细胞进行基因打靶 2009年生理医学奖：端粒酶 (telomerase)；化学奖：核糖体的结构和作用的研究 2010年生理学或医学奖：通过体外受精治疗多种不育症

细胞生物学已经成为当代生物科学中发展最快的一门尖端学科，在我国基础学科发展规划中，细胞生物学与分子生物学，神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。

3.为什么说细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科? 重大前沿课题的解决，如生育的控制、脑的奥秘、肿瘤的防治、器官移植、免疫反应、新药研制、心脑血管疾病及艾滋病防治直至延年益寿等等，都离不开细胞生物学的研究。

4. 肿瘤细胞生物学？ 从细胞和分子水平上对肿瘤的发生、发展、侵袭与转移等过程进行研究的学科。

具体研究内容： DNA 损伤检控系统信号传导、细胞周期检控系统功能失调与肿瘤发生的关系； 肿瘤细胞增殖分化与凋亡过程及其调控机理； 肿瘤血管生成分子机理及其与肿瘤后期发展的关系。

本章内容 细胞核 肿瘤细胞生物学 形态特征 细胞质 细胞膜 肿瘤细胞的增殖、浸润和转移 生理特征 细胞分化、凋亡和肿瘤

第一节 肿瘤细胞的形态特征

一、 正常细胞的基本结构

正常细胞的基本结构图 质膜（plasma membrane）：是细胞表面的单位膜。 细胞核（nucleus）：是细胞内最重要的细胞器，核表面是由双层膜构成的核被膜（nuclear envelope）；核内1至数个小球形结构，称为核仁（nucleolus）；核内包含有染色质(chromatin）。。细胞核还具有核孔（nuclear pore）。 细胞器(organelle)：具有特定形态和功能的显微或亚显微结构称为细胞器 细胞质基质（cytoplasmic matrix）细胞质中除细胞器以外的部分。 细胞质（cytoplasm）：质膜与核被膜之间的原生质。 正常细胞的基本结构图

二、 肿瘤细胞的形态特征

染色体 核仁组织区 端粒 1.细胞核 细胞器 胞质颗粒 2. 细胞质 糖蛋白 糖脂 膜表面抗原 凝集素受体 3.细胞膜

1. 细胞核异常与肿瘤 （1）基本特征

出现巨核、双核或多核，染色体呈不均一状态 人喉癌hep-2细胞，瑞氏染色

核质比显著高于正常细胞，可达1:1，正常的分化细胞仅为1:4-6 癌细胞 正常分化细胞

组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA （2） 染色体 基本结构 组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA 核小体及螺线管的结构

染色体异常与肿瘤 染色体数目异常 人类细胞正常染色体 癌性胸腹水的染色体数

ph染色体（费城1号染色体）:9号和22号染色体长臂易位 。 染色体结构异常 ph染色体（费城1号染色体）:9号和22号染色体长臂易位 。 易位使9号染色体长臂（9q34）上的原癌基因abl和22号染色体(22q11)上的bcr(break point cluster region)基因重新组合成融合基因。后者具有增高了的酪氨酸激酶活性，这是慢性粒细胞性白血病的发病原因。ph的重要临床意义在于：大约95％的慢性粒细胞性白血病病例都是ph阳性，因此它可以作为诊断的依据。

肿瘤常见的染色体异常 病名 染色体异常 慢性粒细胞白血病 t(8;14),t(2;8),t(8;22),ph Burkitt淋巴瘤 急性非淋巴细胞白血病 慢性淋巴细胞白血病 急性淋巴细胞白血病　 恶性淋巴瘤 小细胞肺癌 卵巢乳头状腺癌 神经母细胞瘤 脑膜瘤 Wilms瘤 睾丸癌 畸胎 t(8;14),t(2;8),t(8;22),ph +8;7q,5q或-5 t(8;21),t(15;17),t(9;22),t(11;14),+12 t(?;11),t(1;9),t(7;12),t(9;14) t(8;14),t(4;11),+21,t(4;11),+12 14q+,+12 del(3)(p14-23) t(6;14) del或t(1;?)(p 32-36;?) 13q -22,22q 11p 1(12p)

基因突变与肿瘤：“二次突变学说”-（RB基因）

（3）染 色 体 的 相 关 术 语

（4）核仁组织区：nucleolar organizing regions, NORs 核糖体RNA基因所在的区域，其精细结构呈灯刷状。能够合成核糖体的28S、18S和5.8S rRNA。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。

