综述：靶向癌症干细胞（CSCs）的转化见解与临床挑战

《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Translational insights and clinical challenges of targeting cancer stem cells

　　

癌症干细胞（CSCs）是具有自我更新、多向分化和肿瘤起始能力的肿瘤细胞亚群，它们维持着癌症的发生、进展、转移和复发。因此，靶向CSCs是提高癌症治疗持久性的一条有前景的途径。然而，由于生物学复杂性和临床限制，该方法转化为常规护理进展缓慢。本综述讨论了CSCs起源和可塑性的当前概念、用于定义不同肿瘤类型CSCs的标准、以及用于追踪CSC状态的标志物系统和高分辨率技术。研究人员探讨了控制CSCs维持和治疗耐药的发育通路、生长因子和细胞因子级联、以及微环境和应激反应，并重点关注它们作为药物靶点的可操作性。随后，研究人员讨论了CSCs逃逸化疗、放疗和靶向药物的机制。研究人员回顾了当前利用这些通路设计针对CSCs的小分子、抗体、细胞疗法和疫苗的努力。肿瘤内和肿瘤间的异质性、CSCs与非CSCs状态之间的动态相互转换、以及来自特化生态位的支持被认为是临床试验设计、生物标志物开发和疗效评估的主要障碍。研究人员回顾了新兴的单细胞、空间和谱系追踪方法，以及类器官和离体平台，作为衔接临床前模型和患者样本、并指导靶向CSCs联合方案开发的工具。目标是概述转化原则，以指导未来将聚焦CSCs的干预措施与既定疗法相结合的策略，从而改善长期疾病控制。

**Introduction**
癌症干细胞（CSCs）是具有自我更新、多向分化和肿瘤起始能力的肿瘤细胞亚群，这些特性与正常干细胞生物学相似，但受致癌突变和恶性微环境的影响。CSC概念源于血液系统恶性肿瘤的功能性移植研究，随后扩展到实体瘤。研究表明肿瘤细胞可呈层级性组织，但当前理解已超越简单层级模型，强调可塑性：分化或部分分化的肿瘤细胞可通过上皮-间充质转化（EMT）样转录程序、表观遗传重塑、缺氧、炎症细胞因子、细胞毒性治疗和局部生态位破坏等机制重新获得干细胞样特性。CSCs对治疗具有更强抵抗性，归因于增强的DNA修复、促存活信号通路激活、静息或慢周期状态等机制。临床对CSCs的兴趣源于其通过静息/休眠、增强的DNA损伤检查点和修复、低活性氧（ROS）和抗氧化缓冲、ALDH介导解毒、ABC转运蛋白介导药物外排、凋亡抑制、铁死亡防御、自噬、线粒体质量控制以及缺氧、基质、免疫和细胞外基质生态位保护等方式抵抗标准治疗和靶向治疗的能力。靶向CSCs的治疗前景广阔，但临床尚未解决。

**Origin and identification of cancer stem cells**
CSCs的起源仍在研究中，当前模型提出CSCs源于正常干细胞转化或更成熟癌细胞去分化。层级模型认为肿瘤由稀有、自我更新的CSC群体维持，支持来自AML和乳腺癌研究。可塑性模型挑战刚性层级观点，认为干性是可逆的细胞状态，而非固定谱系特性。去分化在环境或治疗诱导应激下变得明显，体外球体实验、标记分选和组织解离可能放大应激诱导的可塑性。当前理解支持层级组织和表型可塑性共存的统一框架。CSCs具有区别于其他肿瘤细胞的独特特性：增强的DNA修复、药物外排、静息状态、高侵袭性（通过基质金属蛋白酶（MMPs）和EMT）、免疫逃逸（下调抗原呈递、增加免疫检查点表达、分泌免疫抑制细胞因子）以及休眠能力。CSC鉴定依赖功能检测、表型富集和分子谱分析结合。体内有限稀释异种移植是金标准。功能富集工具包括ALDEFLUOR检测高ALDH活性细胞、Hoechst 33342染料外泌侧群（SP）细胞、发育通路报告构建体。表型标志物如CD44^highCD24^low（乳腺癌）、CD44⁺CD24⁺EpCAM⁺（胰腺癌）、CD45^?CD90⁺（肝细胞癌）、CD133⁺（胶质母细胞瘤和结直肠癌）等，但无通用标志物，需结合功能验证。

