幾乎所有癌癥的起源器官和組織都包含在生物體一生中均具有復(fù)制能力的細(xì)胞，細(xì)胞復(fù)制的目的是維持和替代因衰老或損傷而喪失的細(xì)胞。例如腸道的整個(gè)內(nèi)層大約每7日更新1次，皮膚組織的上皮每個(gè)月更新1次。隨著毒素、紫外線輻射或炎癥等因素對(duì)細(xì)胞造成損傷，細(xì)胞的喪失和替代會(huì)加速1,2。
利用大量未受損細(xì)胞復(fù)原受損組織似乎是最高效的修復(fù)機(jī)制。然而，在皮膚、乳腺、腸道、腦和血液等癌癥通常起源的組織內(nèi)，只有少數(shù)干細(xì)胞群在維持和修復(fù)組織，而大多數(shù)具有復(fù)制能力的細(xì)胞均壽命有限。為什么長(zhǎng)壽的多細(xì)胞生物會(huì)使用這種看似低效的組織穩(wěn)態(tài)機(jī)制，即最終只有少數(shù)細(xì)胞負(fù)責(zé)修復(fù)損傷？答案很可能是為了降低癌癥發(fā)病率。我們現(xiàn)在已經(jīng)清楚，在分裂過程中和暴露于導(dǎo)致遺傳毒性應(yīng)激的物質(zhì)后，組織中的正常細(xì)胞會(huì)發(fā)生突變3。由于癌癥可能起源于多種致癌突變，因此如果組織中具有復(fù)制能力的細(xì)胞只有少數(shù)可在人的一生中存活，那么細(xì)胞累積的突變達(dá)到致癌轉(zhuǎn)化所需數(shù)量的概率就會(huì)大大降低。因此，為了理解癌癥，我們一定要理解干細(xì)胞的基礎(chǔ)生物學(xué)特性以及這些細(xì)胞如何分化成組織中的成熟細(xì)胞。
正常成體干細(xì)胞的生物學(xué)特性
血液（造血）干細(xì)胞是我們了解最多的哺乳動(dòng)物成體干細(xì)胞，因?yàn)槿藗冊(cè)冻鼍薮笈韺ふ以訌棶a(chǎn)生的電離輻射導(dǎo)致死亡的原因。最低致死劑量的輻射導(dǎo)致死亡的原因是血液系統(tǒng)衰竭。Becker等的一項(xiàng)開創(chuàng)性研究證明了造血干細(xì)胞的存在4。之后，造血干細(xì)胞被證明在有核骨髓細(xì)胞中占1/100,000～1/50,0005，并且單個(gè)造血干細(xì)胞可以在致死劑量照射后的小鼠體內(nèi)再生血液系統(tǒng)（圖1）。
圖1. 造血分化等級(jí)的經(jīng)典模型
圖中顯示了小鼠造血干細(xì)胞（HSC）的發(fā)育概況。HSC可通過稱為自我更新的細(xì)胞分裂過程在動(dòng)物的一生中自我再生。HSC也可產(chǎn)生多能祖細(xì)胞（MPP）等子代細(xì)胞，然后這些子代細(xì)胞逐漸產(chǎn)生更多分化的細(xì)胞類型。分化的子代細(xì)胞不能自我更新，且壽命有限。虛線繪制的是近期提出的替代模型，在該模型中，譜系定向（例如產(chǎn)生血小板）在早期發(fā)生，甚至是在發(fā)生分化的第一次細(xì)胞分裂過程中發(fā)生。CLP表示共同淋巴樣祖細(xì)胞、CMP表示共同髓樣祖細(xì)胞，GMP表示粒細(xì)胞-單核細(xì)胞系祖細(xì)胞，MEP表示巨核細(xì)胞-紅細(xì)胞系祖細(xì)胞。
雖然小鼠造血干細(xì)胞基本上保持休眠狀態(tài)，并且在小鼠一生中（大約2年）僅分裂4次6，但在發(fā)生應(yīng)激，即需要增加血細(xì)胞生成量時(shí)，休眠的造血干細(xì)胞將發(fā)生復(fù)制，從而提供所需的免疫細(xì)胞。當(dāng)造血干細(xì)胞分裂時(shí)，它們可以產(chǎn)生另一個(gè)干細(xì)胞或產(chǎn)生祖細(xì)胞，祖細(xì)胞最終分化成紅細(xì)胞、血小板、粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等成熟細(xì)胞。產(chǎn)生另一個(gè)干細(xì)胞的細(xì)胞分裂過程稱為自我更新。自我更新性質(zhì)的細(xì)胞分裂產(chǎn)生另一個(gè)具有相似能力的干細(xì)胞，該細(xì)胞可在動(dòng)物一生中增殖和再生血液系統(tǒng)。然而，當(dāng)干細(xì)胞產(chǎn)生除記憶淋巴細(xì)胞之外的祖細(xì)胞時(shí)，祖細(xì)胞的復(fù)制能力有限，不能長(zhǎng)時(shí)間維持造血。