NORs功能：编码rRNA NORs中心形成核仁

NORs与肿瘤 核仁组织区嗜银蛋白（AgNOR）：判别细胞核中rDNA转录活性的一个指标，可通过测定核仁银染面积与核面积的比值说明其嗜银的强度，区分肿瘤良、恶性病变或判断肿瘤预后的指标。

胸腔积液中的恶性细胞-核仁组成区嗜银蛋白染色 恶性肿瘤中AgNOR颗粒明显增多且大小形态不规则性

（4）端粒和端粒酶 2009年生理医学奖 三位美国科学家Elizabeth H. Blackburn Carol W. Greider Jack W.因在端粒和端粒酶如何保护染色体方面的发现而获奖。

解决的生物学中的一个重大问题——细胞分裂期间染色体如何被完整复制，以及染色体如何得到保护不至退化。 如果端粒变短，细胞就会衰老。相反，如果端粒酶活性很高，端粒长度就会维持，细胞衰老就会延迟，在癌细胞中就是这种情形，可被认为具有永生。

端粒的结构 染色体端部的特化部分

端粒由高度重复的短序列串联而成，在进化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似

端粒的功能 保护染色体完整性和维持染色体的稳定性 保护染色体不被核酶降解；不具端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连而成环状

维持细胞的复制能力 起细胞分裂计时器的作用，端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50-100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。

端粒酶（telomerase）的发现 端粒酶最早是在四膜虫(Tetrahymena)中发现的。1985年，Blackbaurn 和Greider发现人工合成四膜虫端粒的DNA片段(TTGGGG)4，可被四膜虫细胞抽提物中的一种活性物质加长，这种活性物质对热、蛋白酶K和RNA酶都敏感。

端粒酶的概念 一种能够催化延长端粒末端的核糖核蛋白(RNP), 由RNA和相关蛋白组成。能够以自身携带的RNA为模板, 逆转录合成端粒DNA并添加于染色体末端,从而维持端粒长度的稳定。人端粒酶的RNA组分由450个核苷酸组成。

端粒酶RNA模板序列

端粒酶的功能

端粒酶的活性测定 经典测定方法： 组织匀浆 测定细胞提取物将端粒片段延长至引物3’端的能力

共有四种染色法：同位素法、染色法、荧光法和ELISA法 改进的测定方法 端粒重复序列扩增法（TRAP）：PCR机制 共有四种染色法：同位素法、染色法、荧光法和ELISA法 TRAP-Ag染法检测HeLa细胞端粒酶活性

地高辛掺入法：端粒DNA合成功能 细胞原位杂交检测法： 检测RNA和活性亚单位RNA

基于磁珠和纳米粒子的电化学发光扩增方法检测端粒酶活性

端粒酶的活性调节 hTR：人端粒酶RNA 端粒酶蛋白 癌基因和抑癌基因 细胞分化及细胞周期 端粒长度

端粒酶与肿瘤 早期肿瘤诊断的标志物 癌组织中端粒酶的表达特点： 表达阳性率很高，除少数肿瘤外，阳性率均在80%以上。而癌旁组织和正常相应组织阳性率低于10%，为低水平表达 在一些前侵袭性病变中端粒酶表达水平增加 研究显示端粒酶可预测脑膜瘤、急性髓性白血病和胃肠道癌症的预后

端粒酶作为肿瘤标志物的优点： 直接 高度特异性： 灵敏度高： 3个恶性细胞

抗肿瘤治疗 反义核苷酸 反转录酶抑制剂 细胞分化诱导剂 核酶

端粒酶与其他疾病 老年性疾病、早衰、脑萎缩以及高血压、动脉粥样硬化、心肌细胞损伤、心力衰竭等心血管疾病

美国《发现》杂志报道，从2007年开始，首个以端粒为靶标的TA-65营养补充片剂就能够从医生那里买到，预计具有延缓衰老作用的药物可在15年内获得美国食品和药物管理局（FDA）的批准。不过，这类抗衰老药的致癌风险也不容忽视。 制药商T.A.科学公司表示，他们的TA-65片剂能够提高人体的骨密度和免疫能力，对于与衰老相关的生物标记物也有一定的作用，服用了这种片剂的人报告说，他们的运动、视觉和认知能力都有所增强。但是，旨在延缓老化的端粒酶激活疗法也可能增加罹患癌症的几率。有研究表明，提升小鼠体内端粒酶的活性，会使它们更容易患上皮肤癌和乳腺癌。

