肿瘤干细胞的生物学特性

肿瘤干细胞的生物学特性第一章肿瘤干细胞的基本特征肿瘤干细胞（）定义CSC肿瘤干细胞是一群具有独特生物学特性的细胞群体，它们拥有自我更新和无限增殖的能力，同时表现出高度致瘤性的历史与发现CSC1年1994科学家在急性髓系白血病研究中首次鉴定出肿瘤干细胞，这一John Dick突破性发现为肿瘤生物学开辟了全新的研究方向2年代初2000研究证实实体瘤（如乳腺癌、脑瘤）中也存在，推动了肿瘤生物学研CSC究的革命性变革3近年发展理论不断完善，成为理解肿瘤异质性、耐药性和复发机制的核心框架CSC的核心生物学特性CSC自我更新能力多向分化潜能高度耐药性通过非对称分裂维持种子细胞的数量和功产生具有不同表型和功能的肿瘤细胞群，形对传统治疗手段具有显著抵抗能力，是导致能，确保肿瘤的持续生长能力成肿瘤组织的异质性肿瘤复发和转移的主要原因对称与非对称分裂平衡分化为多种肿瘤细胞药物外排机制••••维持干细胞池稳定•重建肿瘤组织结构•增强DNA修复长期增殖潜能维持肿瘤多样性抗凋亡能力强•••肿瘤组织的细胞层级结构肿瘤干细胞（）普通肿瘤细胞CSC位于肿瘤细胞层级的顶端，如同种子由分化产生，构成肿瘤的主体部CSC般维持肿瘤的生长和再生能力虽然在分这些细胞增殖能力有限，成瘤能力肿瘤组织中仅占约，却具有最强的较弱，但数量众多，形成肿瘤的异质性1-5%成瘤能力群体与正常干细胞的异同CSC相似特征关键差异两者均具有自我更新能力、多向分化潜能和相对低的免疫原性，都能够长期维持组织的生长和修复CSC的增殖失去正常调控机制，分化过程异常，且具备强大的免疫逃逸能力，能够躲避免疫系统的监视和清除在肿瘤异质性中的作用CSC肿瘤异质性是指同一肿瘤组织内存在多种不同表型和功能的肿瘤细胞亚群，这种多样性是肿瘤治疗失败和耐药产生的重要原因分化CSC单个通过不对称分裂产生多种肿瘤细胞亚群CSC表型多样不同细胞亚群表达不同的表面标志物和功能蛋白功能差异形成具有不同增殖、侵袭、转移能力的细胞群体肿瘤异质性解释了为什么同一种癌症在不同患者中表现各异，也解释了为什么单一靶向治疗往往难以彻底清除肿瘤作为异质性的源头，是理解肿瘤复杂性的关CSC键的耐药机制CSC药物外排机制1CSC高表达ATP结合盒转运蛋白（ABC泵），如P-糖蛋白（P-gp）和乳腺癌耐药蛋白（BCRP），能够主动将进入细胞的化疗药物泵出细胞外，大大降低细胞内药物浓度细胞周期调控2许多CSC处于静止期（G0期）或缓慢分裂状态，而大多数化疗药物针对快速增殖的细胞发挥作用，因此CSC能够逃避化疗药物的杀伤作用修复增强DNA3CSC具有更强的DNA损伤修复能力，能够快速修复放疗和化疗引起的DNA损伤，包括激活ATM、ATR等修复通路抗凋亡能力4CSC高表达抗凋亡蛋白（如Bcl-

2、Bcl-xL），抑制凋亡信号通路，使细胞在受到治疗压力时仍能生存临床意义传统化疗可能杀死大部分快速增殖的肿瘤细胞，但无法清除具有强大耐药能力的CSC，这些残留的CSC最终导致肿瘤复发第二章肿瘤干细胞的分子标志与信号通路解析的分子特征、表面标志物及调控其行为的关键信号通路CSC表面标志物CSC血液系统肿瘤实体瘤急性髓系白血病脑瘤CD34+CD38-CD

