肿瘤干细胞在肿瘤转移中的起始机制

肿瘤干细胞在肿瘤转移中的起始机制演讲人2026-01-13肿瘤干细胞：转移起始的“种子细胞”基础01微环境调控：CSCs转移起始的“土壤”相互作用02转移起始的核心机制：CSCs的“启动”过程03临床意义与转化挑战：从机制到应用04目录肿瘤干细胞在肿瘤转移中的起始机制引言肿瘤转移是导致恶性肿瘤患者治疗失败和死亡的首要原因，临床数据显示超过90%的肿瘤相关死亡与转移密切相关。在过去的几十年里，我们对肿瘤转移的认知已从“随机扩散假说”逐步发展为“肿瘤干细胞（CancerStemCells,CSCs）介导的级联事件假说”。作为肿瘤组织中具有自我更新、多向分化及高致瘤能力的亚群，CSCs不仅驱动原发肿瘤的生长，更在转移的起始阶段扮演着“种子细胞”的核心角色。在我的研究实践中，曾观察过一位晚期胰腺癌患者：尽管原发灶通过手术切除，但18个月后肝转移灶迅速进展，而通过单细胞测序分析发现，转移灶中CD44+/CD24-亚群的比例较原发灶升高了3倍，这一结果直接印证了CSCs在转移起始中的决定性作用。本文将从CSCs的生物学特性、转移起始的核心机制、微环境调控及临床转化价值四个维度，系统阐述肿瘤干细胞如何启动并驱动肿瘤转移的全过程，为破解转移难题提供新的理论视角。01肿瘤干细胞：转移起始的“种子细胞”基础ONE1CSCs的定义、起源与鉴定标准肿瘤干细胞是指肿瘤组织中一小部分具有干细胞样特性的细胞亚群，其核心特征包括：①自我更新能力（通过不对称分裂维持自身数量恒定）；②多向分化潜能（产生异质性肿瘤细胞群体）；③高致瘤性（在免疫缺陷小鼠中仅需少量细胞即可形成移植瘤）。CSCs的起源目前存在两种假说：“干细胞转化假说”认为，正常组织干细胞或祖细胞在致癌因素作用下发生基因突变而获得恶性表型；“分化重编程假说”则认为，已分化的肿瘤细胞通过表观遗传修饰或微环境诱导去分化而获得干性特征。无论是何种起源，CSCs的鉴定均依赖于特异性表面标志物（如乳腺癌中的CD44+/CD24-/ESA+、结直肠癌中的CD133+、胶质瘤中的CD133+/CD15+）、功能性实验（如sphere-formingassay体外成球能力、极限稀释法体内致瘤能力）以及干性基因表达（如OCT4、SOX2、NANOG等）。2CSCs的核心生物学特性与转移潜能的关联CSCs的生物学特性使其天然具备转移起始的优势：-自我更新与休眠能力：CSCs可通过不对称分裂产生一个子代CSC（维持干性）和一个短暂增殖的祖细胞（分化为肿瘤细胞），这种分裂模式使其能在转移过程中长期存活；同时，部分CSCs可进入G0期休眠，逃避化疗和放疗的杀伤，在适宜时机重新激活，形成“潜伏转移灶”。-侵袭与迁移能力：CSCs高表达基质金属蛋白酶（MMPs）、尿激酶型纤溶酶原激活物（uPA）等ECM降解酶，能够突破基底膜和基质屏障；其细胞骨架中的波形蛋白（Vimentin）和N-钙黏蛋白（N-cadherin）高表达，赋予细胞更强的运动能力。2CSCs的核心生物学特性与转移潜能的关联-耐药性与免疫逃逸：CSCs高表达ABC转运蛋白（如ABCG2、MDR1）可将化疗药物泵出细胞；同时，其表面高表达PD-L1、CD47等免疫检查点分子，通过抑制T细胞、NK细胞活性逃避免疫监视，为转移起始创造条件。3肿瘤异质性中CSCs亚群的动态演化肿瘤并非均质细胞群体，而是由具有不同分化状态和转移潜能的CSCs亚群构成。以乳腺癌为例，Luminal型CSCs（CD49f+CD24+）倾向于肺转移，而Basal-like型CSCs（CD49f+CD44+）更易发生骨转移。