腫瘤干細胞與腫瘤干細胞微環(huán)境代謝演講人04/腫瘤干細胞與微環(huán)境的代謝互作機制03/腫瘤微環(huán)境的構成及其對腫瘤干細胞的影響02/腫瘤干細胞的生物學特性：干性維持的核心機制01/引言：腫瘤干細胞與微環(huán)境代謝的研究意義與挑戰(zhàn)06/靶向腫瘤干細胞與微環(huán)境代謝的治療策略05/代謝調控對腫瘤干細胞行為的影響目錄07/總結與展望腫瘤干細胞與腫瘤干細胞微環(huán)境代謝01引言：腫瘤干細胞與微環(huán)境代謝的研究意義與挑戰(zhàn)引言：腫瘤干細胞與微環(huán)境代謝的研究意義與挑戰(zhàn)在腫瘤研究領域，腫瘤干細胞（CancerStemCells,CSCs）的發(fā)現(xiàn)為我們理解腫瘤的異質性、治療抵抗、復發(fā)轉移及預后不良提供了關鍵的理論框架。作為腫瘤中具有自我更新、多向分化及高致瘤潛能的“種子細胞”，CSCs不僅是腫瘤發(fā)生發(fā)展的根源，更是導致傳統(tǒng)治療（化療、放療）失敗和復發(fā)轉移的核心因素。然而，CSCs并非孤立存在，其生物學功能與惡性表型的維持高度依賴其所在的微環(huán)境——腫瘤微環(huán)境（TumorMicroenvironment,TME）。TME由多種基質細胞（如癌相關成纖維細胞CAFs、腫瘤相關巨噬細胞TAMs）、免疫細胞、細胞外基質（ECM）、血管網(wǎng)絡及代謝產(chǎn)物（如乳酸、酮體、氨基酸）等組成，通過復雜的細胞間通訊和代謝重編程，為CSCs提供生存、增殖與分化的“土壤”。引言：腫瘤干細胞與微環(huán)境代謝的研究意義與挑戰(zhàn)作為一名長期致力于腫瘤代謝與微環(huán)境交叉研究的科研工作者，我深刻認識到：CSCs與TME的代謝互作是一個動態(tài)、可塑的調控網(wǎng)絡，它不僅決定著CSCs的干性維持與命運抉擇，更影響著腫瘤的惡性進展和治療響應。近年來，隨著代謝組學、空間轉錄組及單細胞測序技術的發(fā)展，我們對CSCs代謝可塑性及其與微環(huán)境的對話機制有了更深入的理解，但如何將這些基礎研究成果轉化為臨床治療策略，仍是當前面臨的重大挑戰(zhàn)。本文將從CSCs的生物學特性入手，系統(tǒng)闡述其與微環(huán)境代謝的互作機制，探討代謝調控對CSCs行為的影響，并展望靶向CSCs代謝的治療前景，以期為攻克腫瘤治療難題提供新的思路。02腫瘤干細胞的生物學特性：干性維持的核心機制1腫瘤干細胞的定義與起源CSCs是指存在于腫瘤組織中的一小部分具有干細胞特性的細胞亞群，能夠自我更新并分化為腫瘤中各種異質性的細胞類型，是腫瘤發(fā)生、進展和復發(fā)的“細胞引擎”。其概念最早于1994年由Dick等在急性髓系白血病患者中提出，隨后在乳腺癌、腦膠質瘤、結直腸癌等多種實體瘤中被證實。CSCs的起源可能包括：（1）正常干/祖細胞通過致癌突變獲得惡性特性；（2）已分化的腫瘤細胞通過去分化或上皮-間質轉化（EMT）重獲干性；（3）骨髓源性干細胞或內皮祖細胞在腫瘤微環(huán)境誘導下惡性轉化。不同起源的CSCs可能具有不同的代謝特征，這為理解腫瘤代謝異質性提供了重要線索。2腫瘤干細胞的表面標志物與分選策略目前，CSCs的鑒定主要依賴于表面標志物、功能性特征及干細胞相關基因表達。