综述：神经肿瘤学视角下的胶质母细胞瘤癌症干细胞生物学：对切除术、复发、靶向治疗和其他中枢神经系统肿瘤的影响

2. 中枢神经系统肿瘤中的癌症干细胞生物学

神经干细胞是多能祖细胞，其增殖和谱系分化受微环境信号严格调控。在发育过程中，它们分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞；在成人大脑中，持续的神经发生主要局限于脑室下区(SVZ)和齿状回的颗粒下区。与维持稳态的神经干细胞不同，CSC在由命运调控失调、异常的生态位相互作用和强大的应激反应适应能力所支配的专门TME中维持肿瘤生存。尽管神经干细胞和CSC共享一些核心特性（如自我更新能力、类似多能性的分化程序和保守的分子信号通路），但CSC缺乏正常的细胞周期限制，表现出增强的不对称分裂，并具有主动抑制抗肿瘤免疫反应的能力，这导致了其侵袭性。

CSC的早期概念基础可追溯到19世纪的观察，认为肿瘤源于未分化的细胞前体。随后在胚胎性肿瘤和畸胎瘤中的研究强化了这一观点。经典的CSC理论认为存在一个罕见、稳定、自我更新的单向分层区室。然而，现代研究修正了这一框架，提出了一个可塑性模型，其特征是CSC与非CSC状态之间动态的、双向的相互转换。目前的证据支持一个混合模型，其中肿瘤进展和复发既来自预先存在的静态干细胞样细胞，也来自治疗或生态位诱导的CSC状态。

在中枢神经系统肿瘤中，CSC生物学在GBM中得到了最广泛的表征。胶质瘤干细胞(GSC)通过增强的DNA损伤反应、代谢适应和主动重塑TME等机制，参与肿瘤的发生、维持和适应性治疗抵抗。

2.1. 肿瘤微环境

CSC所居住的空间和功能特化的生态位的存在，已成为解释为何单纯的细胞减灭疗法很少能治愈恶性CNS肿瘤的核心框架。目前文献中描述了五个生态位：血管周围、低氧、侵袭性、免疫抑制和细胞外基质(ECM)相关生态位。

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血管周围生态位：在此生态位中，CSC通过与内皮细胞、周细胞和病理性血管重塑的直接细胞-细胞相互作用和旁分泌信号来维持干细胞特性。在GBM中，异常的血管生成主要由CD133⁺CSC分泌的血管内皮生长因子(VEGF)驱动。内皮来源的NOTCH配体积极增强CSC的自我更新，而CXCL12–CXCR4信号有助于将CSC保留在血管生态位内并促进侵袭。IL-8和αvβ8整合素介导的TGFβ1激活是肿瘤加强CSC维持、增强免疫抑制和重塑ECM的互补途径。
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低氧生态位：低氧生态位诱导干细胞样转录状态和功能恢复力。在GBM中，这个生态位以假栅栏状坏死为典型特征。缺氧通过稳定缺氧诱导因子(HIFs)，特别是HIF-1α和HIF-2α，作为一个强大的调节信号。这些转录状态与STAT3、EGFR/PI3K/AKT、IGF1R、IL-8和alarmin-RAGE信号通路交织在一起，支持CSC的致瘤能力、细胞可塑性、迁移、侵袭和化疗抵抗。
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侵袭性生态位：侵袭性生态位出现在解剖导管与氧、pH、免疫细胞和ECM构象的微环境梯度的交汇处。在成人大脑中，SVZ是一个高度血管化的神经源性区域，其正常的促干细胞条件也为侵袭性GSC创造了一个允许的藏身之所。血管周围和SVZ相关的CXCL12梯度通过CXCR4/CXCR7引导GSC沿着血管和白质束迁移，导致肿瘤复发。侵袭还通过以Na⁺–K⁺–Cl^?协同转运蛋白NKCC1为中心的协调动力学实现。在肿瘤边缘，GSC暴露于更高的代谢和氧化应激下，波动的氧气和营养梯度促进了对干细胞样状态的选择和可塑性。
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免疫抑制生态位：免疫抑制生态位源于血管功能障碍和组织损伤信号，结合缺氧和坏死，通过刺激调节性T细胞(Tregs)的浸润和招募骨髓源性单核细胞（分化为肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)）以及粒细胞（成熟为肿瘤相关中性粒细胞(TANs)）来重塑局部免疫。这种免疫环境通过VEGF、巨噬细胞集落刺激因子1(CSF1)、CXCL12、IL-1β、IL-6/STAT3、TGF-β以及PD-1/PD-L1等免疫检查点通路的汇聚信号，抑制抗原呈递并减弱T细胞效应活性。功能上，这个生态位通过维持相对静止的状态并支持随后的细胞周期重新进入，为CSC提供保护，使其免受放化疗的影响，从而促进肿瘤再生和复发。
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细胞外基质相关生态位：由肿瘤构建的病理性ECM生态位提供了一个动态的指导性支架，通过整合的生化和生物力学线索帮助稳定CSC。糖蛋白tenascin-C是侵袭性和血管周围区域积累的核心成分，可促进血管生成和肿瘤细胞增殖。同样，脑源性硫酸软骨素蛋白聚糖维持浸润行为并增强肿瘤起始能力。此外，TAM分泌的TGF-β通过金属蛋白酶MMP2/9和ADAMTS蛋白酶导致ECM重塑，从而放大侵袭前沿的EGFR活性。同时，整合素信号传导和增加的基质硬度协同作用以激活YAP/TAZ通路，稳定CSC及其迁移潜能。

