综述：利用癌症干细胞生物学特性的纳米治疗策略

这篇综述聚焦癌症干细胞（CSCs），系统分析了纳米医学在 CSC 靶向治疗方面的进展。文中探讨了 CSC 的生物学特性，如表面标记、信号通路等，介绍了基于纳米材料的治疗策略，并分析了当前面临的挑战与未来方向，为癌症治疗提供了新思路。

　　

1. 引言

癌症严重威胁全球公共健康，是第二大死因。尽管多模式治疗取得进展，但癌症干细胞（CSCs）的存在导致治疗耐药、转移和复发，成为癌症治疗的重大障碍。CSCs 具有自我更新、分化和高致瘤性等特性，能抵抗传统治疗。开发针对 CSCs 的靶向策略对改善癌症治疗效果至关重要。

纳米材料（NMs）在靶向 CSCs 方面具有独特优势。刺激响应性纳米药物可通过内源性或外源性触发产生热疗或活性氧（ROS），实现精准时空控制；NMs 利用增强的通透性和滞留效应及表面修饰，可增强肿瘤穿透和 CSCs 靶向性，减少脱靶效应；还能负载多种治疗剂，实现多模式联合治疗。不过，纳米治疗策略也面临挑战，如对 CSC 生物学和调控机制了解有限等。本文将全面分析 CSC 生物学和纳米治疗方法，为开发更有效的 CSC 靶向疗法提供指导。

2. 癌症干细胞的生物学特性

2.1 表面标记

CSC 表面标记是在 CSC 细胞膜上特异性高表达的生物分子，与维持干性和致癌能力相关，可用于 CSC 的分离、鉴定和靶向治疗。常见的表面标记有 CD133、CD44、CD24、CD90 等，不同标记在多种癌症中均有发现。

• CD34：是一种高度糖基化的 I 型跨膜糖蛋白，1994 年被首次鉴定为 CSC 表面标记。分离出的 CD34⁺CD38^?细胞具有自我更新和高致癌性，在多种癌症中是潜在的表面标记。研究发现，在肝癌细胞系中，CD34⁺细胞的致瘤性更强，且能产生多种类型的肝癌，表明其有助于癌细胞的异质性。
• CD133：是一种五跨膜糖蛋白，1997 年被鉴定为造血干细胞表面标记，2003 年发现其在脑肿瘤 CSC 中具有干细胞特性。多项研究表明，CD133⁺癌细胞与肿瘤转移和复发相关，在多种癌症中可作为潜在标记。
• CD44：是 I 型跨膜糖蛋白，作为透明质酸（HA）受体，在细胞间相互作用等方面起关键作用。2003 年被确定为 CSC 表面标记，在多种癌症中均有重要意义。研究显示，CD44⁺CD133⁺的结肠癌细胞亚群具有高致瘤性，在膀胱癌中，CD44 也可用于分选 CSC。
• CD24：是一种小的糖磷脂酰肌醇锚定细胞表面受体，2007 年被证实可作为 CSC 识别的标记，在多种癌症中是潜在标记。研究发现，CD24 过表达的细胞具有更强的成球能力、化疗耐药性等，且在转移性肿瘤中 CD24 表达更高。
• CD90：是糖基磷脂酰肌醇锚定糖蛋白，2008 年被证明可作为肝癌 CSC 的标记，在多种癌症中具有潜在意义。研究表明，CD90⁺细胞具有干细胞特性，能促进肿瘤生长，在胃癌和肝癌中均有相关验证。
• EpCAM：是 I 型跨膜多肽，与细胞黏附等有关，在多种癌症中是潜在的 CSC 标记。研究发现，EpCAM⁺循环癌细胞与肝癌复发相关，在非小细胞肺癌中，EpCAM⁺播散癌细胞与转移发展有关。

2.2 自我更新和上皮 - 间质转化

许多促进正常干细胞生存等特性的信号通路在肿瘤发生或 CSCs 中异常激活或抑制，通过相互交织的信号介质网络调节 CSCs 的生长和上皮 - 间质转化（EMT）。常见信号通路包括 Wnt/β - catenin、Hedgehog（Hh）、Notch、TGF - β、Janus 激酶（JAK）/ 信号转导和转录激活因子（STAT）3、核因子 κB（NF - κB）等。EMT 是上皮细胞向间质细胞的表型转化过程，通过调节 E - cadherin/vimentin 轴，赋予 CSCs 转移、侵袭能力和干细胞特性。