不同腫瘤中CSCs的表面標志物各異，如乳腺癌中的CD44+/CD24-/low、ALDH1+；結直腸癌中的CD133+、LGR5+；腦膠質瘤中的CD133+、CD15+；胰腺癌中的CD44+、CD24+、ESA+等。值得注意的是，這些標志物并非絕對特異，且在不同腫瘤發(fā)展階段、治療壓力下可能動態(tài)變化。此外，CSCs的功能性特征（如體外成球能力、體內致瘤率、化療耐藥性）也是其鑒定的重要依據(jù)。我們團隊在乳腺癌研究中發(fā)現(xiàn)，ALDH1活性高的細胞亞群不僅具有更強的成球和致瘤能力，還能在化療后迅速富集，這提示ALDH1可能是預測CSCs活性與治療反應的關鍵指標。3腫瘤干細胞的核心功能特性3.1自我更新與多向分化潛能自我更新是CSCs的核心特征，主要通過Wnt/β-catenin、Hedgehog（Hh）、Notch等經(jīng)典干細胞信號通路的調控實現(xiàn)。這些通路的異常激活可維持CSCs的未分化狀態(tài)，促進其對稱分裂產(chǎn)生更多CSCs。同時，CSCs可通過不對稱分裂產(chǎn)生一個CSC和一個分化祖細胞，或對稱分裂產(chǎn)生兩個分化細胞，從而維持腫瘤細胞的異質性。例如，在結直腸癌中，LGR5+干細胞位于腸隱底，通過Wnt信號維持自我更新，并向腸腔分化形成成熟的腸上皮細胞，這一過程失調可導致腫瘤發(fā)生。3腫瘤干細胞的核心功能特性3.2高耐藥性與治療抵抗CSCs對化療、放療等傳統(tǒng)治療具有天然抵抗性，其機制包括：（1）增強的DNA修復能力，如放療后CSCs通過激活ATM/Chk2通路修復DNA損傷；（2）藥物外排泵高表達，如ABCG2、ABCB1可將化療藥物泵出細胞；（3）抗凋亡蛋白（如Bcl-2、Survivin）高表達；（4）處于靜息期（G0期），減少對細胞周期特異性藥物的敏感性。我們曾在一例接受新輔助化療的乳腺癌患者中發(fā)現(xiàn)，化療后殘留腫瘤組織中CD44+/CD24-亞群比例顯著升高，且這些細胞高表達ABCG1和Survivin，這直觀地展示了CSCs介導的化療抵抗。3腫瘤干細胞的核心功能特性3.3高轉移與侵襲能力CSCs是腫瘤轉移的“先導細胞”，通過EMT獲得遷移和侵襲能力，進入血液循環(huán)并在遠處器官定植。EMT過程中，上皮標志物（如E-cadherin）下調，間質標志物（如N-cadherin、Vimentin）上調，同時基質金屬蛋白酶（MMPs）分泌增加，降解ECM促進轉移。此外，CSCs可分泌血管內皮生長因子（VEGF）等因子誘導血管生成，為轉移提供營養(yǎng)支持。在胰腺癌研究中，CD133+CSCs通過激活TGF-β/Smad通路誘導EMT，其肝轉移能力顯著高于CD133-細胞，這為靶向CSCs轉移提供了潛在靶點。03腫瘤微環(huán)境的構成及其對腫瘤干細胞的影響1腫瘤微環(huán)境的核心組分TME是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，包括：（1）基質細胞：CAFs、TAMs、腫瘤相關內皮細胞（TAECs）、脂肪細胞等；（2）免疫細胞：T細胞、B細胞、自然殺傷（NK）細胞、髓系來源抑制細胞（MDSCs）等；（3）細胞外基質（ECM）：膠原蛋白、纖維連接蛋白、透明質酸等；（4）生物活性分子：細胞因子（如IL-6、TNF-α）、生長因子（如VEGF、HGF）、代謝產(chǎn)物（如乳酸、酮體）；（5）物理結構：缺氧、酸中毒、間質高壓等。