这五类生态位相互重叠，不应被视为互斥的。GBM血管系统尽管血管密度高，但其混乱性质会产生间歇性灌注，在肿瘤内产生缺氧梯度，免疫细胞和基质成分在微区域中整合，上调CXCL12–CXCR4信号轴，从而适应形成CSC的交互性迁移前沿和免疫调节庇护所。

2.2. 其他脑肿瘤

CSC生物学概念已超越GBM，广泛适用于CNS肿瘤。在成人和儿童肿瘤中，包括脑膜瘤、垂体腺瘤、神经鞘瘤、少突胶质细胞瘤、室管膜瘤和髓母细胞瘤中，均有干细胞样群体的报道。

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脑膜瘤：通常是良性的原发性颅内肿瘤。支持存在独特脑膜瘤干细胞(MgSC)的证据基础不如GSC充分。然而，现有数据表明存在表达与GSC共享标记物的干细胞样群体。
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垂体神经内分泌肿瘤：源于通常良性但可局部侵袭、复发且在一小部分患者中对治疗耐药的垂体前叶细胞。与脑膜瘤类似，支持PitNET中存在真正CSC的证据有限。
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髓母细胞瘤：最常见的恶性儿童脑肿瘤。表达CD133、SOX2和nestin的CSC样细胞与肿瘤传播和耐药性相关，SHH、WNT、NOTCH和MYC等关键发育通路在维持干细胞特性中起核心作用。
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室管膜瘤：特别是后颅窝亚型，也包含干细胞样、放射状胶质样区室，其形成受到深刻的表观遗传失调的影响。
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少突胶质细胞瘤：在IDH突变的少突胶质细胞瘤中，祖细胞样少突胶质前体细胞利用IDH依赖性甲基化和染色质变化来阻止分化，并实现向更具增殖性的祖细胞状态的可塑性进展。
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神经鞘瘤：良性的神经嵴源性肿瘤，已被证明表达胚胎干细胞样标记物。

尽管在许多实体瘤中广泛存在干细胞样特征，但严格的层次组织程度和CSC依赖性在不同CNS肿瘤之间，甚至在同一组织学的不同分子亚型之间都存在差异。然而，反复出现的主题包括保守发育通路的激活、表观遗传可塑性和生态位介导的治疗保护。