癌癥常發(fā)生的其他組織和器官（如皮膚、乳腺、腸道、前列腺、肝臟，甚至腦）也包含干細(xì)胞7-12。這些組織中的干細(xì)胞與造血干細(xì)胞似乎具有一些共同特性，即它們?cè)谏矬w一生中持續(xù)存在、因暴露于毒素而喪失干細(xì)胞后可通過擴(kuò)增的方式自我再生，并且可在組織中遷移從而修復(fù)組織損傷。例如，隨著炎癥的發(fā)生和toll樣受體（TLR）信號(hào)對(duì)先天免疫系統(tǒng)的激活，腸道和乳腺的干細(xì)胞被TLR信號(hào)通路激活，從而修復(fù)組織損傷2。正常情況下，乳腺、腦和皮膚內(nèi)的大多數(shù)干細(xì)胞處于休眠狀態(tài)13,14，而腸道內(nèi)的大量Lgr5（富含亮氨酸重復(fù)序列G蛋白偶聯(lián)受體-5）陽性干細(xì)胞則處于增殖狀態(tài)。此外，像果蠅生殖細(xì)胞（早期祖細(xì)胞可重新獲得干細(xì)胞特性，而后期祖細(xì)胞不具有這一能力）一樣，腸道中的一些早期祖細(xì)胞可重新獲得Lgr5表達(dá)15,16。因此，不同組織中的干細(xì)胞并不相同。
由于不同組織中的干細(xì)胞是該特定組織和源自同一組織的癌癥所特有的，因此深入研究所有組織中的干細(xì)胞對(duì)于理解特定組織類型的癌癥和退行性疾病至關(guān)重要。細(xì)胞外在因素和細(xì)胞內(nèi)在因素均在各組織中調(diào)節(jié)干細(xì)胞的核心特性——自我更新。哺育細(xì)胞提供了生態(tài)位，可為造血干細(xì)胞生成Kit配體等因子，或者為腸道、腦和肝臟干細(xì)胞生成Wnts和R-spondins（β-聯(lián)蛋白信號(hào)通路的配體）等因子17,18。
同一組織中干細(xì)胞和其他細(xì)胞的主要區(qū)別是表觀遺傳修飾（DNA甲基化和染色質(zhì)修飾）。某些表觀遺傳調(diào)節(jié)因子、轉(zhuǎn)錄因子和microRNA在干細(xì)胞的自我更新中發(fā)揮重要作用這一點(diǎn)并不出人意料19,20。例如染色質(zhì)修飾因子Bmi1是造血干細(xì)胞以及神經(jīng)、乳腺和前列腺干細(xì)胞自我更新所必需的21。Bmi1發(fā)揮功能的方式是在干細(xì)胞中修飾組蛋白，以及抑制對(duì)細(xì)胞凋亡（p19Arf和Tp53通路）、衰老（p16ink4a）和分化（Hox基因）具有調(diào)節(jié)作用的基因的表達(dá)，而不是在干細(xì)胞的分化子代細(xì)胞中發(fā)揮上述功能19,22。然而，干細(xì)胞的自我更新和維持僅有干細(xì)胞表達(dá)的Bmi1是不夠的。隨著分化，子細(xì)胞也開始表達(dá)一些因子，如靶向Bmi1的microRNA miR-200和Bmi1拮抗因子Usp1623。因此，定義干細(xì)胞的不僅是干細(xì)胞表達(dá)自我更新過程的正調(diào)節(jié)因子，另外還有祖細(xì)胞不表達(dá)抑制自我更新的基因（圖2）。
圖2. 干細(xì)胞自我更新過程的正調(diào)節(jié)和負(fù)調(diào)節(jié)
HSC可通過表達(dá)自我更新所必需的基因來自我再生，并且它們不表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞死亡、衰老和分化的基因。第一代分化的子代細(xì)胞（早期祖細(xì)胞）通常表達(dá)許多對(duì)自我更新有正調(diào)節(jié)作用的基因，但它們也開啟阻止自我更新和促進(jìn)分化的基因。他們的子代細(xì)胞（后期祖細(xì)胞）關(guān)閉自我更新基因，開啟分化基因。分化基因的數(shù)量隨著細(xì)胞的分化而增加（雙箭頭）。
干細(xì)胞與癌癥發(fā)生