133、Nestin这是最早被鉴定的CSC标志物组合，用于分离和富集白血病干细胞乳腺癌CD44+/CD24-结肠癌、肝癌CD

133、CD

44、ALDH研究挑战CSC标志物存在肿瘤类型特异性和异质性，同一肿瘤中可能存在多种CSC亚群，且标志物表达可能随微环境变化而改变，这给CSC的精确鉴定和靶向治疗带来挑战与的研究进展CD133CD44（）（透明质酸受体）CD133Prominin-1CD44是一种五次跨膜糖蛋白，在多种肿瘤是一种细胞表面糖蛋白，参与细胞黏CD133CD44中被广泛用作标志物细胞在附、迁移和信号转导细胞在乳腺CSC CD133+CD44+肝癌、结肠癌、脑胶质瘤等多种肿瘤中显著癌、前列腺癌、胃癌等多种肿瘤中与特CSC富集，具有更强的成瘤能力、自我更新能力性相关和耐药性能够与细胞外基质成分（如透明质CD44研究表明，细胞能够在免疫缺陷小酸）结合，促进肿瘤细胞的侵袭和转移此CD133+鼠中形成肿瘤，而细胞则成瘤能力外，还参与激活多种信号通路，增强CD133-CD44极弱或不能成瘤的自我更新和耐药能力CSC值得注意的是，虽然和是常用的标志物但它们并非在所有肿瘤类型中都具有普适性部分研究发现细胞也具有致瘤能CD133CD44CSC,CD133-力，提示标志物的复杂性和动态性CSC微环境（）CSC Niche肿瘤干细胞微环境（又称龛）是CSC赖以生存和维持干性的特殊微环境，由多种细胞和分子成分组成，对CSC的行为具有关键调控作用细胞成分分子成分物理因素•肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）•细胞外基质（ECM）•低氧环境（缺氧）•免疫细胞（巨噬细胞、T细胞）•生长因子和细胞因子•酸性pH值•血管内皮细胞•外泌体和微囊泡•机械应力•间充质干细胞（MSCs）•代谢产物•营养供应微环境不仅为CSC提供支持和保护，还通过分泌信号分子调控CSC的自我更新、分化和休眠状态微环境的变化能够影响CSC对治疗的反应，成为肿瘤治疗抵抗的重要机制之一关键调控信号通路通路Notch维持CSC干性和分化平衡，通过细胞间相互作用调控细胞命运通路Wnt/β-Catenin调控CSC自我更新与增殖的核心通路，β-Catenin入核激活靶基因表达通路Hedgehog促进CSC存活和肿瘤进展，在多种肿瘤中异常激活通路协同作用治疗靶点潜力这三条信号通路不是孤立运作的，它们之间存在复杂的交叉对话这些通路的关键分子成为CSC靶向治疗的重要靶点目前已有多种针对这些通（crosstalk）例如，Wnt通路的激活可以影响Notch通路的活性，而路的小分子抑制剂和单克隆抗体在临床前和临床研究中显示出良好的抗肿瘤效Hedgehog通路也能调节Wnt通路的下游效应果三大信号通路的分子机制0102通路通路Wnt/β-Catenin NotchWnt配体与Frizzled受体结合，抑制β-Notch受体与配体（如Jagged、Delta）结Catenin降解复合物，使β-Catenin在细胞合后被剪切，释放Notch胞内段质中积累并转位至核内，激活TCF/LEF转录（NICD），NICD入核与CSL转录因子结因子，诱导c-Myc、Cyclin D1等靶基因表合，激活Hes、Hey等靶基因，维持CSC的达，促进CSC增殖和自我更新未分化状态和干性特征03通路HedgehogHedgehog配体（Shh、Ihh、Dhh）与Patched（Ptch）受体结合，解除Ptch对Smoothened（Smo）的抑制，激活Gli转录因子，诱导Cyclin D、Bcl-2等基因表达，促进CSC存活和增殖临床应用多种针对这些通路的抑制剂正在研发中，如Wnt通路抑制剂LGK

