癌症干细胞特性及靶向治疗进展

吴安琪，曙 光，王 晶，殷 刚 （中南大学湘雅基础医学院病理学系，湖南长沙410013）

·专家述评·

癌症干细胞特性及靶向治疗进展

吴安琪，曙 光，王 晶，殷 刚 （中南大学湘雅基础医学院病理学系，湖南长沙410013）

癌症干细胞因其自我更新和治疗抵抗等特性被认为是癌症发生、发展、耐药和复发的根本原因．癌症干细胞的干性调控和耐药性机制研究受到越来越广泛的关注，同时一系列新研究证明了癌症干细胞群体并非过去所认为的单一不变的群体，而是具有多样性和可塑性．这一概念丰富了对癌症干细胞的认识，为治疗方案的研究提供了新的方法．本文将总结癌症干细胞的重要特性，以及近年来基于干性调控通路开发的靶向治疗临床试验中的成果和问题，展望其应用前景．

癌症干细胞；自我更新与分化；耐药性；靶向治疗；多样性与可塑性

0 引言

癌症干细胞（cancer stem cells，CSCs）是指具有干细胞特征的癌细胞，能够自我更新，并且产生异质性的肿瘤．有关CSCs的说法最早形成于白血病研究中，直接的证据来源于20世纪90年代，John Dick团队在把白血病患者的外周血移植到非肥胖型糖尿病重症联合免疫缺陷（sever combined immune deficiency，SCID）小鼠身上后可诱发同类型白血病，同时发现外周血细胞的致瘤能力参差不齐，只有CD34＋CD38⁃亚群的细胞具有高致瘤能力，被认为富集了白血病始发细胞［1］．2003 年 Al⁃Hajj等［2］最早在实体肿瘤乳腺癌中分选出了一部分表达 CD24⁃／lowCD44＋Lineage⁃表面标志物的癌细胞亚群，即乳腺癌始发细胞，该群细胞具有高致瘤性，可以驱动肿瘤发生，并且由其长出的肿瘤依然具有异质性．随后，通过相似的方法也相继在其他多种实体肿瘤和癌症细胞系中发现存在CSCs［3］．CSCs的发现与分离鉴定为肿瘤治疗提供了新方向．

1 CSCs的自我更新与分化

通常认为CSCs具有与成体干细胞相似的自我更新与分化能力．自我更新是指亲代细胞通过对称或不对称分裂产生的子细胞中至少有一个保留亲代所有特征．其中不对称分裂产生的子细胞部分或完全丢失亲代干性，即为分化．基于CSCs与成体干细胞的相似性，有学者认为CSCs可能起源于成体干细胞．Tomasetti等［4］发现癌症发生的风险与组织成体干细胞的分裂次数密切相关．DNA复制过程中伴随着随机突变的发生，导致干细胞以恒定的速率累积突变［5］，最终使干细胞发生癌变［6－7］．癌症的发生发展被认为是一个渐变的过程，随着癌细胞中驱动突变数目的累加，癌症的恶性程度增强［8－9］．自我更新的特性有利于驱动突变在CSCs中累积，从而驱动肿瘤发展转移．来自于肾癌、乳腺癌、肺癌等临床样本的分析也表明，CSCs的存在确实预示着预后不良［10－12］．

CSCs的分离与鉴定极大地促进了CSCs的机制研究．已有大量研究表明CSCs中存在一种或多种异常信号通路，调控着自我更新，研究较为透彻的有Wnt／β⁃catenin、Notch 和 Hedgehog［13－14］等，这些信号通路在胚胎发育和分化中起着重要作用，可能对CSCs的致瘤性至关重要，是阻碍CSCs自我更新、增殖和肿瘤发展的重要治疗靶点．

1．1 Wnt信号 Wnt信号中的int1最早被当做原癌基因在小鼠中被鉴别出来，随后的研究发现了更多的int1相关基因，组成Wnt家族．目前已表征的Wnt信号包括经典Wnt信号通路和非经典Wnt信号通路，其中经典Wnt信号通路又称为Wnt／β⁃catenin通路，由Wnt配体结合到Frizzled家族受体后，导致β⁃catenin在胞质的累积，最终转位到核内，作为TCF／LEF家族转录因子的转录性共激活子发挥作用，靶向激活包括干细胞表面标志物和增殖等基因，在胚胎发育、成体干细胞和CSCs的维持和调控中均起着重要作用［15］．在包括肺癌、胃癌、结肠癌和乳腺癌在内的多种CSCs均高表达Wnt信号［16］．而且多种用来鉴定和分离CSCs的表面标记物，例如 Lgr5、CD44、CD24 和EpCAM等都是Wnt的靶基因，而TCF受体、β⁃catenin、RSPO和BCL9都与Wnt活性有关［17］．增强或减弱Wnt信号水平不仅可以影响CSCs的比例，同时也可以影响CSCs的自我更新能力．研究表明LGR5通过激活Wnt／β⁃catenin调控乳腺癌CSCs自我更新和致瘤能力［18］．Wnt信号通路同时受自身以及壁龛中邻近细胞旁分泌的Wnt配体和细胞因子等调控［17］．最近一项研究表明小鼠和人类肺腺癌中存在两个不同的亚群细胞，具有高Wnt信号活性的Wnt反应细胞具有致瘤能力等干细胞特性，而另一群细胞提供Wnt配体形成壁龛．通过基因手段干扰Wnt产物或者信号，或者通过小分子抑制剂靶向Wnt的转录后修饰都可抑制肿瘤的增殖和发展［19］．Vermeulen 等［20］通过利用具有Wnt活性的报告子发现具有高水平Wnt活性的肠癌细胞也表达CSCs标志物，而且用来自于肌纤维细胞或／和干细胞生长因子的条件培养基可在体外和体内恢复低Wnt活性结肠癌细胞的克隆形成潜能．靶向Wnt信号通路有助于癌症的治疗，可是Wnt信号在对正常干／祖细胞和CSC的调控中是否存在不同仍需要进一步的研究．

