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几乎所有癌症的起源器官和组织都包含在生物体一生中均具有复制能力的细胞，细胞复制的目的是维持和替代因衰老或损伤而丧失的细胞。例如肠道的整个内层大约每7日更新1次，皮肤组织的上皮每个月更新1次。随着毒素、紫外线辐射或炎症等因素对细胞造成损伤，细胞的丧失和替代会加速1,2。 利用大量未受损细胞复原受损组织似乎是最高效的修复机制。然而，在皮肤、乳腺、肠道、脑和血液等癌症通常起源的组织内，只有少数干细胞群在维持和修复组织，而大多数具有复制能力的细胞均寿命有限。为什么长寿的多细胞生物会使用这种看似低效的组织稳态机制，即最终只有少数细胞负责修复损伤？答案很可能是为了降低癌症发病率。我们现在已经清楚，在分裂过程中和暴露于导致遗传毒性应激的物质后，组织中的正常细胞会发生突变3。由于癌症可能起源于多种致癌突变，因此如果组织中具有复制能力的细胞只有少数可在人的一生中存活，那么细胞累积的突变达到致癌转化所需数量的概率就会大大降低。因此，为了理解癌症，我们一定要理解干细胞的基础生物学特性以及这些细胞如何分化成组织中的成熟细胞。 正常成体干细胞的生物学特性 血液（造血）干细胞是我们了解最多的哺乳动物成体干细胞，因为人们曾付出巨大努力来寻找原子弹产生的电离辐射导致死亡的原因。最低致死剂量的辐射导致死亡的原因是血液系统衰竭。Becker等的一项开创性研究证明了造血干细胞的存在4。之后，造血干细胞被证明在有核骨髓细胞中占1/100,000～1/50,0005，并且单个造血干细胞可以在致死剂量照射后的小鼠体内再生血液系统（图1）。
图中显示了小鼠造血干细胞（HSC）的发育概况。HSC可通过称为自我更新的细胞分裂过程在动物的一生中自我再生。HSC也可产生多能祖细胞（MPP）等子代细胞，然后这些子代细胞逐渐产生更多分化的细胞类型。分化的子代细胞不能自我更新，且寿命有限。虚线绘制的是近期提出的替代模型，在该模型中，谱系定向（例如产生血小板）在早期发生，甚至是在发生分化的第一次细胞分裂过程中发生。CLP表示共同淋巴样祖细胞、CMP表示共同髓样祖细胞，GMP表示粒细胞-单核细胞系祖细胞，MEP表示巨核细胞-红细胞系祖细胞。 虽然小鼠造血干细胞基本上保持休眠状态，并且在小鼠一生中（大约2年）仅分裂4次6，但在发生应激，即需要增加血细胞生成量时，休眠的造血干细胞将发生复制，从而提供所需的免疫细胞。当造血干细胞分裂时，它们可以产生另一个干细胞或产生祖细胞，祖细胞最终分化成红细胞、血小板、粒细胞和淋巴细胞等成熟细胞。产生另一个干细胞的细胞分裂过程称为自我更新。自我更新性质的细胞分裂产生另一个具有相似能力的干细胞，该细胞可在动物一生中增殖和再生血液系统。然而，当干细胞产生除记忆淋巴细胞之外的祖细胞时，祖细胞的复制能力有限，不能长时间维持造血。 癌症常发生的其他组织和器官（如皮肤、乳腺、肠道、前列腺、肝脏，甚至脑）也包含干细胞7-12。这些组织中的干细胞与造血干细胞似乎具有一些共同特性，即它们在生物体一生中持续存在、因暴露于毒素而丧失干细胞后可通过扩增的方式自我再生，并且可在组织中迁移从而修复组织损伤。例如，随着炎症的发生和toll样受体（TLR）信号对先天免疫系统的激活，肠道和乳腺的干细胞被TLR信号通路激活，从而修复组织损伤2。正常情况下，乳腺、脑和皮肤内的大多数干细胞处于休眠状态13,14，而肠道内的大量Lgr5（富含亮氨酸重复序列G蛋白偶联受体-5）阳性干细胞则处于增殖状态。