干細(xì)胞是許多組織中最長(zhǎng)壽的細(xì)胞，而癌癥中必須累積許多突變。因此，初始致癌突變很可能發(fā)生于干細(xì)胞。對(duì)暴露于原子彈輻射之后存活下來的日本急性髓系白血?。ˋML）患者所做的評(píng)估提供了證明上述情況的早期證據(jù)。白血病治愈之后對(duì)患者的正常造血干細(xì)胞所做的檢查顯示，有大量造血干細(xì)胞攜帶AML1-ETO突變；這提示初始白血病前突變（preleukemic mutation）發(fā)生于造血干細(xì)胞24。納入AML患者的單細(xì)胞測(cè)序研究表明，正常造血干細(xì)胞攜帶見于明確AML母細(xì)胞的一種或兩種突變25。有模型顯示癌癥起源于組織干細(xì)胞中累積的連續(xù)突變，上述發(fā)現(xiàn)與這一模型相符26。克隆性造血的發(fā)現(xiàn)為干細(xì)胞突變模型提供了最終證據(jù)27-30。突變導(dǎo)致克隆性造血的患者發(fā)生白血病的風(fēng)險(xiǎn)是每年1%。
有證據(jù)表明，在小鼠和人類中，實(shí)體瘤的初始致癌突變發(fā)生于干細(xì)胞11,31-33。在涉及小鼠腦癌、皮膚癌和結(jié)腸癌模型的遺傳學(xué)研究中，干細(xì)胞或分化程度更高的子代細(xì)胞中的單一致癌突變表明干細(xì)胞突變導(dǎo)致癌癥11,31-35。此外，與AML一樣，人類膠質(zhì)母細(xì)胞瘤突變見于遠(yuǎn)離原發(fā)腫瘤的腦室下區(qū)正常神經(jīng)干細(xì)胞內(nèi)；這提示，與小鼠模型和人類AML一樣，人類膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的初始突變發(fā)生于干細(xì)胞36。
許多癌癥的初始致癌突變（一處或多處）發(fā)生于干細(xì)胞這一點(diǎn)已經(jīng)明確，但最終導(dǎo)致第一個(gè)完全轉(zhuǎn)化的癌細(xì)胞，進(jìn)而引起癌癥的后續(xù)突變可能發(fā)生于干細(xì)胞，也可能發(fā)生于未成熟的祖細(xì)胞22,26,37-41。最終的致癌轉(zhuǎn)化為何會(huì)發(fā)生于祖細(xì)胞？初始致癌突變常涉及控制干細(xì)胞功能的表觀遺傳調(diào)節(jié)因子2,25,27-30,42。如果有幾個(gè)關(guān)鍵突變共同激活自我更新程序，或者有幾個(gè)關(guān)鍵突變共同使衰老和凋亡程序失活，則它們可賦予早期祖細(xì)胞長(zhǎng)期增殖能力（圖3）22。前者的例子包括多種癌癥中的端粒酶（TERT）啟動(dòng)子發(fā)生的激活突變36,43，以及AML中的表觀遺傳調(diào)節(jié)因子TAL1啟動(dòng)子發(fā)生的激活突變44。后者的例子包括Tp53和CDKN2a等腫瘤抑制基因發(fā)生的失活突變45-47。后一種突變可賦予細(xì)胞不受控的增殖和擴(kuò)增特性22。
圖3. 向早期祖細(xì)胞賦予干細(xì)胞功能的分子突變
在正常造血中（左圖），Tp53（某些克隆性造血病例發(fā)生Tp53突變）等腫瘤抑制基因的表達(dá)可阻止MPP細(xì)胞發(fā)生自我更新。三種腫瘤抑制基因的突變（右圖）使早期MPP細(xì)胞獲得了干細(xì)胞核心功能——自我更新，但并未使后期MPP細(xì)胞獲得這一功能。這證實(shí)了以下假說：細(xì)胞的分化程度越高，細(xì)胞要發(fā)生不受控的復(fù)制所需的突變也越多。LP表示后期祖細(xì)胞。
干細(xì)胞中的癌前突變
