肿瘤干细胞微环境互作的信号通路

肿瘤干细胞微环境互作的信号通路演讲人肿瘤干细胞微环境互作的信号通路在肿瘤研究领域，肿瘤干细胞（CancerStemCells,CSCs）的发现是继“种子与土壤”理论之后的又一重要突破。作为肿瘤中具有自我更新、多向分化及高成瘤潜能的“种子细胞”，CSCs不仅是肿瘤发生、发展的根源，更是导致治疗抵抗、复发转移的“元凶”。而肿瘤微环境（TumorMicroenvironment,TME）作为CSCs生存的“土壤”，通过复杂的细胞间通讯、信号分子传递及代谢重编程，深刻影响着CSCs的生物学行为。近年来，随着分子生物学与系统生物学的发展，CSCs与TME互作的信号通路逐渐成为肿瘤研究的热点——这些通路如同“桥梁”与“开关”，既调控着CSCs的干性维持与命运决定，又介导着TME的免疫抑制、血管生成与基质重塑，最终形成“CSCs-TME”共生的恶性循环。作为一名长期投身肿瘤基础与临床研究的科研工作者，我深感理解这些信号通路的复杂性对于攻克肿瘤的重要性。本文将从经典通路、新兴调控网络及临床转化三个维度，系统阐述CSCs与TME互作的信号机制，以期为肿瘤靶向治疗提供新的思路与方向。一、CSCs与TME互作的经典信号通路：干性维持与恶性表型的核心调控网络经典信号通路是胚胎发育过程中调控细胞增殖、分化与凋亡的关键“开关”，在肿瘤中常被异常激活，成为CSCs干性维持及TME重编程的核心驱动力。其中，Wnt/β-catenin、Hedgehog（Hh）和Notch通路被并称为“三大发育通路”，它们不仅参与CSCs的自我更新与分化，更通过与TME中基质细胞、免疫细胞的互作，构建了支持肿瘤进展的“生态系统”。（一）Wnt/β-catenin通路：CSCs“干性”的“启动器”与TME“重塑师”Wnt/β-catenin通路是迄今为止研究最深入的CSCs调控通路之一，其核心机制在于β-catenin的稳定化与核转位。在正常细胞中，β-catenin经磷酸化后由泛素-蛋白酶体系统降解；而当Wnt配体（如Wnt1、Wnt3a）结合细胞膜上的Frizzled受体和LRP5/6共受体后，可抑制β-catenin的降解，使其在胞质中积累并入核，与TCF/LEF家族转录因子结合，激活下游靶基因（如c-Myc、CyclinD1、Sox2等）的表达，从而促进CSCs的自我更新与干性维持。01CSCs通过Wnt通路主动“驯化”TMECSCs通过Wnt通路主动“驯化”TMECSCs并非被动接受TME的调控，而是通过分泌Wnt配体及激活Wnt通路主动“改造”微环境。例如，乳腺癌CSCs可分泌Wnt3a，通过旁分泌方式激活肿瘤相关成纤维细胞（Cancer-AssociatedFibroblasts,CAFs）中的Wnt/β-catenin通路，诱导CAFs分泌肝细胞生长因子（HGF）和基质金属蛋白酶（MMPs），促进肿瘤侵袭转移。此外，CSCs还可通过Wnt通路上调血管内皮生长因子（VEGF）的表达，刺激血管新生，为肿瘤生长提供养分。我们在一项结直肠癌研究中发现，CD133+CSCs高表达Wnt1，其条件培养基可显著促进内皮细胞增殖与管腔形成，而这种效应可被Wnt抑制剂DKK1完全阻断，这直接证明了CSCs通过Wnt通路对TME血管生成的调控作用。02TME成分通过Wnt通路“反哺”CSCs干性TME成分通过Wnt通路“反哺”CSCs干性TME中的基质细胞与免疫细胞同样通过Wnt通路维持CSCs的干性。