此外，像果蝇生殖细胞（早期祖细胞可重新获得干细胞特性，而后期祖细胞不具有这一能力）一样，肠道中的一些早期祖细胞可重新获得Lgr5表达15,16。因此，不同组织中的干细胞并不相同。 由于不同组织中的干细胞是该特定组织和源自同一组织的癌症所特有的，因此深入研究所有组织中的干细胞对于理解特定组织类型的癌症和退行性疾病至关重要。细胞外在因素和细胞内在因素均在各组织中调节干细胞的核心特性——自我更新。哺育细胞提供了生态位，可为造血干细胞生成Kit配体等因子，或者为肠道、脑和肝脏干细胞生成Wnts和R-spondins（β-联蛋白信号通路的配体）等因子17,18。 同一组织中干细胞和其他细胞的主要区别是表观遗传修饰（DNA甲基化和染色质修饰）。某些表观遗传调节因子、转录因子和microRNA在干细胞的自我更新中发挥重要作用这一点并不出人意料19,20。例如染色质修饰因子Bmi1是造血干细胞以及神经、乳腺和前列腺干细胞自我更新所必需的21。Bmi1发挥功能的方式是在干细胞中修饰组蛋白，以及抑制对细胞凋亡（p19Arf和Tp53通路）、衰老（p16ink4a）和分化（Hox基因）具有调节作用的基因的表达，而不是在干细胞的分化子代细胞中发挥上述功能19,22。然而，干细胞的自我更新和维持仅有干细胞表达的Bmi1是不够的。随着分化，子细胞也开始表达一些因子，如靶向Bmi1的microRNA miR-200和Bmi1拮抗因子Usp1623。因此，定义干细胞的不仅是干细胞表达自我更新过程的正调节因子，另外还有祖细胞不表达抑制自我更新的基因（图2）。
HSC可通过表达自我更新所必需的基因来自我再生，并且它们不表达诱导细胞死亡、衰老和分化的基因。第一代分化的子代细胞（早期祖细胞）通常表达许多对自我更新有正调节作用的基因，但它们也开启阻止自我更新和促进分化的基因。他们的子代细胞（后期祖细胞）关闭自我更新基因，开启分化基因。分化基因的数量随着细胞的分化而增加（双箭头）。 干细胞与癌症发生 干细胞是许多组织中最长寿的细胞，而癌症中必须累积许多突变。因此，初始致癌突变很可能发生于干细胞。对暴露于原子弹辐射之后存活下来的日本急性髓系白血病（AML）患者所做的评估提供了证明上述情况的早期证据。白血病治愈之后对患者的正常造血干细胞所做的检查显示，有大量造血干细胞携带AML1-ETO突变；这提示初始白血病前突变（preleukemic mutation）发生于造血干细胞24。纳入AML患者的单细胞测序研究表明，正常造血干细胞携带见于明确AML母细胞的一种或两种突变25。有模型显示癌症起源于组织干细胞中累积的连续突变，上述发现与这一模型相符26。克隆性造血的发现为干细胞突变模型提供了最终证据27-30。突变导致克隆性造血的患者发生白血病的风险是每年1%。 有证据表明，在小鼠和人类中，实体瘤的初始致癌突变发生于干细胞11,31-33。在涉及小鼠脑癌、皮肤癌和结肠癌模型的遗传学研究中，干细胞或分化程度更高的子代细胞中的单一致癌突变表明干细胞突变导致癌症11,31-35。此外，与AML一样，人类胶质母细胞瘤突变见于远离原发肿瘤的脑室下区正常神经干细胞内；这提示，与小鼠模型和人类AML一样，人类胶质母细胞瘤的初始突变发生于干细胞36。 许多癌症的初始致癌突变（一处或多处）发生于干细胞这一点已经明确，但最终导致第一个完全转化的癌细胞，进而引起癌症的后续突变可能发生于干细胞，也可能发生于未成熟的祖细胞22,26,37-41。最终的致癌转化为何会发生于祖细胞？初始致癌突变常涉及控制干细胞功能的表观遗传调节因子2,25,27-30,42。如果有几个关键突变共同激活自我更新程序，或者有几个关键突变共同使衰老和凋亡程序失活，则它们可赋予早期祖细胞长期增殖能力（图3）22。前者的例子包括多种癌症中的端粒酶（TERT）启动子发生的激活突变36,43，以及AML中的表观遗传调节因子TAL1启动子发生的激活突变44。后者的例子包括Tp53和CDKN2a等肿瘤抑制基因发生的失活突变45-47。后一种突变可赋予细胞不受控的增殖和扩增特性22。