这种转移器官特异性源于CSCs与微环境的“匹配性”，即“种子-土壤学说”中的“土壤选择性”。此外，在转移过程中，CSCs可通过表观遗传修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰）动态调整干性基因表达，适应不同器官的微环境，这种“可塑性”是其成功起始转移的关键。02转移起始的核心机制：CSCs的“启动”过程ONE转移起始的核心机制：CSCs的“启动”过程肿瘤转移的起始阶段是指CSCs从原发灶脱离、侵入周围组织并进入循环系统的过程，这一过程涉及CSCs内在分子程序的激活与微环境信号的协同调控。2.1上皮-间质转化（EMT）：CSCs获得迁移能力的“钥匙”上皮-间质转化（Epithelial-MesenchymalTransition,EMT）是指上皮细胞失去极性和细胞间连接，获得间质细胞表型的过程，是CSCs获得迁移和侵袭能力的核心机制。在EMT过程中，上皮标志物（如E-钙黏蛋白、E-cadherin）表达下调，间质标志物（如N-钙黏蛋白、N-cadherin、波形蛋白）表达上调，细胞间连接（如紧密连接、桥粒）解体，细胞形态从立方上皮变为梭形，运动能力显著增强。转移起始的核心机制：CSCs的“启动”过程-转录因子调控网络：EMT的激活依赖于核心转录因子（Snail、Slug、Twist1、ZEB1/2）的表达。这些转录因子通过直接结合E-cadherin启动子区域的E-box元件，抑制其转录；同时激活间质基因表达，形成正反馈环路。例如，在胰腺癌中，TGF-β信号可诱导Snail表达，Snail不仅下调E-cadherin，还激活CSCs标志物CD44，促进CSCs亚群富集。-EMT与CSCs干性的交叉调控：EMT与CSCs干性存在双向促进作用。一方面，EMT转录因子可直接激活干性基因（如Snail结合OCT4启动子增强其表达）；另一方面，干性通路（如Wnt/β-catenin）可上调Twist1等EMT转录因子。在我们构建的肝癌类器官模型中，诱导EMT后，CD133+CSCs比例从12%升至38%，同时成球能力提升4倍，证实EMT与干性协同增强转移起始潜能。转移起始的核心机制：CSCs的“启动”过程-可逆性与“部分EMT”状态：传统观点认为EMT是不可逆的，但近年研究发现，CSCs常处于“部分EMT”状态（即同时表达上皮和间质标志物），这种状态既保留了迁移能力，又维持了一定的细胞粘附性，有利于其在循环系统中存活。例如，乳腺癌CSCs中E-cadherinlow/N-cadherinhigh亚群比完全间质化细胞更具肺转移能力。2干性维持信号通路的激活：CSCs自我更新的“引擎”多条经典干细胞信号通路在CSCs的转移起始过程中持续激活，维持其自我更新能力和干性特征。-Wnt/β-catenin通路：Wnt蛋白与细胞膜上Frizzled/LRP受体结合，抑制β-catenin的磷酸化降解，使其进入细胞核与TCF/LEF家族成员结合，激活下游靶基因（如c-Myc、CyclinD1）的表达。在结直肠癌中，APC基因突变导致β-catenin持续激活，驱动CSCs的自我更新和侵袭；我们的实验显示，敲低β-catenin后，结肠癌CSCs的肝转移能力下降72%，证实其在转移起始中的核心作用。2干性维持信号通路的激活：CSCs自我更新的“引擎”-Notch通路：Notch受体与配体（Jagged、DLL）结合后，经γ-分泌酶酶切释放Notch胞内结构域（NICD），进入细胞核激活HES/HEY等靶基因。