摘要
癌症干细胞（CSCs）是肿瘤内具有高度可塑性和治疗耐受性的亚群细胞，驱动肿瘤发生、进展、转移及复发。其逃逸常规治疗、适应代谢应激及与肿瘤微环境互作的能力，使CSCs成为创新治疗策略的关键靶标。单细胞测序、空间转录组和多组学整合技术的进展显著深化了CSC异质性与代谢适应机制的认知。CSC的代谢可塑性使其能在糖酵解、氧化磷酸化及谷氨酰胺/脂肪酸代谢途径间切换，从而在恶劣环境中存活。同时，CSC与基质细胞、免疫组分及血管内皮细胞的互作通过代谢共生促进其生存和耐药性。尽管已有突破，但可靠生物标志物的缺失及靶向特异性问题仍是主要障碍。3D类器官模型、CRISPR功能筛选和AI驱动的多组学分析正在推动精准靶向CSC治疗的发展。双代谢抑制、合成生物学干预和免疫疗法等新兴策略有望克服CSC介导的治疗耐药。未来需整合代谢重塑、免疫调节与CSC脆弱性靶向的协同方法开发有效疗法。本文综述CSC生物学最新进展，分析关键挑战并展望临床转化前景。
引言
癌症干细胞（CSCs）具有自我更新能力、强化的生存机制和治疗耐受性，推动肿瘤复发和进展。其逃逸治疗并驱动转移的特性使CSCs成为改善癌症治疗的关键靶标。理解并有效靶向CSCs可能是突破治疗耐药和降低癌症死亡率的关键。然而，尽管学界对其临床相关性达成共识，CSCs的精准定义和识别仍存争议。缺乏通用CSC标志物是主要难题，常用表面蛋白如CD44和CD133在正常干细胞（NSCs）或非致瘤性癌细胞中亦有表达。其表达随肿瘤类型和微环境改变而动态变化，表明CSC特性受内在遗传程序与外源信号共同塑造。非CSCs可通过缺氧、炎症或治疗压力获得干细胞特征，显示CSC状态的动态性。
CSC研究进展：从初始发现到肿瘤适应
CSC理论自19世纪起历经关键发现演进。1858年Virchow提出“细胞来自细胞”理论，揭示肿瘤源于正常细胞病理变异。1941年睾丸肿瘤研究表明未分化生殖细胞可引发肿瘤。1994-1997年John Dick通过移植人AML细胞发现SL-IC（SCID白血病启动细胞），确立CSC理论基础。2003年起，乳腺癌、胶质母细胞瘤、肺癌等实体瘤中相继发现CSCs。2010年后，单细胞测序技术揭示肿瘤异质性，CAR-T细胞疗法在小鼠模型证实靶向CSC的可行性。2018年机器学习通过转录组数据建立干细胞指数，推动CSC量化和靶标发现。
CSC与正常干细胞（NSCs）的相似性与特异性
CSC与NSCs共享自我更新和分化特性，但其通过劫持Wnt/β-catenin、Notch、Hedgehog等信号通路促进恶性进展。例如，肠道Lgr5+隐窝干细胞通过Wnt信号维持未分化状态，而结直肠CSCs异常激活该通路驱动肿瘤发生。CSCs还常利用非NSCs激活的通路如IL-6/STAT3和NF-κB，促进自我更新、免疫逃逸和耐药性。转录因子如SOX2、NANOG、OCT4通过抑制谱系特异基因维持未分化状态。
CSC功能与肿瘤特异性适应
CSCs通过自我更新和分化机制推动肿瘤增长，其不对称分裂产生CSC和分化癌细胞。CSCs分泌VEGF促进血管生成，HIF-1α激活PKM2增强代谢重编程。除了Warburg效应（有氧糖酵解），CSCs可切换代谢模式以适应微环境。例如，胶质瘤干细胞在缺氧条件下高表达线粒体组分，通过氧化磷酸化维持ATP生成。乳腺癌中基底型CSCs依赖糖酵解，而腔面型CSCs则转向氧化磷酸化。胰腺癌干细胞利用谷氨酰胺代谢维持三羧酸循环和抗氧化平衡。
CSC标志物与异质性
CSCs标志物包括CD44、CD133、EpCAM等表面标记，以及OCT4、SOX2、ALDH等转录因子。然而，这些标志物在不同肿瘤中表达差异显著。例如，CD44在胃癌CSCs中特异性表达CD44v8-10亚型，而LGR5在结直肠和肝癌中具有重要价值。ALDH活性结合表面标志物可提升CSC识别精度。当前研究强调组合标志物策略，而非单一标志物追求。