2.细胞质异常与肿瘤

（1）细胞器的改变 线粒体表现为不同的多形性、肿胀、增生 甲状腺癌细胞中有的线粒体（黑“↑”）呈S型或分叉型，其余仍为圆形及卵圆形。×20000 肾上腺皮质腺癌细胞中长形巨大线粒体 。×16000

鼻咽癌细胞中有巨大畸形线粒体（黑“↑”）。×60000 滑膜肉瘤细胞中圈状线粒体（黑“↑”）。×60000

大鼠败血症模型肝细胞中线粒体（黑“↑”）肿胀，水肿，嵴结构不清。×20000 鼻咽癌癌细胞，胞质中增生有大量线粒体（黑“↑”）。×25000

线粒体与肿瘤 线粒体DNA（mtDNA）突变导致细胞氧化应激和细胞凋亡抑制从而诱导肿瘤发生 mtDNA突变的非随机分离引起恶性转化 mtDNA分子及其片段在核基因组中整合：通过引起核基因组的不稳定性发生癌变；通过改变细胞能量产生，提高线粒体氧化压力，引起线粒体酶表达异常和/或调控凋亡等途径来影响细胞的生物学行为，使其发生恶变 mtDNA突变导致肿瘤扩散 与致癌物结合：mtDNA 对脂溶性化学物质非常敏感，并往往成为亲电子物质首选的靶点，具有嗜脂性的致癌物往往优先在mtDNA上聚集

核糖体的增加 核糖体(ribosome)亦称核蛋白体，由rRNA和80多种蛋白质组成。是细胞合成蛋白质的重要场所。单核糖体有二个亚基，分别称为大亚基和小亚基。 无论正常组织或肿瘤组织，总核糖体合成增多是细胞增殖活跃的常见特征。

目前已经发现一些肿瘤抑制子和前癌基因可以影响核糖体成熟，通过改变蛋白质合成机器中的某些组分而诱导肿瘤的发生。

MYC（原癌基因产物）和PTEN（肿瘤抑制子） 原癌基因产物MYC和肿瘤抑制子PTEN通过对核糖体蛋白质转录和S6活性的调节表现出对核糖体生物合成的直接调节作用。 c-MYC编码转录因子，在一些B细胞特异的肿瘤和其它的几种瘤形成中，c-MYC由于基因组异常而失调。 肿瘤抑制子PTEN也可以调节细胞体积的大小，并且也与核糖体的生物合成有关。PTEN 对S6是一种负性调节，在许多肿瘤细胞中PTEN是突变的

溶酶体明显增多 溶酶体（lysosomes）真核细胞中的一种细胞器；为单层膜包被的囊状结构，直径约0.025～0.8微米；内含多种水解酶，专司分解各种外源和内源的大分子物质。1955年在鼠肝细胞中发现。

溶酶体与肿瘤的关系 致癌物质引起细胞分裂调节机能的障阻及染色体畸变，可能与溶酶体释放水解酶的作用有关； 某些影响溶酶体膜通透性的物质，如巴豆油，某些去垢剂、高压氧等，是促进致癌作用的辅助因子，也能引发细胞的异常分裂； 在核膜残缺的情况下，核膜对核的保护丧失，溶酶体可以溶解染色质，而引起细胞突变； 溶酶体代谢过程中的某些产物是肿瘤细胞增殖的物质基础； 致癌物质进入细胞，在与染色体整合之前，总是先贮存在溶酶体中，这已为放射自显影所证实。

内质网 内质网在抑制肿瘤发生中扮演重要角色： 美国密歇根大学、加州大学旧金山分校等机构的研究人员发现HRASG12V在癌症发生中参与一种迅速的细胞周期停滞，这种停滞与ER的大面积真空和扩张有关 ，他们认为内质网是肿瘤控制的一个“守门员”的直接功能。

细胞器与抗肿瘤治疗 线粒体治疗 肿瘤细胞通过内吞方式摄入金纳米棒，接着被转运到内吞体和溶酶体，进而改变了溶酶体膜的通透性而被释放到胞浆，然后靶向运输到线粒体，引起线粒体膜电位降低，最终导致肿瘤细胞的死亡。