1．2 Notch信号 Notch是一种单穿膜受体蛋白，Notch信号与Wnt信号相似，均为原始保守的细胞命运调控通路．当Notch受体胞外段与相邻细胞表面配体结合后，可导致蛋白水解作用，释放Notch受体胞内段，进入胞核与CBF1和Mastermind形成复合物，激活靶基因的转录［21］．异常激活的Notch信号与宫颈癌、肺癌、结肠癌、头颈癌、肾癌、胰腺癌和T细胞白血病等多种恶性肿瘤的发生发展密切相关．但是在肝癌、皮肤癌和小细胞肺癌等某些肿瘤类型中，Notch信号又可导致细胞死亡抑制癌症［22］．这种功能的差异受多种机制的调控，包括受体⁃配体 land⁃scapes、组织拓扑、胞核环境和调控网络的联接度［23］．不同于Notch在肿瘤中的复杂功能，现有的研究大多表明Notch激活可促进CSCs的自我更新和生存．上游可致癌的刺激激活Notch通路以及微环境中存在的信号都可刺激CSCs扩增并促进肿瘤发展，相反Notch信号减少导致祖细胞群减少和分化增加［24］．Notch信号受体在结肠癌CSCs中表达量是常用结肠癌细胞系的10～30倍，以shRNA和小分子抑制剂敲除Notch后，p27和ATOH1表达量增加，诱导细胞凋亡，同时Notch也抑制了细胞系谱分化基因MUC2的分泌，维持CSCs的自我更新［25］．在乳腺癌CSCs群中Notch4信号是分化细胞的8倍，而CSCs群中Notch1信号较分化细胞低了4倍，通过药物或者遗传手段抑制Notch1或Notch4可导致干性和肿瘤形成能力下降，抑制Notch4后可导致肿瘤发生能力的彻底丧失［26］．在肝癌CSCs中发现了Notch2的激活，活化的Notch信号起着维持CSCs干性的作用［27］．卵巢癌研究中发现 microRNA⁃136不仅可通过 Notch3抑制CSCs活性，而且可以增强紫杉醇的抗肿瘤效应［28］．

1．3 Hedgehog 信号 Hedgehog（Hh）为高度保守的通路，在自我更新和细胞命运决定中起重要作用．异常的Hh信号与发育、多种癌症的发生发展以及CSCs的维持均有关［29－30］．经典的 Hh 配体有三种：Sonic（Shh）、Desert（Dhh）和 Indian（Ihh），可结合受体复合物Patched（PTCH1和 PTCH2），解除 PTCH 介导的Smoothened（SMO）抑制．SMO可驱动信号级联导致胞核glioma相关原癌基因转录因子（GLI1，GLI2，GLI3）转位和激活．GLI可根据环境激活特定的调控自我更新、细胞命运、存活、血管生成、上皮间质转化和细胞侵袭的基因．作为 Hh转录靶标，GLI1和PTCH形成反馈循环调控Hh信号［30］．Hh信号可通过破坏干性决定基因驱动CSCs表型，Nanog作为决定胚胎干细胞自我更新和分化的体细胞多能重编程的重要的转录因子，是Hh信号通路的直接转录靶标．而且Hh信号通过驱动干性调控基因（例如Oct4、Sox2和 Bmi1）的表达维持了多种癌症的干性标志［29］．Hh信号驱动了肺癌、乳腺癌、胰腺癌、结肠癌、胶质瘤、多发性骨髓瘤和慢性髓系白血病中的CSCs维持．这些肿瘤中Hh信号选择性地在CSCs中活化，通过调控CSCs标志物乙醛脱氢酶、BMI1、WNT2和CD44直接驱动了CSCs表型．临床前期研究表明多种肿瘤CSCs都对Hh通路抑制剂敏感，靶向Hh治疗可阻断CSCs引起的耐药性、复发和转移［30］．Clement等［31］发现 Hh⁃Gli信号调控了 CD133＋胶质瘤 CSCs的自我更新和干性基因的表达．通过环巴胺或者慢病毒介导的沉默干扰Hh⁃Gli信号结果强调了Hh⁃Gli信号是肿瘤发生所必须的．Shh通路在胰腺癌CSCs中高度活化，并且在调控干性基因表达和维持干性中起重要作用，其效应可通过莱菔硫素（sulforaphane，SFN）所阻断［32－33］．甲状腺未分化癌细胞系中，抑制Shh通路导致CSCs自我更新降低，放疗敏感性增强；反之，过表达Gli1导致微球形成增加，CSC扩增和放疗抵抗增加［34］．

2 CSC的耐药机制

在过去的半个世纪中，化疗和放疗是临床肿瘤科的标准护理手段，可显著减少肿瘤负荷，提高生存率．不足之处是复发率较高，且有部分患者对治疗不敏感．越来越多的证据表明白血病和实体肿瘤CSCs固有的或者获得的临床治疗抵抗导致了复发．CSCs与分化的癌细胞相比，对化疗和放疗都更加耐受，因此放疗和化疗导致了肿瘤的缩小和 CSCs的富集［35］．CSCs产生治疗抵抗机制在近十年内得到了越来越多的关注和研究．

2．1 主动泵出药物 CSCs表面存在转运蛋白可主动排出化学药物，被认为是CSCs耐药机制之一．ABC转运蛋白是一组跨膜蛋白，可利用ATP水解能量，逆浓度方向将一系列化合物转运通过膜结构［36］．干细胞和CSC与分化细胞相比，高表达特定ABC转运蛋白来排出细胞毒性药物，增强生存能力．早期干细胞分离方法就利用了这一特性，将能够排出Hoechest33342染料的细胞通过流式细胞仪分选出来，命名为侧群细胞（side population，SP）．对23个成神经细胞瘤临床样本的分析显示，65%肿瘤中可检测到SP，这些细胞可持续增长，也可进行不对称分裂，产生SP和非SP，高表达ABCG2和ABCA3转运蛋白基因，并且可有效排出米托蒽醌等细胞毒性药物．在乳腺癌、肺癌、胶质瘤细胞系也可检测到SP［37］．因此，靶向ABC转运蛋白可能降低化疗耐药性，但是不幸的是，之前三代抑制剂的开发都以失败告终，其原因可能是药代动力学的相互作用或者存在其他的转运蛋白［38］．Snider 等［36］利用酵母双杂交技术描绘了19个非线粒体ABC转运蛋白的相互作用路线图和机理，揭示ABC转运蛋白与涉及多种细胞过程的蛋白相关，该研究结果将有助于研发更具有针对性的治疗癌症的药物．其他转运蛋白，例如MDR⁃1的表达可见于晚期白血病CSCs［39］，也具有将药物排出细胞的能力，而OCT⁃1则作用于药物的摄入［40］．