• Wnt/β - catenin 信号通路：该通路主要控制干细胞多能性，在细胞自我更新和分化中起关键作用。激活后，β - catenin 稳定积累进入细胞核，启动下游靶基因转录。研究发现，PKMYT1AR 和 LncCCAT1 可通过调节该通路，促进 CSCs 的自我更新、肿瘤发生和转移。
• Hh 信号通路：经典 Hh 信号通路在胚胎发育等过程中起重要作用。在 CSCs 中，该通路异常激活可促进肿瘤发生。研究表明，GALNT1 可通过调节 Hh 通路促进膀胱 CSCs 的自我更新和肿瘤发生，香烟烟雾提取物（CSE）可通过激活该通路促进膀胱 CSCs 的干性和 EMT。
• Notch 信号通路：该通路由 Notch 受体、配体等组成，激活后可调节下游靶基因功能。研究发现，在胶质瘤干细胞（GSCs）中，Notch1 信号可促进其侵袭、自我更新和生长；在肝癌细胞中，HIF - 1α 可激活 Notch1 信号通路，促进 EMT 和干细胞特性的维持。
• TGF - β 信号通路：TGF - β 信号通路参与多种细胞过程，在肿瘤发展中具有双重作用。研究表明，RALYL 可通过促进 TGF - β2 表达，促进肝癌细胞的干性、转移和化疗耐药性；在结直肠癌中，DAPK1 表达下调可激活 TGF - β 和 Wnt 信号通路，促进 EMT、化疗耐药性和干细胞特性。
• JAK/STAT3 信号通路：该通路是细胞因子刺激的信号转导通路，激活后可促进癌细胞增殖等，抑制抗肿瘤免疫反应。研究发现，在胶质瘤中，HIF - 1α 可激活该通路，增强 GSCs 的自我更新；在乳腺癌 CSCs 中，JAK/STAT3 可调节脂质代谢，促进自我更新。
• NF - κB 信号通路：NF - κB 是转录因子家族，可促进细胞生长、抑制凋亡、促进肿瘤血管生成。研究表明，在基底样乳腺癌中，NF - κB 可通过调节 JAG1 表达，促进 CSCs 的自我更新。

2.3 微环境

CSCs 与周围非癌细胞和细胞外基质相互作用形成的微环境，对肿瘤生长至关重要，不仅支持 CSCs 的自我更新和分化，还能保护其免受免疫系统攻击，增强对放化疗的抵抗。肿瘤微环境（TME）主要由肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）、癌症相关成纤维细胞（CAFs）和肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）等组成。

• 肿瘤相关巨噬细胞：TAMs 可分为 M1 和 M2 两种主要表型，M1 发挥促炎和抗肿瘤作用，M2 则促进肿瘤发生等。研究发现，口腔鳞状细胞癌（OSCC）CSC 来源的小细胞外囊泡（sEVs）可促进巨噬细胞向 M2 极化，促进肿瘤进展和免疫抑制；在肝癌中，M2 - TAMs 可促进 CSCs 的干性维持和耐药性。
• 癌症相关成纤维细胞：CAFs 是肿瘤间质中最丰富的非免疫细胞，可促进癌细胞生存等。研究表明，高表达 podoplanin（PDPN）的 CAF 亚群可通过调节 CSCs 促进胃癌转移；在口腔癌中，CAFs 可通过分泌 CXCL - 12 和 IL - 6 促进 CSCs 的生长和增殖。
• 缺氧：CSCs 通过调节缺氧与 TME 相互作用，缺氧可促进 CSCs 的自我更新等。研究发现，在胶质瘤中，缺氧可增加 A2B 腺苷受体（A_2BAR）表达，增强 GSCs 的迁移和侵袭能力；缺氧还可通过调节 HMGB1 促进 GSCs 的增殖和自我更新。
• 细胞外囊泡：细胞外囊泡（EVs）包括外泌体等，可携带多种分子，对癌症发展有重要影响。研究表明，胶质瘤 CSC 来源的 sEVs 可通过表达多种 miRNA 和蛋白质，影响 CSCs 的干性和耐药性；化疗后癌细胞释放的 EVs 可支持 CSCs 的生存，导致耐药和疾病进展。
• 细胞因子：CSCs 分泌多种因子重塑微环境，许多细胞因子与 CSCs 的维持和发展有关。研究发现，缺氧可诱导多种细胞因子的表达，促进 CSCs 的形成和转移；VEGF 可通过激活 STAT3 促进 CSCs 的自我更新；IL - 6 可促进肿瘤生长、转移和侵袭。
• 细胞外基质：细胞外基质（ECM）是 TME 的核心组成部分，可影响 CSCs 的增殖和分化。研究表明，不同比例的层粘连蛋白和 I 型胶原组成的基质可调节胰腺导管腺癌（PDAC）CSCs 的动态变化，但 ECM 硬度对 CSC 的影响尚无定论。