在正常造血中（左图），Tp53（某些克隆性造血病例发生Tp53突变）等肿瘤抑制基因的表达可阻止MPP细胞发生自我更新。三种肿瘤抑制基因的突变（右图）使早期MPP细胞获得了干细胞核心功能——自我更新，但并未使后期MPP细胞获得这一功能。这证实了以下假说：细胞的分化程度越高，细胞要发生不受控的复制所需的突变也越多。LP表示后期祖细胞。 干细胞中的癌前突变 既然致癌突变导致克隆性造血，那么携带这些突变的患者发生白血病的风险非常高也就不足为奇了。然而，令人奇怪的是，有克隆性造血的患者发生其他疾病的风险也增加，包括心血管疾病和2型糖尿病。克隆性造血可导致冠状动脉粥样硬化和钙化增加。其中一些突变发生于IDH1/2、DNMT3a/b和TET2等与干细胞调节相关的基因48。在小鼠中，tet2突变（克隆性造血中常见的表观遗传调节因子突变）增加了动脉粥样硬化的发病率。这很可能是tet2突变引起单核细胞和巨噬细胞功能紊乱的结果27,28。jak2突变（另一种与克隆性造血相关的常见突变）可促进血栓形成。 因此，造血干细胞子代细胞发生的免疫功能紊乱可能促发了其他病理状况。对其他组织的正常细胞所做的基因组测序提示，癌前突变可能在其他组织的干细胞中累积。在胶质母细胞瘤中，脑内原本正常的脑室下区干细胞包含可见于明确癌症的致癌突变。在衰老过程中，食管、皮肤、乳腺（可能还有其他组织）中貌似正常的细胞可能包含一些突变，而这些突变可见于起源于这些组织的癌症。我们可以合理地做出以下假设：如果这些组织中的干细胞发生突变，那么这些干细胞可能就是易于发展成癌症的癌前细胞，就像克隆性造血的情况49,50。 癌症干细胞与预后 癌症干细胞存在于许多髓系白血病和实体瘤中，包括胶质母细胞瘤和乳腺癌、结肠癌及皮肤鳞状细胞癌51。对实体瘤中的癌症干细胞所做的初步分离是基于对移植到免疫缺陷小鼠体内的人乳腺癌细胞样本所做的检测52。这些检测表明，在9个肿瘤中，8个只有少数癌细胞具有干细胞特性。然而，在早期，人们对癌症干细胞的存在持怀疑态度，原因是小鼠和人类微环境存在差异，或者移植检测本身可能导致错误结论。 后来由于一些实验，癌症干细胞的存在受到了进一步质疑，如今回头看，这些实验被证明是有缺陷的。这些缺陷的例子包括将特定基因的表达与实际属于干细胞的某一细胞混为一谈，未能理解环境信号可诱导表观遗传变化，进而改变干细胞表达的标志物，使用细胞系而非小鼠或人类原代细胞进行实验，以及未意识到致癌突变可导致两个或多个在肿瘤中充当干细胞的细胞群。 然而，现代体外类器官培养试验、涉及小鼠和人类癌症遗传谱系追踪的实验以及最重要的是小鼠乳腺肿瘤的体内显微镜检查均证实，我们对乳腺癌、脑癌、皮肤鳞状细胞癌和基底细胞癌最初的移植实验做出了正确解读。在上述多种实体瘤中，只有少数癌细胞群具有维持肿瘤的能力，并且它们保留了产生更多干细胞以及产生终末分化子代细胞的潜力53。小鼠肿瘤的体内显微镜检查结果表明，大多数乳腺癌细胞发生分化，并且增殖能力有限或并无增殖能力。癌症干细胞能够产生不断生长的肿瘤克隆，它们在所有细胞中占少数。值得注意的是，长期促克隆形成潜力仅在一部分子代细胞中得以维持，而其余子代细胞则丧失了这种能力；这一研究发现突显出固有等级53。 