2．2 高效修复 离子放射中产生的自由基可导致DNA损伤，CSCs中有着高效修复机制，可能是导致放疗抵抗的原因之一．乳腺癌CSCs高表达自由基清扫系统基因，从而使CSCs中活性氧（reactive oxygen species，ROS）保持在低水平并避免DNA损伤，通过药物抑制CSCs中ROS清除系统以后，其克隆形成能力和放疗抵抗降低［39］．在胶质瘤中，CSCs可优先激活DNA损伤检查点，更快地修复DNA损伤，避免离子放射诱导的凋亡．通过药物抑制检查点激酶CHK1和CHK2也可使 CSCs增加对放疗的敏感性［41］．因此，与DNA修复相关的机制可能介导了放疗抵抗．

除上述重要机制外，干细胞沉默、壁龛中细胞因子作用、细胞⁃细胞相互作用和上调生存相关信号分子等机制也与治疗抵抗相关，其中部分机制将在下文涉及．值得注意的是，尽管CSCs表现出高水平ABC转运蛋白等，构成CSCs的特性之一，但ABC转运蛋白并不直接调控干性，通过靶向转运蛋白可帮助消除CSCs，但是目前尚不明确靶向转运蛋白能否消除所有CSCs，否则有效地缩小肿瘤负荷后仍有可能复发．前文述及的靶向CSCs干性调控机制的药物，理论上可减少甚至彻底消灭CSCs，从而增强肿瘤组织对治疗的敏感性．但是，最新研究发现，当选择性地去掉lgr5＋结肠癌症干细胞后，并没有观察到预期中的肿瘤退化，而且在停止处理后lgr5⁃细胞能快速补充丢失的 lgr5＋细胞［42－43］．鉴于之前另一项系谱跟踪实验已对lgr5＋细胞的干细胞特性进行了验证［44］，研究者推测可能存在储备CSCs或者说其他癌细胞可逆转为CSCs来代偿干细胞的丢失．这一结果提示CSCs多样性、可塑性等问题在肿瘤治疗中不可忽视．

3 CSCs的多样性与可塑性

传统的CSCs理论认为组织中只存在一小部分CSCs，这一小撮细胞通过自我更新和分化驱动肿瘤发生发展并维持肿瘤的生长，层级内进行单向分化．随着研究的深入，现在的理论认为同一肿瘤内可能存在着多种CSCs，CSCs之间以及CSCs和非CSCs之间的转化，即CSCs多样性和可塑性．两者并不矛盾，可能为截取某一时间和空间层面对同一个体的研究结果．

3．1 CSCs的多样性 系谱追踪实验在小肠上皮中鉴定出了两种干细胞，一种为主要存在于基底隐窝的柱状细胞，表达lgr5且细胞周期循环快［45］；另一种主要存在于基底隐窝以上且表达Bmi1［46］．选择性地杀死lgr5＋细胞后并未扰乱肠上皮的平衡，同时Bmi1＋细胞产生子代增多来代偿lgr5＋细胞的缺失．系谱追踪也显示Bmi1＋细胞可产生lgr5＋细胞，说明Bmi1可能代表了储备干细胞，可作为补充lgr5＋细胞的来源［47］．如前文所述Lgr5＋CSCs已经证明是肿瘤转移所必须的，但是肿瘤的维持却是非必须的［42］，结肠癌中很可能与小肠上皮类似，也存在两种 CSCs．研究表明Bmi1过表达被发现广泛存在于胃肠道癌，与临床预后相关［48］，但是Bmi1是否标记了一群不同于lgr5的结肠癌CSCs，并且能够补充lgr5＋CSCs仍有待进一步验证．

乳腺癌研究提供了CSCs多样性的直接证据．CD24⁃CD44＋和ALDH＋是富集乳腺癌症干细胞最常用的两种标志物［2，49］．Liu 等［50］对乳腺癌组织的研究表明用CD24⁃CD44＋和 ALDH＋标识的癌症干细胞在空间上并不完全重合，属于不同的细胞亚群．CD24⁃CD44＋标识的是上皮向间质转化态癌症干细胞，这些细胞一般处于静止期，通常位于癌组织的侵袭前沿，而ALDH＋标识的是间质向上皮转化态的癌症干细胞，这些细胞一般处于扩增期，通常位于癌组织的中间部位，两者可相互转化．另一些研究也支持了肿瘤中存在多种CSCs的猜想，Hermann等［51］发现胰腺癌中CD133＋CXCR4＋细胞是肿瘤转移所必须的，去除这一群细胞即可特异性地抑制肿瘤细胞转移，却不影响肿瘤细胞的致瘤能力，说明胰腺癌中存在不同的CSCs细胞群分别具有转移性和致瘤性．Wang等［52］也发现分别通过CD133和HCBP⁃1在H460肿瘤微球中鉴别的CSCs之间只存在极少的一部分重叠．其他多种类型肿瘤研究中也报道过不同CSCs标记物的使用，这些标志物是否标记了同一群细胞，不同标记的CSCs功能有无异同以及彼此之间的关系仍需要进一步的研究．

3．2 CSCs可塑性 另一种类型的转化也有报道．Weinberg团队发现乳腺癌细胞在体外和体内条件下均可自发地转化产生富有侵袭性的CSCs［53］．Gupta等［54］也观察到乳腺癌中非CSCs和CSCs细胞群之间可相互转化，快速地达到一定的平衡比例．Roesch等［55］发现 H3K4去甲基酶（JARID1B）可调控黑色素瘤细胞系的致瘤性，JARID1B⁃细胞可转变为 JAR⁃ID1B＋并且获得自我更新能力．Auffinger等［56］发现化疗也可诱导黑色素瘤模型中已分化癌细胞转化为CSCs样细胞．这一系列的研究结果说明肿瘤层级中不仅存在多种CSCs，还存在着双向分化．一般情况下双向分化中的去分化发生率很低，特定因素可显著促进去分化的发生，代偿CSCs的不足．