在乳腺癌中，Notch3高表达与CSCs富集和骨转移正相关；临床前研究表明，γ-分泌酶抑制剂（GSIs）可显著抑制乳腺癌CSCs的转移起始能力。-Hedgehog（Hh）通路：Hh蛋白与Patched受体结合，解除其对Smoothened的抑制，激活Gli家族转录因子，促进干性基因（如NANOG、SOX2）表达。在胰腺癌中，Hh通路通过旁分泌方式激活基质成纤维细胞，分泌IL-6等因子进一步增强CSCs的干性和侵袭性；靶向Hh通路的药物（如维莫德吉）可减少胰腺癌小鼠模型的肝转移灶数量。2干性维持信号通路的激活：CSCs自我更新的“引擎”2.3细胞外基质（ECM）重塑与侵袭：突破物理屏障的“推土机”CSCs通过分泌多种酶类和细胞因子，降解并重塑ECM，为侵袭转移开辟道路。-MMPs与uPA系统：基质金属蛋白酶（MMP-2、MMP-9）可降解IV型胶原（基底膜主要成分），尿激酶型纤溶酶原激活物（uPA）可激活纤溶酶原为纤溶酶，降解多种ECM蛋白。在黑色素瘤中，CSCs高表达MMP-9，其活性与原发灶侵袭深度和转移灶数量呈正相关；MMP抑制剂（如马立马司他）在动物模型中可抑制CSCs的肺转移。-ECM的“正向重塑”：CSCs不仅降解ECM，还能通过分泌纤连蛋白（fibronectin）、层粘连蛋白（laminin）等ECM成分，形成“迁移轨道”，引导肿瘤细胞集体迁移。例如，乳腺癌CSCs可诱导成纤维细胞分泌I型胶原，通过整合素α2β1受体结合，激活下游FAK/Src通路，增强细胞迁移能力。2干性维持信号通路的激活：CSCs自我更新的“引擎”-血管生成拟态（VasculogenicMimicry,VM）：部分CSCs具有形成血管样结构的能力，无需内皮细胞即可为肿瘤提供血液供应。在胶质母细胞瘤中，CD133+CSCs可通过表达VEGF、MMPs等分子形成VM，这种结构不仅促进原发瘤生长，还为CSCs进入循环系统提供通道，与患者不良预后密切相关。03微环境调控：CSCs转移起始的“土壤”相互作用ONE微环境调控：CSCs转移起始的“土壤”相互作用肿瘤微环境（TumorMicroenvironment,TME）并非被动旁观者，而是通过复杂的细胞间通讯和信号传递，主动调控CSCs的转移起始能力。1肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）的“促转移旁分泌”CAFs是TME中最丰富的基质细胞群体，通过分泌多种因子激活CSCs的侵袭和转移程序。-因子分泌：CAFs可分泌HGF、SDF-1α（CXCL12）、TGF-β等因子，与CSCs表面的c-Met、CXCR4、TGF-βR结合，激活下游PI3K/Akt和MAPK通路，促进EMT和干性维持。例如，在前列腺癌中，CAFs分泌的HGF通过c-Met/Akt通路上调Snail表达，诱导CSCs的EMT和骨转移。-ECM交联与stiffness：CAFs活化后高表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）和赖氨酰氧化酶（LOX），LOX催化ECM中胶原的交联，增加组织硬度（stiffness）。高stiffness可通过整合素-FAK-YAP信号通路激活CSCs的干性基因表达，促进其侵袭；在体外模拟高硬度基质的实验中，乳腺癌CSCs的EMT相关基因表达升高2.5倍。1肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）的“促转移旁分泌”-线粒体转移：近年研究发现，CAFs可通过隧道纳米管（TNTs）将线粒体转移至CSCs，增强其氧化磷酸化能力和ATP产生，支持CSCs在转移过程中的能量代谢需求。