在肿瘤组织和细胞中可以检测到肿瘤干细胞表达特异性的细胞表面蛋白或标志物，如CD133、CD44、CD24、CD34、CD38、CD117和乙醛脱氢酶1（acetaldehyde dehydrogenase 1，ALDH1）等^[3]。另外，肿瘤干细胞可以使用功能性的方法来识别标记蛋白的生化活性。研究表明，基于ALDH活性肿瘤细胞可以迅速外排亲脂性荧光染料Hoechst 33342，染色阴性的肿瘤细胞形成尾状结构即侧群细胞^[9]。侧群细胞表型与ATP结合盒（ATP-binding cassette protein，ABC）转运蛋白密切相关。ABC转运蛋白家族包括49个蛋白，其中3个蛋白即P-糖蛋白、多药耐药相关蛋白1和乳腺癌耐药蛋白作为多药耐药调节因子被广泛地研究^[10,11]。在某些类型的肿瘤如乳腺癌、肺癌、膀胱癌、卵巢癌、急性髓性白血病和骨髓瘤中，细胞毒性药物通过ATP转运蛋白从胞内转运到胞外，从而维持细胞内药物浓度低于毒性水平，促进肿瘤细胞存活。

研究表明，ALDH1活性升高是肿瘤干细胞的特征之一，且在特定肿瘤类型相关的异构体ALDH蛋白家族中，ALDH1是被研究最多的指标^[12]。在乳腺癌中，ALDH1酶活性可以促进乳腺肿瘤生长，ALDH1家族成员A1降低乳腺癌细胞内pH值，促进转化生长因子激酶1的磷酸化，激活核因子-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）信号，增加粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的分泌，从而导致髓系来源的抑制细胞增加和免疫抑制。此外，ALDH1抑制剂二硫仑和化疗药物吉西他滨均可以通过清除ALDH1+肿瘤干细胞和激活T细胞免疫协同抑制乳腺肿瘤发生和生长^[13]。此外，在前列腺癌、肺癌、脑瘤和乳腺肿瘤细胞中，ALDH活性高的肿瘤细胞具有干细胞特性，包括体外克隆形成能力增加、在体内重新形成移植肿瘤能力增强等^[14]。研究表明在多种肿瘤如乳腺癌、肺癌、胃癌、头颈部鳞癌、胰腺癌和脑胶质瘤等细胞中ALDH1可参与肿瘤干细胞对放化疗的治疗抵抗^[12]。数据表明ALDH在肿瘤发展及治疗抵抗中具有重要作用，抑制ALDH活性可能成为治疗肿瘤干细胞的有效方法。

放射治疗和一些化疗药物如DNA交联剂（顺铂、卡铂、奥沙利铂）、DNA酶抑制合成剂（甲氨蝶呤）和拓扑异构酶抑制剂（柔红霉素）都可以诱导DNA损伤并导致细胞死亡。如果细胞中没有损伤修复机制，这种DNA损伤对于细胞是致命的^[15,16]。研究表明肿瘤干细胞可通过多种机制完成DNA损伤修复，包括调控细胞周期状态、增强DNA损伤修复、通过高效的清除活性氧预防DNA损伤等^[15]。在正常情况下，活性氧积累会导致正常细胞及肿瘤细胞凋亡。肿瘤干细胞中低活性氧水平对于维持肿瘤干细胞特性以及保持肿瘤干细胞的休眠状态至关重要^[17,18]。研究显示肿瘤干细胞是肿瘤放疗抵抗、休眠和放疗后复发的主要原因^[19]。热疗可能是一种有效的放疗增敏剂，可以降低肿瘤干细胞的自我更新、存活和增殖，并减少体内肿瘤形成。进一步研究发现，热疗的放射增敏作用与细胞内活性氧水平的增加有关。细胞内活性氧水平升高与人乳腺癌和胰腺癌中热疗诱导的放射增敏之间存在关联，为提高肿瘤干细胞放疗敏感性提供新的治疗策略。

自噬是一种细胞生存机制，由抗肿瘤治疗和其他应激反应诱导，在长期休眠期和肿瘤转移过程中促进肿瘤细胞生存。自噬可通过加快细胞代谢循环、协助细胞适应环境达成促进细胞存活的效果。肿瘤细胞经过放化疗后会产生大量被破坏的细胞器及破损的蛋白质等有害成分，细胞自噬活性增强可及时清除这些有害物质，并提供应急的反应底物和能量为DNA损伤修复赢得时间和条件。研究表明，实体肿瘤细胞的自噬作用对于肿瘤干细胞的致瘤性是必不可少的^[20,21]。胰腺癌细胞在缺氧、营养匮乏的微环境，通过自噬作用参与维持肿瘤干细胞生存。在缺氧环境中胰腺癌细胞自噬促进肿瘤干细胞生长^[22]。研究表明，在一些实体肿瘤如肝癌^[23]、乳腺癌^[24]及结直肠癌^[25]中，自噬作用对肿瘤干细胞和其他肿瘤细胞的保护作用是至关重要的，自噬作用增强可使肿瘤干细胞在缺氧环境下存活，在肿瘤治疗过程中对细胞起保护作用。研究显示缺氧-自噬-蛋白激酶C-EZR（ezrin）信号轴为肿瘤干细胞自我更新和结直肠癌进展的新调节机制，自噬抑制可能成为肿瘤干细胞的潜在治疗靶点^[25]。