CSCs多样性和可塑性特征对不同肿瘤的治疗影响深远．在同一个肿瘤中可能存在着多种CSCs，特异性地针对一群CSCs治疗可能产生筛选效应，或者唤醒沉默的CSCs开始增殖，导致停药后发生高效转化，同时代偿前期治疗中丢失的CSCs，最终产生复发和转移．同时靶向肿瘤中存在的多种CSCs或者阻断CSCs可能的所有来源，可能治愈癌症并防止复发．值得注意的是，不同的肿瘤类型中，甚至来源于不同患者的同种肿瘤中存在的CSCs类型比例以及可塑性可能存在差异，今后可能需要结合大规模筛选和精准医疗进一步优化肿瘤的治疗方案．

4 CSCs微环境调控CSCs命运

CSCs存在于特定壁龛环境中，有助于维持CSCs的基本特性，保持表型可塑性，促进转移潜能［57］．肿瘤微环境中包括了多种细胞和非细胞成分，多种因素都被证明与CSCs命运调控相关．已知可促进去分化的因素包括了重构的细胞外基质、来自多种微环境细胞的分泌信号以及细胞⁃细胞相互作用等．

基质细胞中的肿瘤相关纤维细胞被证明与多种肿瘤的发展密切相关，其促癌作用可能是通过对CSCs的调控．胰腺癌模型中星形细胞（肌纤维细胞）分泌因子可诱导干细胞样或间充质样命运相关基因表达，促进CSCs表型［58－59］．结肠癌体内体外模型中，肌纤维细胞分泌的肝细胞生长因子可使癌细胞上调Wnt通路，恢复 CSCs样表型［60］．

癌症组织中通常存在着不同程度的炎症细胞浸润，巨噬细胞和T细胞等可分泌多种炎症因子，调控CSCs命运．IL⁃6可由肿瘤微环境中多种免疫细胞分泌，IL⁃6可使多种乳腺癌和前列腺癌细胞系中的非CSCs转化为CSCs［61］，也可通过激活肿瘤相关纤维细胞，诱导前列腺癌发生 EMT增加干性［62］．CD4＋T细胞可分泌IL⁃22，作用于癌细胞，激活STAT3和甲基转移酶DOT1L，诱导核心干细胞基因NANOG、SOX2和Pou5F1，导致结肠癌细胞干性和致瘤能力增加［63］．卵巢癌 CSCs壁龛细胞产生 IL⁃17，可促进 CD133＋CSCs的微球形成能力和致瘤能力，基因表达谱分析表明IL⁃17通过 NF⁃κB和 p38分裂刺激蛋白激酶（mitogen activited protein kinase，MAPK）信号通路促进自我更新［64］．

某些实体肿瘤中CSCs倾向于存在血管旁，邻近内皮细胞［65］．在胶质瘤体外培养模型中，来自内皮细胞的条件培养基可诱导分化的胶质瘤细胞去分化为CSCs，其中基础型纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）即可诱导分化的胶质瘤细胞重新表达CSCs标志物，并使其微球形成能力增加［66］．最近的研究表明通过下调肿瘤相关内皮细胞中肿瘤抑制因子／检查点胰岛素样生长因子结合蛋白⁃7（insulin⁃like growth factor⁃binding protein 7， IGFBP7）和上调胰岛素样生长因子1（insulin⁃like growth factor 1，IGF1），可使内皮细胞异常激活FGFR1⁃EST2通路，从而使多种肿瘤中的惰性肿瘤细胞获得癌症干细胞样活性［67］．与之相反的是，Heddleston 等［68］发现低氧也可使非CSCs细胞的微球形成能力增加并且上调重要的干细胞因子，在非CSCs细胞中强制表达不可降解的HIF2a后可诱导CSCs标志物，并且增强致瘤能力．这种矛盾可能代表了肿瘤发展不同时期对微环境需求不同．

上述研究对CSCs理论进行了扩充，为靶向CSCs的治疗研发提供了新的方向．Verastem公司研发的Defactinib是一个FAK抑制剂，FAK是由PTK⁃2基因编码的非受体酪氨酸激酶，在多种肿瘤中高表达，对CSCs的存活和致瘤能力至关重要．Defactinib可通过调节肿瘤微环境，增强抗肿瘤免疫能力以及减少CSCs来达到治疗癌症的目的．该药在单药给予KRAS突变非小细胞肺癌患者和联合紫杉醇给予复发性卵巢癌患者的耐受性临床试验中已经初步显示有效，目前已开始胰腺癌、非小细胞肺癌、卵巢癌和间皮瘤的联合治疗临床试验［69］．由Dompé公司研发的一种用于治疗移植排斥反应的药物reparixin被证明可通过作用于CSCs上的IL⁃8受体CXCR1，抑制IL⁃8造成的炎症反应来影响CSCs的复制．前期实验证明reparixin在体外体内实验中都可减少 CSCs细胞群［70］．目前该药正在治疗三阴乳腺癌的二期临床（fRida）评估中．

5 靶向CSCs药物的临床实验进展

20世纪末，美国国家癌症研究所和部分制药公司已经开始将靶向重要干细胞活化信号通路的药物投入临床先驱试验．

OncoMed 公司研发的 vantictumab（ANTI⁃FZD，OMP⁃18R5）和 ipafricept（FZD8⁃FC，OMP⁃54F28），为选择性的 Wnt抑制剂，靶向 Wnt信号通路．Vantic⁃tumab可结合Fzd受体保守抗原的胞外段，从而抑制多个Wnt家族成员诱导的Wnt信号．临床前试验中Vantictumab可减少CSCs频率，诱导细胞从高致瘤性向低致瘤性分化，并且使患者对传统化疗更加敏感［71］．Vantictumab作为第一个进入临床试验的抑制Wnt信号通路的单克隆抗体，联合化疗药物治疗Her2阴性乳腺癌和晚期胰腺癌后均显示出良好的耐受性和抗肿瘤活性［72－73］．Ipafricept是一种融合蛋白，包含了来自Wnt通路的Frizzled 8受体的一部分以及人IgG1的Fc域，可选择性结合激活Wnt信号的配体［74］．在联合化疗药物治疗胰腺癌和卵巢癌的临床Ib 期也展现了可观的抗肿瘤活性［75－76］．

