癌症干细胞（CSCs）是癌症细胞中一小群具有自我更新、分化、致瘤性、静息状态及治疗抵抗等独特特征的细胞群体，最终导致癌症复发与不良预后。常规化疗与放疗（radiotherapy）能够有效杀伤快速分裂的癌症细胞；然而，CSCs因具有代谢可塑性（metabolic plasticity）、低活性氧（ROS）水平、凋亡抑制及修饰后的DNA修复系统等特殊特性，在很大程度上对这些治疗手段不敏感，并能够有效劫持肿瘤微环境（TME）并逃避宿主免疫监视。本综述总结了可用于常规临床检测的潜在CSC诊断方法，以在手术前后制定个性化治疗方案。通过这种方式，可评估CSC基因特征（gene signature）、反应性及负荷，并借助人工智能（AI）与机器学习算法在个性化治疗方案中预测最有效的治疗反应。此外，研究人员提出将CSC靶向治疗与常规化疗和放疗联合应用，以根除CSCs，从而消除癌症患者复发与治疗失败的风险。本综述还阐述了多种可用于靶向CSCs的潜在分子靶点，并强调需进一步评估，以推动其临床应用。
**1. 引言**
癌症仍是全球范围内发病与死亡的主要原因。尽管已有先进治疗手段，癌症复发仍是生物医学科学面临的最主要挑战。癌症起源于癌症干细胞（CSCs）的观点可追溯至19世纪中期，约50年前通过对畸胎癌的研究得以确立。CSCs又称肿瘤起始细胞（TICs），是存在于肿瘤主体内的一小群细胞，具有类似正常干细胞的特征，如克隆形成能力、自我更新能力、异质性及沿多细胞谱系分化的能力。基于这些特征，CSCs日益被视为某些癌症的潜在起始因素，以及癌症进展、转移、治疗抵抗和复发的关键驱动因素。
**2. CSCs在癌症诊断阶段的意义**
CSCs可能存在于原发肿瘤中，也可能在复杂微环境因素影响下后期出现。文献强调，评估肿瘤组织或循环中的CSC负荷并界定其分子特征，是预测疾病预后与治疗反应的重要方法。然而，尽管有强有力的实验证据支持CSC定量的预后价值，这些评估尚未纳入常规临床诊断。这一局限源于CSC异质性、其与正常干细胞在转录和信号传导上的重叠，以及表1所列生物标志物的癌症类型特异性表达，共同解释了通用CSC标志物的缺失。此外，CSCs仅占肿瘤质量的一小部分，依据恶性肿瘤类型约为0.01%至2%，这使其分离与在肿瘤主体中的准确定量更为复杂。CSC生物标志物的识别高度依赖背景，在不同肿瘤类型间差异显著。例如CD133在胶质母细胞瘤和结直肠癌中广泛用作CSC标志物，但其在肝细胞癌和卵巢癌中的表达并不一致，限制了其通用性。同样，ALDH1活性已在乳腺和卵巢CSCs中被验证为干性标志物，但其预后价值随肿瘤亚型和微环境背景而变化。在血液系统恶性肿瘤中，CSCs常以急性髓系白血病中的CD34
+CD38
?等标志物组合界定，但这些表型在实体瘤中并不保守。这种变异性凸显了通用CSC生物标志物的缺失，并强调需进行肿瘤特异性验证。未来研究应聚焦整合转录组与表观基因组分析（如scRNA-seq和ATAC-seq），以识别背景特异性CSC特征，同时厘清现有标志物的局限性，以提升其临床转化价值。目前已开发多种识别、分离或定量CSCs的技术（见表2、图2），但仅少数被纳入常规诊断实践。若干方法已在小鼠模型或细胞培养系统中得到验证，相关研究正在持续推进以完善这些方法并最终整合进临床工作流程。
**2.1. 人工智能（AI）**
人工智能（AI），尤其是深度学习，已成为生物医学科学中自动化复杂图像识别的有力工具，但其在肿瘤学中的临床应用仍然有限。AI已通过组织病理学、放射学和多组学整合在癌症诊断中取得成功，但其在CSC检测中的应用仍处于早期阶段。CSCs面临独特挑战，因其与正常干细胞共享特征、缺乏通用标志物，并表现出异质性表型与代谢状态。这些复杂性限制了用于稳健AI训练的标注数据集的可得性。为此，已有研究提出采用条件生成对抗网络（CGANs）进行图像到图像转换等生成式方法，以改善培养细胞中CSC的识别，为克服数据稀缺提供途径。在近期一项研究中，Zhang等采用结合CGANs与卷积神经网络的深度学习方法分析CSCs的相差图像。通过在精心选择的高精度数据集上训练模型，作者证明AI管理的图像分析能够可靠区分异质群体中的CSCs与非干性肿瘤细胞。该方法可精确界定肿瘤组织学切片中CSC的比例，凸显AI驱动的计算病理学在增强CSC定量及支持转化肿瘤学研究方面的潜力。由于CSC标志物在不同肿瘤类型间存在差异，将AI图像分析与肿瘤特异性生物标志物组合及干性特征整合，可能提供更可靠的肿瘤主体内CSC群体估计。该策略可通过绘制CSC负荷并预测治疗抵抗来支持个性化治疗。将组织病理学与基因组学、转录组学、蛋白质组学及空间组学相结合的多模态AI方法，在捕捉CSC可塑性与微环境影响方面尤为前景广阔。尽管临床转化仍然有限，以结局为导向的验证与可解释AI框架有望加速其应用，使AI成为CSC诊断与精准肿瘤学未来的基石。当前创新包括使用CSCs和视觉变换器捕获肿瘤结构、基质背景、缺氧及与干性相关的EMT形态的图像深度学习；减少对详尽标注依赖的自监督学习；用于数据集增强的生成模型如cGANs；以及应用于单细胞RNA测序和空间转录组学的深度学习，以识别CSC轨迹和治疗诱导的干性。