974、Notch通路抑制剂γ-分泌酶抑制剂、Hedgehog通路抑制剂Vismodegib和Sonidegib，部分已获FDA批准用于特定肿瘤治疗信号通路异常与肿瘤发生信号通路的异常激活或突变是肿瘤发生的重要驱动因素，这些异常导致CSC的自我更新失控，促进肿瘤的恶性进展基因突变关键通路成分的突变（如APC、β-Catenin、Ptch等）导致通路持续激活，CSC异常增殖基因扩增通路激活因子（如c-Myc、Gli）的基因扩增增强通路信号，促进CSC扩增表观遗传改变DNA甲基化和组蛋白修饰异常影响通路基因表达，维持CSC干性耐药机制通路异常激活增强CSC对放化疗的抵抗，导致治疗失败和肿瘤复发第三章肿瘤干细胞在肿瘤发生与治疗中的作用探讨如何驱动肿瘤发生、复发和耐药以及针对的创新治疗策略CSC,CSC驱动肿瘤发生与复发CSC倍1%100占比成瘤能力CSC在大多数肿瘤组织中，CSC仅占肿瘤细胞总数的约单个CSC的成瘤能力可能是普通肿瘤细胞的100倍以1%左右上80%复发来源约80%的肿瘤复发可归因于残留CSC的再生长尽管CSC数量稀少，但它们具有极强的成瘤能力研究显示，移植少量CSC（甚至单个细胞）即可在免疫缺陷小鼠中形成肿瘤，而需要数万甚至数十万个普通肿瘤细胞才能达到同样效果010203初始成瘤治疗压力肿瘤复发CSC在组织损伤或基因突变后开始异常增殖，形成初始肿放化疗杀死大部分快速增殖的肿瘤细胞，但CSC因耐药机残留CSC在治疗后重新增殖和分化，导致肿瘤复发和转移瘤制而存活与肿瘤耐药CSCCSC对传统放疗和化疗的耐受性显著高于普通肿瘤细胞，这是肿瘤治疗失败的主要原因之一CSC通过多种机制逃避治疗药物的杀伤作用药物外排泵高表达CSC高表达ABC转运蛋白家族成员（如MDR

1、MRP

1、BCRP），能够主动将化疗药物泵出细胞，降低细胞内药物浓度至亚致死水平修复机制增强DNACSC具有更高效的DNA损伤修复系统，包括同源重组修复（HR）和非同源末端连接（NHEJ）通路，能够快速修复放疗和某些化疗药物造成的DNA双链断裂细胞周期调控许多CSC处于G0期静止状态或分裂缓慢，而大多数化疗药物针对快速增殖的S期和M期细胞，因此CSC能够逃避这些药物的杀伤抗凋亡通路激活CSC高表达Bcl-

2、Bcl-xL等抗凋亡蛋白，抑制线粒体凋亡通路，同时激活NF-κB、PI3K/AKT等生存信号通路微环境保护肿瘤微环境中的低氧、酸性pH、细胞外基质等因素为CSC提供保护性龛位，降低药物渗透和有效性传统化疗就像除草——你割掉了地面上的杂草，但如果不除掉根部（CSC），杂草很快会重新生长——肿瘤生物学家Max Wicha靶向治疗的挑战CSC标志物异质性不同肿瘤类型、不同患者甚至同一肿瘤内的CSC可能表达不同的标志物，导致难以找到普适性的靶向标志物同一CSC在不同状态下也可能改变标志物表达，增加识别难度微环境保护屏障肿瘤微环境为CSC提供保护性龛位，包括物理屏障（致密的细胞外基质）和化学屏障（生长因子、细胞因子），影响药物渗透和有效浓度，降低治疗效果可塑性与适应性CSC具有显著的表型可塑性，能够根据环境压力在干细胞状态和分化状态之间转换非CSC在特定条件下也可能去分化为CSC，增加了根除CSC的难度毒副作用风险由于CSC与正常干细胞具有相似的生物学特性和信号通路，靶向CSC的治疗可能对正常干细胞（如造血干细胞、肠上皮干细胞）产生毒性，造成严重副作用这些挑战要求我们开发多靶点、联合治疗策略，同时需要更精准的靶向方法来区分CSC与正常干细胞，以提高治疗的选择性和安全性靶向的治疗策略CSC小分子抑制剂单克隆抗体针对CSC关键信号通路的小分子药物，如Wnt抑制剂（LGK974）、Notch抑制剂（γ-分泌酶靶向CSC表面标志物的单克隆抗体，如抗CD