该公司进行临床试验的候选药物中还有靶向Notch信号通路的．Navicixizumab可同时特异性拮抗Delta 样配体4（delta⁃like ligand 4， DLL4）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor， VEGF）［77］，该药在临床Ia期试验中显示出单药抗肿瘤活性，目前已进入临床 Ib期研究［78］；brontictuzumab可拮抗Notch1，在某些晚期肿瘤中显示出抗肿瘤活性，尤其是针对过表达活化Notch1的肿瘤［79］，已开始了临床Ib期的招募．

Notch信号通路中进入临床试验的另一个候选药为γ分泌酶抑制剂（gamma secretase inhibitor，GSI）．默克公司研发的MK⁃0752原被用于治疗阿尔茨海默病和多种恶性肿瘤，被发现可通过抑制γ分泌酶来抑制Notch胞内段的激活，从而抑制Notch下游基因的表达［80］．临床前期和临床I期试验结果显示MK⁃0752联合多西他赛治疗晚期乳腺癌后，肿瘤中的CD44＋CD24⁃细胞亚群和 ALDH＋细胞亚群减少，肿瘤细胞的微球形成率也降低，提示可有效地针对CSCs起作用．作为第一个测试GSI与化疗药物联合治疗的临床实验，该结果支持继续对其进行临床研究［80］．

Hedgehog信号通路的小分子抑制剂GDC⁃0449，又称vismodegib，于2012已经获得FDA批准用于治疗基底细胞癌．基底细胞癌中所有细胞Hedgehog信号通路均存在异常，而胰腺癌中CSCs也有较高的Hedgehog信号，为明确vismodegib能否对为数不多的CSCs起作用，研究者设计了一项结合吉西他滨联合治疗转移性胰腺癌的临床试点试验，试验结果虽然显示大部分患者的Gli1和PTCH1均有显著下降，但是CSCs群未观察到明显改变［81］．

通过调控Wnt、Notch和Hedgehog信号通路来靶向CSCs有希望预防癌症复发，但是研发这些试剂的过程充满挑战．部分候选药因为没有达到预期结果而终止了研发．因为上述信号通路同样存在于正常组织的干细胞中，受试药通常会引起严重不良反应，在不良反应可控的情况下，大规模研究表明这些药物对大多数的癌症没有明显疗效［82］．另外信号通路也不是孤立的起作用的，而是作为一个协调的网络运作．鉴定并且靶向信号通路中的关键节点或者多通路抑制可能得到更好的效果．

6 结语

癌症干细胞作为肿瘤发展、维持、转移、耐药和复发的根源，成功地靶向癌症干细胞治疗有望彻底治愈癌症，成为癌症治疗上的里程碑．靶向癌症干细胞药物联合化疗药物，理论上可为癌症问题带来解决方法，可是直到目前，尚无大规模患者受益的临床试验数据，多项临床实验止步三期，但这并不意味着靶向癌症干细胞的策略错误．结合癌症干细胞多样性与可塑性研究结果，对癌症组织中存在的多种癌症干细胞的全面鉴定以及阻断癌症干细胞的其他来源，可能是通过靶向癌症干细胞治愈癌症的前提．另外值得注意的是，不同的癌症组织中，癌症干细胞种类组成可能不同，这意味着癌症也可能需要个体化治疗．

［1］Bonnet D，Dick JE．Human acute myeloid leukemia is organized as a hierarchy that originates from a primitive hematopoietic cell［J］．Nat Med，1997，3（7）：730－737．

［2］Al⁃Hajj M， Wicha MS， Benito⁃Hernandez A， et al．Prospective identification of tumorigenic breast cancercells［J］．Proc Natl Acad Sci USA，2003，100（7）：3983－3988．

［3］Abbaszadegan MR， Bagheri V， Razavi MS， et al．Isolation， identifi⁃cation， and characterization of cancer stemcells：A review［J］．J Cell Physiol，2017，232（8）：2008－2018．

［4］Tomasetti C， Vogelstein B．Cancer etiology．Variation in cancer risk among tissues can be explained by thenumber of stem cell divisions［J］．Science，2015，347（6217）：78－81．

［5］Blokzijl F， de Ligt J， Jager M， et al．Tissue⁃specific mutation accumulation in human adult stem cells during life［J］．Nature，2016， 538（7624）：260－264．

［6］Tomasetti C， Li L， Vogelstein B．Stem cell divisions， somatic mutations， cancer etiology， and cancerprevention ［ J］．Science，2017，355（6331）：1330－1334．

［7］Adams PD， Jasper H， Rudolph KL．Aging⁃induced stem cell mutations as drivers for disease and cancer［J］．Cell Stem Cell，2015，16（6）：601－612．

［8］Paterson C， Nowak MA， Waclaw B．An exactly solvable， spatial model of mutation accumulation in cancer［J］．Sci Rep，2016，6：39511．

［9］Drost J， van Jaarsveld RH， Ponsioen B， et al．Sequential cancer mutations in cultured human intestinal stemcells［J］．Nature，2015，521（7550）：43－47．

［10］Cheng B， Yang G， Jiang R，et al．Cancer stem cell markers predict a poor prognosis in renal cell carcinoma：ameta⁃analysis［J］．Oncotarget，2016，7（40）：65862－65875．

［11］Oon ML， Thike AA， Tan SY， et al．Cancer stem cell and epithelial⁃mesenchymal transition markers predictworse outcome in metaplastic carcinoma of the breast［ J］．Breast Cancer Res Treat， 2015，150（1）：31－41．