**2.2. 临床建议**
多项研究将较高的CSC负荷和基因特征与癌症不良预后及较高死亡率相关联。因此，除标准检查外，在诊断阶段及设计术后治疗方案时识别CSCs的独特特征并评估CSC负荷是审慎之举。评估CSC负荷、基因型和反应性可帮助肿瘤学家将CSC靶向治疗纳入治疗方案，从而确保根除CSCs及癌症转移、复发和治疗失败等相关复杂性。目前已报道的从肿瘤主体中分离和评估CSCs的大多数方法仅在研究环境中实施，尚未进入临床实践。主要顾虑包括CSC群体极小、通用生物标志物缺乏，以及每种肿瘤以不同水平表达特定标志物。虽然生物相容性示踪剂结合分子成像最终可能实现体内CSC特征与负荷的无创识别，但同样应重视转录组学方法，如bulk RNA-seq和单细胞RNA-seq（scRNA-seq）。这些技术可高分辨率绘制CSC相关基因特征，并量化异质性肿瘤样本中的CSC比例，从而补充成像策略，为整合进诊断和术后治疗规划提供有力途径。
**3. CSCs在治疗阶段与癌症复发中的意义**
癌症的主要治疗策略包括手术、化疗和放疗（单独或联合）、免疫治疗和靶向治疗。CSCs具有多种先天特性以对抗癌症治疗中常用的治疗策略，从而导致治疗抵抗、复发和转移扩散。每种治疗均有其弊端：例如放疗和化疗可产生自由基损伤DNA，导致氧化应激。这些疗法有效靶向快速分裂细胞，但CSCs通常因多种原因逃逸，下文将予以讨论。
**3.1. 代谢可塑性**
CSCs可改变其代谢并重置线粒体功能，以响应遗传、表观遗传、微环境和药理学应激，从而维持其干性特征。研究CSC代谢可塑性及导致治疗抵抗的机制仍是关键研究重点。主要因素涉及CSCs中ROS水平改变、代谢通路改变及线粒体膜去极化。
**3.1.1. 低ROS水平与高抗氧化潜力**
活性氧（ROS）由氧通过线粒体电子传递链副产物及氧化酶（如NADPH氧化酶、过氧化物酶）活性在过氧化物酶体、质膜和内质网等不同细胞区室中产生。这些ROS主要包括过氧化氢、超氧化物和羟自由基，通过改变其在不同细胞信号级联中的位置、浓度或作用时机作为第二信使，保护CSCs免于死亡并确保其存活。正常健康细胞在ROS产生与抗氧化系统清除之间维持精细平衡，而CSCs通过过度激活抗氧化系统（如增加谷胱甘肽（GSH）产生）适应低ROS环境以维持生存。因此，它们能够逃避通过升高ROS水平或使抗氧化系统失活而发挥作用的常规化疗和放疗方案。过度活跃ROS清除系统的一个例子是CSCs中醛脱氢酶（ALDH）表达增加。ALDH是包含19个成员的抗氧化系统的重要组成部分，参与催化醛类氧化，并通过视黄酸（RA）信号参与细胞解毒，从而免受ROS损伤。有报道强调ALDH水平升高、化疗抵抗与CSCs中活跃的存活机制之间存在强关联。在这一复杂存活过程中，叉头同源框O型（FOXO）、缺氧诱导因子（HIFs）、NF-κB、p53和Nrf2等转录因子（TFs）主要通过翻译后修饰和核转位事件激活，从而增强其转录活性，而非仅仅表达水平升高。例如Nrf2在氧化应激下稳定并转位至细胞核，直接结合SODs、Prdxs、GPXs和CATs等基因启动子中的抗氧化反应元件（AREs）。相比之下，NF-κB和p53通过磷酸化和构象变化激活，而FOXO和HIF响应上游信号级联（如FOXO的PI3K/AKT抑制、HIF的缺氧诱导稳定化），从而增加其DNA结合活性。在这些TFs中，Nrf2是直接结合AREs的经典因子，而NF-κB、p53、FOXO和HIF通过不同启动子元件调控重叠的抗氧化与存活通路。因此，这些抗氧化基因的活跃转录导致Trx、Grx、Prdx和CD13/氨肽酶等蛋白过表达，导致ROS平衡改变。这些发现已在特定癌症背景中报道，例如肺癌和胶质母细胞瘤模型中Nrf2-ARE信号驱动抗氧化蛋白上调，以及白血病干细胞中NF-κB和p53参与氧化还原适应。重要的是，此类机制并非在所有CSCs中普遍存在，而因肿瘤类型而异。表观遗传调控进一步微调CSC存活。组蛋白修饰（如H3K4me3、H3K27ac）、DNA甲基化改变及果糖-1,6-二磷酸酶1（FBPase1）抑制改变启动子可及性和糖酵解通量，降低ROS水平并激活β-catenin信号以维持乳腺癌干性。此外，低ROS水平的CSCs表达高水平抗凋亡蛋白BCL-2，进一步促进CSC存活。若干信号通路亦参与ROS调控，包括ATM、PTEN/PI3K/AKT/mTOR、JAK/STAT、Notch和Wnt通路激活。包括let-7a、miR-34a、miR-21、miR-200和miR-210在内的多种miRNAs亦参与调节CSCs中ROS平衡。由于内外ROS水平主要损害DNA完整性，DNA修复蛋白积极作用于CSCs存活以及维持低ROS特征并伴过度活跃ROS清除系统以逃避治疗干预，这是可以理解的。这可通过其自身氧化还原活性和改变的线粒体功能直接实现，或通过稳定ROS解毒系统间接实现。例如，脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1/氧化还原效应因子-1（Ape1/Ref-1或Apex1）在胶质母细胞瘤和胰腺癌模型的CSCs中高表达，但并非在所有肿瘤类型中普遍存在。其C端结构域作为碱基切除修复（BER）通路的一部分介导DNA修复，而N端结构域赋予氧化还原活性。因此，Ape1/Ref-1调控线粒体ROS，在ROS诱导治疗下防止凋亡，并增强HIF-1α、p53和NF-κB等因子的转录活性。此外，Apex1通过转录上调ABCG2促进CSCs的药物外排，从而使这些细胞逃避治疗药物的作用。另一种酶ALKBH8（烷基化修复同源蛋白8）修复烷化剂诱导的DNA损伤，并通过NOX-1（NADPH氧化酶同源物-1）维持低ROS水平，从而促进抗凋亡信号和存活。