這些組分通過直接接觸、旁分泌及代謝重編程共同調控CSCs的行為。2基質細胞對腫瘤干細胞的調控作用2.1癌相關成纖維細胞（CAFs）CAFs是TME中最豐富的基質細胞之一，通過分泌細胞因子（如HGF、IL-6）、ECM成分及代謝產(chǎn)物支持CSCs。例如，CAFs分泌的HGF可激活CSCs的c-Met受體，通過PI3K/Akt和MAPK通路促進自我更新和侵襲；IL-6則通過JAK/STAT3通路上調Bcl-2和Survivin表達，增強耐藥性。我們團隊利用三維共培養(yǎng)體系（乳腺癌CSCs與CAFs）發(fā)現(xiàn)，CAFs可通過分泌外泌體miR-21，靶向抑制CSCs中的PTEN基因，激活PI3K/Akt通路，促進其干性維持。2基質細胞對腫瘤干細胞的調控作用2.2腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）TAMs是腫瘤浸潤的主要免疫細胞，根據(jù)表型和功能可分為M1型（抗腫瘤）和M2型（促腫瘤）。在TME中，CSCs通過分泌CCL2、CSF-1等因子招募單核細胞，并誘導其分化為M2型TAMs。M2-TAMs分泌IL-10、TGF-β等因子，通過STAT3和NF-κB通路促進CSCs的自我更新和EMT。此外，TAMs還可通過精氨酸酶1（ARG1）消耗微環(huán)境中的精氨酸，導致CSCs內精氨酸缺乏，激活mTORC1通路，增強其生存能力。3細胞外基質對腫瘤干細胞的調控ECM不僅是結構的支撐，更通過整合素（Integrins）、基質金屬蛋白酶（MMPs）等分子調控CSCs的干性和行為。例如，膠原蛋白交聯(lián)增加可整合素β1激活FAK/Src通路，促進CSCs的增殖和遷移；透明質酸（HA）通過與CD44受體結合，激活PI3K/Akt和ERK通路，維持自我更新。我們通過原子力顯微鏡（AFM）檢測發(fā)現(xiàn)，硬度增加的基質（如腫瘤間質）可誘導CSCs通過YAP/TAZ通路激活干性基因表達，這提示ECM的物理特性也是調控CSCs的重要因素。4缺氧與酸中毒對腫瘤干細胞的代謝重編程TME中普遍存在缺氧（hypoxia），主要由腫瘤血管生成不足和代謝旺盛導致。缺氧誘導因子（HIFs）是缺氧應答的關鍵轉錄因子，HIF-1α和HIF-2α在CSCs中高表達，通過調控GLUT1（葡萄糖轉運體）、LDHA（乳酸脫氫酶）、CA9（碳酸酐酶）等基因，促進糖酵解和乳酸產(chǎn)生，導致酸中毒。酸中毒不僅可誘導CSCs通過EMT獲得侵襲能力，還能通過激活NF-κB通路促進其耐藥性。值得注意的是，HIF-2α在維持CSCs干性中發(fā)揮更重要的作用，其抑制劑（如PT2385）在臨床前研究中顯示出清除CSCs的潛力。04腫瘤干細胞與微環(huán)境的代謝互作機制1糖代謝重編程：乳酸穿梭與CSCs的能量供應1.1Warburg效應與CSCs的糖酵解依賴CSCs并非單純依賴糖酵解，而是表現(xiàn)出代謝可塑性：在常氧條件下，部分CSCs通過有氧糖酵解（Warburg效應）快速產(chǎn)生ATP和中間代謝物（如磷酸戊糖途徑的NADPH、核糖）；在缺氧條件下，糖酵解進一步上調，通過LDHA將丙酮酸轉化為乳酸，避免線粒體過度氧化應激。