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结直肠癌干细胞（CCSCs）与肿瘤微环境（TME）相互作用驱动肿瘤发生、治疗抵抗及转移，3D模型技术可精准模拟TME并提升药物筛选效率，靶向CCSCs的免疫疗法（如检查点抑制剂）及分子策略（DNA/RNA靶向）为突破临床瓶颈提供新路径。
Sandhiya Viswanathan | Madhuja Raha | Sudeshna Mishra | Srinivas Patnaik
生物技术学院，卡林加工业技术学院（KIIT，被认定为大学），布巴内斯瓦尔 751024，奥里萨邦，印度
摘要
结直肠癌（CRC）是一种高度异质性的疾病，其中特定的癌干细胞（CSCs）在肿瘤发生、治疗抵抗、转移和疾病进展中起着关键作用。肿瘤微环境（TME）通过发送信号并允许细胞相互作用，在CRC干细胞的发育中起着关键作用，这有助于干细胞保持活力并再生。CCSCs与TME中多种成分的持续相互作用促进了治疗抵抗和肿瘤复发。最近的进展使得使用CCSCs制造三维（3D）肿瘤模型成为可能。这些模型更好地模拟了体内的TME，并为个性化药物发现和肿瘤生物学研究提供了有用的方法。CCSCs中的治疗抵抗仍然是CRC治疗中的一个重要问题，因为这些细胞仍然活跃，具有良好的DNA修复系统，并与TME中的其他细胞相互作用。针对这些细胞的靶向治疗技术正在开发中，包括基于DNA/RNA的方法，以抑制致癌驱动因子或恢复肿瘤抑制因子。针对TME的免疫疗法，如免疫检查点抑制剂、基于T细胞的疗法和细胞因子调节，在对抗CCSCs的免疫逃逸方面显示出潜力。许多临床试验正在研究针对CCSC相关通路的抑制剂的有效性。
引言
结直肠癌是全球癌症相关死亡的主要原因，其中13%的晚期CRC患者在诊断后能存活五年。CRC的治疗方法主要依赖于化疗和外科干预。强烈的化疗方案通过诱导DNA损伤来针对快速增殖的细胞。然而，化疗抵抗机制是一个显著的缺点，因为它们降低了化疗的效果。最近的研究表明，治疗抵抗、肿瘤复发和转移进展取决于称为CCSCs的特定细胞亚群。大多数研究表明，CCSCs可以持续自我更新，抵抗凋亡信号，并在初始治疗后继续促进癌症复发。此外，在原发肿瘤形成后，CRC干细胞通过逃避免疫监视来促进复发和转移[1]。最初，研究人员认为CCSCs与正常组织干细胞非常相似。然而，CCSC模型为癌症的多个临床方面提供了更可靠的解释，相比之下，随机方法认为肿瘤内的任何细胞都可能再生整个肿瘤环境。CCSCs可以在化疗或放疗后自我更新、分化并保持休眠状态，甚至几十年后仍能生成新的细胞[2]。由于这种独特的行为，CCSCs在肿瘤发生、治疗抵抗和转移中至关重要。Bonnet和Dick在1997年发现了CCSCs的历史起源。他们表明急性髓系白血病（AML）来源于已经具有干细胞特性的细胞[3]。
CCSCs来自已经失去分化的体细胞，或者是由于基因和表观遗传学的变化。由于它们稀有且具有广泛的表型，因此很难找到和分离这些干细胞。CCSCs在肿瘤增殖中起着关键作用，这表明研究人员需要新的方法来特异性地靶向干细胞，以提高治疗效果并减少复发的可能性[4]。此外，TME中的元素会导致治疗失败并使病情恶化。因此，开发同时针对肿瘤代谢和TME的创新性CCSC靶向疗法是一种有前景的策略，以克服治疗抵抗[5]。结直肠肿瘤由分化和未分化的CCSCs组成，这一点在分化良好的导管型肿瘤中得到了证明。TME是癌症层次结构的重要组成部分，因为它保持CCSCs的活性并有助于其再生。据认为，肿瘤-宿主界面处的宿主因素（称为“干细胞生态位”）对于维持CRC中的干细胞特性非常重要，而精确的体外TME复制对于研究癌症层次结构和理解CCSCs的动态至关重要[6]。
体外单层细胞培养、使用小鼠模型的临床前实验以及患者来源的肿瘤异种移植（PDX）是抗癌药物研究中的传统方法。癌细胞系的长期传代会导致遗传信息的丢失和分化细胞的生长。尽管PDX模型来源于人类肿瘤，但它们在小鼠体内可能会经历不同的进化过程，从而在基因上与人类肿瘤不同。这些模型往往效果不佳，且成本高昂且耗时较长。因此，迫切需要创建能够更准确反映癌症遗传多样性和特异性的模型，以改善CRC的诊断和治疗[7]。近年来，肿瘤类器官改变了癌症研究的方式。这些类器官具有三维结构，功能类似于真实器官，同时也是自我更新的干细胞培养系统。与传统模型相比，类器官模型更准确地模拟了人类肿瘤的生理学、动态和细胞组成，为癌症研究和治疗方法的评估提供了更可靠的基础[8]。在CRC研究中需要快速进展，以理解CCSCs与TME之间的相互作用及其抵抗和转移机制。此外，许多新的治疗模式仍处于研究阶段，尚未在临床试验中显示出良好的结果。本文综述了关于CCSCs的起源及其与TME相互作用的最新进展，以及先进体外模型的开发，包括3D培养。还讨论了新的和新兴的治疗方法，如免疫疗法和针对癌干细胞的分子靶向策略。
节选
结直肠癌中癌干细胞的进化