既然致癌突變導(dǎo)致克隆性造血，那么攜帶這些突變的患者發(fā)生白血病的風(fēng)險(xiǎn)非常高也就不足為奇了。然而，令人奇怪的是，有克隆性造血的患者發(fā)生其他疾病的風(fēng)險(xiǎn)也增加，包括心血管疾病和2型糖尿病?？寺⌒栽煅蓪?dǎo)致冠狀動(dòng)脈粥樣硬化和鈣化增加。其中一些突變發(fā)生于IDH1/2、DNMT3a/b和TET2等與干細(xì)胞調(diào)節(jié)相關(guān)的基因48。在小鼠中，tet2突變（克隆性造血中常見的表觀遺傳調(diào)節(jié)因子突變）增加了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病率。這很可能是tet2突變引起單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞功能紊亂的結(jié)果27,28。jak2突變（另一種與克隆性造血相關(guān)的常見突變）可促進(jìn)血栓形成。
因此，造血干細(xì)胞子代細(xì)胞發(fā)生的免疫功能紊亂可能促發(fā)了其他病理狀況。對(duì)其他組織的正常細(xì)胞所做的基因組測(cè)序提示，癌前突變可能在其他組織的干細(xì)胞中累積。在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，腦內(nèi)原本正常的腦室下區(qū)干細(xì)胞包含可見于明確癌癥的致癌突變。在衰老過程中，食管、皮膚、乳腺（可能還有其他組織）中貌似正常的細(xì)胞可能包含一些突變，而這些突變可見于起源于這些組織的癌癥。我們可以合理地做出以下假設(shè)：如果這些組織中的干細(xì)胞發(fā)生突變，那么這些干細(xì)胞可能就是易于發(fā)展成癌癥的癌前細(xì)胞，就像克隆性造血的情況49,50。
癌癥干細(xì)胞與預(yù)后
癌癥干細(xì)胞存在于許多髓系白血病和實(shí)體瘤中，包括膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和乳腺癌、結(jié)腸癌及皮膚鱗狀細(xì)胞癌51。對(duì)實(shí)體瘤中的癌癥干細(xì)胞所做的初步分離是基于對(duì)移植到免疫缺陷小鼠體內(nèi)的人乳腺癌細(xì)胞樣本所做的檢測(cè)52。這些檢測(cè)表明，在9個(gè)腫瘤中，8個(gè)只有少數(shù)癌細(xì)胞具有干細(xì)胞特性。然而，在早期，人們對(duì)癌癥干細(xì)胞的存在持懷疑態(tài)度，原因是小鼠和人類微環(huán)境存在差異，或者移植檢測(cè)本身可能導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)論。
后來由于一些實(shí)驗(yàn)，癌癥干細(xì)胞的存在受到了進(jìn)一步質(zhì)疑，如今回頭看，這些實(shí)驗(yàn)被證明是有缺陷的。這些缺陷的例子包括將特定基因的表達(dá)與實(shí)際屬于干細(xì)胞的某一細(xì)胞混為一談，未能理解環(huán)境信號(hào)可誘導(dǎo)表觀遺傳變化，進(jìn)而改變干細(xì)胞表達(dá)的標(biāo)志物，使用細(xì)胞系而非小鼠或人類原代細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以及未意識(shí)到致癌突變可導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)在腫瘤中充當(dāng)干細(xì)胞的細(xì)胞群。
然而，現(xiàn)代體外類器官培養(yǎng)試驗(yàn)、涉及小鼠和人類癌癥遺傳譜系追蹤的實(shí)驗(yàn)以及最重要的是小鼠乳腺腫瘤的體內(nèi)顯微鏡檢查均證實(shí)，我們對(duì)乳腺癌、腦癌、皮膚鱗狀細(xì)胞癌和基底細(xì)胞癌最初的移植實(shí)驗(yàn)做出了正確解讀。在上述多種實(shí)體瘤中，只有少數(shù)癌細(xì)胞群具有維持腫瘤的能力，并且它們保留了產(chǎn)生更多干細(xì)胞以及產(chǎn)生終末分化子代細(xì)胞的潛力53。小鼠腫瘤的體內(nèi)顯微鏡檢查結(jié)果表明，大多數(shù)乳腺癌細(xì)胞發(fā)生分化，并且增殖能力有限或并無增殖能力。癌癥干細(xì)胞能夠產(chǎn)生不斷生長(zhǎng)的腫瘤克隆，它們?cè)谒屑?xì)胞中占少數(shù)。值得注意的是，長(zhǎng)期促克隆形成潛力僅在一部分子代細(xì)胞中得以維持，而其余子代細(xì)胞則喪失了這種能力；這一研究發(fā)現(xiàn)突顯出固有等級(jí)53。