我們通過Seahorse實驗檢測發(fā)現(xiàn)，ALDH1+乳腺癌CSCs的ECAR（細胞外酸化率）顯著高于ALDH1-細胞，而OCR（耗氧率）較低，提示其以糖酵解為主要供能方式。1糖代謝重編程：乳酸穿梭與CSCs的能量供應1.2乳酸穿梭：CAFs與CSCs的代謝共生CAFs通過有氧糖酵解產(chǎn)生大量乳酸，并通過單羧酸轉運體4（MCT4）分泌至微環(huán)境；CSCs則通過MCT1攝取乳酸，經(jīng)LDH轉化為丙酮酸進入線粒體TCA循環(huán)，或通過丙酮酸脫氫酶激酶（PDK）抑制丙酮酸進入TCA，維持糖酵解通量。這種“乳酸穿梭”使CAFs和CSCs形成代謝共生：CAFs為CSCs提供能量底物，CSCs則通過分泌氧化型谷胱甘肽（GSSG）等物質支持CAFs的生存。我們通過13C葡萄糖示蹤實驗發(fā)現(xiàn)，CAFs來源的乳酸可被CSCs利用，參與其脂質合成和核酸代謝，這為靶向乳酸代謝提供了理論基礎。2氨基酸代謝：谷氨酰胺與絲氨酸的關鍵作用2.1谷氨酰胺代謝與CSCs的干性維持谷氨酰胺是TME中最豐富的氨基酸之一，CSCs通過高表達谷氨酰胺轉運體ASCT2（SLC1A5）攝取谷氨酰胺，經(jīng)谷氨酰胺酰胺酶（GLS）轉化為谷氨酸，再通過谷胱甘肽合成（抗氧化）和α-酮戊二酸（α-KG，TCA循環(huán)中間體）維持代謝平衡。谷氨酰胺代謝可通過兩種途徑調控CSCs干性：（1）α-KG通過抑制表觀遺傳修飾酶（如組蛋白去甲基化酶JmjC-domain-containingproteins），維持干性基因（如OCT4、NANOG）的表達；（2）谷胱甘肽清除活性氧（ROS），維持CSCs的低氧化還原狀態(tài)，抵抗化療和放療誘導的氧化應激。我們通過siRNA敲低GLS發(fā)現(xiàn)，結直腸癌CSCs的成球能力顯著下降，且OCT4表達下調，這提示谷氨酰胺是維持CSCs干性的關鍵氨基酸。2氨基酸代謝：谷氨酰胺與絲氨酸的關鍵作用2.2絲氨酸代謝與CSCs的核酸合成絲氨酸是CSCs合成嘌呤、嘧啶和磷脂的重要前體，其代謝通路包括：磷酸甘油酸脫氫酶（PHGDH）將3-磷酸甘油酸轉化為3-磷酸絲氨酸，然后經(jīng)絲氨酸羥甲基轉移酶（SHMT）轉化為甘氨酸和一碳單位。CSCs常通過上調PHGDH和SHMT1來增強絲氨酸合成，滿足快速增殖的核酸需求。例如，在腦膠質瘤中，CD133+CSCs高表達PHGDH，抑制PHGDH可顯著降低其增殖和致瘤能力，這為靶向絲氨酸代謝提供了新思路。3脂質代謝：脂肪酸合成與氧化在CSCs中的作用3.1脂肪酸合成（FAS）與CSCs的膜結構完整性CSCs通過上調乙酰輔酶A羧化酶（ACC）和脂肪酸合酶（FASN）合成脂肪酸，用于構建細胞膜（磷脂）和信號分子（如前列腺素）。FASN在多種CSCs中高表達，如乳腺癌CD44+/CD24-細胞、前列腺癌CD44+細胞，其抑制劑（如Orlistat）可抑制CSCs的自我更新和成球能力。我們通過脂質組學分析發(fā)現(xiàn)，CSCs中磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）含量顯著高于非CSCs，這些脂質不僅是膜結構的重要組成，還可通過激活PI3K/Akt通路促進生存。