**3.1.2. 代谢通路改变**
CSCs利用葡萄糖、丙酮酸、乳酸、羟基丁酸、谷氨酰胺、乙酸和脂肪酸等多种底物获取能量。这受遗传、氧合、代谢需求、pH及周围肿瘤微环境（TME）等多种因素影响。关于CSCs产生能量的主要通路存在相互矛盾的报道，这可能取决于表型和TME。例如，位于血管周围龛的CSCs受益于充足氧供，可利用脂肪酸、氨基酸、酮体和乳酸等底物通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生ATP。相反，氧合不良环境中的CSCs主要依赖有氧糖酵解，该通路效率较低但比OXPHOS产生ATP更快。在包括卵巢、鼻咽、骨肉瘤、胶质母细胞瘤（GBM）和结肠癌在内的特定癌症中，CSCs也被证明更依赖糖酵解。因此，在这些实体瘤中，异常改变的糖酵解中间产物或糖酵解产物可作为CSC干性和治疗抵抗的标志物。此外，调控代谢灵活性的糖酵解酶可作为潜在治疗靶点以抑制CSC干性。总之，关于CSCs主要使用的能量底物尚无明确共识。其代谢表型似乎灵活且依赖背景，涉及糖酵解与谷氨酰胺利用之间或糖酵解与OXPHOS之间的转换，同时纳入脂肪酸氧化、磷酸戊糖途径和谷氨酰胺分解等次级代谢途径以满足其特定细胞需求。这些代谢转换旨在维持低ROS水平和高抗氧化能力，使其能够在恶劣条件下存活并在需要时补充肿瘤主体，最终导致治疗失败。CSC命运（包括静息、增殖或分化）很大程度上由TME中多种因素调控下的代谢可塑性决定。CSCs中的另一代谢改变是脂肪生成相关酶，尤其是胆固醇和脂肪酸合成酶的过表达。胆固醇和脂质产生增加以及外源脂质摄取增加，使乳腺癌和结直肠癌CSC模型中的CSCs能够保护细胞膜免受（化疗药物和缺氧介导的）过氧化，或在细胞膜中形成支架以捕获参与CSC相关信号的受体分子。在一项使用CD133
+和ALDH
+标志物纯化结直肠癌CSCs的研究中，Begicevic等（2019）提出，CSCs中脂质摄取增加和脂质代谢通路过度活跃最终导致生物活性脂质信号分子（如胆固醇、类固醇、激素和代谢物）过量产生，诱导ABCG2和ABCB1（两种广泛接受的CSC标志物）等ABC转运蛋白。在乳腺癌模型中，由脂质摄取增加驱动的外泌体过量产生也介导了CSCs中的脂质信号传导。然而，外泌体产生增强的病理生理学及这些脂质囊泡内容物的精确细节尚不清楚，需进一步研究以确定可能的治疗靶点。脂质通路改变已被证明可将非CSCs转化为CSCs，两种酶在此方面尤为重要：硬脂酰辅酶A去饱和酶1（SCD1）和β-羟基β-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGCR）。在肺腺癌和卵巢癌CSC模型中，硬脂酰辅酶A去饱和酶参与脂肪酸合成，增强脂质修饰Wnt蛋白的产生，导致Wnt信号激活及随后的β-catenin/YAP/TAZ核转位，激活多个转录靶基因，驱动癌症细胞转化为CSCs。在这些特定肿瘤背景中，CSCs使用CD133
+和ALDH
+标志物纯化，功能实验证实干性维持。SCD1还通过NF-κB通路维持CSCs干性，作为脂质去饱和酶产生的正反馈环路。第二种酶β-羟基β-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGCR）在胆固醇生物合成中调控HMG-CoA向甲羟戊酸转化，并参与Hippo和Wnt信号激活，尤其在乳腺癌和胶质母细胞瘤CSC模型中，其活性与CSC干性维持相关。
**3.1.3. CSCs中的去极化线粒体膜**
线粒体功能和完整性对细胞增殖和分化潜能至关重要，许多线粒体特征，如线粒体数量减少、核周排列、ATP含量降低、低氧/葡萄糖消耗、低ROS、线粒体膜电位（Δψm）增加及线粒体DNA（mtDNA）数量减少，已被提出作为CSC"干性"的指标。重要的多能性相关转录因子，如NANOG、SOX2和OCT4，以及EMT转录因子TWIST1和BMI1，也影响CSCs中的线粒体修饰。
**3.2. 代谢可塑性的治疗靶向**
目前，维持CSC干性的代谢事件定义尚不明确。需大量研究加以识别，因为这些事件除经典CSC标志物外，可能代表根除CSCs的潜在治疗靶点。脂质代谢是一个新兴的可行治疗靶点，尤其是SCD1和HMG-CoA还原酶活性。表3描述了重要的可能代谢分子靶点。