正常干細(xì)胞用于調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、長(zhǎng)期增殖（自我更新）、組織修復(fù)和分化的表觀遺傳程序在癌癥中遭到破壞。這導(dǎo)致具有長(zhǎng)期生長(zhǎng)潛力的細(xì)胞不斷擴(kuò)增。然而，在許多腫瘤中，只有一小部分癌細(xì)胞能夠在任何時(shí)間點(diǎn)自我更新。Martin等開展的研究利用了X連鎖基因G6PD的不同等位基因的表達(dá)，旨在證明在慢性髓系白血?。–ML）和許多AML病例中，有絲分裂后的癌細(xì)胞是來源于白血病克隆54。這些細(xì)胞被稱為白血病（癌癥）干細(xì)胞54。由于某些突變可向先前不具有自我更新能力的細(xì)胞群賦予干細(xì)胞特性，因此癌癥干細(xì)胞最終可能起源于早期祖細(xì)胞37。因此，“癌癥干細(xì)胞”一詞是一個(gè)功能性定義，不一定表示某一癌細(xì)胞是發(fā)生轉(zhuǎn)化的正常干細(xì)胞。起源于祖細(xì)胞的癌癥干細(xì)胞確實(shí)依賴于正常干細(xì)胞通路的激活39,55,56，以及抑制干細(xì)胞自我更新的通路的失活22。即使在白血病起源于早期祖細(xì)胞的病例中，白血病干細(xì)胞產(chǎn)生的大部分白血病母細(xì)胞仍然增殖能力有限或并無增殖能力37,39。
此外，癌細(xì)胞發(fā)生的突變?cè)蕉?，促進(jìn)自我更新的通路被激活和抑制自我更新的通路被失活的可能性也越大。這與CML向原始細(xì)胞危象演變過程中的觀察結(jié)果，以及三陰性乳腺癌和黑色素瘤的觀察結(jié)果一致11,26,27,31-33。癌細(xì)胞利用正常干細(xì)胞的自我更新進(jìn)行長(zhǎng)期增殖，并利用組織修復(fù)途徑進(jìn)行浸潤(rùn)26；這提示癌癥中的干細(xì)胞頻率與預(yù)后相關(guān)。乳腺癌、結(jié)腸癌和AML的情況確實(shí)如此51。
癌癥干細(xì)胞的生物學(xué)特性與臨床意義
癌癥干細(xì)胞領(lǐng)域的一個(gè)主要疑問是它是否具有臨床意義。過去幾年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)表明的確具有臨床意義。例如，Dalerba等利用新的生物信息學(xué)方法發(fā)現(xiàn)尾型同源框轉(zhuǎn)錄因子-2（CDX2）是一種生物標(biāo)志物，可量化結(jié)腸癌中未分化的原始細(xì)胞數(shù)量57。在4%～7%的結(jié)腸癌中，CDX2陰性未成熟結(jié)腸癌細(xì)胞所占比例超過95%。正如預(yù)測(cè)的那樣，在Dalerba及其同事的研究中，CDX2陰性Ⅱ期結(jié)腸癌患者預(yù)后非常差。這些結(jié)果最初受到質(zhì)疑，但另一組研究人員后來報(bào)告說，他們的結(jié)果與Dalerba及其同事的結(jié)果一致58。
隨后的大量研究也證實(shí)，微衛(wèi)星不穩(wěn)定性陽性（DNA修復(fù)通路基因，特別是參與錯(cuò)配修復(fù)的基因發(fā)生突變）和微衛(wèi)星穩(wěn)定性（DNA修復(fù)通路基因無突變）CDX2陰性Ⅱ期結(jié)腸癌患者均預(yù)后不良59。具有潛在臨床意義的是，多變量分析表明，與大多數(shù)Ⅱ期結(jié)腸癌患者不同，Ⅱ期CDX2陰性結(jié)腸癌患者似乎可從輔助化療中受益。盡管這是一項(xiàng)回顧性研究，并且最初并未根據(jù)CDX2表達(dá)情況對(duì)患者進(jìn)行隨機(jī)分組，但在對(duì)高度匹配的患者隊(duì)列開展的臨床研究中，CDX2是分析的唯一新變量。癌癥干細(xì)胞的生物學(xué)特性可能在其他癌癥的治療決策中提供指導(dǎo)。
