肿瘤干性被认为是肿瘤发展的关键组成部分。以前创造的“肿瘤干细胞”(CSC) 被认为是具有严格等级组织的稀有群体，有充分的证据表明这些细胞表现出受动态 CSC-niche相互作用影响的可塑性细胞状态。今天，小编要和大家分享一篇2024年5月发表在Cell Stem Cell（影响因子：23.9）上的文章，作者总结了用于识别和表征肿瘤干细胞状态的技术，并讨论了它们的经典定义和新兴标志，以及它们的赋能属性和相关特征。
1.背景介绍
肿瘤干细胞（CSC）的概念自19世纪以来就被提出。然而，直到20世纪 90 年代，Dick实验室的里程碑式发现才确定了血液恶性肿瘤中CSC的存在。接下来十年的工作为CSC模型奠定了基础，该模型具有类似于成体干细胞功能和层次结构的几个关键特征，包括：（1）CSC具有致瘤性，能够自我更新和分化，从而产生肿瘤异质性；(2) CSC位于层次结构的顶端，在某些肿瘤类型中很少见/较小；(3)肿瘤内的层级组织本质上可塑性有限；(4) CSCs对常规治疗（包括化疗和放疗）具有耐药性。然而，越来越多的证据表明，CSC表现出一种以多种定义功能为特征的可塑细胞状态，强调了对这种细胞类型/状态的基本特征的重新评估。
在此，作者概述了用于表征肿瘤干性状态的方法和生物信息学分析（图 1）。
图1. 用于表征肿瘤干细胞的方法和生物信息学分析
此外，作者还深入研究了肿瘤干性的基本相互关联的属性，包括肿瘤起始、自我更新、分化和可塑性的定义标志（图 2）。
图2. 肿瘤干细胞的定义和新兴标志、赋能属性和相关特征
2.用于表征CSC或肿瘤干性的方法和生物信息学分析
大多数CSC研究源自之前的“金标准”测定，其中涉及荧光激活细胞分选 (FACS)，以根据特定表面标记分离细胞群，然后在连续异种移植测定中以有限稀释度接种分选细胞评估肿瘤起始细胞（TIC）频率。尽管该方法为理解 CSC 功能奠定了基础，但该方法中存在几个技术和科学问题，可能会掩盖CSC的准确识别和表征。（1）技术问题：包括小鼠免疫缺陷状态的差异（NOD/SCID、NSG或裸鼠），异种移植物注射部位的差异，以及使用不同稀释剂（基质胶、培养基或 PBS）。此外，该方法不是原位识别 CSC，而是主要反映特定细胞群承受严酷解离步骤并在移植环境中成功形成肿瘤的能力。（2）科学问题：该方法无法检查肿瘤内细胞与细胞以及细胞与环境的相互作用。它还无法解释CSC的可塑性以及人类和异种移植模型之间截然不同的肿瘤微环境(TME)。
因此，基因工程动物模型和三维（3D）培养系统已被用作替代方案，以补充肿瘤起始/移植测定的局限性，另外，也可以使用谱系追踪来监测完整的、正在发育的肿瘤内CSC的行为。但是，这些方法在了解体内患者组织中的CSC方面的应用也是有限的。为了解决这些限制，人们越来越有兴趣利用患者基因组数据来检查患者的分子特征和干细胞/分化状态的轨迹。单细胞分析在临床样本和实验模型中的应用已经划定了CSC群体中前所未有的异质性，从而提供对每类CSC独特的分子程序的见解。
3.CSC的定义和新兴标志、赋能属性和相关特征
定义标志1：肿瘤起始能力
CSC的背景下，肿瘤起始能力通常是指它们在移植后启动肿瘤形成的能力，通常是在免疫缺陷小鼠模型中，而不是直接诱导致癌转化的能力。由于其在20世纪90年代CSC研究中的关键作用，这一能力被指定为肿瘤干性的第一个标志。 这一标志通常由FACS与免疫缺陷小鼠的连续移植相结合，这些CSC可以产生在起源肿瘤中观察到的异质性，能够反映正常干细胞产生多个谱系的能力。