［12］Chang YW， Su YJ， Hsiao M， et al．Diverse targets of β⁃catenin dur⁃ing the epithelial⁃mesenchymal transition define cancer stem cells and predict disease relapse［J］．Cancer Res，2015，75（16）：3398－3410．

［13］Takebe N， Miele L， Harris PJ， et al．Targeting Notch， Hedgehog，and Wnt pathways in cancer stem cells：clinical update［J］．Nat Rev Clin Oncol，2015，12（8）：445－464．

［14］Borah A， Raveendran S， Rochani A， et al．Targeting self⁃renewal path⁃ways in cancer stem cells：clinicalimplications for cancer therapy［J］．Oncogenesis，2015，4：e177．

［15］Mohammed MK， Shao C， Wang J， et al．Wnt／β⁃catenin signaling plays an ever⁃expanding role in stem cell self⁃renewal， tumorigenesis and cancer chemoresistance［J］．Genes Dis，2016，3（1）：11－40．

［16］Su YJ，Chang YW，Lin WH，et al．An aberrant nuclear localization of E⁃cadherin is a potent inhibitor of Wnt／β⁃catenin⁃elicited promotion of the cancer stem cell phenotype［J］．Oncogenesis，2015，4：e157．

［17］de Sousa E Melo F， Vermeulen L．Wnt signaling in cancer stem cell biology［J］．Cancers（Basel），2016，8（7）：E60．

［18］Yang L， Tang H， Kong Y， et al．LGR5 promotes breast cancer progression and maintains stem⁃like cells through activation of wnt／β⁃catenin signaling［J］．Stem Cells，2015，33（10）：2913－2924．

［19］Tammela T， Sanchez⁃Rivera FJ， Cetinbas NM， et al．A Wnt⁃produ⁃cing niche drives proliferative potential andprogression in lung adeno⁃carcinoma［J］．Nature，2017， 545（7654）：355－359．

［20］Vermeulen L， De Sousa E Melo F， van der Heijden M， et al．Wnt activity defines colon cancer stem cells and isregulated by the micro⁃environment［J］．Nat Cell Biol，2010（5）：468－476．

［21］Yuan X， Wu H， Xu H， et al．Notch signaling：an emerging thera⁃peutic target for cancer treatment［J］．CancerLett，2015，369（1）：20－27．

［22］Previs RA， Coleman RL， Harris AL， et al．Molecular pathways：translational and therapeutic implications of the Notch signaling path⁃way in cancer［J］．Clin Cancer Res，2015，21（5）：955－961．

［23］Bray SJ．Notch signalling in context［J］．Nat Rev Mol Cell Biol，2016，17（11）：722－735．

［24］Wang J， Sullenger BA， Rich JN．Notch signaling in cancer stem cells［J］．Adv Exp Med Biol，2012，727：174－185．

［25］Sikandar SS， Pate KT， Anderson S， et al．NOTCH signaling is required for formation and self⁃renewal of tumor⁃initiating cells and for repression of secretory cell differentiation in colon cancer［ J］．Cancer Res，2010，70（4）：1469－1478．

［26］Harrison H， Farnie G， Howell SJ， et al．Regulation of breast cancer stem cell activity by signaling through the Notch4 receptor［ J］．Cancer Res，2010，70（2）：709－718．

［27］Zhu P， Wang Y， Du Y， et al．C8orf4 negatively regulates self⁃renewal of liver cancer stem cells via suppression of NOTCH2 signalling［J］．Nat Commun，2015，6：7122．

［28］Jeong JY， Kang H， Kim TH， et al．MicroRNA⁃136 inhibits cancer stem cell activity and enhances the anti⁃tumor effect of paclitaxel against chemoresistant ovarian cancer cells by targeting Notch3［J］．Cancer Lett，2017，386：168－178．

［29］Cochrane CR， Szczepny A， Watkins DN， et al．Hedgehog signaling in the maintenance of cancer stem cells［J］．Cancers（Basel），2015，7（3）：1554－1585．

［30］Justilien V， Fields AP．Molecular pathways：novel approaches for improved therapeutic targeting of Hedgehog signaling in cancer stem cells［J］．Clin Cancer Res，2015，21（3）：505－513．

［31］Clement V， Sanchez P， de Tribolet N， et al．HEDGEHOG⁃GLI1 signaling regulates human glioma growth，cancer stem cell self⁃renew⁃al， and tumorigenicity［J］．Curr Biol，2007，17（2）：165－172．

［32］Rodova M， Fu J， Watkins DN， et al．Sonic hedgehog signaling inhi⁃bition provides opportunities for targetedtherapy by sulforaphane in regulating pancreatic cancer stem cell self⁃renewal［J］．PLoS ONE，2012，7（9）：e46083．

［33］Li SH， Fu J， Watkins DN， et al．Sulforaphane regulates self⁃renewal of pancreatic cancer stem cells through themodulation of sonic hedge⁃hog⁃GLI pathway［J］．Mol Cell Biochem，2013，373（1－2）：217－227．

［34］Heiden KB， Williamson AJ， Doscas ME， et al．The sonic hedgehog signaling pathway maintains the cancer stemcell self⁃renewal of ana⁃plastic thyroid cancer by inducing snail expression［J］．J Clin Endo⁃crinol Metab，2014，99（11）：E2178－E2187．

［35］Gangemi R， Paleari L， Orengo AM， et al．Cancer stem cells：a new paradigm for understanding tumor growth and progression and drug resistance［J］．Curr Med Chem，2009，16（14）：1688－1703．

［36］Snider J， Hanif A， Lee ME， et al．Mapping the functional yeast ABC transporter interactome［J］．Nat Chem Biol，2013，9（9）：565－572．

［37］Hirschmann⁃Jax C， Foster AE， Wulf GG， et al．A distinct “side population”of cells with high drug effluxcapacity in human tumor cells［J］．Proc Natl Acad Sci U S A，2004，101（39）：14228－14233．

［38］Tamaki A， Ierano C， Szakacs G， et al．The controversial role of abc transporters in clinical oncology［J］．Essays Biochem，2011，50（1）：209－232．