在卵巢癌模型中，阻断线粒体转移后，CSCs的肺转移能力显著下降。3.2肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的“免疫逃逸”与“转移支持”TAMs（尤其是M2型巨噬细胞）是TME中重要的免疫抑制细胞，通过多种机制促进CSCs的转移起始。-IL-6/STAT3信号：TAMs分泌的IL-6可与CSCs表面的IL-6R结合，激活JAK2/STAT3通路，上调干性基因（如NANOG、SOX2）和EMT转录因子（Twist1）。在肝癌中，STAT3抑制剂可显著减少TAMs富集的CSCs数量和肺转移灶。1肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）的“促转移旁分泌”-外泌体介导的信号传递：TAMs分泌的外泌体（Exosomes）富含miR-21、miR-29a等miRNA，可被CSCs摄取，通过抑制PTEN、TIMP3等抑癌基因，促进其侵袭和转移。例如，乳腺癌TAMs来源的外泌体miR-21可靶向PTEN/PI3K/Akt通路，增强CSCs的化疗耐药和转移能力。-免疫检查点分子：TAMs高表达PD-L1，与CSCs表面的PD-1结合，抑制T细胞的抗肿瘤活性，为CSCs的转移起始创造免疫豁免环境。临床数据显示，PD-L1阳性的CSCs亚群与肿瘤转移风险呈正相关。1肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）的“促转移旁分泌”3.3转移前生态位（Pre-metastaticNiche）的“预准备”原发瘤可通过分泌外泌体、循环肿瘤细胞（CTCs）等因子，在远端器官（如肺、肝、骨）预先形成“转移前生态位”，为CSCs的定植和生长做好准备。-外泌体介导的生态位形成：CSCs来源的外泌体携带整合素（如α6β4、αvβ5）、MET等蛋白，可靶向远端器官的特定细胞（如肺泡II型上皮细胞、成骨细胞），通过激活Src/STAT3和TGF-β/Smad通路，诱导ECM重塑、炎症因子分泌（如S100A8/A9）和血管渗漏，为CSCs定植创造“土壤”。例如，胰腺癌CSCs外泌体中的整合素αvβ5可特异性归巢至肺，通过激活肺成纤维细胞形成纤维化生态位，促进肝转移。1肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）的“促转移旁分泌”-骨髓来源细胞的动员：原发瘤分泌的VEGF、PGE2等因子可动员骨髓来源的造血干细胞（HSCs）和血管内皮祖细胞（EPCs）进入循环，归巢至远端器官分化为巨噬细胞、成纤维细胞等，参与生态位构建。在黑色素鼠模型中，清除骨髓来源细胞后，肺转移前生态位的形成被抑制，CSCs的定植能力下降60%。-免疫抑制微环境的建立：转移前生态位中，调节性T细胞（Tregs）、髓源性抑制细胞（MDSCs）等免疫抑制细胞浸润，高表达IL-10、TGF-β，抑制NK细胞和CD8+T细胞的活性，为CSCs的逃逸和定植提供免疫保护。4.表观遗传与代谢重编程：CSCs转移起始的“内在驱动力”除了信号通路和微环境的调控，表观遗传修饰和代谢重编程是CSCs维持转移起始能力的内在基础，使其能够快速适应转移过程中的环境变化。1表观遗传修饰：干性与转移程序的“开关”表观遗传修饰通过调控基因表达的可逆性改变，决定CSCs的干性状态和转移潜能。