正常干細(xì)胞和相應(yīng)的癌癥干細(xì)胞可通過多種機(jī)制保護(hù)自身免受毒素和遺傳毒性應(yīng)激的影響，包括增加DNA修復(fù)通路的表達(dá)、增加抗凋亡基因的表達(dá)和維持低活性氧（ROS）環(huán)境1,60-62。包括放療和一些化療藥物在內(nèi)的許多治療藥物是通過提高ROS水平來殺傷細(xì)胞。正常和惡性干細(xì)胞均可降低電離輻射和某些化療藥物誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS水平，從而保護(hù)自身免受影響1。KEAP1–NRF2通路是ROS的主要調(diào)節(jié)因子，肺癌中該路徑的突變使細(xì)胞對(duì)放療有抗性。攜帶KEAP1–NRF2突變的大部分Ⅱ期或Ⅲ期肺癌患者在放療后會(huì)復(fù)發(fā)63；這提示該患者人群應(yīng)采用其他療法。
因?yàn)榘┌Y干細(xì)胞通常對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)療法具有固有的部分耐藥性，所以我們一直在大力尋找可有效靶向這些細(xì)胞的藥物。許多推定的癌癥干細(xì)胞靶向藥物都在臨床試驗(yàn)中失敗了64。上述失敗有幾個(gè)原因。一些藥物在研發(fā)時(shí)依據(jù)的是針對(duì)細(xì)胞的活性，而這些細(xì)胞之前被錯(cuò)誤地識(shí)別為干細(xì)胞。失敗的另一個(gè)原因是，許多研究人員認(rèn)為癌癥干細(xì)胞是一個(gè)單一且一致的細(xì)胞群，并且未考慮到正常和惡性干細(xì)胞均對(duì)環(huán)境信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)答，且兩者利用的通路不同（圖4）。例如，在乳腺中，休眠細(xì)胞和增殖干細(xì)胞均具有部分間充質(zhì)表型，但是在所表達(dá)的細(xì)胞表面標(biāo)志物和間充質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物方面，兩者可能有所不同。
圖4. 正常干細(xì)胞的異質(zhì)性
Bcl11b調(diào)節(jié)正常乳腺干細(xì)胞的休眠。環(huán)境信號(hào)可暫時(shí)誘導(dǎo)細(xì)胞增殖，但細(xì)胞可重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。休眠細(xì)胞和增殖細(xì)胞的許多細(xì)胞表面標(biāo)志物和信號(hào)通路是不同的。因此，環(huán)境信號(hào)可改變干細(xì)胞的標(biāo)志物表達(dá)和信號(hào)通路。圖中列出了休眠細(xì)胞和增殖干細(xì)胞不同的診斷標(biāo)志物。此外，休眠細(xì)胞和增殖細(xì)胞的藥物敏感性和耐藥性可能不同。EGFR表示表皮生長(zhǎng)因子受體、Epcam表示上皮細(xì)胞黏附分子，MAPK表示絲裂原活化蛋白激酶。
在臨床意義方面，循環(huán)和休眠干細(xì)胞中有活性的信號(hào)通路可能不同13。例如，皮膚和其他組織中有休眠和循環(huán)干細(xì)胞群。增殖干細(xì)胞依賴Wnt信號(hào)，而休眠干細(xì)胞并不依賴Wnt信號(hào)65。因此，通過靶向Wnt信號(hào)治療皮膚癌的藥物可能可以清除循環(huán)干細(xì)胞，但不能清除休眠的癌癥干細(xì)胞。在小鼠結(jié)腸癌中，根據(jù)表達(dá)Lgr5定義的結(jié)腸癌干細(xì)胞可由其他癌細(xì)胞再生；這提示了靶向Lgr5陽性細(xì)胞的方案發(fā)生治療失敗的一個(gè)原因。小鼠數(shù)據(jù)與之前的人體移植數(shù)據(jù)一致，人體移植確定了能夠產(chǎn)生腫瘤的LGR5陽性和LGR5陰性細(xì)胞群18,66。在關(guān)于人類結(jié)腸癌的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)移植和單細(xì)胞基因表達(dá)所做的分析表明，特定的LGR5陽性和LGR5陰性細(xì)胞群可以再生腫瘤，分析還表明了未產(chǎn)生腫瘤的LGR5陰性癌細(xì)胞。因此，我們可能可以利用每x`個(gè)致瘤細(xì)胞群的單細(xì)胞基因表達(dá)譜來設(shè)計(jì)針對(duì)特定患者的治療策略，從而確?？梢园邢蛩兄铝黾?xì)胞群66,67。