**High-resolution technologies in CSC research**
单细胞转录组学（scRNA-seq）重塑了CSC概念，显示许多肿瘤包含恶性转录状态连续体，包括祖细胞样/干细胞样程序和应激适应/间充质样程序。轨迹分析（伪时间、RNA速率）推断状态转换。单细胞多组学（CITE-seq、联合RNA-染色质可及性）连接CSC状态与调控机制。空间转录组学（ST）和原位成像（MERFISH/seqFISH、CODEX/IMC/MIBI-TOF）揭示干细胞样程序在完整组织中的位置及生态位特征。谱系追踪和克隆条形码通过时间分辨测试CSC状态是否真正驱动肿瘤生长、持久性和复发。患者来源肿瘤类器官（PDOs）保留肿瘤层级和异质性，支持功能测试。机器学习工具（scVI、scANVI、图神经网络）从单细胞和空间数据中提取干细胞样基因程序，并指导生物标志物识别。

**Regulation of signaling pathways governing CSC behavior**
**WNT/β-catenin信号通路**：WNT信号通过Frizzled（FZD）受体和LRP5/6共受体激活，β-catenin稳定后核转位与TCF/LEF结合诱导靶基因。APC失活/截短常见于结直肠癌，Sec62竞争性破坏APC-β-catenin结合，FZD10促进肝细胞癌干细胞样特征和仑伐替尼耐药。非经典WNT通过ROR1/ROR2等共受体激活，影响极性、迁移和侵袭。RNA调节（lncRNA PKMYT1AR、circ_0000467）和表观遗传修饰（KDM1A、m6A修饰）也调控WNT信号。**Notch信号通路**：Notch1-4受体与配体结合后，经ADAM10/17和γ-分泌酶切割释放NICD，核内与RBPJ/CSL和MAML形成转录复合物。Notch促进自我更新，但效应高度依赖环境。NUMB负调控Notch，CD51通过结合NUMB阻断其降解。Notch与EMT相关转录因子ZEB1相互作用。**Hedgehog信号通路**：Hh配体结合Patched（PTCH）解除对SMO的抑制，GLI转录因子激活靶基因。Hh信号调节CSC自我更新、EMT和化疗耐受，如Hh-Bmi-1通路在乳腺癌干细胞中维持自我更新和肿瘤起始能力。**Hippo信号通路**：MST1/2和LATS1/2激酶级联使YAP/TAZ磷酸化并滞留在细胞质中降解，当Hippo信号减弱时YAP/TAZ进入细胞核与TEAD合作控制细胞分裂、存活和干细胞样行为。TAZ活性支持乳腺癌CSC更新和肿瘤形成能力，YAP/TAZ也影响治疗耐受和转移行为。

**Microenvironment and stress-regulated programs**
**NF-κB信号通路**：NF-κB（RelA/p65-p50）通过经典通路（IKKβ/IκBα）和非经典通路（NIK/IKKα/p100）连接炎症信号和细胞应激，在CSC样组分中富集。在肠道中，慢性NF-κB活性增加WNT输出并允许去分化；在胶质母细胞瘤中，RelB与IFN诱导蛋白35（IFI35）支持自我更新并招募肿瘤相关巨噬细胞；在乳腺癌中，HOTAIR与p65协作维持干细胞样状态。**缺氧细胞信号**：HIF-1α和HIF-2α稳定后重塑转录和代谢，通过缺氧-Notch耦合（如Vasorin维持Notch活性）、缺氧-WNT耦合（如β-catenin乳酰化稳定）、自噬（Galectin-8/mTORC1/TFEB）和染色质重塑（HIF-1α与FACT/RNF20/RNF40）支持CSC存活。**铁死亡防御信号**：CSC样细胞通过系统xc^-（SLC7A11/xCT）-GSH-GPX4轴、CD44v变体稳定xCT、膜脂质重塑（SCD1、ACSL3）以及FSP1/CoQ、DHODH/CoQ、GCH1/BH4等替代抗氧化系统抵抗铁死亡。**自噬相关信号**：CSCs利用自噬-溶酶体系统应对应激，如胶质母细胞瘤干细胞中缺氧诱导Galectin-8/mTORC1/TFEB轴促进溶酶体生物发生和自噬维持自我更新，伴侣介导的自噬（LAMP2A）也参与维持。在头颈鳞状细胞癌中自噬通过FOXO3和SOX2支持干细胞样特征。