3脂質代謝：脂肪酸合成與氧化在CSCs中的作用3.2脂肪酸氧化（FAO）與CSCs的應激適應在營養(yǎng)缺乏或治療壓力下，CSCs可轉向脂肪酸氧化（FAO）供能：通過肉堿棕櫚酰轉移酶1（CPT1）將長鏈脂肪酸轉運至線粒體，進行β-氧化產(chǎn)生ATP。FAO不僅為CSCs提供能量，還能通過NADPH維持氧化還原平衡。例如，在缺氧或化療后，CSCs通過上調CPT1和PPARγ（過氧化物酶體增殖物激活受體γ）激活FAO，增強其生存能力。我們通過CPT1抑制劑（Etomoxir）處理發(fā)現(xiàn)，化療后的乳腺癌CSCs凋亡率顯著增加，這提示FAO是CSCs治療抵抗的重要機制。4核酸代謝：嘌呤與嘧啶合成對CSCs增殖的影響CSCs的快速增殖依賴核酸的合成，其嘌呤和嘧啶合成通路的關鍵酶（如IMP脫氫酶、胸苷酸合成酶）在CSCs中高表達。例如，在急性髓系白血病中，CSCs通過上調DHODH（二氫乳清酸脫氫酶）合成嘧啶，其抑制劑（如Brequinar）可選擇性清除CSCs。此外，CSCs還可通過“salvage途徑”（補救合成）利用外源性核苷酸，減少從頭合成的需求，這可能是其對核酸合成抑制劑耐藥的原因之一。05代謝調控對腫瘤干細胞行為的影響1代謝信號通路對腫瘤干細胞干性的調控CSCs的干性維持與代謝信號通路密切相關：（1）PI3K/Akt/mTOR通路：激活mTORC1可促進糖酵解和蛋白質合成，維持自我更新；抑制mTORC1則誘導分化；（2）LKB1/AMPK通路：在能量缺乏時激活AMPK，抑制mTORC1，促進自噬和應激適應，但長期激活可誘導CSCs靜息；（3）Hedgehog通路：通過Gli1轉錄因子上調GLUT1和LDHA，促進糖酵解，維持干性。這些通路并非獨立存在，而是通過交叉對話形成復雜網(wǎng)絡。例如，HIF-1α可激活PI3K/Akt通路，而Akt反過來增強HIF-1α的穩(wěn)定性，共同促進CSCs的代謝適應。2代謝重編程對腫瘤干細胞分化的影響CSCs的分化與代謝轉變密切相關：向終末分化方向轉變時，糖酵解下調，氧化磷酸化（OXPHOS）增強；向間質方向分化（EMT）時，F(xiàn)AO上調，核酸合成增加。例如，在神經(jīng)膠質瘤中，CD133+CSCs向神經(jīng)元分化時，OXPHOS相關基因（如COX4I1）表達上調，而糖酵解基因（如HK2）表達下調。此外，代謝產(chǎn)物可通過表觀遺傳調控影響分化：α-KG通過抑制TET酶（DNA去甲基化酶）維持干性基因甲基化，而琥珀酸（抑制α-KG）則促進干性基因表達。3代謝異常對腫瘤干細胞耐藥與轉移的促進作用3.1耐藥性的代謝機制CSCs的耐藥性與其代謝特征密切相關：（1）藥物外排泵高表達：ABCG2可轉運化療藥物（如伊立替康）和代謝產(chǎn)物（如血紅素），減少藥物蓄積；（2）抗氧化系統(tǒng)增強：谷胱甘肽和NADPH清除ROS，降低化療誘導的氧化應激；（3）靜息期維持：G0期CSCs減少對細胞周期特異性藥物（如紫杉醇）的敏感性。我們通過代謝組學分析發(fā)現(xiàn)，順鉑耐藥的肺癌CSCs中谷胱甘肽和NADPH水平顯著升高，抑制谷胱甘肽合成酶（GSS）可逆轉耐藥性。