**3.3. 静息**
由于代谢可塑性，CSCs可在表观遗传和微环境因素影响下在静息或增殖状态间切换。CSCs可在不利环境条件下以可逆的G0细胞周期阶段（静息；图3）维持不同时间，随后重新进入周期并补充肿瘤主体（增殖状态），导致治疗失败。由于CSCs仅占主要肿瘤的一小部分，静息CSCs数量更少；例如在乳腺癌中，估计约5%的总CSCs为静息状态。这些细胞可基于慢周期、缺乏增殖标志物和低RNA含量进行分离，并可用胸苷核苷类似物BrdU等标记物脉冲标记。为维持静息状态，受TME影响的复杂内在和外在通路以及遗传和表观遗传因素被激活。因此，探索这些分子机制对于识别可治疗靶向分子至关重要。参与调控CSCs静息状态的显著信号通路包括Notch、c-Myc/Wnt和p38-MAPK。控制CSC静息的基因的转录调控受表观遗传机制影响，包括染色质重塑、DNA甲基化和非编码RNAs。值得注意的是，乳腺癌CSCs通过H4K20me3表现出更紧密的异染色质形成，而黑色素瘤细胞显示H3K4去甲基化酶JARID1B水平升高，凸显不同肿瘤类型间不同的表观遗传策略。静息CSCs采用多种机制逃避免疫检测，包括抗原性降低和表达免疫检查点如PD-L1，从而抵御T细胞介导的细胞毒性。此外，VEGFA和ANGPT2等血管生成介质与IL-6等细胞因子协同作用，促进免疫逃逸并确保静息CSCs的持续存在。
**3.4. 静息CSCs的治疗靶向**
静息CSCs通过维持休眠状态驱动多种癌症类型的化疗抵抗，从而维持肿瘤持续存在和复发。靶向静息CSCs是一种新方法，需大量基础和临床研究以识别并靶向相关通路。然而，现阶段由于缺乏合适标志物及静息CSCs群体极小，前景复杂。TME主要负责维持CSCs静息状态并保护其免受免疫攻击。此外，它可能促进非CSCs向CSCs转化。因此，靶向TME组分可能更有效地使CSCs对化疗药物敏感。一种方法是迫使静息CSCs分化（例如用全反式维甲酸（ATRA）处理），这首先需要它们重新进入细胞周期（图3）。其前提是这将减弱其对常规治疗的抵抗并增强清除。然而，CSC唤醒也可能通过诱导增殖状态而带来癌症进展风险。静息CSCs处于低代谢状态；因此，刺激糖酵解等代谢通路可使细胞对化疗药物重新敏感，并迫使CSCs进入分化状态。癌症相关成纤维细胞（CAFs）通过ECM重塑和TME改变在化疗抵抗中发挥作用，从而支持CSC存活。因此，有建议通过迫使CAFs进入静息状态来提高肿瘤化疗敏感性，例如在胰腺肿瘤中用钙泊三醇（一种维生素D类似物）减少驱动CAFs肿瘤发生的维生素D受体过表达，或在黑色素瘤体内用ATRA。因此，诱导CAFs静息联合常规治疗可能是更有效的治疗干预。表4总结了对抗CSCs静息的策略。
**3.5. DNA损伤反应（DDR）系统**
关于DNA损伤反应（DDR）系统在CSCs中如何运作存在相互矛盾的报道，这归因于组织来源、CSC异质性及不同研究使用的细胞培养条件。在迄今研究的大多数CSC群体中，DDR酶和蛋白上调，包括ATM、ATR、CHK1、CHK2、PARP1、BRCA1和RAD51，以有效修复DNA；然而，也有报道其在包括食管CSCs在内的其他CSCs中下调。总体而言，已发表数据表明CSCs中DDR系统上调有效维持其干性、免疫逃逸和存活。这提出了CSCs中参与DDR的酶可作为治疗靶点以根除CSCs的可能性。除DDR酶外，CSCs倾向于具有更开放的染色质结构，尽管这需进一步探索以识别潜在治疗靶点。DDR系统中在CSCs中上调的两个关键丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶是ATM及相关ATR，见于乳腺癌和宫颈癌、HNSCC及胶质母细胞瘤CSCs。这些顶端DDR激酶检测DNA损伤并激活下游靶激酶，包括CHK1和CHK2。与ATR相比，ATM功能更广泛，在正常和癌症细胞的染色质重编程、氧化应激、自噬和细胞代谢中具有活性。DNA损伤期间，ATM在S824位点磷酸化KRAB相关蛋白1（KAP1），调控染色质松弛并允许双链断裂（DSB）DNA修复。此外，它激活促癌激酶转化生长因子-β激活激酶1（MAP3K7）和c-Jun N端激酶（JNKs），以及c-Jun/AP-1依赖性转录激活编码细胞朊蛋白（PrP
C）的PRNP基因。该ATM/TAK1/PrP
C轴上调介导肿瘤细胞放射抵抗，是神经母细胞瘤、乳腺癌和结直肠癌细胞系中CSC功能的已知调控因子。与ATR类似，在三阴性乳腺癌模型中，氧化型ATM已被证明通过STAT5（信号转导与转录激活因子5）/FOXP3（叉头盒P3）信号激活糖酵解相关基因（包括丙酮酸激酶（PKM2）、1型葡萄糖转运体（GLUT1）和三羧酸循环（TCA）相关基因丙酮酸脱氢酶（PDHα）），以不依赖DNA损伤通路的方式通过代谢重编程调节CSC群体。此过程中乙酰辅酶A产生增加通过组蛋白H4特定赖氨酸残基乙酰化诱导表观遗传重编程，最终促进CSC扩增。转录因子ZEB1在乳腺癌和胶质母细胞瘤CSC模型中也被ATM激活，通过稳定CHK1诱导EMT、肿瘤侵袭、转移和治疗抵抗。此外，ATM上调自噬相关4C（ATG4C）半胱氨酸肽酶等自噬相关基因，在乳腺癌干细胞模型中维持自噬流和乳腺球形成，从而支持CSC生长。