2.4 代谢特征

肿瘤代谢存在代谢重编程，CSCs 的代谢与分化癌细胞不同。CSCs 可通过多种代谢途径满足能量和生物合成需求，包括糖酵解、氧化磷酸化（OXPHOS）、脂质代谢和氨基酸代谢等。

• 糖酵解：CSCs 中糖酵解途径活跃，表现为葡萄糖摄取增加等。研究发现，CD44v10 可通过激活 MAPK/ERK 和 PI3K/AKT 信号通路促进糖酵解，进而促进三阴性乳腺癌（TNBC）中 CSCs 的自我更新；HectH9 可调节糖酵解关键酶 HK2，维持 CSCs 的能量需求；乳酸可促进组蛋白乙酰化，将分化癌细胞转化为 CSCs。
• 氧化磷酸化：OXPHOS 对 CSCs 的代谢也很重要，部分 CSCs 更倾向于 OXPHOS。研究表明，在三阴乳腺癌中，MYC 和 MCL1 可协同增强线粒体 OXPHOS，促进 CSCs 的富集和化疗耐药性；在结直肠癌中，乳酸可通过 PGC - 1α 促进正常氧合 CSCs 的 OXPHOS 过程，促进其迁移和侵袭。
• 代谢适应：CSCs 具有广泛的代谢适应性，不同亚群代谢模式不同。研究发现，乳腺癌 CSCs 存在不同代谢状态，且可在不同条件下转换；在胶质瘤中，不同代谢表型的 CSCs 可共存，并受环境因素影响。
• 脂质代谢：CSCs 中脂肪酸代谢活跃，包括脂肪酸的从头合成和 β - 氧化增强。研究表明，SREBP - 2 可促进前列腺 CSCs 的干性和转移；Nanog 可通过调节线粒体脂肪酸氧化基因表达，促进肝癌 CSCs 的自我更新和耐药性；HK2 可调节脂肪酸 β - 氧化，维持肝癌 CSCs 的干性。
• 氨基酸代谢：CSCs 对某些氨基酸有特殊需求，氨基酸代谢参与其异常增殖。研究发现，在胰腺癌中，CD9 可促进谷氨酰胺摄取，增强谷氨酰胺代谢，促进 CSCs 和癌症的形成；在结直肠癌中，CD110 可通过调节赖氨酸代谢，促进 CSCs 的自我更新和肝转移。

3. 基于纳米材料的癌症干细胞治疗方法

CSCs 在癌症治疗中意义重大，开发精准策略消除 CSCs 对提高治疗效果至关重要。纳米治疗策略具有潜力，目前已有多种基于纳米材料的治疗方法用于 CSC 治疗，包括化疗、放疗、光疗、声疗和磁疗等。

3.1 靶向表面标记

多种 CSC 生物标志物可作为精准识别和消除 CSC 群体的靶点。纳米载体可通过表面修饰实现对 CSC 表面标记的主动靶向，以下是针对不同表面标记的纳米治疗策略。