44、抗CD133抗体，通过抗体依赖性细胞毒作用抑制剂）、Hedgehog抑制剂（Vismodegib）等，通过阻断通路激活抑制CSC自我更新（ADCC）或补体依赖性细胞毒作用（CDC）清除CSC免疫治疗溶瘤病毒治疗利用免疫系统识别和清除CSC，包括CAR-T细胞治疗、免疫检查点抑制剂、肿瘤疫苗等，激经基因工程改造的病毒特异性感染并裂解CSC，同时刺激抗肿瘤免疫反应溶瘤病毒可携带治活患者自身免疫系统攻击CSC疗基因增强杀伤效果纳米药物递送联合治疗利用纳米颗粒载体靶向递送药物至CSC，提高药物在肿瘤部位的浓度，减少全身毒副作用可将CSC靶向治疗与传统化疗、放疗或靶向治疗联合使用，同时杀伤快速增殖的肿瘤细胞和结合CSC特异性配体实现精准递送CSC，降低复发风险前沿进展近年来，基于单细胞测序技术的精准识别、基于CRISPR的基因编辑、以及人工智能辅助的药物设计为CSC靶向治疗开辟了新途径研究实例溶瘤病毒基因治疗溶瘤病毒是一类能够选择性感染和杀伤肿瘤细胞的病毒,代表了CSC靶向治疗的创新方向作用机制基因工程改造策略靶向性增强插入肿瘤特异性启动子,限制病毒只在肿特异性感染瘤细胞中复制溶瘤病毒通过识别肿瘤细胞表面受体或利用肿瘤治疗基因携带装载免疫刺激因子（如GM-CSF、IL-细胞抗病毒防御缺陷,特异性感染CSC12）或自杀基因安全性提升删除毒力基因,降低对正常细胞的损伤病毒复制联合治疗与免疫检查点抑制剂联用,增强抗肿瘤效果病毒在CSC内大量复制,产生大量子代病毒颗粒临床应用首个获FDA批准的溶瘤病毒药物T-VEC细胞裂解（Talimogene laherparepvec）已用于黑色素瘤治疗多种针对CSC的新型溶瘤病毒正在临床试验中病毒复制导致CSC裂解死亡,释放肿瘤抗原和子代病毒免疫激活肿瘤抗原释放激活抗肿瘤免疫反应,产生长期免疫记忆间充质干细胞（）与肿瘤治疗MSCs间充质干细胞（MSCs）是一类具有多向分化潜能的成体干细胞,因其独特的肿瘤趋向性而成为肿瘤治疗的潜在工具药物载体可工程化改造为携带治疗基因或药物的特洛伊木马肿瘤趋向性免疫调节MSCs能够主动迁移至肿瘤部位并定植于肿瘤微环境中分泌细胞因子调节肿瘤微环境和免疫反应抑瘤作用机制促瘤风险