CCSCs的进化受到外部微环境信号的综合作用，这些信号促进了异质性和适应性，同时还有内在的遗传和表观遗传学变化。遗传不稳定性是CRC的一个特征，它促进了关键信号通路（如TGF-β信号通路、Notch通路、Wnt/β-连环蛋白通路和Hedgehog通路）中驱动突变的积累。这些突变使癌细胞具有类似干细胞的特性，帮助它们延缓凋亡并持续生长。
解析支持CCSC维持的肿瘤生态系统
CRC中的TME是一个活跃的生态系统，由癌细胞、免疫细胞（如肿瘤相关巨噬细胞和淋巴细胞）以及基质成分（包括内皮细胞、周细胞和CAF）组成。这些成分通过多种信号分子进行交流，包括生长因子、细胞因子和嵌入ECM中的代谢介质。这种持续的相互作用通过调节细胞活力、增殖和治疗反应显著影响肿瘤进展。
使用结肠癌干细胞建立3D肿瘤微环境
一种著名的3D方法是类器官培养，该方法使用正常肠道干细胞创建类似肠道隐窝-绒毛结构的小型自组织结构。同样，从患者肿瘤中分离出的癌细胞也可以培养成肿瘤类器官，从而保留原始肿瘤的结构和功能异质性。如果能够在3D系统中调整培养条件来调节CRC干细胞的表型，将具有很大的价值。
结肠肿瘤微环境中CCSC驱动的抵抗和调控通路的证据
CRC起源于肠道隐窝干细胞，这是由于代谢改变、基因突变、表观遗传学改变和TME的作用。CCSCs增加了转移潜力、药物抵抗性和肿瘤异质性[31]。接受联合治疗（如leucovorin和oxaliplatin（FOLFOX）与5-氟尿嘧啶（5-Fu）或5-Fu与irinotecan（FOLFIRI）和leucovorin）的患者表现出这些特征。靶向治疗策略，如VEGF或EGFR抑制剂，可以用于...
耐药性结肠癌干细胞模型的意义
耐药性CCSC模型是体外和体内的实验系统，代表了具有自我更新能力和固有或发展出的抗癌治疗抵抗性的CRC亚群。表达CD133、LGR5和CD44v6且WNT/β-连环蛋白活性高的球形培养物用于使CCSC模型更加稳健。该模型使用基因注释的CCSC系来解释细胞如何在活体中响应和抵抗EGFR靶向治疗。已建立的CCSC生物库...
临床前3D模型中针对CCSCs的治疗策略
化疗对CRC干细胞的效果较差，因为它们经常处于G0阶段。此外，它们会释放免疫抑制细胞因子，如TGF-β、IL-6和IL-10，这些因子促进免疫逃逸。这些特性使CCSCs成为治疗的关键靶点。开发专门消除CCSCs的药物可以克服治疗抵抗，防止复发，并显著改善结肠癌患者的预后（图5）[4]。通过抑制SphK1和AKT–S6K1...
转化方法：针对转移性结肠癌中的CCSCs的临床试验
每年有超过50万人死于结肠癌，其中大多数死于疾病的晚期阶段，这使得结肠癌成为全球癌症死亡的主要原因。尽管转移性结直肠癌（IV期）仍然大多无法治愈，但局部晚期（III期）的患者可能会从治疗中受益更多。尽管目前的治疗方法包括手术切除结合辅助化疗、放疗或靶向治疗，但临床结果仍然不尽如人意。
针对CRC干细胞的DNA和RNA靶向治疗
针对CCSCs中的DNA和RNA为治疗干预提供了有希望的途径，因为CCSCs表现出基因组不稳定性、致癌转录本的过表达以及异常的RNA剪接模式，这些特征使它们与正常细胞不同[91]。破坏DNA修复机制的技术，如同源重组和不匹配修复，可以使CCSCs更容易受到基因毒性治疗的影响。在DNA修复缺陷的细胞中，针对poly(ADP-ribose)聚合酶（PARP）的抑制剂...
使用新型免疫疗法靶向CCSCs
免疫疗法利用免疫系统识别和消除癌细胞的能力，为CRC治疗提供了变革性的方法。肿瘤细胞通过下调抗原呈递、分泌免疫抑制细胞因子和模拟自身抗原来逃避免疫系统。富含CCSCs的TME进一步招募了抑制抗肿瘤反应的免疫抑制细胞，使其成为有吸引力的治疗靶点。使用小分子抑制剂SX-682靶向CCR1/2+中性粒细胞...
挑战与未来展望
通过引入各种治疗模式，CRC患者的总体生存率显著提高。然而，由于接受这些模式序贯治疗的患者治疗反应率下降，转移性CRC仍然是一个主要的临床挑战。考虑到CRC进展速度、耐药性条件的出现、治疗毒性以及患者的整体状况...
结论
CRC干细胞对肿瘤发生、进展、转移、治疗抵抗和复发的影响给癌症治疗带来了重大障碍。在过去10年中，研究人员发现了许多关于控制TME中CRC干细胞行为的细胞和分子过程。针对CRC干细胞的治疗策略，包括小分子抑制剂、天然化合物、免疫疗法和基于纳米技术的递送方法，在两方面都显示出潜力。
声明
在准备本文期间，作者使用ChatGPT来优化句子的可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
CRediT作者贡献声明
Sandhiya Viswanathan：概念化、撰写——初稿、审阅与编辑、验证、可视化。Madhuja Raha：概念化、撰写——初稿、可视化。Sudeshna Mishra：数据整理。Srinivas Patnaik：概念化、资源获取、监督、审阅与编辑、验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢卡林加工业技术学院（KIIT，被认定为大学）和印度政府Anusandhan国家研究基金会（ANRF）的宝贵支持。