［39］Nakai E， Park K， Yawata T， et al．Enhanced MDR1 expression and chemoresistance of cancer stem cellsderived from glioblastoma［J］．Cancer Invest，2009，27（9）：901－908．

［40］Engler JR，Frede A，Saunders V，et al．The poor response to imatinib observed in CML patients with lowOCT⁃1 activity is not attributable to lower uptake of imatinib into their CD34＋ cells［J］．Blood，2010，116（15）：2776－2778．

［41］Bao S， Wu Q， McLendon RE， et al．Glioma stem cells promote radioresistance by preferential activation of the DNA damage response［J］．Nature，2006，444（7120）：756－760．

［42］de Sousa e Melo F， Kurtova AV1， Harnoss JM， et al．A distinct role for Lgr5＋stem cells in primary and metastatic colon cancer［J］．Nature，2017，543（7674）：676－680．

［43］Shimokawa M， Ohta Y， Nishikori S， et al．Visualization and targe⁃ting of LGR5（＋） human colon cancer stem cells［J］．Nature，2017，545（7653）：187－192．

［44］Schepers AG， Snippert HJ， Stange DE， et al．Lineage tracing reveals Lgr5＋ stem cell activity in mouse intestinal adenomas［J］．Science，2012，337（6095）：730－735．

［45］Barker N，van Es JH，Kuipers J， et al．Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5［J］．Nature，2007，449（7165）：1003－1007．

［46］Sangiorgi E， Capecchi MR．Bmi1 is expressed in vivo in intestinal stem cells［J］．Nat Genet，2008，40（7）：915－920．

［47］Tian H， Biehs B， Warming S， et al．A reserve stem cell population in small intestine renders Lgr5⁃positive cellsdispensable［J］．Nature，2011，478（7368）：255－259．

［48］Tateishi K，Ohta M，Kanai F，et al．Dysregulated expression of stem cell factor Bmi1 in precancerous lesions of the gastrointestinal tract［J］．Clin Cancer Res，2006，12（23）：6960－6966．

［49］Ginestier C， Hur MH， Charafe⁃Jauffret E， et al．Aldh1 is a marker of normal and malignant human mammary stem cells and a predictor of poor clinical outcome［J］．Cell Stem Cell，2007，1（5）：555－567．

［50］Liu S， Cong Y， Wang D， et al．Breast cancer stem cells transition between epithelial and mesenchymal statesreflective of their normal counterparts［J］．Stem Cell Reports，2014，2（1）：78－91．

［51］Hermann PC， Huber SL， Herrler T， et al．Distinct populations of cancer stem cells determine tumor growth and metastatic activity in human pancreatic cancer［J］．Cell Stem Cell，2007，1（3）：313－323．

［52］Wang A， Chen L， Pu K， et al．Identification of stem⁃like cells in non⁃small cell lung cancer cells with specific peptides［J］．Cancer Lett，2014，351（1）：100－107．

［53］Chaffer CL， Brueckmann I， Scheel C， et al．Normal and neoplastic nonstem cells can spontaneously convert to a stem⁃like state［J］．Proc Natl Acad Sci USA，2011，108（19）：7950－7955．

［54］Gupta PB， Fillmore CM， Jiang G， et al．Stochastic state transitions give rise to phenotypic equilibrium in populations of cancer cells［J］．Cell，2011，146（4）：633－644．

［55］Roesch A， Fukunaga⁃Kalabis M， Schmidt EC， et al．A temporarily distinct subpopulation of slow⁃cycling melanoma cells is required for continuous tumor growth［J］．Cell，2010，141（4）：583－594．

［56］Auffinger B， Tobias AL， Han Y， et al．Conversion of differentiated cancer cells into cancer stem⁃like cells in a glioblastoma model after primary chemotherapy［J］．Cell Death Differ，2014，21（7）：1119－1131．

［57］Plaks V，Kong N，Werb Z．The cancer stem cell niche：how essential is the niche in regulating stemness of tumor cells［J］．Cell Stem Cell，2015，16（3）：225－238．

［58］Hamada S， Masamune A， Takikawa T， et al．Pancreatic stellate cells enhance stem cell⁃like phenotypes in pancreatic cancer cells［ J］．Biochem Biophys Res Commun，2012，421（2）：349－354．

［59］Lonardo E， Frias⁃Aldeguer J， Hermann PC， et al．Pancreatic stellate cells form a niche for cancer stem cells and promote their self⁃renewal and invasiveness［J］．Cell Cycle，2012，11（7）：1282－1290．

［60］Vermeulen L， De Sousa E Melo F， van der Heijden M， et al．Wnt activity defines colon cancer stem cells and is regulated by the microenvironment［J］．Nat Cell Biol，2010，12（5）：468－476．

［61］Iliopoulos D， Hirsch HA， Wang G， et al．Inducible formation of breast cancer stem cells and their dynamic equilibrium with non⁃stem cancer cells via IL6 secretion［J］．Proc Natl Acad Sci USA，2011，108（4）：1397－1402．

［62］Giannoni E， Bianchini F， Masieri L， et al．Reciprocal activation of prostate cancer cells and cancer⁃associated fibroblasts stimulates epithelial⁃mesenchymal transition and cancer stemness［ J］．Cancer Res，2010，70（17）：6945－6956．

［63］Kryczek I， Lin Y， Nagarsheth N， et al．IL⁃22（＋）CD4（＋） T cells promote colorectal cancer stemness via STAT3transcription factoractivation and induction of the methyltransferase DOT1L［J］．Immunity，2014，40（5）：772－784．

［64］Xiang T， Long H， He L， et al．Interleukin⁃17 produced by tumor microenvironment promotes self⁃renewal of CD133＋ cancer stem⁃like cells in ovarian cancer［J］．Oncogene，2015，34（2）：165－176．

［65］Beck B，Driessens G，Goossens S，et al．A vascular niche and a VEGF⁃Nrp1 loop regulate the initiation and stemness of skin tumours［J］．Nature，2011，478（7369）：399－403．