1.分泌抑制性因子（如DKK-1）抑制Wnt通路

1.分泌生长因子（如VEGF、IL-6）促进血管生成

2.分泌IFN-β等细胞因子诱导肿瘤细胞凋亡

2.增强肿瘤细胞的侵袭和转移能力

3.竞争性占据肿瘤微环境龛位,限制CSC生长

3.诱导免疫抑制性微环境

4.携带并释放化疗药物或治疗基因

4.可能分化为肿瘤相关成纤维细胞精准调控MSCs对肿瘤的双重作用取决于其来源、培养条件、给药时机等因素需要通过基因工程、预处理等手段精准调控MSC功能,最大化抗肿瘤效应的同时最小化促瘤风险作为肿瘤治疗载体的策略MSCs12携带自杀基因分泌抗肿瘤蛋白将胸苷激酶（TK）、胞嘧啶脱氨酶（CD）等自杀基因转入MSCs,定植于肿瘤后表达,将前工程化MSCs分泌TRAIL、IFN-β、IL-12等抗肿瘤因子,诱导肿瘤细胞凋亡或激活免疫系统体药物转化为细胞毒性药物34携带溶瘤病毒装载纳米药物MSCs作为溶瘤病毒的运输工具,保护病毒免受免疫清除,定向递送至肿瘤部位MSCs装载化疗药物纳米颗粒,利用肿瘤趋向性实现药物的精准递送临床前研究临床试验未来方向多项动物实验证实MSC介导的基因治疗能够显著抑制肿瘤部分MSC治疗策略已进入临床试验阶段,初步结果显示良好的需要优化MSC来源、改造方法和给药方案,提高治疗效果并生长和转移安全性和耐受性降低潜在风险研究的临床意义CSC改变治疗理念疗效评估新标准个体化治疗方案从杀死大量肿瘤细胞转向根除CSC,从根本上阻传统的疗效评估主要基于肿瘤体积变化,而CSC理论通过检测患者肿瘤中CSC的标志物表达谱和信号通断肿瘤复发的源头这要求治疗策略不仅要关注肿提示应该检测残留CSC水平作为治疗效果和复发风路激活状态,制定针对性的个体化治疗方案,提高治疗瘤体积的缩小,更要关注CSC的清除险的预测指标精准度倍70%2-350%复发降低潜力生存期延长耐药克服成功清除CSC可能使肿瘤复发率降低70%以上CSC靶向治疗有望使患者总生存期延长2-3倍联合CSC靶向治疗可使耐药患者的有效率提高50%识别和清除CSC是防止肿瘤复发的关键所在CSC靶向治疗有望提高癌症治愈率,减少耐药和转移,真正实现癌症的长期控制甚至治愈未来展望多组学技术整合单细胞测序、空间转录组学、蛋白质组学等多组学技术的整合应用,将全面揭示CSC的异质性、动态变化和微环境互作,为精准靶向提供依据智能纳米药物开发具有CSC特异性识别能力的智能纳米载体,实现药物的精准递送和可控释放,提高疗效的同时降低毒副作用新型免疫疗法设计靶向CSC的CAR-T细胞、双特异性抗体、肿瘤疫苗等新型免疫治疗手段,利用免疫系统的记忆功能实现肿瘤的长期控制精准医疗策略基于患者CSC特征谱的个体化治疗方案设计,结合人工智能辅助决策,实现真正的精准医疗联合治疗优化探索CSC靶向治疗与传统疗法、靶向药物、免疫治疗的最佳联合方案和给药顺序,实现协同增效随着技术进步和理论深化,CSC研究正从基础科学走向临床应用未来10年内,我们有望看到更多针对CSC的创新疗法进入临床,为癌症患者带来新的希望典型肿瘤标志物汇总CSC肺癌乳腺癌主要标志物CD

133、CD

44、ALDH主要标志物CD44+/CD24-、ALDH+侧群细胞（SP）具有高药物外排能力的细胞亚群亚型差异不同分子亚型CSC标志物表达不同功能特征高致瘤性、耐药性、转移能力强功能特征介导转移和内分泌治疗抵抗结肠癌脑胶质瘤主要标志物CD