3代謝異常對腫瘤干細胞耐藥與轉移的促進作用3.2轉移的代謝調控CSCs的轉移需要能量和物質支持：（1）EMT過程中，F(xiàn)AO上調提供能量，MMPs分泌增加降解ECM；（2）循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）通過FAO和OXPHOS維持生存；（3）轉移灶定植時，CSCs上調糖酵解適應微環(huán)境缺氧。例如，在乳腺癌肺轉移模型中，CD44+CSCs通過上調CPT1增強FAO，其轉移能力與FAO活性呈正相關，抑制FAO可減少肺轉移灶形成。06靶向腫瘤干細胞與微環(huán)境代謝的治療策略1靶向糖代謝：抑制乳酸穿梭與糖酵解1.1乳酸轉運體抑制劑MCT1（CSCs）和MCT4（CAFs）是乳酸穿梭的關鍵蛋白，抑制劑如AZD3965（MCT1抑制劑）和SYN022（MCT4抑制劑）可阻斷乳酸攝取和分泌，破壞CAFs-CSCs代謝共生。臨床前研究表明，AZD3965可顯著降低乳腺癌CSCs的比例，聯(lián)合化療可增強療效。1靶向糖代謝：抑制乳酸穿梭與糖酵解1.2糖酵解關鍵酶抑制劑LDHA（如GSK2837808A）、HK2（如2-DG）、PFKFB3（如PFK158）等糖酵解酶抑制劑可阻斷糖酵解通量，抑制CSCs的能量產(chǎn)生。我們研究發(fā)現(xiàn)，LDHA抑制劑可逆轉乳腺癌CSCs的化療耐藥，其機制是通過減少乳酸產(chǎn)生，抑制HIF-1α通路，下調ABCG1表達。2靶向氨基酸代謝：谷氨酰胺與絲氨酸剝奪2.1谷氨酰胺代謝抑制劑GLS抑制劑（如CB-839）可阻斷谷氨酰胺轉化為谷氨酸，抑制CSCs的TCA循環(huán)和抗氧化系統(tǒng)。臨床前研究顯示，CB-839對三陰性乳腺癌CSCs具有選擇性殺傷作用，聯(lián)合紫杉醇可減少腫瘤復發(fā)。2靶向氨基酸代謝：谷氨酰胺與絲氨酸剝奪2.2絲氨酸代謝抑制劑PHGDH抑制劑（如NCT-503）和SHMT1抑制劑（如SHIN1）可阻斷絲氨酸合成，抑制CSCs的核酸合成。在腦膠質瘤模型中，PHGDH抑制劑可顯著延長小鼠生存期，其機制是通過減少核苷酸供應，抑制CD133+CSCs的增殖。3靶向脂質代謝：抑制脂肪酸合成與氧化3.1FASN抑制劑Orlistat（FASN抑制劑）和TVB-2640（新型FASN抑制劑）可抑制脂肪酸合成，破壞CSCs的膜結構和信號分子。臨床研究表明，TVB-2640聯(lián)合化療可降低乳腺癌患者的循環(huán)腫瘤細胞數(shù)量，提示其可能清除CSCs。3靶向脂質代謝：抑制脂肪酸合成與氧化3.2CPT1抑制劑Etomoxir（CPT1抑制劑）可阻斷FAO，抑制CSCs的應激適應能力。我們在胰腺癌研究中發(fā)現(xiàn)，Etomoxir可逆轉吉西他濱耐藥，其機制是通過減少ATP產(chǎn)生，誘導CSCs凋亡。4靶向微環(huán)境代謝重編程：基質細胞與免疫代謝調節(jié)4.1靶向CAFs通過抑制CAFs的活化（如TGF-β受體抑制劑Galunisertib）或代謝重編程（如MCT4抑制劑），破壞其與CSCs的代謝共生。臨床前研究表明，Galunisertib可減少乳腺癌CAFs的乳酸分泌，抑制CSCs的自我更新。4靶向微環(huán)境代謝重編程：基質細胞與免疫代謝調節(jié)4.2調節(jié)免疫細胞代謝TAMs的M2極化和T細胞耗竭與代謝異常密切相關：靶向ARG1（TAMs）可恢復T細胞