信号通路与互作网络
CSCs通过Notch、Hedgehog和PI3K/AKT/mTOR等信号网络维持干性和适应治疗压力。Notch信号在胶质母细胞瘤、乳腺癌中激活，促进肿瘤进展。Hedgehog通路在胰腺癌、髓母细胞瘤中驱动自我更新，而Wnt/β-catenin通路在肝癌中与BEX1沉默相关，增强CSC维持。这些通路的失调形成复杂的信号互作网络，使其成为治疗靶标。但通路抑制剂常面临补偿激活问题，如Notch抑制导致PI3K/AKT补偿激活。
代谢可塑性：CSC的生存策略
CSCs的代谢可塑性使其在糖酵解与氧化磷酸化间动态切换。在缺氧或营养受限条件下，胰腺CSCs依赖谷氨酰胺代谢维持三羧酸循环和抗氧化平衡。结直肠癌CSCs在葡萄糖不足时转向脂肪酸氧化。肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）通过分泌乳酸、谷氨酰胺和脂肪酸与CSCs形成代谢共生，例如CAFs进行有氧糖酵解产生乳酸，CSCs通过MCT1/4转运乳酸进行线粒体氧化代谢。这种代谢互作使CSCs对抗糖酵解疗法具有耐受性。
微环境互作：塑造CSC动态
肿瘤微环境（TME）通过低氧、炎症因子（如IL-6、TGF-β）、基质细胞（CAFs、内皮细胞）和细胞外基质（ECM）重塑CSC动态。低氧稳定HIF-1α/2α激活VEGF生成，上调自我更新转录因子OCT4、NANOG、SOX2。CAFs分泌TGF-β、HGF和Jagged-1，诱导上皮-间质转化（EMT）和Notch信号激活。ECM硬化通过YAP/TAZ激活增强CSC存活，基质金属蛋白酶（MMP）介导ECM降解促进侵袭。
靶向CSCs的治疗策略
传统疗法难根除CSCs，因其耐药机制包括：药物外排泵（ABCB1、ABCG2）、ALDH活性、抗凋亡（BCL2、Survivin）和DNA修复强化。新兴策略包括：
- 代谢双靶向：糖酵解与氧化磷酸化联合抑制（如2-脱氧葡萄糖+寡霉素）
- 合成生物学：多靶点CAR-T细胞（靶向CD44、CD133、EpCAM、LGR5）和智能基因电路设计
- 癌症疫苗：树突状细胞疫苗呈递CD133、ALDH1抗原，新抗原疫苗个性化靶向
- 表观遗传干预：DNMT1抑制剂（地西他滨）和HDAC抑制剂（伏立诺他）诱导CSC分化
- 纳米药物递送：靶向CSC标志物（如CD44）的纳米载体精准递药
临床转化障碍与技术创新
CSC异质性和代谢可塑性导致临床转化困难。多项临床试验显示Notch、Hedgehog抑制剂因毒性或补偿性激活失效。新技术如：
- 单细胞与空间组学：揭示CSCs亚型及其微环境定位，如胰腺癌CSC与CAFs的KRAS突变互作
- 多组学整合：结合基因组、转录组、代谢组数据解析CSC独特代谢依赖（如尿素循环失调）
- CRISPR功能筛选：鉴定EMT调控基因（如ZEB1）和代谢脆弱性（如GLS1）
- 类器官模型：患者源类器官测试CSC靶向药物敏感性，优化个性化治疗
展望与多学科整合
未来需结合系统生物学、合成生物学和机器学习驱动的精准医学，开发靶向CSC的整合疗法。关键方向包括：
- 个性化治疗：通过多组学数据预测个体CSC脆弱性，动态调整治疗策略
- 代谢免疫协同：靶向OXPHOS的IACS-010759联合CAR-T增强T细胞持久性
- 3D类器官验证：建立患者特异性类器官模型测试CSC靶向疗法有效性
- 临床试验优化：基于CSC标志物分层患者，探索Notch/Hedgehog抑制剂联合免疫检查点阻断的疗效
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