DDR蛋白如端粒重复结合因子-2（TRF2；端粒保护shelterin复合体组分）和Yamanaka转录因子Krüppel样因子4（KLF4）与Myc等多能性相关转录因子相互作用，进一步维持CSC干性并促进其在神经母细胞瘤、肝细胞癌和口腔癌模型中的存活。这些转录因子还以反馈环路方式调控CSCs中的DNA修复蛋白。类似地，一些DNA修复蛋白作为CSC相关转录因子的转录共激活因子或共抑制因子。例如BRCA1调控p53转录并作为Myc靶基因的共抑制因子。在乳腺癌和卵巢癌模型的DNA修复过程中，BRCA1参与同源重组（HR）通路的多个步骤，如RAD51依赖性链侵入和D-loop形成；因此，BRCA1功能丧失突变增加癌症风险。某些DDR蛋白在维持CSC特征中发挥关键作用。例如，NBS1作为MRN复合体（MRE11、Rad50和NBS1）的重要成员，在乳腺癌、肾癌和口腔癌细胞系中响应辐射诱导DNA损伤稳定HIF1α，从而提示其在干性相关通路调控中的潜在作用。NBS1过表达还通过激活PI3K/AKT信号在人宫颈癌细胞中促进干性和转移潜能，并与干性和肿瘤进展相关通路有关。同样，MRN另一组分MRE11的高水平通过与PARP1和RAD51相互作用，促进结直肠癌干细胞的复制应激控制、基因组稳定性和存活。除这些例子外，DNA-PK和RAD51等DDR蛋白参与先天免疫信号通路调控。新出现的证据表明，DDR依赖性免疫调节可塑造肿瘤微环境并促进免疫逃逸，从而创造有利于CSC维持、持续存在和治疗抵抗的条件。DNA-PK在胶质母细胞瘤模型中与免疫调节信号有关，而RAD51介导的DNA损伤诱导免疫激活抑制已在人纤维肉瘤细胞中得到证实，并与食管癌、乳腺癌和结直肠癌中的免疫失调相关，可能促进CSC存活和肿瘤复发。
**3.6. CSCs中DDR系统的治疗靶向**
DDR系统通过有效修复DNA损伤、调控干性相关转录因子、解毒ROS及参与CSC相关信号支持CSC干性和存活。靶向CSCs中的DNA修复是克服治疗抵抗的有前景策略，但其应用因CSC异质性、表型可塑性及其与正常干细胞的相似性而复杂化。应更关注识别区分CSCs与正常干细胞的CSC特异性生物标志物和分子特征。近期胶质母细胞瘤、乳腺癌和白血病的RNA-seq及单细胞RNA-seq（scRNA-seq）研究已开始通过定义CSC群体中富集的干性相关转录程序和独特基因表达谱来应对这一问题。另一新研究领域是研究CSCs中开放染色质的机制和基础，即允许转录因子结合和活跃基因表达的可及DNA区域。这可通过ATAC-seq或DNase I超敏性分析等检测确定，揭示染色质可及性景观。此类信息对于识别驱动干性和治疗抵抗的CSC特异性调控元件和增强子区域很有价值，从而提供新的治疗靶点。表5总结了根除CSCs中DDR系统组分的潜在治疗靶点。
**3.7. CSCs中的凋亡抑制**
一般而言，CSCs上调抗凋亡蛋白表达，使其能够抵抗常规化疗和放疗。Bcl2家族蛋白包括抗凋亡的Bcl-2、Mcl-1、Bcl-XL和促凋亡的Bak、Bax、Bid、Bim、Bik、Noxa和Puma蛋白。凋亡抑制剂（IAP）家族有许多成员，包括IAP1、survivin、cIAP2、X连锁凋亡抑制蛋白（XIAP）、NAIP、ML-IAP和ILP-2。这些蛋白对凋亡的抑制由caspase-3、-7和-9介导。来自白血病和胶质母细胞瘤CSC模型的主要数据显示Bcl2家族蛋白表达失调，IAPs和TRADD（肿瘤坏死因子受体1相关死亡结构域蛋白；TNFR1信号的一部分，在CSCs中激活NF-κB）上调，导致凋亡抑制、CSCs存活和治疗抵抗。
**3.8. CSC凋亡抑制机制的治疗靶向**
为使CSCs对治疗重新敏感，阐明异常凋亡通路至关重要。Bcl-2抑制剂如Venetoclax（ABT-199）已在CLL和肉瘤CSC模型中显示疗效。其他策略包括TRAIL受体激动剂如dulanermin，通过DR4/DR5诱导凋亡，以及在异种移植和临床模型中测试的激动性抗体Mapatumumab和Conatumumab。此外，survivin靶向树突状细胞疫苗已在多发性骨髓瘤患者中显示免疫激活和持久疾病控制。这些方法凸显了克服CSC介导凋亡抵抗的转化潜力。
**3.9. 肿瘤微环境（TME）组分支持CSC和治疗抵抗表型**
肿瘤微环境（TME）作为相互连接的生态系统，维持癌症干细胞（CSCs）并驱动治疗抵抗。缺氧、血管生成、癌症相关成纤维细胞（CAFs）、肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）、髓源性抑制细胞（MDSCs）、细胞因子、细胞外基质（ECM）重塑和免疫逃逸机制并非孤立作用，而是汇聚以强化CSC干性、保护CSCs免受细胞毒性治疗并抑制抗肿瘤免疫。例如，缺氧稳定HIF-1α以增强干性，血管生成提供营养和免疫抑制信号，CAFs重塑ECM以维持CSC龛，而TAMs和MDSCs分泌细胞因子抑制免疫反应。CSCs本身主动调节树突状细胞和NK细胞，抑制溶细胞颗粒，并表达免疫抑制分子以维持存活。认识这些相互依赖性凸显了为何治疗策略必须同时靶向CSCs及其支持性微环境。下文各小节简要解释支持CSC存活和治疗抵抗表型的TME各组分。
