在CSC领域发展史上，1997年，Bonnet和Dick在急性髓系白血病（AML）中首次明确鉴定出癌症干细胞。随后，Clarke和Wicha等人于2003年将这一概念扩展到实体瘤，首次在乳腺癌中发现了具有干细胞特性的细胞亚群，这一发现引起了广泛关注，推动了癌症干细胞在实体瘤研究中的热潮。在这之后，癌症干细胞被鉴定，并从多种恶性肿瘤中分离出来，包括脑癌、前列腺癌、黑色素瘤、多发性骨髓瘤、结肠癌、胰腺癌和头颈癌。今天小编要给大家介绍的正是 CSC 领域的先驱之一——Max Wicha博士。
Max Wicha的科学生涯主要集中在乳腺癌的生物学特征和治疗上，尤其是癌症干细胞（CSC）生物学。根据 ISI 引文索引，Wicha 博士是 CSC 领域被引用率最高的研究人员之一。他的团队是第一个发现乳腺癌干细胞的团队，实现了CSC在实体瘤中的首次发现。此外，他的实验室已经鉴定了许多癌症干细胞标记物，并开发了体外和小鼠模型来分离和表征这些细胞，这些模型已在该领域得到广泛应用。他的团队随后深入阐明了许多调节干细胞自我更新和细胞命运决定的内在和外在途径。最近，Wicha 实验室致力于将其临床前研究成果转化为针对乳腺 CSC 的临床试验的开发。今天小编就给大家带来Max Wicha团队近年来关于CSCs研究的主要成果汇总！
Max Wicha团队最早于2003年使用人类乳腺癌细胞在免疫功能低下的小鼠体内生长的模型，发现了只有少数乳腺癌细胞具有形成新肿瘤的能力。根据细胞表面标志物的表达，他们在9名患者中的8名中鉴定并分离出CD44+ CD24-/low致瘤细胞，仅需100个这类细胞就能够在小鼠体内形成肿瘤。此外，与干细胞模型相一致的观察结果是，肿瘤干细胞能够在NOD/SCID小鼠体内连续传代，每次都能产生干细胞群，以及分化程度较高的非致瘤细胞。值得注意的是，这些“肿瘤干细胞”与正常干细胞具有相同的自我更新和分化特性，尽管在肿瘤中这些过程是失调的。
图1. 正常发育、组织稳态和癌发生中的干细胞
代表性论文：
Al-Hajj, Muhammad, et al. "Prospective identification of tumorigenic breast cancer cells." Proceedings of the National Academy of Sciences 100.7 （2003）: 3983-3988
Dontu, Gabriela, et al. "Stem cells in normal breast development and breast cancer." Cell proliferation 36 （2003）: 59-72.
Liu, Suling, Gabriela Dontu, and Max S. Wicha. "Mammary stem cells, self-renewal pathways, and carcinogenesis." Breast cancer research 7 （2005）: 1-10.
Dontu, Gabriela, Suling Liu, and Max S. Wicha. "Stem cells in mammary development and carcinogenesis: implications for prevention and treatment." Stem cell reviews 1 （2005）: 207-213.
Wicha, Max S., Suling Liu, and Gabriela Dontu. "Cancer stem cells: an old idea—a paradigm shift." Cancer research 66.4 （2006）: 1883-1890.