**Growth factor and cytokine-driven cascades**
**TGF-β信号通路**：TGF-β通过SMAD2/3（经典）或非经典通路（Rho-like GTPases、p38 MAPK、JNK、ERK、PI3K-AKT）调节CSC自我更新、可塑性和迁移。在乳腺癌中TGF-β促进CD49F^high和CD61^high干细胞亚群，诱导EMT相关转录因子（SNAIL、SLUG、TWIST、ZEB1/2）；在结直肠癌中TGF-β促进LGR5⁺结肠干细胞休眠；在胰腺导管腺癌中TGF-β/Smad3通路增加球体形成和CD24⁺、CD44⁺、CD133⁺细胞比例。**受体酪氨酸激酶（RTK）驱动通路**：EGFR剪接变体（EGFRx）选择性表达于胶质母细胞瘤干细胞（GSCs），维持自我更新和肿瘤起始能力；EGFRvIII通过STAT3驱动CSC特性。AXL、MET、IGF-1R等RTK也支持CSC，如AXL激活促进GSC存活和侵袭，IGF-1R通过PI3K/AKT和MYC/YAP等转录因子维持乳腺癌和食管癌等CSC池。**JAK/STAT3信号通路**：IL-6/JAK2/STAT3和IL-6/JAK2/STAT5模块连接炎症细胞因子与CSC自我更新、表型转换、免疫逃逸和治疗抵抗。在胶质母细胞瘤中，BMX激酶耦合受体信号至STAT3；在乳腺癌中，XIST lncRNA通过海绵miR-let-7a-2-3p去抑制IL-6驱动STAT3依赖干细胞因子；在结直肠癌中，AKAP12通过PKC-STAT3通路调节CSC特性。

**Mitochondrial dynamics and quality control in CSC persistence**
CSCs通过线粒体融合（MFN1/2、OPA1）、分裂（DRP1、FIS1）和自噬（PINK1/Parkin、BNIP3/NIX）维持代谢灵活性。在非小细胞肺癌中，OPA1驱动的融合支持干细胞样特性；在胶质母细胞瘤中，DRP1激活性磷酸化促进脑肿瘤起始细胞（BTICs）存活；在AML中，FIS1升高驱动线粒体自噬维持自我更新。这些机制赋予CSCs药物耐受性。

**CSC-associated mechanisms of therapy resistance**
**内在遗传和表观遗传因素**：CSCs具有TP53突变等遗传改变和DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传改变，导致DNA修复增强、凋亡逃避、药物外排泵过表达。**避免细胞死亡和增强DNA修复**：CSCs中ATM/ATR/CHK1/CHK2通路激活，促进DNA损伤修复；Rho/ROCK信号促进生存素（survivin）表达保护CSCs避免凋亡。**ROS介导的放射和化疗耐药**：CSCs维持低基础ROS水平和高抗氧化防御（Nrf2、Prx2），抵抗辐射和化疗诱导的氧化应激；FoxM1下调ROS水平支持干细胞性和耐药性。**ALDH介导的多药耐药**：ALDH1A1高表达CSCs通过维持低ROS和解毒细胞毒性醛类抵抗多种药物；ABC转运蛋白（MDR1/ABCB1、BCRP/ABCG2、MRP1/ABCC1）过表达促进药物外排。**EMT和CSC标志物在耐药中的作用**：EMT激活（Snail、Twist、ZEB1）通过诱导AXL、MGMT、ABCG2等促进耐药；CD133、CD44v、CD166、CD49f、CD24、CD9等标志物与耐药相关。**CSC休眠介导的耐药**：CSCs进入静息G0期逃避化疗和放疗，受p38 MAPK、ZEB2等调控。**生态位介导的耐药**：CSCs生态位中缺氧、细胞外基质、癌症相关成纤维细胞（CAFs）、肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）通过分泌因子（IL-6、IL-8、CXCL12、TGF-β、IGF-1）和细胞外囊泡（EVs）传递信号（如agrin/LRP4/YAP轴）增强干细胞性和耐药性。**信号通路**：Notch通过促进EMT和药物耐受性；WNT/β-catenin通过诱导MDR1/ABCB1；Hedgehog通过GLI依赖的ABC转运蛋白诱导；PI3K/Akt/mTOR通过抑制凋亡和促进生存，共同构成耐药网络。