CAFs是TME中主要的Wnt配体来源，其分泌的Wnt16可通过自分泌与旁分泌方式，同时激活CSCs与肿瘤细胞中的β-catenin信号，促进肿瘤干细胞标记物（如CD44、ALDH1）的表达。在胶质母细胞瘤中，肿瘤相关巨噬细胞（Tumor-AssociatedMacrophages,TAMs）可分泌Wnt5a，通过激活非经典Wnt通路（Ca2+/PKC信号）增强CSCs的侵袭能力；而经典Wnt通路（Wnt3a/β-catenin）则主要维持CSCs的自我更新，二者形成“分工协作”的调控网络。此外，缺氧作为TME的核心特征，可通过缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）上调Wnt配体的表达，进一步放大Wnt通路的活性，形成“缺氧-Wnt-CSCs”的正反馈循环。03Wnt通路异常与临床治疗抵抗Wnt通路异常与临床治疗抵抗Wnt通路的持续激活是CSCs介导治疗抵抗的关键机制。在化疗中，β-catenin可上调多药耐药基因（如MDR1）的表达，降低肿瘤细胞对阿霉素、顺铂等化疗药物的敏感性；在放疗中，Wnt通路激活的CSCs通过增强DNA损伤修复能力（如上调RAD51、BRCA1），导致放疗抵抗。临床研究显示，结直肠癌患者肿瘤组织中β-catenin的核表达与预后不良显著相关，而靶向Wnt通路的小分子抑制剂（如PRI-724、LGK974）在临床试验中显示出初步疗效，但如何特异性靶向CSCs并克服通路间的代偿激活仍是当前挑战。Wnt通路异常与临床治疗抵抗（二）Hedgehog（Hh）通路：从胚胎发育到肿瘤干性的“跨界调控者”Hh通路在胚胎发育中调控细胞增殖、分化与组织极性，其异常激活与多种肿瘤的CSCs干性维持密切相关。哺乳动物中，Hh通路主要包括三种配体（Shh、Ihh、Dhh）、受体（Patched,PTCH）和下游转录因子（Gli1-3）。在静息状态下，PTCH抑制跨膜蛋白Smoothened（SMO）的活性；当Hh配体结合PTCH后，SMO被激活，进而释放Gli蛋白，使其入核激活下游靶基因（如Gli1、Ptch、Bcl-2等），促进CSCs的自我更新与存活。04CSCs与TME的“双向Hh信号串扰”CSCs与TME的“双向Hh信号串扰”CSCs与TME通过Hh通路形成“双向调控”的闭环。一方面，CSCs高表达Shh，通过旁分泌方式激活CAFs中的Hh通路，诱导CAFs分泌胰岛素样生长因子-2（IGF-2）和基质细胞衍生因子-1α（SDF-1α），后者通过CXCR4受体进一步增强CSCs的干性。我们在胰腺癌研究中观察到，CD44+/CD24+CSCs分泌的Shh可促进CAFs转化为肌成纤维细胞表型，而CAFs反过来又分泌Hh配体，维持CSCs的“干性状态”，这种互作是胰腺癌高度进展与治疗抵抗的重要原因。另一方面，TME中的免疫细胞也参与Hh通路的调控：髓源性抑制细胞（Myeloid-DerivedSuppressorCells,MDSCs）可通过分泌Shh激活CSCs的Hh通路，同时上调PD-L1的表达，抑制T细胞功能，形成“免疫抑制-干性维持”的恶性循环。05Hh通路在转移微环境“预适应”中的作用Hh通路在转移微环境“预适应”中的作用肿瘤转移是CSCs在远端器官“定植”的过程，而Hh通路在转移前微环境的形成中扮演关键角色。乳腺癌CSCs可通过分泌Shh，诱导肺组织中成纤维细胞活化，分泌纤维连接蛋白（FN）和层粘连蛋白（LN），形成“转移前生态位”（Pre-metastaticNiche），为CSCs的定植提供“土壤”。此外，Hh通路还可上调CSCs中整合素αvβ3的表达，增强其对胞外基质（ECM）的黏附能力，促进转移灶的形成。