已提出多种潜在的GSC生物标志物，包括CD133、CD44、CD15、SOX2、OCT-4和nestin。然而，这些标记物既非普遍表达，也非GSC特有，与正常神经干细胞和其他肿瘤群体有大量重叠。一个持续的争议是，标记物定义的CSC分数会随着培养条件、微环境线索和治疗诱导的压力而变化，并且标记物阳性并不总与肿瘤起始能力一致。

3. 基于干细胞的研究模型

基于干细胞的肿瘤模型需要保留驱动肿瘤持续存在的生物学特征。这些模型保留了肿瘤的特性，包括传播、细胞可塑性和临床相关的异质性。通过维持这些动态和多样的状态，它们为探究CSC生物学和微环境依赖性提供了一个基本框架。

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体外模型：体外干细胞模型能够可控地操作生态位相关变量，从而理解CSC调节的机制。鉴于三维结构在胶质瘤侵袭性中的核心作用，3D肿瘤模型代表了神经肿瘤学研究的一个重大进步。其中，患者来源的肿瘤类器官(PDTO)和直接从手术标本建立并在无血清条件下维持的神经球培养物可以保留与干细胞特性相关的肿瘤内异质性方面，从而模拟治疗反应中临床相关的变异性。PDTO保留了天然的细胞-细胞相互作用，并在某些情况下维持了来自原始肿瘤的浸润免疫或基质成分。
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体内模型：体内模型独特地捕捉了活体大脑内的肿瘤进化、异质性和系统相互作用。在CSC相关的体内模型中，出现了两种主要方法：原位患者来源异种移植(PDX)和基因工程小鼠模型(GEMM)。PDX通过将患者肿瘤细胞或类器官植入免疫缺陷宿主的大脑而产生，产生的肿瘤具有与患者惊人相似的特征。GEMM被广泛用于研究CSC和治疗反应，因为它们是在免疫健全的环境中启动的。

4. 癌症干细胞的治疗靶向

靶向CSC已成为转化神经肿瘤学的一个主要焦点。因此，当前和新兴的策略旨在破坏CSC的内在通路、生态位相互作用以及构成治疗抵抗基础的适应性机制。

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内在通路：该策略侧重于抑制维持CSC自我更新、存活、静止、治疗抵抗和侵袭潜能的保守发育信号网络。临床前研究表明，通过γ-分泌酶抑制剂进行遗传或药理学NOTCH抑制，可以减少来源于U87和U251胶质瘤细胞系的CD133⁺胶质瘤干细胞样群体的球体形成、侵袭和自我更新能力。
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趋化因子轴：鉴于CSC强烈依赖于微环境线索，额外的努力旨在破坏生态位介导的支持。通过CXCL12–CXCR4轴的趋化因子信号传导就是这种策略的一个例子。
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免疫疗法：利用免疫反应来消除CSC区室已成为一种强有力的方法。嵌合抗原受体(CAR) T细胞疗法改造自体T细胞以识别CSC上富集的肿瘤相关抗原。在GBM中，临床工作已聚焦于包括IL-13Rα2、EGFRvIII和HER2等靶点。
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表观遗传学：多种涉及干细胞特性的保守表观遗传调节因子，包括染色质和转录共调节因子，如HDACs、BET/BRD4、EZH2/PRC2、BMI1/PRC1和DNA甲基化程序，所有这些都已有有前景的药理抑制剂正在研究中。

GBM中可变且通常有限的治疗反应可能部分解释为治疗诱导的选择压力作用于CSC及其生态位相互作用，这可能导致意想不到的表型转变和向受保护微环境的重新分布。最终，CSC通路是动态的，并由专门的TME生态位所强化；因此，在CNS肿瘤中靶向CSC最有可能成功，是作为与标准护理细胞减灭术和放化疗相结合的多模式策略。