治療失敗的另外一個(gè)主要原因是正常干細(xì)胞和癌癥干細(xì)胞均受到特定治療藥物的靶向。例如，曾有藥物靶向組蛋白乙?；谋碛^遺傳修飾閱讀者（epigenetic readers）中的BET（溴結(jié)構(gòu)域和額外末端結(jié)構(gòu)域，bromodomain and extraterminal）家族（BET通路），將其作為對(duì)依賴于表達(dá)通路的基因（例如癌基因MYC）進(jìn)行靶向的一種方式，此類藥物曾引起了人們的巨大興奮。然而，正常的腸道干細(xì)胞和許多癌癥干細(xì)胞均被抑制BET通路的藥物所靶向68。在某些情況下，最大有效劑量的BET通路抑制劑對(duì)正常的腸道干細(xì)胞和癌癥干細(xì)胞具有同樣毒性，導(dǎo)致嚴(yán)重的胃腸道毒性。因此，這些藥物在臨床上有可能達(dá)到，也有可能達(dá)不到良好的治療指數(shù)。
最近，美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)了三種可靶向癌癥干細(xì)胞的新藥。vismodegib是一種hedgehog信號(hào)通路抑制劑，靶向基底細(xì)胞癌中的至少一部分癌癥干細(xì)胞69,70。ivosidenib是異檸檬酸脫氫酶-1編碼基因（IDH1）的抑制劑，被批準(zhǔn)用于治療復(fù)發(fā)性白血病患者。突變IDH1引起（R）-2-羥基戊二酸累積，后者可阻斷組蛋白去甲基化和細(xì)胞分化48。維奈托克（Venetoclax）會(huì)增加白血病干細(xì)胞中的ROS。以前也有藥物（如L-S,R丁硫氨酸-亞砜亞胺）可靶向癌癥干細(xì)胞中ROS通路，但這些藥物也靶向正常的干細(xì)胞，因此毒性限制了其臨床應(yīng)用。最近，Jordan及其同事發(fā)現(xiàn)BCL2抑制劑維奈托克在大量患者中可選擇性殺傷AML干細(xì)胞71。一項(xiàng)臨床研究納入了預(yù)后不良且對(duì)標(biāo)準(zhǔn)治療應(yīng)答非常差的老年患者，結(jié)果表明在接受維奈托克聯(lián)合治療的患者中，至少60%達(dá)到了完全緩解。其中一些是長(zhǎng)期緩解72。這些研究表明了有效靶向癌癥干細(xì)胞的藥物的療效。
干細(xì)胞的生物學(xué)特性也與免疫療法相關(guān)62,73,74。干細(xì)胞在組織損傷的修復(fù)過程中必不可少，所以它們通過表達(dá)調(diào)節(jié)因子來保護(hù)自身免受免疫損傷不足為奇。造血干細(xì)胞（可能還有其他干細(xì)胞）通過表達(dá)CD47來保護(hù)自身免受巨噬細(xì)胞的吞噬。CD47向巨噬細(xì)胞發(fā)出“不要吃我”的信號(hào)。癌細(xì)胞可利用CD47來保護(hù)自身免受巨噬細(xì)胞攻擊。在近期一項(xiàng)納入難治性非霍奇金淋巴瘤患者的研究中，CD47抑制抗體使50%的患者恢復(fù)了對(duì)利妥昔單抗的敏感性，并且有36%的患者達(dá)到了完全緩解75。
未來