与核糖体相关的治疗 与溶酶体相关的治疗 高频热疗：高热使癌细胞中溶酶体的活性升高，加速癌细胞的死亡 核糖体失活蛋白（Ribosome Inactiviting Proteins,RIPs）是一类重要的天然抗癌活性成份，广泛存在于植物界，如蓖麻蛋白、天花粉蛋白、苦瓜蛋白等 与溶酶体相关的治疗 高频热疗：高热使癌细胞中溶酶体的活性升高，加速癌细胞的死亡

与内质网相关的治疗 内质网酶——ENTPD5在原代人类肿瘤样品，以及细胞系中，伴随着AKT的增长而增加研究人员通过一系列实验证明ENTPD5是PI3K/PTEN作用途径中的一部分，因此能作为一种潜在的抗肿瘤治疗靶标。

（2）胞质颗粒的出现 黑色素颗粒 淋巴结恶性黑色素瘤转移

嗜酸性颗粒 食管颗粒细胞瘤，其细胞胞质丰富, 充满嗜酸性颗粒，部分颗粒融合呈小球状HE×400

3.细胞膜异常与肿瘤

（1）正常细胞膜结构

（1）肿瘤细胞膜结构异常 糖蛋白丢失或合成新的糖蛋白 糖脂减少或合成新的糖脂

膜表面新生抗原 肿瘤特异抗原（tumor specific antigen,TSA） 粘蛋白(胰腺癌、乳腺癌)、黑色素瘤抗原基因表达产物、乳腺癌抗原基因表达产物、胃癌、肉瘤、非小细胞肺癌等抗原基因表达产物、p15基因(黑色素瘤)、原癌基因HER-2/neu(乳腺癌、卵巢癌)、融合蛋白p210(白血病)。 DNA病毒编码的肿瘤特异性抗原有：猿猴空泡病毒40 （SV40）、人乳头瘤病毒(宫颈癌)、EB病毒(免疫母细胞性淋巴瘤)、乙型肝炎病毒(肝癌)。RNA病毒中的人T细胞白血病病毒(HTLV-1)、突变的ras基因编码蛋白(消化道肿瘤、膀胱癌、前列腺癌)、突变P53基因编码蛋白(一种抑癌基因产物，见于消化、泌尿、呼吸等多种肿瘤)等

肿瘤相关抗原（tumor associated antigen, TAA） 甲胎蛋白(AFP)：原发性肝细胞癌约70%以上AFP在400 μg/L以上，多逐渐升高，亦有不高于400μg/L，甚至在正常水平的患者 癌胚抗原(CEA)：结肠癌的标志物(60%～90%患者升高)，但以后发现胰腺癌(80%)、胃癌(60%)、肺癌(75%)和乳腺癌(60%)也有较高表达 糖蛋白抗原(CA)50：许多恶性肿瘤患者血中皆可升高，如66.6%的肺癌、88.2%的肝癌、68.9%的胃癌、88.5%的卵巢或子宫颈癌、94.4%胰或胆管癌，其他如直肠癌、膀胱癌等皆有70%以上是升高的 CA125：82.2%卵巢癌、58%胰腺癌、32%肺癌，及其他非妇科肿瘤皆有不同程度的升高

凝集素受体分布改变 凝集素（Lectin）是指一种从各种植物，无脊椎动物和高等动物中提纯的糖蛋白或结合糖的蛋白，因其能凝集红血球（含血型物质），故名凝集素。 常用的为植物凝集素（Phytoagglutin，PNA），通常以其被提取的植物命名，如刀豆素A（Conconvalina，ConA）、麦胚素（Wheat germ agglutinin，WGA）、花生凝集素（Peanut agglutinin，PNA）和大豆凝集素（Soybean agglutinin，SBA）等，凝集素是它们的总称。

凝集素标记技术

凝集素受体为特异性的单糖或寡糖。人类的凝集素受体多位于细胞膜或细胞器的膜上 凝集素受体表达

在肿瘤中，凝集素的不同分布导致凝激素受体分布改变。 凝集素可作为肿瘤组织源性的标记、肿瘤特异性诊断的标志、肿瘤恶性的标记和不同肿瘤的分化标记。如张华忠等（1987）报道115例胃癌标记PHA阳性率高达90.43%，而正常胃粘膜基本是阴性，故认为PHA是胃癌的诊断性标志。SBA对乳腺恶性肿瘤阳性率达79%，而对良性病变均呈阴性反应，提示SBA可能为乳腺恶性肿瘤的相关标志。凝集素还有助于判别肿瘤的组织类型，如神经系统星形细胞瘤ConA阳性，小胶质细胞瘤阴性。 在肿瘤中，凝集素的不同分布导致凝激素受体分布改变。