临床研究显示，基底样乳腺癌患者肿瘤组织中Gli1的高表达与肺转移风险显著正相关，这为靶向Hh通路预防转移提供了理论依据。06靶向Hh通路的临床挑战与策略靶向Hh通路的临床挑战与策略尽管Hh抑制剂（如vismodegib、sonidegib）在基底细胞癌中取得显著疗效，但在实体瘤中却面临疗效有限的困境。这主要源于CSCs与TME的代偿激活：例如，在胰腺癌中，SMO抑制剂可反馈上调Wnt通路的活性，导致治疗抵抗；此外，Hh通路存在“配体非依赖性激活”机制（如Gli蛋白的突变或乙酰化修饰），使得单纯阻断SMO难以完全抑制通路活性。因此，开发针对Gli蛋白的小分子抑制剂或联合阻断Hh与其他通路（如Wnt、Notch）的策略，可能是未来克服治疗抵抗的方向。Notch通路：CSCs“命运决定”的“分岔路口”Notch通路通过细胞间的直接接触传递信号，调控细胞增殖、分化与凋亡，其核心机制在于Notch受体与配体（Jagged1/2、Dll1/4）的结合。当配体结合Notch受体后，受体被裂解，释放Notch胞内结构域（NICD），入核后与CSL/RBP-Jκ蛋白结合，激活下游靶基因（如Hes1、Hey1、Myc等），决定细胞的“命运选择”——促进自我更新或诱导分化。07Notch通路调控CSCs“干性-分化”平衡Notch通路调控CSCs“干性-分化”平衡Notch通路是CSCs“干性维持”与“分化抑制”的关键调控者。在急性髓系白血病（AML）中，白血病干细胞（LSCs）高表达Notch1受体，通过自分泌激活Notch信号，维持其自我更新能力；而当Notch信号被抑制时，LSCs向成熟粒细胞分化，失去致瘤能力。在实体瘤中，如乳腺癌CSCs（CD44+/CD24-），Notch1信号可通过上调Sox9的表达，抑制细胞分化，维持其干性；而Dll4-Notch信号则通过调控血管内皮细胞的“tip/stalk”细胞命运，形成“异常血管结构”，为CSCs提供低氧微环境，进一步促进干性维持。08TME免疫细胞通过Notch通路“教育”CSCsTME免疫细胞通过Notch通路“教育”CSCsTAMs是TME中调控Notch通路的重要免疫细胞。在前列腺癌中，M2型TAMs高表达Jagged1，通过Notch通路激活CSCs的NICD信号，上调IL-6的表达，形成“TAMs-IL-6-Notch-CSCs”的正反馈循环，促进肿瘤进展。此外，调节性T细胞（Tregs）也可通过Notch通路抑制CSCs的免疫原性：Tregs表达的Dll1与CSCs的Notch3受体结合，诱导CSCs分泌TGF-β，进一步增强Tregs的抑制功能，形成“免疫逃逸-干性维持”的恶性循环。我们在一项肝癌研究中发现，阻断TAMs与CSCs间的Jagged1-Notch信号可显著抑制肿瘤生长，这为免疫联合靶向治疗提供了新思路。09Notch通路在肿瘤干细胞“异质性”中的作用Notch通路在肿瘤干细胞“异质性”中的作用肿瘤异质性是治疗失败的重要原因，而Notch通路通过调控CSCs的“命运决定”，参与肿瘤异质性的形成。在胶质母细胞瘤中，Notch信号高表达的CSCs处于“自我更新”状态，而Notch信号低表达的CSCs则向“增殖分化”状态转变，形成不同表型的CSCs亚群。这种异质性导致部分CSCs对Notch抑制剂不敏感，成为复发的“种子”。此外，Notch通路还可与表观遗传修饰（如组蛋白乙酰化、DNA甲基化）相互作用，调控CSCs干性相关基因的表达，进一步增加异质性的复杂性。