肿瘤起始包括癌细胞移植、克服环境挑战以及在新的微环境中形成肿瘤的能力。这凸显了CSC 在克服肿瘤发生和进展过程中遇到的障碍方面的适应性。相比之下，自我更新表征了 CSC 维持其干性特性并永久补充 CSC 群体的内在能力。这一过程确保了具有致瘤潜力的未分化细胞的持续存在，从而促进肿瘤的持续生长。
控制CSCs肿瘤发生的分子机制
大量研究报道了控制CSC肿瘤发生的多种分子机制，包括染色质重塑、RNA编辑、剪接和甲基化。例如，染色质重塑因子IKAROS家族蛋白IKZF2的耗竭会损害白血病干细胞（LSC）的肿瘤起始能力；腺苷脱氨酶RNA特异性结合蛋白ADAR1在慢性粒细胞白血病（CML）和实体瘤中对干细胞的自我更新至关重要；YTHDF2的耗尽会破坏AML的异种移植能力；mRNA 结合蛋白IGF2BP2在 AML 起始中发挥关键作用。
定义标志2：自我更新能力
CSC的另一个显着特征是自我更新能力，这可以通过体内肿瘤扩张和维持以及培养物中类器官的持续生长等各种指标来表征。CSC自我更新的能力赋予这些细胞协调一系列致癌过程的能力，包括转移和治疗抵抗。
CSC自我更新程序的分子调控
自我更新能力的维持是CSC特性的一个核心方面。最近的研究通过识别新型转录调节因子促进了自我更新的干细胞程序并抑制CSC的分化，包括 miRNA和其他非编码RNA。例如，长非编码RNA lncHDAC2、线粒体编码的环状 RNA mcPGCK1、剪接因子SF3A3介导的剪接、表观遗传学调节因子YTHDF2参与控制mRNA稳定性。另外，染色质调控在也参与了CSC的自我更新。例如，HMGN1在造血干细胞中、SWI/SNF复合物在神经胶质瘤和胰腺癌干细胞中、ORC1（HBO1）蛋白复合物在白血病干细胞LSC 中、BEX1在肝脏CSC中、KMT2A在肠道肿瘤中均通过表观遗传参与调控CSC的自我更新能力。此外，阻断分化对于维持肿瘤干性至关重要。总的来说，自我更新程序的持续激活和分化程序的同时抑制在CSC的维持和扩张中发挥着关键作用。
尽管大量研究探索了调节CSC自我更新的各种分子机制，但最近的研究强调了将代谢重编程与CSC自我更新联系起来。细胞代谢在能量产生和维持CSC干性所需的必需代谢物的产生中发挥着关键作用。CSC和非CSC表现出的不同功能意味着它们具有不同的代谢，从而激发了人们对揭示这些细胞类型之间代谢差异的浓厚兴趣。涉及的代谢包括葡萄糖代谢、氨基酸代谢（谷氨酰胺、蛋氨酸、赖氨酸和半胱氨酸）和脂质代谢（脂肪酸）等核心代谢途径。
定义标志3：多能性
与在正常成体干细胞中观察到的多能性一样，CSC具有在肿瘤内产生细胞谱系的非凡能力。事实上，干性特征与瘤内异质性呈正相关。通过产生和维持不同的癌细胞谱系，癌细胞的干性在塑造肿瘤组成、治疗反应和疾病进展方面发挥着关键作用。
图3. 肿瘤干性调节因子
新兴标志：可塑性，干性作为一种细胞状态
CSC的经典观点表明它们是可塑性有限的稀有细胞群。然而，人们逐渐认识到，在某些情况或刺激下，分化程度更高的癌细胞可以恢复到更未分化的状态，强调肿瘤干性是一种细胞状态，而不是一种固定条件。在去分化过程中，控制干性特性的信号通路可以被激活，从而发挥CSC样表型的作用。此外，还可能发生转分化，即细胞切换到不同的发育程序并获得独特的组织特异性特征（转分化）。癌症中的细胞可塑性允许癌细胞采用干细胞样状态，从而赋予肿瘤恶性特征，包括治疗抵抗和转移。
肿瘤生态位诱导肿瘤干细胞
基质细胞CAF分泌因子例如白细胞介素IL-6和IL-8、β-连环蛋白、前列腺素 E2等，被证明可以诱导乳腺癌、膀胱癌、结肠癌和卵巢癌等多种癌症的肿瘤干性特征。此外，其他各种细胞类型也已被证明可促进 CSC转化，最意想不到的是CD8+ T细胞，通过IFN-γ促进乳腺癌CSC的干性，强调了细胞因子在调节 CSC中的混杂作用。因此，CSC与各种免疫细胞类型（例如巨噬细胞、中性粒细胞、和调节性T细胞）通过直接细胞间接触或旁分泌信号传导，在癌症调节中发挥关键作用干性行为。另外，神经介导的旁分泌信号传导液与肿瘤干性调节有关。