正常干细胞用于调节细胞分化、长期增殖（自我更新）、组织修复和分化的表观遗传程序在癌症中遭到破坏。这导致具有长期生长潜力的细胞不断扩增。然而，在许多肿瘤中，只有一小部分癌细胞能够在任何时间点自我更新。Martin等开展的研究利用了X连锁基因G6PD的不同等位基因的表达，旨在证明在慢性髓系白血病（CML）和许多AML病例中，有丝分裂后的癌细胞是来源于白血病克隆54。这些细胞被称为白血病（癌症）干细胞54。由于某些突变可向先前不具有自我更新能力的细胞群赋予干细胞特性，因此癌症干细胞最终可能起源于早期祖细胞37。因此，“癌症干细胞”一词是一个功能性定义，不一定表示某一癌细胞是发生转化的正常干细胞。起源于祖细胞的癌症干细胞确实依赖于正常干细胞通路的激活39,55,56，以及抑制干细胞自我更新的通路的失活22。即使在白血病起源于早期祖细胞的病例中，白血病干细胞产生的大部分白血病母细胞仍然增殖能力有限或并无增殖能力37,39。 此外，癌细胞发生的突变越多，促进自我更新的通路被激活和抑制自我更新的通路被失活的可能性也越大。这与CML向原始细胞危象演变过程中的观察结果，以及三阴性乳腺癌和黑色素瘤的观察结果一致11,26,27,31-33。癌细胞利用正常干细胞的自我更新进行长期增殖，并利用组织修复途径进行浸润26；这提示癌症中的干细胞频率与预后相关。乳腺癌、结肠癌和AML的情况确实如此51。 癌症干细胞的生物学特性与临床意义 癌症干细胞领域的一个主要疑问是它是否具有临床意义。过去几年产生的数据表明的确具有临床意义。例如，Dalerba等利用新的生物信息学方法发现尾型同源框转录因子-2（CDX2）是一种生物标志物，可量化结肠癌中未分化的原始细胞数量57。在4%～7%的结肠癌中，CDX2阴性未成熟结肠癌细胞所占比例超过95%。正如预测的那样，在Dalerba及其同事的研究中，CDX2阴性Ⅱ期结肠癌患者预后非常差。这些结果最初受到质疑，但另一组研究人员后来报告说，他们的结果与Dalerba及其同事的结果一致58。 随后的大量研究也证实，微卫星不稳定性阳性（DNA修复通路基因，特别是参与错配修复的基因发生突变）和微卫星稳定性（DNA修复通路基因无突变）CDX2阴性Ⅱ期结肠癌患者均预后不良59。具有潜在临床意义的是，多变量分析表明，与大多数Ⅱ期结肠癌患者不同，Ⅱ期CDX2阴性结肠癌患者似乎可从辅助化疗中受益。尽管这是一项回顾性研究，并且最初并未根据CDX2表达情况对患者进行随机分组，但在对高度匹配的患者队列开展的临床研究中，CDX2是分析的唯一新变量。癌症干细胞的生物学特性可能在其他癌症的治疗决策中提供指导。 正常干细胞和相应的癌症干细胞可通过多种机制保护自身免受毒素和遗传毒性应激的影响，包括增加DNA修复通路的表达、增加抗凋亡基因的表达和维持低活性氧（ROS）环境1,60-62。包括放疗和一些化疗药物在内的许多治疗药物是通过提高ROS水平来杀伤细胞。正常和恶性干细胞均可降低电离辐射和某些化疗药物诱导产生的ROS水平，从而保护自身免受影响1。KEAP1–NRF2通路是ROS的主要调节因子，肺癌中该路径的突变使细胞对放疗有抗性。携带KEAP1–NRF2突变的大部分Ⅱ期或Ⅲ期肺癌患者在放疗后会复发63；这提示该患者人群应采用其他疗法。 因为癌症干细胞通常对某些标准疗法具有固有的部分耐药性，所以我们一直在大力寻找可有效靶向这些细胞的药物。许多推定的癌症干细胞靶向药物都在临床试验中失败了64。上述失败有几个原因。一些药物在研发时依据的是针对细胞的活性，而这些细胞之前被错误地识别为干细胞。失败的另一个原因是，许多研究人员认为癌症干细胞是一个单一且一致的细胞群，并且未考虑到正常和恶性干细胞均对环境信号产生应答，且两者利用的通路不同（图4）。例如，在乳腺中，休眠细胞和增殖干细胞均具有部分间充质表型，但是在所表达的细胞表面标志物和间充质细胞标志物方面，两者可能有所不同。