研究癌症干细胞的实验基础是有合适的体内外模型用于鉴定、分离和表征。此前，人们发现原始神经元细胞可以作为漂浮的球形集落（称为“神经球”）进行繁殖。在此基础上，Max Wicha团队描述了一种用于在悬浮培养物中维持人类乳腺干细胞和祖细胞的体外系统，人类乳腺干细胞在悬浮培养中可产生球形集落，被称之为乳腺球（non-adherent mammospheres）。通过使用体外乳腺球培养和异种移植小鼠模型，Max Wicha团队陆续鉴定出具有不同特性，即不同标志物的乳腺癌干细胞亚群。
如前所述，最早Max Wicha与Michael Clarke合作，证明人类乳腺癌含有一个以表达细胞表面标记CD44+ CD24-/low Lin–为特征的细胞群。
此后Max Wicha团队使用ALDEFLUOR测定从人类乳腺肿瘤中分离出的具有乙醛脱氢酶ALDH活性的ALDH+细胞也含有癌症干细胞群。值得注意的是，ALDH+细胞群与CD44+ CD24-/low Lin–表型有极少量重叠。然而，具有这两种表型的细胞具有高度富集的致瘤能力，能够从少至20个细胞产生肿瘤。随后ALDH1的鉴定成了乳腺癌干细胞，以及其他癌症干细胞里的经典标志物。
最经典的研究之一，Max Wicha团队使用ALDEFLUOR检测来分离和表征来自正常和恶性乳腺组织的33个细胞系中的癌症干细胞（CSC）群体，鉴定出413个基因的CSC谱，其中包括已知在干细胞功能中发挥作用的基因，以及以前未知的CXCR1/IL-8RA等基因。
BCSC存在于EMT（上皮-间质转化）和MET（间质-上皮转化）状态，具有不同的标记和基因表达谱。以CD44+ CD24-为特征的间充质样 BCSC主要处于静止状态，位于肿瘤侵袭前沿，而ALDH+上皮样BCSC，具有增殖性，并且位于更中心的位置。此外， BCSC表现出在在这两种状态之间转变的可塑性，这种可塑性依赖于不同的代谢途径，2DG、H2O2或缺氧产生的代谢或氧化应激促进ROSlo M-BCSCs向ROShi E-BCSCs状态的转变。这种转变被N-乙酰半胱氨酸逆转，并通过AMPK-HIF1α轴的激活介导。
图2. CSC 及其分化后代在乳腺癌亚型范围内的变化
代表性论文：
Dontu G, Abdallah W, Foley J, et al. In vitro propagation and transcriptional profiling of human mammary stem/progenitor cells. Genes Dev 2003; 17: 1253–70.
Ginestier, Christophe, et al. "ALDH1 is a marker of normal and malignant human mammary stem cells and a predictor of poor clinical outcome." Cell stem cell 1.5 （2007）: 555-567.
Charafe-Jauffret, Emmanuelle, et al. "Breast cancer cell lines contain functional cancer stem cells with metastatic capacity and a distinct molecular signature." Cancer research 69.4 （2009）: 1302-1313.
Charafe-Jauffret, Emmanuelle, et al. "Aldehyde dehydrogenase 1–Positive cancer stem cells mediate metastasis and poor clinical outcome in inflammatory breast cancer." Clinical cancer research 16.1 （2010）: 45-55.
Liu, Suling, et al. "Breast cancer stem cells transition between epithelial and mesenchymal states reflective of their normal counterparts." Stem cell reports 2.1 （2014）: 78-91.
Luo, Ming, et al. "Targeting breast cancer stem cell state equilibrium through modulation of redox signaling." Cell metabolism 28.1 （2018）: 69-86.
三、乳腺/癌症干细胞自我更新和细胞命运决定的分子机制
Hedgehog和Bmi-1信号通路在调节正常和特征为 CD44+ CD24-/low Lin–的恶性人类乳腺干细胞自我更新中起到了重要作用。
BRCA1在ER-干/祖细胞向ER+管腔细胞分化中发挥着关键作用。BRCA1的缺失可能会导致遗传不稳定的乳腺干细胞的积累，从而导致进一步的癌变。
HER2过度表达通过影响正常和恶性乳腺干细胞来驱动乳腺癌发生、肿瘤生长和侵袭。因此曲妥珠单抗的临床疗效可能与其靶向HER2扩增肿瘤中癌症干细胞群的能力有关。
PTEN/PI3-K/Akt/β-catenin 通路在正常和恶性干/祖细胞群调节中的重要作用，并表明抑制该通路的药物能够有效地靶向致瘤性乳腺癌细胞。
图3. 乳腺干细胞的自我更新和分化途径
代表性论文：
Liu, Suling, et al. "Hedgehog signaling and Bmi-1 regulate self-renewal of normal and malignant human mammary stem cells." Cancer research 66.12 （2006）: 6063-6071.
Liu, Suling, et al. "BRCA1 regulates human mammary stem/progenitor cell fate." Proceedings of the National Academy of Sciences 105.5 （2008）: 1680-1685.
Korkaya, Hasan, et al. "HER2 regulates the mammary stem/progenitor cell population driving tumorigenesis and invasion." Oncogene 27.47 （2008）: 6120-6130.