**Challenges in targeting cancer stem cells for therapy**
**异质性和可塑性**：CSCs内肿瘤内异质性和动态表型转换使单一治疗策略难以彻底清除，需多靶点或联合治疗。**诊断和治疗意义**：CSCs稀有且缺乏通用标志物，需改进识别方法；当前治疗策略包括抑制维持通路、靶向生态位和免疫治疗。TGF-β抑制、HGF-MET靶向等早期临床研究显示生物学活性，但需谨慎解释。缺氧条件、通路冗余和相互作用增加靶向难度。

**Emerging therapies and approaches**
**新型治疗药物和策略**：包括Porcupine抑制剂（靶向WNT/β-catenin）、免疫检查点抑制剂（CTLA-4、PD-1/PD-L1）、CSC特异性疫苗和CAR-T细胞疗法。盐霉素、姜黄素、二甲双胍等药物通过诱导铁死亡、自噬抑制等机制靶向CSCs。**联合疗法和多模式方法**：通过同时靶向多条通路或CSC生物学不同方面（如与肿瘤微环境相互作用）旨在克服耐药性，但临床试验结果参差不齐，受限于毒性、缺乏生物标志物选择和直接CSC终点。

**Clinical perspectives and future directions**
**靶向CSC生物标志物**：多项临床试验靶向CSC标志物（如双硫仑/铜在胶质母细胞瘤中）结果不明确，归因于肿瘤内穿透不足和脱靶效应。**CSC导向免疫治疗**：CAR-T疗法（如靶向EGFRvIII和IL13RA2的TanCAR）在胶质母细胞瘤中显示早期活性；抗CD133 CAR-T在晚期恶性肿瘤中可行；卡妥索单抗（靶向EpCAM和CD3）减少恶性腹水；petosemtamab（双特异性抗体结合LGR5并促进EGFR降解）在头颈鳞状细胞癌中显示临床反应。**CSC靶向疫苗**：树突状细胞疫苗（如ICT-107靶向胶质母细胞瘤CSC相关抗原）改善无进展生存期（PFS）；肽疫苗（靶向RhoC）在前列腺癌中安全但未达到主要临床疗效终点；mRNA疫苗（如DEN-STEM靶向survivin和hTERT）正在进行II/III期试验。**靶向CSC微环境**：针对TME的临床试验（如pexidartinib/度伐利尤单抗、莫格利珠单抗/纳武利尤单抗）显示复杂性和毒性，但初步证据表明通过调节MDSCs或Tregs可能产生抗肿瘤活性。**未来方向**：可靠的功能性CSC生物标志物（如ALDH活性、ABC转运蛋白外泌、ROS水平、HIF靶点活性、WNT/Notch/Hedgehog报告活性、单细胞/空间特征）优于表面标志物；试验设计应纳入CSC调节终点（如系列液体活检、功能性检测）；联合策略应基于机制假设并验证药效学；药物递送（纳米颗粒、区域给药）和基因编辑工具（CRISPR）可能提高疗效。未来进展可能来自将机制性生物标志物、CSC感知终点和合理联合方案相结合的临床试验。