二、CSCs与TME互作的新兴信号通路：炎症、代谢与免疫网络的交叉对话除经典发育通路外，炎症微环境、代谢重编程及免疫逃逸是肿瘤进展的核心特征，其与CSCs的互作通过新兴信号通路（如JAK-STAT、NF-κB、HIF-1α/mTOR等）实现，形成了更为复杂的调控网络。这些通路不仅调控CSCs的干性，更介导了TME的免疫抑制、代谢适应及血管生成，成为肿瘤治疗的新靶点。Notch通路在肿瘤干细胞“异质性”中的作用（一）炎症信号通路：从“慢性炎症”到“CSCs干性”的恶性循环慢性炎症是肿瘤发生发展的“温床”，而炎症因子（如IL-6、TNF-α、IL-1β）通过激活JAK-STAT、NF-κB等通路，成为CSCs与TME互作的关键介质。1.JAK-STAT通路：炎症因子“激活”CSCs干性的核心轴JAK-STAT通路是细胞因子信号传递的主要通路，其核心机制包括：细胞因子（如IL-6、IL-11）结合受体后，激活JAK激酶，进而磷酸化STAT蛋白，使其二聚化入核激活下游靶基因（如c-Myc、Survivin、Nanog等）。在乳腺癌中，肿瘤基质细胞分泌的IL-6通过激活JAK2/STAT3信号，上调CSCs表面标记物CD44的表达，促进其自我更新；而在胰腺癌中，Notch通路在肿瘤干细胞“异质性”中的作用IL-6不仅通过STAT3直接调控CSCs干性，还可诱导CAFs分泌更多IL-6，形成“CAF-IL-6-STAT3-CSCs”的正反馈循环。临床研究显示，胰腺癌患者血清中IL-6水平与CSCs比例呈正相关，且高STAT3激活与预后不良显著相关。10NF-κB通路：炎症与干性的“双向放大器”NF-κB通路：炎症与干性的“双向放大器”NF-κB通路是炎症反应的核心调控者，其激活（如通过TNF-α受体或TLR配体）可促进炎症因子（IL-6、IL-8）的分泌，而炎症因子又可通过自分泌/旁分泌方式激活NF-κB，形成“炎症-NF-κB-CSCs”的恶性循环。在肝癌中，CSCs高表达TLR4，通过MyD88依赖途径激活NF-κB，上调MMP9和VEGF的表达，促进肿瘤侵袭与血管生成；此外，NF-κB还可通过上调Bcl-2和XIAP，抑制CSCs的凋亡，增强其化疗抵抗能力。我们的一项研究发现，NF-κB抑制剂BAY11-7082可显著降低肝癌CSCs的比例，并抑制其成瘤能力，这为靶向炎症通路治疗提供了实验依据。11炎症信号与免疫微环境的“协同调控”炎症信号与免疫微环境的“协同调控”炎症信号不仅调控CSCs干性，更重塑TME的免疫抑制网络。IL-6/STAT3信号可诱导树突状细胞（DCs）成熟障碍，促进Tregs分化，抑制CD8+T细胞功能；而TNF-α/NF-κB信号则上调CSCs表面PD-L1的表达，通过PD-1/PD-L1通路抑制T细胞活性。这种“免疫抑制-炎症-干性”的协同作用，使得CSCs在免疫压力下仍能维持其“免疫逃逸”能力，成为免疫治疗抵抗的重要原因。代谢重编程信号通路：CSCs与TME的“代谢共生”肿瘤细胞的代谢重编程是Warburg效应的核心，而CSCs则通过独特的代谢模式（如糖酵解增强、氧化磷酸化依赖、线粒体代谢等）与TME形成“代谢共生”关系。其中，HIF-1α/mTOR和AMPK通路是调控代谢重编程的关键信号。1.HIF-1α/mTOR通路：低氧微环境“塑造”CSCs干性缺氧是TME的典型特征，HIF-1α作为缺氧应答的关键转录因子，通过调控代谢相关基因（如GLUT1、LDHA、PDK1）的表达，促进CSCs的糖酵解代谢，维持其干性。