Korkaya, Hasan, et al. "Regulation of mammary stem/progenitor cells by PTEN/Akt/β-catenin signaling." PLoS biology 7.6 （2009）: e1000121.
ALDH+细胞的基因表达谱揭示了CXCR1（细胞因子 IL-8的受体）的过度表达，且CXCR1表达仅限于ALDH+细胞亚群。通过体外测定和小鼠模型，Max Wicha团队证明CXCR1阻断通过FAK/AKT/FOXO3A途径介导的FASL/FAS信号传导介导的旁观者效应减少BCSCs数量，延缓肿瘤生长并减少全身性乳腺癌转移的发展。
使用体外和小鼠异种移植模型来检查BCSCs和骨髓来源的间充质干细胞（MSC）之间的相互作用，发现ALDH+的间充质细胞通过涉及IL6和CXCL7的细胞因子网络调节BCSCs，从而加速人类乳腺肿瘤的生长。
曲妥珠单抗耐药性可能是由 IL6 炎症环介导的，从而导致BCSCs的扩张。而IL6受体抗体中断了这种炎症反馈循环，减少了BCSCs，导致小鼠异种移植中肿瘤生长和转移减少。
XIST 通过去抑制let-7控制的旁分泌IL-6促炎症信号传导来促进BCSCs自我更新
在免疫功能正常的同基因小鼠乳腺癌模型中，发现了三种小鼠乳腺癌细胞系PyMT、Met1和D2.0R含有在体内表现出短期和长期转移休眠的CSC，这种休眠依赖于宿主免疫系统。静止的D2.0R CSC对NK细胞的细胞毒性具有抵抗力，而增殖的CSC则敏感。
图4. 炎症细胞因子网络对BCSCs的调节
代表性论文：
Ginestier, Christophe, et al. "CXCR1 blockade selectively targets human breast cancer stem cells in vitro and in xenografts." The Journal of clinical investigation 120.2 （2010）: 485-497.
Korkaya, Hasan, Suling Liu, and Max S. Wicha. "Regulation of cancer stem cells by cytokine networks: attacking cancer's inflammatory roots." Clinical Cancer Research 17.19 （2011）: 6125-6129.
Korkaya, Hasan, et al. "Activation of an IL6 inflammatory loop mediates trastuzumab resistance in HER2+ breast cancer by expanding the cancer stem cell population." Molecular cell 47.4 （2012）: 570-584.
Ma, Yuxi, et al. "LncRNA XIST regulates breast cancer stem cells by activating proinflammatory IL-6/STAT3 signaling." Oncogene 42.18 （2023）: 1419-1437.
Xia, Leiming, et al. "HER2-targeted antibody-drug conjugate induces host immunity against cancer stem cells." Cell chemical biology 28.5 （2021）: 610-624.
Bushnell, Grace G., et al. "Natural killer cell regulation of breast cancer stem cells mediates metastatic dormancy." Cancer Research （2024）.
Pan, Qin, et al. "Concise review: targeting cancer stem cells using immunologic approaches." Stem cells 33.7 （2015）: 2085-2092.
诱导因子1α（HIF-1α）是一种促进肿瘤血管生成、侵袭、转移和癌症干细胞（CSC）自我更新的转录因子。使用双重拓扑异构酶TOPO-1和HIF-1α抑制剂喜树碱处理在低氧条件下生长的乳腺癌细胞，与贝伐单抗联合治疗，能够有效针对 CSC群体。
缺氧驱动的癌症干细胞刺激限制了抗血管生成药物的有效性，并表明为了改善患者的治疗效果，这些药物可能必须与癌症干细胞靶向药物联合使用。
代表性论文：
Conley, Sarah J., et al. "Antiangiogenic agents increase breast cancer stem cells via the generation of tumor hypoxia." Proceedings of the National Academy of Sciences 109.8 （2012）: 2784-2789.
Conley, Sarah J., et al. "CRLX101, an investigational camptothecin-containing nanoparticle-drug conjugate, targets cancer stem cells and impedes resistance to antiangiogenic therapy in mouse models of breast cancer." Breast cancer research and treatment 150 （2015）: 559-567.