4.细胞骨架异常与肿瘤

细胞骨架由微管(microtuble)、微丝(microfilament)和中间纤维(intermediate filgament)组成。在长期传代的肿瘤细胞中微管显著减少，细胞表面的微突也减少。肿瘤细胞微管的变化主要发生在间期,而在分裂期,纺锤体微管与正常细胞相同。 研究表明,微丝束和其末端粘着斑的破坏以及肌动蛋白小体的出现,可能与肿瘤的浸润转移特性有关,肌动蛋白小体形成,可能代表肿瘤细胞高转移的恶性表型。

肿瘤细胞（红色染色显示细胞骨架，蓝色的是细胞核） 正常细胞

5.不同类型癌细胞的形态特征 癌细胞大致可分为三大类： 鳞癌、腺癌、未分化癌

1．鳞癌 一般起源于鳞状上皮，也可起源于已经发生鳞化的柱状上皮。根据涂片中大多数癌细胞的分化程度，可把鳞癌分为高分化和低分化两大类。

高分化(角化型)鳞癌 以类似表层细胞的癌细胞为主，并可见少量中层癌细胞，这些癌细胞分化比较成熟，表现多形性，如纤维形、蝌蚪形、蛇形等癌细胞，常散在分布。癌细胞胞质角化明显，故称角化型鳞癌。

低分化(非角化型)鳞癌 癌细胞形态类似底层鳞状上皮细胞，少数类似中层鳞状上皮细胞，不出现或很少出现表层癌细胞。癌细胞形态主要为圆形、卵圆形，多数成片脱落，也可单个散在，胞质少、不角化。HE染色呈暗红色，巴氏染色为暗绿色，核大，核仁清楚。 巴氏染色

2．腺癌 一般起源于柱状上皮和腺上皮。根据癌细胞大小，细胞内的粘液多少，有无形成腺腔样结构，腺癌亦可分为高分化和低分化两型。

高分化腺癌 常形成腺样排列。癌细胞大，胞质丰富，HE染色为浅红色，巴氏染色为浅绿色，其中可见粘液空泡。核大，核染色质颗粒粗，染色深，核仁巨大。

低分化腺癌 癌细胞小、胞质少，嗜碱性，粘液空泡少见。癌细胞常成团脱落，排列紧密，形成桑椹样结构。核小偏位，边缘胞质隆起。核染色质较粗，核仁小。 低分化前列腺癌

3．小细胞型未分化癌 一般认为起源于支气管上皮的嗜银细胞，可产生多肽类激素而引起内分泌症状，故属于神经内分泌肿瘤。癌细胞小，圆形、卵圆形或瓜子形。胞质极少，细胞核约比淋巴细胞大半倍到一倍，核畸形明显，染色深，癌细胞排列紧密而不重叠，成片出现时，往往呈镶嵌样结构；单行排列时呈束状。这是未分化癌的特征性表现。

小细胞未分化癌(HE染色）

小细胞未分化癌(巴氏染色）

形态多样，常出现不规则形、多边形、梭形等 鳞癌细胞、腺癌细胞和未分化癌细胞的鉴别 癌细胞类型 鳞癌细胞 腺癌细胞 未分化癌细胞 细胞分布 常散在、细胞边界一般较清楚 成群、成团、细胞边界不清楚 成堆、成群、细胞边界不清 细胞排列 单个出现或呈簇状 呈梅花状，腺腔样排列 典型呈葡萄状排列 细胞形态 形态多样，常出现不规则形、多边形、梭形等 多呈圆形或卵圆形 圆形、卵圆形 细胞质 厚实、具角化倾向 薄，常有分泌空泡 很少或看不见 细胞核 核畸形 圆形或卵圆形，核膜厚而不匀 圆形、梭形或瓜子形 核染色质 染色质呈块状，深染常呈墨水滴样 染色质呈颗粒状，排列疏松 粗颗粒、分布不匀 核仁 一般难以见到，低分化鳞癌可见明显核仁 核仁大而明显 常见到核仁，小细胞型未分化癌核仁不明显

小结 肿瘤细胞的形态特征 核质比显著高于正常细胞； 出现巨核、双核或多核，染色体呈不均一状态； 线粒体表现为不同的多型性、肿胀、增生； 细胞骨架紊乱，某些成分减少，骨架组装不正常 ； 细胞表面特征改变，产生TSA和TAA。

Thank you!