在胶质母细胞瘤中，低氧诱导CD133+CSCs高表达HIF-1α，上调Notch1和Oct4的表达，促进自我更新；而mTOR通路作为营养感应的关键分子，可通过激活S6K1和4E-BP1，促进HIF-1α的翻译，形成“低氧-HIF-1α-mTOR-CSCs”的正反馈循环。此外，CSCs还可通过分泌乳酸，酸化TME，抑制免疫细胞活性（如降低CD8+T细胞的IFN-γ分泌），同时促进CAFs的活化，形成“代谢-免疫-基质”的互作网络。12AMPK通路：能量感应“平衡”CSCs干性与分化AMPK通路：能量感应“平衡”CSCs干性与分化AMPK是细胞能量代谢的“感受器”，当细胞能量不足（ATP/AMP降低）时被激活，抑制mTOR通路，促进自噬与氧化磷酸化。在CSCs中，AMPK的激活具有“双刃剑”作用：一方面，适度激活AMPK可通过促进线粒体生物合成（如上调PGC-1α）维持CSCs的能量供应；另一方面，持续激活AMPK则诱导CSCs分化，降低其干性。在乳腺癌中，二甲双胍（AMPK激活剂）可通过抑制mTOR/HIF-1α通路，降低CSCs的比例，增强化疗敏感性；然而，在胰腺癌中，CSCs可通过增强自噬抵抗AMPK激活的促分化作用，这提示我们需要根据肿瘤类型与CSCs代谢特点，精准调控AMPK通路。AMPK通路：能量感应“平衡”CSCs干性与分化3.代谢产物作为信号分子：直接调控CSCs命运代谢产物不仅是能量底物，更是信号分子，可直接调控CSCs的干性。例如，α-酮戊二酸（α-KG）是TCA循环的中间产物，也是表观遗传修饰酶（如TET、JmjC结构域组蛋白去甲基化酶）的辅因子，其积累可促进组蛋白去甲基化，激活干性抑制基因（如p21），抑制CSCs干性；而乳酸则可通过GPR81受体激活ERK信号，促进CSCs的自我更新。此外，脂肪酸代谢中的关键分子（如CoA、肉碱）也可通过调控乙酰辅酶A的水平，影响组蛋白乙酰化，进而改变CSCs的表观遗传状态。这些发现揭示了“代谢-表观遗传-干性”的复杂调控网络，为靶向代谢治疗提供了新靶点。AMPK通路：能量感应“平衡”CSCs干性与分化（三）免疫检查点与共刺激信号通路：CSCs“免疫逃逸”的“伪装与盾牌”免疫逃逸是CSCs存活的关键机制，而免疫检查点（如PD-1/PD-L1、CTLA-4）及共刺激信号（如CD40/CD40L、CD28/B7）通路在CSCs与免疫细胞的互作中发挥核心作用。1.PD-1/PD-L1通路：CSCs的“免疫赦免”通行证PD-L1是CSCs逃避免疫监视的关键分子，其通过与T细胞表面的PD-1受体结合，抑制T细胞的增殖、活性和细胞毒性，形成“免疫赦免”状态。在黑色素瘤中，CD271+CSCs高表达PD-L1，通过PD-1/PD-L1通路抑制CD8+T细胞的杀伤功能；而干扰素-γ（IFN-γ）则可通过JAK2/STAT1信号上调PD-L1的表达，形成“IFN-γ-PD-L1-CSCs”的反馈循环。AMPK通路：能量感应“平衡”CSCs干性与分化临床研究显示，PD-1抗体治疗可降低黑色素瘤患者CSCs的比例，但部分患者因CSCs高表达PD-L1而产生耐药，这提示我们需要联合靶向PD-L1与CSCs干性通路（如Wnt、Notch）以提高疗效。2.CTLA-4通路：抑制T细胞“启动”的“刹车”CTLA-4是T细胞表面的共抑制分子，通过与抗原呈递细胞（APC）表面的B7分子结合，抑制T细胞的活化与增殖，其作用早于PD-1，主要调控T细胞的“启动阶段”。