2DG、H2O2或缺氧产生的代谢或氧化应激促进ROSlo M-BCSCs向ROShi E-BCSCs状态的转变。这种转变被N-乙酰半胱氨酸逆转，并通过AMPK-HIF1α轴的激活介导。
抗氧化酶NQO1和SOD1是三阴性乳腺癌（TNBC）中ALDH+ E-BCSCs和 CD44+/hi CD24-/lo M-BCSC的治疗弱点。使用 IB-DNQ（NQO1底物，产生大量活性氧）与SOD1小分子抑制剂联合治疗显着增强BCSCs的杀伤作用，并且可以有效抑制肿瘤生长、转移和肿瘤起始潜力。
代表性论文：
Luo, Ming, et al. "Targeting breast cancer stem cell state equilibrium through modulation of redox signaling." Cell metabolism 28.1 （2018）: 69-86.
Luo, Ming, et al. "Simultaneous Targeting of NQO1 and SOD1 Eradicates Breast Cancer Stem Cells via Mitochondrial Futile Redox Cycling." Cancer Research （2024）.
Luo, Ming, and Max S. Wicha. "Targeting cancer stem cell redox metabolism to enhance therapy responses." Seminars in radiation oncology. Vol. 29. No. 1. WB Saunders, 2019.
Max Wicha团队与Sendurai Mani（MD Anderson）和Herbert Levine（东北大学）实验室合作，以解决肿瘤细胞休眠和休眠退出的生物学问题，并评估骨髓（BM）微环境中调节休眠维持和重新激活的内在和外在因素，包括其“干状”状态以及上皮-间质转化（EMT）-间质-上皮转化（MET） 细胞状态在控制肿瘤休眠和重新唤醒，并确定BM微环境生态位如何调节这些状态。
与贝勒医学院和丹娜法伯研究所合作，启动了第一个针对乳腺CSC的临床试验，利用γ分泌酶抑制剂来阻断乳腺癌干细胞中Notch信号传导。此后又与 Karmanos癌症研究所（KCI）于2010年启动了一项临床试验，将Notch抑制与 Hedgehog抑制相结合，以靶向乳腺CSC。
一种小分子抑制剂Repertaxin可阻断CXCR1，能够在异种移植模型中特异性靶向乳腺CSC。与意大利米兰的Dompe Pharmaceuticals签订了一项许可协议，在临床试验中利用他们的小分子CXCR1抑制剂来靶向乳腺CSC。
4.CSC中的HER-2和Akt
Max Wicha团队的多项工作证明HER-2基因（在20%的乳腺癌患者中扩增）是乳腺CSC的重要调节因子，对HER-2的抗性可能是通过删除激活Akt的PTEN基因来介导的。基于此，Max Wicha团队设计了一项将曲妥珠单抗（Herceptin）与Akt抑制剂相结合的新型I期临床试验。
5.癌症干细胞疫苗的研发
Max Wicha团队使用CSC裂解物树突状细胞（DC）来靶向黑色素瘤和鳞状细胞癌中的CSC。对已形成的肿瘤进行局部放射治疗后，在辅助环境中注射CSC-DC疫苗。CSC-DC疫苗方法可能适用于癌症常规治疗后局部和全身复发率较高的辅助环境。与传统 DC 疫苗相比，可以更有效地限制局部肿瘤复发和自发性肺转移，并进一步增强宿主存活率。同时阻断 PD-L1。此外，他们还发现PD-L1和CTLA-4阻断剂的癌症干细胞疫苗可增强小鼠肿瘤模型中黑色素瘤干细胞的根除。
图6. 将 CSC 靶向药物与针对每种分子乳腺癌亚型中的大量肿瘤群体的已批准药物相结合的策略
代表性论文：
Bushnell, Grace G., et al. "Breast cancer dormancy: need for clinically relevant models to address current gaps in knowledge." NPJ breast cancer 7.1 （2021）: 66.
Schott, Anne F., et al. "Preclinical and clinical studies of gamma secretase inhibitors with docetaxel on human breast tumors." Clinical Cancer Research 19.6 （2013）: 1512-1524.
Goldstein, Lori J., et al. "A randomized, placebo-controlled phase 2 study of paclitaxel in combination with reparixin compared to paclitaxel alone as front-line therapy for metastatic triple-negative breast cancer （fRida）." Breast cancer research and treatment 190 （2021）: 265-275.