**3.9.1. 缺氧**
当细胞增殖率超过新生血管化速率时，实体瘤中发生缺氧。氧和营养耗尽环境的结果是通过缺氧诱导因子（HIFs）激活缺氧转录程序，使癌症细胞适应此缺氧环境并支持其持续存活。HIF1α是支持新生血管化、防止细胞分化、控制细胞凋亡和激活DNA修复的关键转录因子，所有这些均促进化疗抵抗。HIF1α参与多种癌症中的药物抵抗和CSC群体增加，例如结直肠癌中通过CSN8/GLUT1轴对5-氟尿嘧啶治疗的抵抗；肝细胞癌（HCC）细胞中通过HIF1α/USP22/TP53轴对索拉非尼的抵抗。HIF1α还通过ITGA6增加乳腺癌中的CSC群体；通过叉头盒蛋白M1（FOXM1）增加胰腺癌中的CSC群体；通过miR-215增加结肠癌中的CSC群体；以及通过信号转导与转录激活因子3（STAT3）激活增加胶质瘤中的CSC群体。
**3.9.2. 血管生成**
TME血管与CSCs之间的串扰维持CSC龛并导致不良预后。CSCs通过分泌促血管生成因子和促进血管内皮细胞分化诱导血管生成；反过来，血管提供营养支持CSC存活。TME中与血管生成相关的重要分子和通路包括VEGFR-2、STAT3、MAPK/CXCL8/CXCL1信号、TGF-β、FGF2、b-FGF、基质细胞衍生因子SDF-1（CXCL12）和血管生成素。在胶质母细胞瘤CSC模型中，VEGF分泌已被证明驱动异常血管增殖并维持血管周围龛。在乳腺癌CSCs中，CXCL1/CXCL8信号增强血管生成并与患者不良生存相关。在肝细胞癌中，CSCs激活STAT3和TGF-β通路以促进内皮祖细胞募集和血管重塑。CSCs本身也可聚集形成模拟血管网络的异常渗漏血管，从而除募集内皮祖细胞外还支持肿瘤生长需求。
**3.9.3. 癌症相关成纤维细胞**
CAFs是肿瘤中细胞外基质（ECM）的主要来源，对维持TME内CSC龛至关重要。其效应通过分泌胶原、纤连蛋白、ECM降解蛋白酶、生长因子、血管生成介质、趋化因子和促炎细胞因子介导。在肝细胞癌中，CAF驱动的赖氨酸去甲基化酶1（LSD1）激活增强CSC自我更新能力。在乳腺癌和肺癌中，以CD10和GPR77表达为特征的独特CAF亚群已被证明直接维持CSC群体，导致化疗抵抗和总生存降低。在胆管癌中，CAFs分泌TGF-β和VEGF以促进CSC扩增和血管生成。在口腔鳞状细胞癌中，CAF衍生的CXCL2和CCR7信号增强CSC干性和侵袭。在结直肠癌中，CAFs通过整合素介导通路和骨桥蛋白（SPP1）分泌调控CSCs。在骨肉瘤中，CAF衍生的结缔组织生长因子（CTGF）与CSC维持和肿瘤进展有关。总体而言，这些例子表明CAFs通过表观遗传调节、旁分泌信号和ECM重塑以肿瘤特异性方式调控CSC群体。
**3.9.4. 肿瘤相关巨噬细胞**
巨噬细胞大致分为促炎M1和抗炎M2两型。TME中的CSCs通过分泌巨噬细胞特异性趋化剂（如CXCL8、IL-10、CCL5、CCL3、CCL2、ICAM-1、VEGF-A、神经降压素和分泌型ECM蛋白periostin）募集巨噬细胞并诱导其分化为M2表型。M2巨噬细胞还通过激活STAT3和NF-κB等多种信号介质，在包括卵巢、胶质母细胞瘤、肝、乳腺和肺癌在内的多种癌症中支持自我更新和CSC干性，导致产生TGF-β、IL-6、IL-1β、IL-10、IL-8和IL-17等细胞因子和生长因子。
**3.9.5. 髓源性抑制细胞（MDSCs）**
MDSCs是起源于造血干细胞的未成熟髓系细胞。存在多种MDSCs表型，但免疫抑制性TME中仅发现两种：单核细胞型MDSCs和多形核MDSCs。调控其在TME中募集的重要因素包括G-CSF、M-CSF和GM-CSF等生长因子；IL-1、IL-4、IL-6、IL-13和TNF等细胞因子；以及包括IL-8、CCL2和CXCL12在内的趋化剂。髓源性抑制细胞可通过促进免疫逃逸增强CSC干性和存活，这已在包括卵巢癌、胰腺癌和乳腺癌在内的多种癌症中报道。
**3.9.6. 细胞因子**
TGF-β是参与细胞和癌症生物学许多方面的重要细胞因子。特别是，它在不同肿瘤类型（如乳腺癌、肺癌和前列腺癌）的免疫逃逸、EMT诱导和复杂CSC相关信号中发挥重要作用。高IL-4和TGFβ表达可导致CD44
+/CD24
?乳腺癌CSCs中SMAD2/SMAD3依赖性信号激活并支持免疫逃逸。这由人类Sca-1同源物Ly6K和Ly6E（被认为是干细胞生物标志物）及尿激酶型纤溶酶原激活物受体（uPAR）促进。IL-6是另一种对CSC诱导重要的细胞因子。其表达增加可通过JAK2/STAT3信号诱导DNA甲基转移酶1（DNMT1），从而在肺癌CSCs中抑制细胞周期调控因子。组织相关巨噬细胞（TAMs）分泌IL6，在乳腺癌CSCs中触发STAT3依赖性信号以维持干性。CD44
+前列腺CSCs和HNSCC中IL-6/STAT3通路上调可上调PD-L1表达，促进免疫抑制。CCL20/CCR6轴也通过NFκB/PKCζ和p38MAPK通路在乳腺癌、肝细胞癌、食管癌和肺癌CSCs中与免疫逃逸相关。