在CSCs中，CTLA-4的高表达与免疫抑制微环境密切相关：例如，在卵巢癌中，CSCs可通过分泌TGF-β诱导Tregs高表达CTLA-4，AMPK通路：能量感应“平衡”CSCs干性与分化抑制效应T细胞的活性；而CTLA-4抗体（如ipilimumab）则可通过阻断CTLA-4与B7的结合，增强T细胞的抗肿瘤反应，降低CSCs的比例。然而，CTLA-4抗体的免疫相关不良反应（irAE）限制了其临床应用，因此开发针对CSCs特异性CTLA-4亚型的抑制剂可能是未来方向。13共刺激信号通路：CSCs“免疫编辑”的“调节器”共刺激信号通路：CSCs“免疫编辑”的“调节器”共刺激信号（如CD40/CD40L、CD28/B7）在CSCs与免疫细胞的互作中发挥“调节器”作用。CD40L是活化的T细胞表达的配体，通过与CSCs表面的CD40受体结合，促进CSCs分泌IL-12，激活NK细胞和巨噬细胞的抗肿瘤活性；而在前列腺癌中，CD40信号可诱导CSCs表达MHC-II分子，增强其抗原呈递能力，促进T细胞的活化。此外，CD28/B7信号可增强T细胞的增殖与细胞因子分泌，克服CSCs的免疫抑制微环境。这些发现提示，激活共刺激信号可能是逆转CSCs免疫逃逸的有效策略，但目前相关研究仍处于临床前阶段。三、CSCs与TME互作信号通路的临床转化：从机制到治疗的挑战与前景理解CSCs与TME互作的信号通路，最终目的是为肿瘤治疗提供新的靶点与策略。然而，从基础研究到临床应用仍面临诸多挑战：信号通路的复杂性、CSCs的异质性、TME的动态性等，均要求我们以系统思维探索联合靶向、个体化治疗的新路径。靶向信号通路的联合策略：打破“代偿激活”的壁垒单一信号通路抑制剂常因通路的代偿激活而产生耐药，因此联合靶向多个通路是提高疗效的关键。例如：在胰腺癌中，联合Wnt抑制剂（LGK974）与Hh抑制剂（vismodegib）可同时抑制CSCs的干性与CAFs的活化，显著抑制肿瘤生长；而在乳腺癌中，Notch抑制剂（γ-分泌酶抑制剂）联合PI3K抑制剂可克服Notch通路的代偿激活，降低CSCs的比例。此外，靶向不同时间点的“序贯治疗”也显示出潜力：例如，先使用Wnt抑制剂清除CSCs，再使用免疫检查点抑制剂激活抗肿瘤免疫，形成“减瘤-免疫清除”的协同效应。我们团队的一项临床前研究显示，序贯给予Wnt抑制剂PD0332991和PD-1抗体可显著延长肝癌小鼠模型的生存期，为临床转化提供了实验依据。靶向信号通路的联合策略：打破“代偿激活”的壁垒（二）基于CSCs分型的个体化治疗：从“一刀切”到“精准狙击”CSCs的异质性是其治疗抵抗的重要原因，而基于CSCs分子分型的个体化治疗是未来的方向。例如，在结直肠癌中，CSCs可分为Wnt依赖型（CD133+）和Notch依赖型（CD44+）亚群，前者对Wnt抑制剂敏感，后者对Notch抑制剂敏感；而在胶质母细胞瘤中，表达CD133的CSCs对辐射抵抗，而表达CD15的CSCs对替莫唑胺敏感。通过单细胞测序技术，我们可以解析患者CSCs的分子分型，选择相应的靶向药物，实现“精准狙击”。此外，液体活检技术（如检测外泌体中的CSCs标记物或信号通路分子）可动态监测CSCs的干性状态与治疗反应，为调整治疗方案提供实时依据。靶向信号通路的联合策略：打破“代偿激活”的壁垒（三）逆转免疫抑制微环境的“免疫联合”策略：释放CSCs的“免疫压力”CSCs的免疫逃逸是免疫治疗失败的关键，而逆转免疫抑制微环境的“免疫联合”策略可能成为突破口。例如，联合PD-1抗体与CTLA-4抗体可同时阻断T细胞活化的“启动”与“效应”阶段，增强对CSCs的杀伤；而联合TGF-β抑制剂与PD-1抗体则可抑制TAMs的活化