Korkaya, Hasan, and Max S. Wicha. "Breast cancer stem cells: we've got them surrounded." Clinical Cancer Research 19.3 （2013）: 511-513.
Xia, Leiming, et al. "HER2-targeted antibody-drug conjugate induces host immunity against cancer stem cells." Cell chemical biology 28.5 （2021）: 610-624.
Lu, Lin, et al. "Cancer stem cell vaccine inhibits metastases of primary tumors and induces humoral immune responses against cancer stem cells." Oncoimmunology 4.3 （2015）: e990767.
Hu, Yangyang, et al. "Therapeutic efficacy of cancer stem cell vaccines in the adjuvant setting." Cancer research 76.16 （2016）: 4661-4672.
Zheng, Fang, et al. "Cancer stem cell vaccination with PD-L1 and CTLA-4 blockades enhances the eradication of melanoma stem cells in a mouse tumor model." Journal of Immunotherapy 41.8 （2018）: 361-368.
五、其他癌症干细胞
除了研究乳腺癌干细胞，Max Wicha团队在其他很多癌症类型中也鉴定出了不同特性的肿瘤干细胞。
使用原发性人胰腺腺癌在免疫功能低下的小鼠中生长的异种移植模型，鉴定了表达细胞表面标记物CD44+ CD24+ ESA+的高致瘤性胰腺癌细胞亚群。
对于结直肠癌（CRC），基于ALDH酶活性，发现ALDH1也是CRC发展过程中识别、分离和跟踪人类结肠SC的特异性标记。
使用ALDH活性和CD44表达对来自原代人头颈鳞状细胞癌的推定干细胞进行分类，发现内皮细胞发起的信号传导可以增强头颈部 CSC 的存活和自我更新。
CD133和ALDH的双重阳性定义了卵巢癌的CSC，ALDH+ CD133+细胞比 ALDH+ CD133-细胞有更大的生长，直接从人类肿瘤中分离出的11个ALDH+ CD133+细胞就足以在小鼠中引发肿瘤。
通过在肺癌中使用Notch GFP报告基因构建体和抑制Notch 通路活性的γ-分泌酶抑制剂 （GSI），发现Notch 活性可以识别肺癌干细胞样群，其抑制可能是治疗肺腺癌的合适靶点。
唾液腺粘液表皮样癌含有一小群具有增强致瘤潜力的癌症干细胞，其特征是高ALDH活性和CD44表达。
代表性论文：
Li, Chenwei, et al. "Identification of pancreatic cancer stem cells." Cancer research 67.3 （2007）: 1030-1037.
Huang, Emina H., et al. "Aldehyde dehydrogenase 1 is a marker for normal and malignant human colonic stem cells （SC） and tracks SC overpopulation during colon tumorigenesis." Cancer research 69.8 （2009）: 3382-3389.
Krishnamurthy, Sudha, et al. "Endothelial cell-initiated signaling promotes the survival and self-renewal of cancer stem cells." Cancer research 70.23 （2010）: 9969-9978.
Silva, Ines A., et al. "Aldehyde dehydrogenase in combination with CD133 defines angiogenic ovarian cancer stem cells that portend poor patient survival." Cancer research 71.11 （2011）: 3991-4001.
Hassan, Khaled A., et al. "Notch pathway activity identifies cells with cancer stem cell–like properties and correlates with worse survival in lung adenocarcinoma." Clinical cancer research 19.8 （2013）: 1972-1980.
Adams, April, et al. "ALDH/CD44 identifies uniquely tumorigenic cancer stem cells in salivary gland mucoepidermoid carcinomas." Oncotarget 6.29 （2015）: 26633.
小编总结
Max Wicha教授在癌症干细胞研究领域取得了一系列卓越成果，为该领域的发展奠定了坚实基础。他的研究不仅深入揭示了癌症干细胞的奥秘，更为后续的临床治疗提供了关键的理论依据和实践指导。其团队所开发的一系列研究模型和技术方法，已成为众多科研工作者手中的有力工具，极大地推动了整个领域的研究进展。同时，他于 1988 年创立了密歇根大学综合癌症中心（UMCCC），培养出了一大批优秀的科研人才，为癌症研究注入了源源不断的新生力量。
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