Bcl11b调节正常乳腺干细胞的休眠。环境信号可暂时诱导细胞增殖，但细胞可重新进入休眠状态。休眠细胞和增殖细胞的许多细胞表面标志物和信号通路是不同的。因此，环境信号可改变干细胞的标志物表达和信号通路。图中列出了休眠细胞和增殖干细胞不同的诊断标志物。此外，休眠细胞和增殖细胞的药物敏感性和耐药性可能不同。EGFR表示表皮生长因子受体、Epcam表示上皮细胞黏附分子，MAPK表示丝裂原活化蛋白激酶。 在临床意义方面，循环和休眠干细胞中有活性的信号通路可能不同13。例如，皮肤和其他组织中有休眠和循环干细胞群。增殖干细胞依赖Wnt信号，而休眠干细胞并不依赖Wnt信号65。因此，通过靶向Wnt信号治疗皮肤癌的药物可能可以清除循环干细胞，但不能清除休眠的癌症干细胞。在小鼠结肠癌中，根据表达Lgr5定义的结肠癌干细胞可由其他癌细胞再生；这提示了靶向Lgr5阳性细胞的方案发生治疗失败的一个原因。小鼠数据与之前的人体移植数据一致，人体移植确定了能够产生肿瘤的LGR5阳性和LGR5阴性细胞群18,66。在关于人类结肠癌的实验中，对移植和单细胞基因表达所做的分析表明，特定的LGR5阳性和LGR5阴性细胞群可以再生肿瘤，分析还表明了未产生肿瘤的LGR5阴性癌细胞。因此，我们可能可以利用每x`个致瘤细胞群的单细胞基因表达谱来设计针对特定患者的治疗策略，从而确保可以靶向所有致瘤细胞群66,67。 治疗失败的另外一个主要原因是正常干细胞和癌症干细胞均受到特定治疗药物的靶向。例如，曾有药物靶向组蛋白乙酰化的表观遗传修饰阅读者（epigenetic readers）中的BET（溴结构域和额外末端结构域，bromodomain and extraterminal）家族（BET通路），将其作为对依赖于表达通路的基因（例如癌基因MYC）进行靶向的一种方式，此类药物曾引起了人们的巨大兴奋。然而，正常的肠道干细胞和许多癌症干细胞均被抑制BET通路的药物所靶向68。在某些情况下，最大有效剂量的BET通路抑制剂对正常的肠道干细胞和癌症干细胞具有同样毒性，导致严重的胃肠道毒性。因此，这些药物在临床上有可能达到，也有可能达不到良好的治疗指数。 最近，美国食品药品管理局批准了三种可靶向癌症干细胞的新药。vismodegib是一种hedgehog信号通路抑制剂，靶向基底细胞癌中的至少一部分癌症干细胞69,70。ivosidenib是异柠檬酸脱氢酶-1编码基因（IDH1）的抑制剂，被批准用于治疗复发性白血病患者。突变IDH1引起（R）-2-羟基戊二酸累积，后者可阻断组蛋白去甲基化和细胞分化48。维奈托克（Venetoclax）会增加白血病干细胞中的ROS。以前也有药物（如L-S,R丁硫氨酸-亚砜亚胺）可靶向癌症干细胞中ROS通路，但这些药物也靶向正常的干细胞，因此毒性限制了其临床应用。最近，Jordan及其同事发现BCL2抑制剂维奈托克在大量患者中可选择性杀伤AML干细胞71。一项临床研究纳入了预后不良且对标准治疗应答非常差的老年患者，结果表明在接受维奈托克联合治疗的患者中，至少60%达到了完全缓解。其中一些是长期缓解72。这些研究表明了有效靶向癌症干细胞的药物的疗效。 干细胞的生物学特性也与免疫疗法相关62,73,74。干细胞在组织损伤的修复过程中必不可少，所以它们通过表达调节因子来保护自身免受免疫损伤不足为奇。