［66］Fessler E， Borovski T， Medema JP．Endothelial cells induce cancer stem cell features in differentiated glioblastoma cells via bFGF［J］．Mol Cancer，2015，14：157．

［67］Cao Z， Scandura JM， Inghirami GG， et al．Molecular checkpoint decisions made by subverted vascular niche transform indolent tumor cells into chemoresistant cancer stem cells［J］．Cancer Cell，2017，31（1）：110－126．

［68］Heddleston JM， Li Z， McLendon RE， et al．The hypoxic microenvi⁃ronment maintains glioblastoma stem cellsand promotes reprogram⁃ming towards a cancer stem cell phenotype［J］．Cell Cycle，2009，8（20）：3274－3284．

［69］Kolev VN， Wang Y， Sprott K， et al．Abstract C29：FAK inhibition targets cancer stem cells［J］．Cancer Stem Cells，2015，14（12 Suppl 2）：C29．

［70］Ginestier C， Liu S， Diebel ME， et al．CXCR1 blockade selectively targets human breast cancer stem cells invitro and in xenografts［J］．J Clin Invest，2010，120（2）：485－497．

［71］Lewicki J， Axelrod F， Beviglia L， et al．Abstract 3356：Development of a novel Wnt pathway antagonist antibody， OMP⁃18R5， that reduces tumor initiating cell frequency in breast cancer［J］．Cancer Res，2012，72（8）：3356－3356．

［72］Messersmith W， Cohen S， Shahda S， et al．Phase 1b study of WNT inhibitor vantictumab （VAN， human monoclonal antibody） with nab⁃paclitaxel（Nab⁃P） and gemcitabine （G） in patients（pts） with previously untreated stage IV pancreatic cancer（PC）［J］．Annals Oncol，2016．

［73］Mita MM， Becerra C， Richards DA， et al．Phase 1b study of Wnt inhibitor vantictumab （van， human monoclonal antibody） with pacli⁃taxel（P） in patients （Pts） with 1st⁃to 3rd⁃line metastatic Her2⁃negative breast cancer（Bc）［J］．2016．

［74］Fischer MM， Yen WC， Zheng C， et al．Abstract 4233：Wnt pathway antagonist ipafricept（FZD8⁃Fc， OMP⁃54F28） inhibits tumor growth and reduces tumor⁃initiating cell frequency in ovarian patient⁃derived xenograft models［J］．Cancer Res，2015，75（15）：4233－4233．

［75］O'Cearbhaill RE，Mcmeekin DS，Mantiasmaldone G，et al．Phase 1b of Wnt inhibitor ipafricept（ipa， decoy receptor for Wnt ligands）with Carboplatin （C） and Paclitaxel（P） in recurrent platinum⁃sen⁃sitive ovarian cancer（Oc）［J］．2016．

［76］Weekes C， Berlin J， Lenz HJ， et al．Phase 1b study of WNT inhibitor ipafricept（IPA， decoy receptor for WNT ligands） with nab⁃paclitaxel（Nab⁃P） and gemcitabine （G） in patients （pts） with previously untreated stage IV pancreatic cancer（PC）［J］．Annals Oncol，2016．

［77］Srivastava M， Murriel C， Yun R， et al．Co⁃targeting of delta⁃like ligand4 （DLL4） and vascular endothelial growth factor a （VEGF）with programmed death 1（PD1） blockade inhibits tumor growth and facilitates anti⁃tumor immune responses［ J］．J Immunothe Cancer，2015，3（S2）：P373．

［78］Jimeno A， Moore K， Gordon M， et al．A first⁃in⁃man phase 1a study of the bispecific anti⁃DLL4／anti⁃VEGFantibody OMP⁃305B83 in patients with previously treated solid tumors［J］．Eur J Cancer，2016，69：S35．

［79］Munster P， Eckhardt SG， Patnaik A， et al．Abstract C42：Safety and preliminary efficacy results of a first⁃in⁃human phase I study of the novel cancer stem cell（CSC） targeting antibody brontictuzumab（OMP⁃52M51， anti⁃Notch1） administered intravenously to patients with certain advanced solid tumors［J］．Mol Cancer Ther，2015，14（12）：C42．

［80］Schott AF， Landis MD， Dontu G， et al．Preclinical and clinical studies of gamma secretase inhibitors with docetaxel on human breast tumors［J］．Clin Cancer Res，2013，19（6）：1512－1524．

［81］Kim EJ， Sahai V， Abel EV， et al．Pilot clinical trial of hedgehog pathway inhibitor GDC⁃0449 （vismodegib） in combination with gem⁃citabine in patients with metastatic pancreatic adenocarcinoma［J］．Clin Cancer Res，2014，20（23）：5937－5945．

［82］Kaiser J．The cancer stem cell gamble［J］．Science，2015，347（6219）：226－229．

Progress on cancer stem cell features and targeted treatment

WU An⁃Qi， SHU Guang， WANG Jing， YIN Gang
Department of Pathology， School of Basic Medicine， Central South University， Changsha 410013， China

Cancer stem cells were thought to be responsible for the tumor initiation， progression， drug resistance and relapse because of their abilities of self⁃renewal and treatment resistance．There are more and more studies focus on their regulation mecha⁃nism of self⁃renewal and drug⁃resistance， and a series of studies showed that the cancer stem cell population may not be a single stasis population but they are diverse and malleable．This notion enriches the knowledge of cancer stem cells，can provide new approaches for the development of treatment．The current review summarized the key features of cancer stem cells，the results and problems of clinical trial through targeted treatment based on the interfering of stemness regulation pathways，and discussed the prospects of cancer stem cells．

cancer stem cell； self⁃renewal and differentiation；drug resistance； target treatment； diversity and plasticity

R73

A

2095⁃6894（2017）09⁃01⁃08

2017－05－05；接受日期：2017－05－18

国家自然基金面上项目（81572900）

吴安琪．博士．研究方向：乳腺癌和卵巢癌干细胞．E⁃mail：wu＿anqi＠ qq．com

殷 刚．研究员，博导．研究方向：卵巢癌干细胞和microRNA．E⁃mail：gang．yin＠ csu．edu．cn