• CD34：合成低密度脂蛋白（sLDL）可被白血病细胞摄取，药物负载的 sLDL 纳米颗粒（NPs）有望根除白血病干细胞；人血清白蛋白与伏立诺他（vorinostat）结合的纳米药物对急性髓系白血病（AML）患者样本和 CD34⁺CD38^?细胞系具有选择性和优越的抗白血病活性。
• CD133：针对胶质母细胞瘤（GBM），开发了多种靶向 CD133 的纳米药物，如双靶向免疫脂质体封装替莫唑胺（TMZ），可提高药物对 GBM 的疗效；修饰有 CD133 单克隆抗体的纳米材料，可实现对 CD133⁺GBM 细胞的特异性靶向和清除。在其他肿瘤中，也有针对 CD133 的纳米药物研究，如负载 PTX 的 PLGA NPs 可增强对卵巢 CSCs 的靶向性和抑制效果。
• CD44：HA 对 CD44 具有高结合选择性，基于 HA 修饰的纳米材料广泛应用于癌症治疗。如表面修饰 HA 的纳米系统可实现多种治疗方式的联合，有效破坏乳腺癌 CSCs；抗体修饰的纳米材料也可靶向 CD44，增强治疗效果，如抗 CD44 抗体修饰的磁性纳米颗粒可选择性治疗 CD44⁺癌细胞。此外，还可通过纳米材料实现对 CSCs 的分化治疗，如 RA - 负载的纳米平台可诱导 CSCs 分化，抑制肿瘤生长。
• CD24：抗 CD24 修饰的纳米颗粒可用于前列腺癌的靶向治疗，提高药物在肿瘤中的积累，降低肿瘤质量和活力；CUR - 负载的纳米胶束对结直肠癌 CSCs 具有抑制作用；金纳米壳可作为热增强放射增敏剂，降低 CSCs 的放射抗性。
• CD90：不同抗体修饰的纳米脂质体可用于靶向 T 细胞，其中抗 CD90 靶向的脂质体可减缓肿瘤生长，提高生存率；热敏感磁性脂质体可靶向消除 CD90⁺肝癌 CSCs，抑制肿瘤生长；修饰有抗 CD90 抗体的量子点可增强对白血病细胞的光动力治疗效果。
• EpCAM：适配体偶联的纳米颗粒可用于靶向 EpCAM，如 EpCAM 靶向的 RNA 适配体可引导脂质体将基因选择性递送至 EpCAM 过表达的 CSCs；其他策略如双靶向脂质体和抗 EpCAM 抗体修饰的纳米材料，也可实现对 CSCs 的有效治疗。

3.2 调节信号通路

Wnt、Hh 和 Notch 等信号通路在 CSCs 中起关键作用，是 CSC 靶向治疗的有前景靶点。但相关通路抑制剂或小分子药物存在稳定性差等问题，纳米载体可改善其药代动力学和毒性特征，增强肿瘤积累。

• Wnt/β - catenin 信号通路：合成的双刺激响应纳米治疗剂可实现药物的 pH / 光双刺激释放，增强对 Wnt/β - catenin 信号通路的抑制，实现肿瘤的完全消除；修饰有抗 CD44v6 抗体片段的聚合物胶束负载 Wnt/β - catenin 通路抑制剂，可有效治疗结直肠 CSCs 和循环癌细胞；基于纳米材料的基因治疗可通过靶向相关基因，抑制该信号通路，促进癌细胞凋亡。
• Hh 信号通路：利用两亲性聚合物同时递送 DOX 和 Smo 抑制剂 CYC，可有效减少乳腺癌 CSCs 的肿瘤球数量和大小，实现协同抗肿瘤效果；通过纳米材料进行位点特异性基因编辑，可抑制 Smo，减少化疗相关副作用；Gli 抑制剂封装的 PLGA NPs 可抑制胰腺 CSCs 的生长。
• Notch 信号通路：磁性纳米颗粒负载的 DAPT 可有效抑制肿瘤生长，减少肿瘤组织中 CSCs 的比例；设计的纳米生物缀合物可抑制层粘连蛋白 - 411，进而抑制 Notch 信号通路，有效消除 CSCs；通过纳米材料靶向 ZNF117，可诱导 GSCs 分化，抑制胶质瘤进展。
• TGF - β 信号通路：抑制 TGF - β 信号通路可促进携带 siRNA 的纳米颗粒穿透肿瘤，有效杀死乳腺癌 CSCs；金属富勒烯醇纳米药物可通过阻断 EMT 消除乳腺癌 CSCs，抑制肿瘤发生和转移。
• JAK/STAT3 信号通路：基于 ATO 的 ZnAs@SiO₂ NPs 可通过抑制 JAK2/STAT3 信号通路，有效抑制肝癌细胞的恶性程度，抑制肿瘤生长和转移。
• NF - κB 信号通路：DS - 封装的 PLGA NPs 可有效抑制 GBM，根除 GSCs；负载 DTX 和 siRNA - p65 的纳米平台可通过抑制 NF - κB 通路，协同抑制癌细胞增殖和转移，有效抑制乳腺癌的生长和肺转移。

3.3 微环境重塑

TME 对 CSCs 的形成和维持至关重要，理想的抗 CSC 策略应同时靶向 CSCs 及其微环境。纳米治疗可通过多种方式调节微环境，抑制 CSCs。

• 肿瘤相关巨噬细胞：ZnO NPs 可同时靶向癌细胞、CSCs 和 TAMs，抑制癌症增殖等，还可促进 TAM 向 M1 表型极化；负载 simvastatin（SV）和 PTX 的多功能脂质体可通过调节 TAM 极化，重塑 TME，抑制 EMT，实现肿瘤的完全