將癌癥干細(xì)胞的生物學(xué)研究轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用有很大前景，但目前仍處于起步階段。此外，為了充分發(fā)揮其潛力，有幾個(gè)問題還有待解決。首先也是最重要的是，我們需要更加明確以下兩類干細(xì)胞的分子和細(xì)胞生物學(xué)特性，一類是正常干細(xì)胞，另一類是起源于各組織的腫瘤所包含的干細(xì)胞。很明顯，有一些（但非全部）致癌突變可向發(fā)生部分分化的細(xì)胞賦予干細(xì)胞特性。正如維奈托克、ivosidenib、vismodegib和CDX2研究所證明的那樣，癌癥干細(xì)胞的生物學(xué)研究可以幫助我們了解細(xì)胞有哪些易受已知療法和新療法影響且之前未知的脆弱之處。由于致癌突變可以使癌癥干細(xì)胞的存活不再依賴于特定基因13,22，因此顯而易見，對(duì)癌癥干細(xì)胞的成功根除將依賴于可靶向癌癥干細(xì)胞多個(gè)通路的聯(lián)合治療。治療藥物必須同時(shí)靶向休眠和增殖的癌癥干細(xì)胞、由特定突變產(chǎn)生的癌癥干細(xì)胞群，以及已發(fā)生的突變使其不再依賴于單一干細(xì)胞通路的細(xì)胞。
圖5. 白血病復(fù)發(fā)模型
許多急性髓系白血?。ˋML）患者的HSC攜帶1或2個(gè)癌前突變。這些HSC最終發(fā)生了導(dǎo)致明確AML的突變。白血病演變過程可能發(fā)生更多的突變，從而導(dǎo)致癌癥的克隆演變。在治療失敗的情況下，白血病可能由于一個(gè)或多個(gè)白血病干細(xì)胞克隆未被清除而復(fù)發(fā)。與惡性克隆相比，對(duì)治療同樣具有耐藥性的癌前克隆的生物學(xué)復(fù)雜性較低。針對(duì)癌前干細(xì)胞開發(fā)診斷檢測(cè)方法和治療藥物有可能明顯減少疾病和死亡。
很明顯，如果腫瘤攜帶大量突變，則靶向癌癥干細(xì)胞的工作有可能變得很復(fù)雜。對(duì)AML復(fù)發(fā)所做的研究就這一問題的潛在解決方式提供了一些啟示。AML的復(fù)發(fā)涉及多種機(jī)制，如未能清除腫瘤中所有不同的白血病干細(xì)胞克隆39（圖5）。白血病前（preleukemic）造血干細(xì)胞（在克隆性造血中見到的相同細(xì)胞通常在治療后持續(xù)存在）可能是治療失敗的另一個(gè)原因。就像克隆性造血患者的情況一樣，人們可以推測(cè)這些細(xì)胞會(huì)以每年大約1%的頻率導(dǎo)致后期復(fù)發(fā)。由于癌前細(xì)胞的分子和細(xì)胞生物學(xué)特性具有較低的復(fù)雜性，因此如果一種療法可在明確的癌癥發(fā)生之前清除這些白血病前細(xì)胞，以及清除許多實(shí)體瘤中推測(cè)的癌前（但其他方面正常）干細(xì)胞，療效可能會(huì)更好。在未來，針對(duì)癌癥干細(xì)胞靶點(diǎn)的小分子抑制劑、生物制劑和免疫療法所組成的聯(lián)合治療可能進(jìn)入臨床并改善患者結(jié)局。
Disclosure forms provided by the author are available with the full text of this article at NEJM.org.
I thank Angera H. Kuo, Ph.D., Shaheen Sikandar, Ph.D., and Jane Antony, Ph.D., for their comments and thoughtful suggestions regarding an earlier version of the manuscript.
譯者：侯海燕，NEJM醫(yī)學(xué)前沿
校對(duì)：照日格圖，NEJM醫(yī)學(xué)前沿
Michael F. Clarke, M.D.
From the Stanford Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, Stanford University, Stanford, CA. Address reprint requests to Dr. Clarke at the Stanford Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, 265 Campus Dr., Rm. G2021A, Stanford, CA 94305, or at mfclarke@stanford.edu.
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