-DNA甲基化：CSCs中，抑癌基因（如CDH1、PTEN）的启动子区域常发生高甲基化，导致其表达沉默；而干性基因（如OCT4、NANOG）的低甲基化维持其高表达。例如，在乳腺癌转移灶中，CDH1（E-cadherin基因）启动子甲基化比例高达78%，显著高于原发灶的45%，这种表观遗传改变促进EMT和转移起始。-组蛋白修饰：组蛋白乙酰化（H3K27ac）和甲基化（H3K4me3）通常激活基因表达，而H3K27me3（由PRC2复合物催化）抑制基因表达。在前列腺癌中，CSCs通过PRC2介导的H3K27me3抑制上皮分化基因（如CDH1），维持间质表型；而HDAC抑制剂（如伏立诺他）可逆转这一过程，抑制CSCs的转移能力。1表观遗传修饰：干性与转移程序的“开关”-非编码RNA调控：miRNA和lncRNA通过靶向mRNA降解或抑制翻译，调控干性和转移相关基因。例如，miR-200家族靶向ZEB1/2，抑制EMT；而在转移性CSCs中，miR-200表达下调，ZEB1/2高表达，促进迁移。lncRNAHOTAIR通过招募PRC2抑制E-cadherin表达，在肝癌CSCs的转移起始中发挥关键作用。2代谢重编程：能量供应与生物合成的“适配器”CSCs通过代谢重编程，满足转移过程中的能量需求和生物合成前体供应，这种代谢表型是其转移起始能力的物质基础。-糖酵解增强（Warburg效应）：即使氧气充足，CSCs仍优先通过糖酵解产生ATP，而非氧化磷酸化（OXPHOS）。这一过程不仅快速提供能量，还产生大量乳酸和中间代谢产物（如6-磷酸葡萄糖、3-磷酸甘油醛），用于核酸、脂质合成。在胶质瘤CSCs中，糖酵解关键酶HK2、LDHA的表达较非CSCs高3-5倍，抑制HK2可显著降低其侵袭和转移能力。-氧化磷酸化（OXPHOS）依赖：部分CSCs（如休眠期CSCs）依赖OXPHOS产生能量，其线粒体功能活跃。例如，乳腺癌休眠期CSCs通过脂肪酸氧化（FAO）产生NADPH和ATP，维持氧化还原平衡，逃避免疫监视；抑制CPT1（FAO关键酶）可诱导休眠期CSCs激活，增加转移风险。2代谢重编程：能量供应与生物合成的“适配器”-一碳代谢与谷氨酰胺分解：一碳代谢（包括叶酸循环和蛋氨酸循环）为核苷酸合成提供甲基和碳单位；谷氨酰胺分解为TCA循环提供α-酮戊二酸，支持生物合成。在胰腺癌CSCs中，谷氨酰胺酶（GLS）高表达，抑制GLS可阻断谷氨酰胺分解，导致核苷酸耗竭，抑制其成球和转移能力。04临床意义与转化挑战：从机制到应用ONE临床意义与转化挑战：从机制到应用深入理解CSCs在转移起始中的机制，为肿瘤的早期诊断、预后判断和靶向治疗提供了新的靶点和策略。1诊断标志物：早期转移预警的“探针”CSCs的特异性标志物和分泌产物可作为液体活检（Liquidbiopsy）的靶点，实现早期转移预测。例如，外周血中CD44+CTCs的数量与乳腺癌患者的无转移生存期显著相关；循环CSCs来源的外泌体miR-21、miR-10b可作为胰腺癌肝转移的早期预警标志物。此外，基于CSCs基因表达谱的signatures（如“转移起始评分”）可预测患者的转移风险，指导个体化治疗。2靶向治疗：清除“转移种子”的策略针对CSCs的靶向治疗可分为以下几类：-靶向干性通路：Wnt通路抑制剂（如LGK974）、Notch通路抑制剂（如RO4929097）、Hh通路抑制剂（如维莫德吉）已在临床试验中显示出一定的抗转移效果，但单一靶点抑制剂易产生耐药性，联合用药可能是未来方向。-靶向EMT：通过阻断EMT转录因子（如Snail抑制剂）或EMT相关信号（如TGF-β抑制剂），逆转CSCs的间质表型，抑制其侵袭能