通过细胞内在程序诱导肿瘤干性
肿瘤干性的诱导也可以独立于TME。在存在压力的情况下，癌细胞表现出显着的适应性，可以通过激活干细胞程序以采取类似干细胞的状态来抵消这些选择性压力。多种应激，包括隔离应激、化疗、缺氧条件、氧化应激和低营养利用率。
赋能属性1：转移
转移是一种复杂的现象，需要利用不同的表型细胞状态来获得执行一系列连续任务的能力，这些任务对于转移的不同阶段至关重要，包括组织侵入、传播到远程站点、成功播种以及最终在远处建立定植器官。CSC可以产生各种肿瘤谱系的概念强调了它们与分化程度更高的癌细胞相比具有优越的多能性。由于这一属性，CSC可以通过在不同状态之间穿梭来参与转移级联，以满足不同的转移需求。
CSC中共享的干性和转移程序
参与干性和转移的基因的相互交织作用导致CSC具有增强的转移能力。一系列研究表明，调节上皮-间质转化EMT的转录因子或刺激物同时增强肿瘤起始能力。因此，具有更多间质状态的细胞具有更高的肿瘤发生率。有可能存在重叠的上游调节因子，可以控制CSC相关基因和转移相关基因的调节。
CSC和MIC
转移起始细胞（MIC）是指能够经历剧烈表型转变以适应全谱转移级联并最终定植外来组织的癌细胞子集虽然一些研究表明MIC和CSC具有重叠的特征，包括干性样基因表达特征，但也有研究表明它们是不同的细胞类型。CSC 通过产生具有增强迁移属性的分化癌细胞，在肿瘤发生的协调中发挥作用。然而，远距离器官的长期定植和生长需要重新获得CSC样表型。这可能是因为转移定植所涉及的过程之间的相似性在肿瘤发生和肿瘤发生过程中，处于更像干细胞状态的细胞有利于在远处定植。
赋能属性2：治疗抵抗
CSC被认为是治疗耐药的主要原因，因为它们能够逃避治疗药物诱导的细胞死亡并导致治疗后肿瘤复发。在治疗应激存在的情况下，重新编程刺激生长所必需的信号通路的能力取决于CSC的显着可塑性，以激活生存所必需的分子程序。干性性状与休眠之间的联系已在多种肿瘤类型中得到牢固确立。在这种情况下，在没有任何明显肿瘤生长的长期治疗后，这些细胞中的一小部分可能会持续存在并获得在药物存在下增殖的能力，随着时间的推移变得越来越耐受和/或耐药。近年来，癌症群体中存在的这一耐药细胞亚群被称为“持久细胞”，并已被证明在促进耐药性方面发挥着重要作用。
CSCs对抗化疗
早期的研究表明，癌症中更像干细胞的状态表现出对传统治疗方式的更大抵抗力，因为它们排出药物的能力增强，并保护基因组完整性。CSC的静止特性也被广泛认为是针对快速增殖的常规疗法的耐药性来源细胞。此外，由于化疗可能会引发TME损伤反应，CSC的化学耐药性可能部分由TME因素驱动。
CSCs对抗分子靶向治疗
CSC能够逃避治疗抑制的另一个原因是通过利用分子可塑性来维持生长。关于靶向治疗的耐药性，CSC中多个干性程序的激活导致针对特定途径的治疗无效。
CSCs对抗免疫治疗
免疫疗法利用宿主免疫系统破坏恶性肿瘤，已成为癌症治疗的一个重要方面。然而，肿瘤干性与免疫逃逸之间相互作用会降低免疫治疗的疗效。
相关特征1：Niche和CSC串扰
TME由大量细胞成分组成，包括癌细胞、CAF、免疫细胞和内皮细胞，以及非细胞成分，包括基质硬度、营养可用性和氧水平，它们共同塑造了肿瘤特征。随着肿瘤的进展，TME内日益复杂的通信往往会发展成为一个自我维持的肿瘤生态系统。在TME中，CSC与niche的相互作用越来越被认为是恶性传播的一个特征。CSC和分化的癌细胞之间的共生相互作用可以加速肿瘤的增殖，而非癌细胞，例如内皮细胞，可以促进血管生成，脏脂肪基质细胞可以促进CD44v6的表达以增强CSC干性2。