5. 癌症干细胞的外科意义

CSC范式挑战了神经外科的假设，即影像学定义的边缘划定了疾病的全部生物学范围。尽管最大程度切除了对比增强(CE)边缘并进行了辅助化疗，GBM仍在肿瘤周围MRI T2/FLAIR高信号区域内复发。这些区域含有CSC，其干细胞标记物(SOX2、CD44和CD133)的表达水平与CE肿瘤相当，这使得宏观完全切除从根本上来说是不充分的。

先进的多参数成像通过证明过度增殖和代谢活跃的肿瘤远远超出CE边缘，强化了这种差异。组织病理学相关性证实了非CE和CE区域具有可比的浸润性肿瘤细胞密度。此外，MRI衍生的生物标志物能够无创地定位GSC富集区域。

GBM的复发模式与切除范围直接相关：超边缘切除后的局部复发率最低，肉眼全切除后增加，次全切除后最高。然而，这可以看作是一把双刃剑，因为远处复发呈现相反的趋势，反映了CSC驱动的播散。复发性肿瘤不是原发性病变的静态复制品，而是在浸润边缘显示出自适应的细胞状态。

生态位对这些动力学的贡献不能完全用严格的“局部与远处”二分法来解释。虽然局部复发通常被认为是由切除腔壁内的血管周围和低氧耐受的CSC驱动的，但这些相同的群体似乎受到肿瘤–SVZ相互作用的影响。CXCL12–CXCR4轴被认为在这一过程中扮演核心角色，它促进了双向运输，使得突变细胞在肿瘤和SVZ之间迁移，表明SVZ可以重新播种原发部位和远处区域。

对CSC的洞察重塑了外科决策，需要在超越传统影像边缘的切除与仔细保护神经功能之间取得平衡。更广泛的切除与仅进行活检相比，在IDH野生型GBM中带来了明确的生存获益，并且额外切除非CE肿瘤可以独立改善总生存期。当前指南倾向于在安全可行的情况下进行包含T2/FLAIR异常的超边缘切除。因此，实现最大安全切除的技术对于改善治疗结果至关重要。清醒开颅术配合皮质和皮质下映射可以增加切除范围，减少永久性缺陷并改善无进展生存结果。使用5-ALA或荧光素进行的荧光引导手术，结合术中MRI，增强了对CE边缘以外浸润性肿瘤的可视化，并通过扩大细胞减灭术与提高生存率相关。

6. 未来方向

随着CSC生物学得到更好的定义，该领域正逐渐转向前瞻性、可测试的临床转化模型，旨在绘制CSC富集的微区域图谱并指导个性化治疗。单细胞和空间分析周转时间的缩短，使得在专业中心七到十四天内返回可解释的输出成为可能，这恰好符合Stupp方案下GBM切除与开始辅助放化疗之间四到六周的间隔，使得能够关联区室特异性CSC和生态位特征，并为前瞻性临床试验分层铺平道路。

一种研究GBM各区域CSC转录状态的潜在方法是整合导航引导活检与来自CE核心、T2/FLAIR浸润区和肿瘤周围区域的术中区域匹配采样，结合单细胞RNA测序、空间转录组学和组织学评估。多区域术中采样已被证明在胶质瘤工作流程中是可行的。

除了采样之外，针对CSC导向干预的围手术期机会窗口试验涉及选择一个靶向内在通路或生态位相互作用的候选药物，在诊断性活检之后、手术切除之前给药，并分析切除标本的药效学、CSC标记物表达的变化以及肿瘤结构的变化。将这种方法应用于GBM将提供一个机会，在保持标准护理的同时，在临床现实条件下评估CSC和生态位动态。

实现这一概念将取决于标准化、协作且合乎伦理的基础设施。

7. 结论

CSC框架为GBM中的持续存在、适应性抵抗和复发提供了生物学上的解释。转化进展似乎取决于将CSC内在靶向与生态位破坏和免疫调节方法相结合。