133、CD

44、Lgr

5、EpCAM主要标志物CD

133、Nestin、SOX

2、CD15Lgr5肠道干细胞标志物,在结肠癌中标记CSC Nestin神经干细胞标志物功能特征驱动肿瘤起始和化疗抵抗功能特征高致瘤性、放化疗抵抗、侵袭性强肝癌胰腺癌主要标志物CD

133、CD

90、EpCAM、CD13主要标志物CD

44、CD

24、ESA、CD133CD90与肝癌预后不良相关CD44v6CD44变异体,与转移相关功能特征高转移潜能、耐药性功能特征极强耐药性、早期转移重要提示CSC标志物在不同研究中可能存在差异,单一标志物的特异性有限临床应用中通常需要多个标志物联合来更准确地识别CSC研究中的热点难点CSC标志物的特异性和稳定性CSC标志物在不同肿瘤类型、不同微环境条件下表达不一致,缺乏普适性强的标志物标志物表达的动态变化增加了CSC识别和靶向的难度与微环境的复杂交互CSC微环境对CSC的调控作用复杂,涉及多种细胞类型和分子信号如何在保留正常组织微环境的同时破坏CSC龛位是一大挑战靶向治疗的安全性和有效性如何区分CSC与正常干细胞,避免靶向治疗对正常组织的损伤如何克服CSC的可塑性和适应性,防止耐药克隆出现可塑性CSC与非CSC之间的动态转换异质性肿瘤内和肿瘤间CSC的高度异质性肿瘤干细胞研究进展时间轴1994CSC概念诞生-John Dick首次在急性髓系白血病中鉴定出CSC,证明CD34+CD38-细胞具有白血病起始能力2003实体瘤CSC发现-Al-Hajj等在乳腺癌中发现CD44+/CD24-CSC,证实实体瘤中也存在CSC2004-2007CSC标志物扩展-陆续在脑瘤、结肠癌、肝癌等多种实体瘤中发现CSC,鉴定出CD

133、ALDH等新标志物2008-2012信号通路研究-揭示Wnt、Notch、Hedgehog等关键信号通路在CSC自我更新中的作用,为靶向治疗提供依据2012Vismodegib获批-首个Hedgehog通路抑制剂获FDA批准用于基底细胞癌治疗,标志CSC靶向治疗进入临床2013-2016CSC可塑性发现-研究证实非CSC可以在特定条件下去分化为CSC,揭示CSC动态可塑性2015T-VEC获批-首个溶瘤病毒疗法获批,为CSC靶向治疗提供新思路2017-2020单细胞技术应用-单细胞测序技术广泛应用于CSC研究,揭示CSC异质性和微环境互作的细节至今2020-精准医疗时代-基于多组学技术的CSC精准识别、纳米药物递送、免疫治疗等新策略快速发展从概念提出到临床应用,CSC研究经历了近30年的发展,取得了令人瞩目的成就未来随着技术进步,CSC靶向治疗有望为癌症治疗带来革命性突破结语肿瘤干细胞研究开启抗癌新纪元CSC是肿瘤治疗的最后堡垒靶向CSC是攻克肿瘤复发和耐药的关键期待未来精准靶向治疗带来癌症治愈的曙光它们数量虽少,却是肿瘤复发和转移的根源,只有彻底清除CSC,才能真正防止肿瘤复发,实随着研究深入和技术进步,我们有理由相信癌攻克这一堡垒是实现癌症治愈的关键现癌症的长期控制症将成为可治愈的疾病肿瘤干细胞研究不仅改变了我们对癌症本质的认识,更为癌症治疗指明了新方向从识别CSC到靶向清除CSC,从单一疗法到联合治疗,每一步进展都让我们离战胜癌症更近一步基础研究突破技术创新驱动深入理解CSC的生物学特性、调控机制和异质性发展单细胞技术、纳米技术、基因编辑等前沿技术临床转化加速精准医疗实现推动创新疗法从实验室走向临床,惠及更多患者基于患者CSC特征的个体化精准治疗成为现实让我们共同期待,肿瘤干细胞研究为人类战胜癌症带来的光明未来!。