CSC调节氧气和营养物质的可用性
CSC可以控制肿瘤相关的血管生成，这对提供氧气和营养供应以促进恶性生长的扩张至关重要。早期的工作揭示了CSC具有显着的可塑性，可以转分化形成内皮细胞样表型，以协调血管生成。CSC在营养缺乏的情况下也表现出可塑性，这一特性主要通过代谢重编程来实现，使之在压力存在下发展出生存优势。
CSC和基质刚度
基质的机械信号在控制CSC中起着至关重要的作用。基质硬度对干性的影响仍有待完全定义，因为软基质或硬基质均具有诱导CSC的能力。尽管如此，一些研究支持刚性基质驱动CSC状态的观点，例如，胶质母细胞瘤中机械力和CSC状态之间的相互信号传导是疾病复发的基础。从机制上讲，刚性基质诱导具有PDZ结合基序（TAZ）定位的转录共激活因子，促进TAZ-NANOG的相分离，从而促进SOX2和OCT4的转录。。
相关特征2：免疫逃逸
CSC对于肿瘤发生和长期维持的功能至关重要，需要一种抑制免疫监视和杀伤的机制。然而，干性信号传导可以激活免疫抑制程序，从而成为CSC免疫逃逸的基础。此外，大多数癌症表现出干性评分与CD8 + T细胞特征和I型IFN信号传导之间呈负相关。这表明CSC可触发与免疫抑制性TME相结合的损害免疫原性的途径。CSC主要通过逃脱免疫杀伤和激活促肿瘤免疫细胞来实现免疫逃逸。
CSC逃脱免疫杀伤
CSC表现出对CD8+ 和CD4+ T细胞毒性的抵抗力，一方面CSC通过损伤T细胞的激活、杀伤功能和增殖，导致细胞毒性T细胞浸润减少；另一方面，CSC可以增强抑制性受体的表达，包括 PD-L1、CD47 和 CD206，以逃避免疫识别和反应。
CSC激发促肿瘤免疫细胞
维持干性的分子通路可以触发细胞因子和趋化因子的表达，以锚定促肿瘤TME。例如，PRC1复合物促进 CCL2的表达，招募 M2样TAM和调节性T细胞促进免疫抑制。CAF衍生的促肾上腺皮质激素样细胞因子1（CLCF1）促进免疫抑制性中性粒细胞募集和随后极化为促肿瘤中性粒细胞来协调促肿瘤生态位。时钟昼夜节律调节器（CLOCK）介导趋化因子OLFML3的表达，从而诱导免疫抑制性小胶质细胞浸润。
图5. Niche和CSC之间的相互作用
4.未来展望和结束语
由于CSC在肿瘤发生、发展、转移和治疗耐药的整个过程中具有重要影响，因此CSC在改善现有的恶性肿瘤治疗方面具有重要的临床价值。然而，由于人们对肿瘤内可塑性的认识不断增强，人们意识到CSC可能具有更强的能力来抵抗CSC靶向治疗。此外，由于成体干细胞和CSC之间的细胞表面标记和干性程序相似，在不破坏正常稳态的情况下识别CSC特异性的脆弱性具有挑战性。因此，如何使CSC对治疗敏感而不影响正常干细胞是未来的重要工作方向。
未来的研究可能会着重于描述CSC的功能和分子异质性，几个有趣的问题需要解决：（1）CSC标志物是排他的还是重叠的？它们产生相同还是不同的肿瘤谱系？（2）CSC是否具有可塑性，可以在不同类型之间转化？（3）是什么决定了CSC在肿瘤发展中的重要性？（4）在肿瘤进展过程中，是什么调节着每种CSC 亚型的丰度？
最后，在研究方法这一方面，鉴于CSC的巨大异质性和肿瘤干细胞的可塑性，单一标记物不太可能准确表征CSC子集。为了解决这种复杂性，将谱系追踪（包括细胞条形码）与基因组学单细胞分析、蛋白质组学、代谢组学与空间信息相结合， 是了解整个恶性进展过程中CSC的微妙进化动力学和功能的有希望的途径。
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