**3.9.7. 细胞外基质**
细胞外基质（ECM）作为TME的关键成分，在增加CSC群体中发挥关键作用。主要由胶原、层粘连蛋白、纤连蛋白、蛋白聚糖和基质细胞蛋白组成，支持肿瘤血管生成并提供干细胞龛。透明质酸（HA）可与CD44结合形成CD44-Nanog复合体，促进CSC干性、转移和治疗抵抗。层粘连蛋白-332（层粘连蛋白-5）特别报道通过α3β1/Ln-332轴导致HCC中索拉非尼抵抗。
**3.9.8. CSCs抗原呈递受损**
在与肿瘤细胞的免疫相互作用中，细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）上的T细胞受体（TCRs）与肿瘤细胞的MHC-I抗原相互作用。然而，在CSCs中，抗原未被蛋白酶体机制适当降解；因此，MHC-1介导的抗原呈递受损。因此，CSCs中抗原加工和呈递的整个过程受损，导致CTLs的细胞毒性反应缺陷。在组织培养环境中，黑色素瘤球体细胞下调MHC-1表达，导致同种异体免疫反应降低。同样，富集CSCs的原代胶质母细胞瘤神经球表达低MHC-1，缺乏MHC-II，并显示抗原加工组分表达降低，包括低分子量蛋白（LMP）、抗原加工相关转运体（TAP）和β2-微球蛋白。某些CSCs（包括黑色素瘤干细胞）通过降低癌症相关抗原表达及MHC I类和II类分子水平实现免疫逃逸。这种下调阻止T细胞的有效识别和靶向。
**3.9.9. CSCs对溶细胞颗粒的抑制**
NK细胞和CTLs通过释放含穿孔素和颗粒酶的溶细胞颗粒杀死靶细胞。穿孔素寡聚体使靶细胞膜多孔并诱导坏死。这些与颗粒酶一起通过激活前caspases诱导靶细胞凋亡。乳腺癌CSCs可通过分泌蛋白酶抑制剂9（PI9）抑制这些溶细胞分子，PI9抑制颗粒酶B。同样，肥大细胞诱导的serglycin（一种对颗粒酶B具有亲和力的蛋白聚糖）负责胶质瘤CSCs的免疫逃逸。胰腺CSCs可能通过表达使穿孔素失活的钙网蛋白逃避NK细胞免疫监视。
**3.9.10. CSCs中免疫抑制分子的表达**
来自多种肿瘤类型（如胃癌、乳腺癌和膀胱癌）的CSCs已被报道表达共抑制免疫分子如程序性死亡配体1（PD-L1）以抑制免疫监视。CSCs上的PD-L1与免疫细胞上的PD-1结合并下调其功能。多种因素参与CSCs中PD-L1表达，例如Ly6K/E、乳腺癌细胞中的蛋白酶体激活因子亚基3（PSME3）、口腔鳞状细胞癌ALDH1
+放射抵抗CSCs中的DNA甲基转移酶β3（DNMT3B），以及CD133
+/CD44
+结直肠CSCs中的HMGA1。此外，胰岛素/PI3K/AKT/mTOR轴、EGF、STAT3和乙酰胆碱/CD133/PI3K/AKT也与不同CSCs中PD-L1过表达相关。多发性骨髓瘤、AML和HNSCC的CSCs分泌的另一种免疫抑制分子是CD200，其与巨噬细胞和树突状细胞上的CD200R结合。这种相互作用抑制巨噬细胞活化和树突状细胞成熟，从而减少促炎细胞因子释放和抗原呈递，促进免疫抑制性肿瘤微环境。参与化疗和放疗抵抗的CSC干性相关通路如BMI1和sonic hedgehog也受CD200调控。
**3.9.11. CSCs对树突状细胞活性的调节**
树突状细胞（DCs）是引发免疫反应所需的抗原呈递细胞，在调控肿瘤免疫及连接先天和适应性免疫反应中发挥关键作用。未成熟DCs捕获肿瘤特异性抗原并在其表面表达，以便被免疫细胞识别。DCs来源于造血DC祖细胞，可分为朗格汉斯细胞、常规DCs（含DC1和DC2两个亚群）、浆细胞样DCs和炎性DCs。DCs根据其表型具有抗肿瘤或促肿瘤作用。CSCs通过抑制其在TME中的募集并诱导支持促肿瘤作用的耐受性免疫抑制表型来逃避免疫监视。这种表型变化通过分泌多种因子执行，如IL-4、IL-10、IL-13和TGF-β、PD-L1、B7-H3、CXCL12、CD47、IDO1和信号调节蛋白α（SIPRα）。DCs分泌的IL-12可激活NK细胞释放干扰素-γ（IFN-γ），后者在黑色素瘤、结直肠癌和乳腺癌模型中对转移抑制以及CD4和CD8 T细胞介导的免疫至关重要。NK细胞还可通过分泌CCL5和XCL1将抗肿瘤表型的DCs募集至TME，从而抑制癌症生长。NK与DC细胞之间的这种串扰可用于开发DC疫苗，通过用肿瘤特异性抗原脉冲NK和DCs来规避CSCs。
**3.9.12. CSCs对NK细胞活性的调节**
自然杀伤（NK）细胞代表先天免疫系统的关键分支，专门识别和消除表现出主要组织相容性复合体I类（MHC-I）表达降低或缺失的转化或感染细胞。在生理条件下，MHC-I分子与NK细胞上的抑制性受体（如KIRs、NKG2A）结合，从而减弱其细胞毒性潜力。因此，逃避MHC限制性细胞毒性T淋巴细胞识别的肿瘤细胞仍易受NK细胞介导的裂解。CSCs对NK细胞攻击表现出异质性易感性，大致分为NK敏感型和NK抵抗型。例如，以CD24
+/CD44
+、CD133
+和ALDH