造血干细胞（可能还有其他干细胞）通过表达CD47来保护自身免受巨噬细胞的吞噬。CD47向巨噬细胞发出“不要吃我”的信号。癌细胞可利用CD47来保护自身免受巨噬细胞攻击。在近期一项纳入难治性非霍奇金淋巴瘤患者的研究中，CD47抑制抗体使50%的患者恢复了对利妥昔单抗的敏感性，并且有36%的患者达到了完全缓解75。 未来 将癌症干细胞的生物学研究转化为临床应用有很大前景，但目前仍处于起步阶段。此外，为了充分发挥其潜力，有几个问题还有待解决。首先也是最重要的是，我们需要更加明确以下两类干细胞的分子和细胞生物学特性，一类是正常干细胞，另一类是起源于各组织的肿瘤所包含的干细胞。很明显，有一些（但非全部）致癌突变可向发生部分分化的细胞赋予干细胞特性。正如维奈托克、ivosidenib、vismodegib和CDX2研究所证明的那样，癌症干细胞的生物学研究可以帮助我们了解细胞有哪些易受已知疗法和新疗法影响且之前未知的脆弱之处。由于致癌突变可以使癌症干细胞的存活不再依赖于特定基因13,22，因此显而易见，对癌症干细胞的成功根除将依赖于可靶向癌症干细胞多个通路的联合治疗。治疗药物必须同时靶向休眠和增殖的癌症干细胞、由特定突变产生的癌症干细胞群，以及已发生的突变使其不再依赖于单一干细胞通路的细胞。
许多急性髓系白血病（AML）患者的HSC携带1或2个癌前突变。这些HSC最终发生了导致明确AML的突变。白血病演变过程可能发生更多的突变，从而导致癌症的克隆演变。在治疗失败的情况下，白血病可能由于一个或多个白血病干细胞克隆未被清除而复发。与恶性克隆相比，对治疗同样具有耐药性的癌前克隆的生物学复杂性较低。针对癌前干细胞开发诊断检测方法和治疗药物有可能明显减少疾病和死亡。 很明显，如果肿瘤携带大量突变，则靶向癌症干细胞的工作有可能变得很复杂。对AML复发所做的研究就这一问题的潜在解决方式提供了一些启示。AML的复发涉及多种机制，如未能清除肿瘤中所有不同的白血病干细胞克隆39（图5）。白血病前（preleukemic）造血干细胞（在克隆性造血中见到的相同细胞通常在治疗后持续存在）可能是治疗失败的另一个原因。就像克隆性造血患者的情况一样，人们可以推测这些细胞会以每年大约1%的频率导致后期复发。由于癌前细胞的分子和细胞生物学特性具有较低的复杂性，因此如果一种疗法可在明确的癌症发生之前清除这些白血病前细胞，以及清除许多实体瘤中推测的癌前（但其他方面正常）干细胞，疗效可能会更好。在未来，针对癌症干细胞靶点的小分子抑制剂、生物制剂和免疫疗法所组成的联合治疗可能进入临床并改善患者结局。 Disclosure forms provided by the author are available with the full text of this article at NEJM.org. I thank Angera H. Kuo, Ph.D., Shaheen Sikandar, Ph.D., and Jane Antony, Ph.D., for their comments and thoughtful suggestions regarding an earlier version of the manuscript. 译者：侯海燕，NEJM医学前沿 校对：照日格图，NEJM医学前沿 作者信息Michael F. Clarke, M.D. 参考文献1. Diehn M, Cho RW, Lobo NA, et al. 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