+表达谱为特征的乳腺癌CSCs表现出升高的MHC-I多肽相关序列A/B（MICA/MICB）水平，其作为NK细胞激活受体NKG2D的配体。这种分子构型使这些CSCs更易受NK介导的细胞毒性。同样，结直肠CSCs显示MHC-I表达降低，同时上调CSC相关标志物（CD133、CD44、Lgr5、CD166）和NK激活受体如NKp30和NKp44的配体，从而增强NK识别和细胞毒性。相反，某些CSC群体采用免疫逃逸策略赋予对NK介导杀伤的抵抗。例如，某些乳腺癌CSCs下调包括MICA/MICB和UL16结合蛋白（ULBPs）在内的NKG2D配体，从而损害NK细胞活化并赋予细胞毒性抵抗。此外，CSCs可通过改变促凋亡和抗凋亡调节因子的平衡调节凋亡信号通路，有效阻断死亡受体介导的裂解。另一种突出的免疫逃逸机制涉及非经典MHC-I分子如HLA-G和HLA-E的上调。这些分子与抑制性NK受体KIR2DL4（结合HLA-G）和NKG2A（结合HLA-E）相互作用，传递减弱NK效应功能的抑制信号。结直肠CSCs exemplifies 这一策略，从而逃避NK细胞监视并促进肿瘤持续存在和进展。
**3.9.13. 肿瘤微环境与CSCs的神经调节**
新出现的证据强调神经信号（包括神经递质、神经营养因子和自主神经系统活动）在塑造肿瘤微环境（TME）和影响癌症干细胞（CSC）生物学中的作用。去甲肾上腺素和乙酰胆碱等神经递质可调节血管生成和代谢适应，从而维持CSC龛。神经营养因子，包括神经生长因子（NGF）和脑源性神经营养因子（BDNF），已被认为通过激活PI3K/AKT和MAPK信号通路促进CSC干性和侵袭性。自主神经信号，特别是交感神经支配，通过改变细胞因子产生和损害NK细胞细胞毒性促进免疫抑制，而副交感信号可通过胆碱能通路影响肿瘤进展。因此，这些神经相关信号代表连接TME与CSC驱动药物抵抗表型的额外调控层。重要的是，空间组学和单细胞分析方法现在允许绘制神经纤维分布与CSC龛的关系，提供神经-CSC相互作用在肿瘤内空间组织方式的见解。此类分析可能通过识别维持干性、侵袭性和免疫逃逸的神经-CSC串扰机制来发现新的治疗靶点。
**3.10. 靶向TME和CSCs免疫逃逸的治疗**
鉴于肿瘤微环境（TME）维持和激活癌症细胞干细胞样程序的能力，靶向TME组分是减轻化疗抵抗的有前景策略。靶向CSCs的方法包括针对CSC相关抗原、信号通路、细胞因子和免疫细胞的干预，如表6所总结。例如，用CSC特异性抗原脉冲的NK和树突状细胞既可用于直接杀伤CSCs，也可用于开发抗原特异性疫苗，凸显创新免疫治疗途径。由于血管生成在维持免疫抑制性TME和支持CSC自我更新中发挥关键作用，将VEGF抑制策略与免疫治疗联合可能提供增强疗效。重要的是，这些机制相互关联：细胞因子产生、免疫调节和血管生成共同强化CSC存活和治疗抵抗。为克服这些挑战，需要更广泛的研究和新策略以根除CSCs。未来方向包括剖析细胞因子网络、绘制免疫逃逸的表观遗传调控图谱，以及将血管生成抑制剂与免疫调节治疗整合以瓦解CSC龛并改善患者结局。CSCs上调PD-L1和CD200等免疫抑制分子，抑制NK细胞溶细胞颗粒释放，损害树突状细胞（DC）成熟，从而减少抗原呈递和T细胞活化。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）通过分泌IL-10、TGF-β和VEGF进一步强化CSC存活，这些因子促进血管生成并抑制细胞毒性免疫反应。NK细胞对CSCs的活性常被CSC衍生配体减弱，这些配体下调NKG2D等激活受体。这些发现凸显了为何单药CSC靶向治疗往往不足，因为CSCs利用TME建立冗余免疫逃逸通路。联合策略如将检查点抑制剂与CSC靶向疫苗配对，或将VEGF阻断与NK细胞治疗整合，提供了瓦解CSC龛和克服抵抗的合理方法。未来研究应系统评估这些相互作用，以设计同时靶向CSCs及其免疫抑制微环境的多模式治疗。
**4. 结论**
癌症干细胞（CSCs）表现出显著可塑性，响应治疗应激在静息、增殖和分化状态间转换。这种由代谢重编程、维持低活性氧（ROS）的抗氧化防御及增强的DNA修复能力驱动的适应性，共同促进药物抵抗和复发。例如，CSCs可进入静息G0期以逃避靶向周期细胞的治疗，在糖酵解和氧化磷酸化之间切换以在缺氧或营养剥夺中存活，并激活同源重组和非同源末端连接等DNA修复通路以承受基因毒性应激。这些机制解释了CSCs在治疗后持续存在的原因，并强调时机和联合策略的重要性，即将代谢抑制剂、ROS调节剂和DNA修复阻断剂与常规治疗整合以破坏CSC存活。为克服CSC相关复发和治疗失败，未来方法必须采用精准策略，选择性靶向CSCs同时保护正常组织。分子诊断的进步将实现定制治疗，而将CSC靶向治疗与化疗和放疗整合可增强疗效并减少复发。CAR-T细胞治疗、癌症疫苗、基于纳米技术的药物递送和CRISPR介导的基因编辑等新模式，通过破坏存活通路和抵抗机制为消除CSCs提供有前景的途径。同时，人工智能和机器学习可通过识别CSC标志物和预测反应来优化治疗设计，从而实现更个性化的干预。通过将这些创新与正在进行的肿瘤学研究相结合，未来治疗将提供更持久的解决方案，克服治疗抵抗并显著改善患者结局。