抗肿瘤治疗后或在治疗过程中肿瘤干细胞的加速生长可能由于信号转导通路如Wnt家族、Notch、Hedgehog和Hippo信号通路^{[3, 26,27]}的活化，这些通路在人体组织的稳态和胚胎发育中是必不可少的，它们之间以及与其他致瘤通路相关联，提示它们在癌症中极其复杂的作用可能通过直接靶向一个级联来抑制多个级联的治疗。有效的治疗策略依赖于靶向肿瘤干细胞及靶向其相关发育信号通路和非肿瘤干细胞，以消除肿瘤复发的可能性。靶向肿瘤干细胞的方法有多种，包括免疫治疗、内分泌治疗、微小RNA治疗和基因敲除等以及与肿瘤免疫微环境之间的相互作用。针对肿瘤干细胞信号通路的新型药物也取得了显著的进展，包括美国食品药品监督管理局批准Hedgehog通路抑制剂格拉吉布联合低剂量阿糖胞苷治疗急性髓系白血病，扩大了Smoothened抑制剂的适应症，其他相关药物也进入到Ⅰ期或Ⅱ期临床试验^[28]，期待后续结果提供新的治疗策略。

肿瘤干细胞存在于特殊的微环境中，如自分泌信号通路、基质成纤维细胞、来源于免疫细胞及细胞外基质的刺激以及物理化学因素如氧气、营养供给和组织pH值等^[29]。研究表明，微环境刺激可以影响肿瘤干细胞功能及对治疗的抵抗。肿瘤细胞间的交互信息传递，以及肿瘤细胞和间质细胞均可调节肿瘤干细胞的特性并影响治疗效果。研究发现，它们是由肿瘤细胞产生的生长因子、细胞因子、间充质干细胞、治疗相关成纤维细胞和不同类型的免疫细胞发挥关键作用。这些肿瘤和基质衍生的生长因子和细胞因子包括白细胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、IL-6、IL-8、趋化因子配体-12、趋化因子配体-2、血小板衍生生长因子、转化生长因子-β、肿瘤坏死因子-α、表皮生长因子、血管内皮生长因子和成纤维细胞生长因子等^{[30,31,32,33,34,35]}。

上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）可以诱导肿瘤干细胞并增加其耐药性。目前导致EMT的具体分子机制及治疗抵抗机制仍不明确。激活EMT的因素促进了肿瘤细胞的干性和休眠^[35]，肿瘤细胞不再分裂，不受常规治疗的影响，可能导致多种肿瘤细胞的耐药。相关研究提示转化生长因子-β诱导的EMT可以增强抵抗紫外线诱导细胞凋亡的能力^[36]。Janus激酶/信号转导与转录激活子3（Janus kinase/signal transducer and activator of transcription 3，JAK/STAT3）信号通路激活会增强EMT，从而导致肿瘤致瘤性和转移能力增强、促进肿瘤干细胞转化和肿瘤化疗耐药^[37]。Wnt/β-连环蛋白（β-catenin）信号通路在卵巢癌中起重要作用，与卵巢癌的分级、EMT、化疗抵抗和不良预后相关^[38]。Wnt通路相关分子抑制剂可作为治疗卵巢癌的潜在靶点。

Wnt、Hedgehog、Notch、磷酯酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）、NF-κB和JAK/STAT3信号通路已被证明与肿瘤干细胞相关。针对肿瘤干细胞的单独或与不同疗法联合药物的治疗均已经进入临床试验阶段。

通过纳米颗粒靶向化疗、RNA干扰、组合纳米颗粒装载2种抗癌药物和多药耐药调节剂，靶向性ABC转运蛋白的转录调节^[40]，可用于克服肿瘤干细胞的多药耐药。共济失调毛细血管扩张突变/共济失调毛细血管扩张突变基因Rad3相关激酶（ataxia telangiectasia mutated/ATM Rad3 associated kinase，ATM/ATR）及其下游靶点抑制聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1、细胞周期检测点激酶1、细胞周期检测点激酶2和Wee1，可增加多种肿瘤干细胞对化疗药物和放疗的敏感性。因此使肿瘤干细胞对治疗敏感的有效策略可能依赖于ATM/ATR信号抑制剂^[41]。视黄醇是ALDH酶促反应产物，ALDH的表达和活性可以被细胞内视黄醇下调。全反式维甲酸是维生素A的衍生物，可诱导细胞分化，被批准用于治疗急性早幼粒细胞白血病，可考虑将其与视黄醇联用以下调ALDH活性。ALDH活性与肿瘤干细胞生存相关信号通路激活相关。因此，影响这一途径也可能成为肿瘤干细胞的治疗策略^[42]。

肿瘤干细胞与肿瘤微环境相互作用取决于肿瘤微环境中细胞因子或蛋白，导致肿瘤的转移和耐药性的产生^[43]。微环境不仅促进肿瘤干细胞存活，而且促进肿瘤干细胞可塑性和耐药性，从而对肿瘤干细胞的生存和耐药性至关重要，针对这些微环境成分的治疗策略有望克服肿瘤干细胞的治疗抵抗。

小分子CXC趋化因子受体1（CXC chemokine receptor 1，CXCR1）抑制剂可使IL-8受体CXCR1/2显著减少，Wnt/β-catenin和NF-κB在乳腺肿瘤干细胞的体外富集与体内肿瘤形成相关^[44]。阻断IL-6可通过阻断NF-κB、低氧诱导因子-1α和STAT3信号转导增强化疗疗效^[45]。三阴性乳腺癌的化疗失败与干扰素（interferon，IFN）/STAT基因抑制相关，导致肿瘤干细胞富集。通过在肿瘤干细胞中重新激活I型IFN信号，INF-β可以抑制EMT和肿瘤干细胞的可塑性^[46]。通过免疫调节肿瘤干细胞，IFN-α和表观遗传药物联合治疗可增强结直肠的抗肿瘤作用^[47]。

免疫检查点靶向程序性死亡受体-1（programmed death-1，PD-1）、PD-L1和细胞毒T淋巴细胞相关抗原-4（cytotoxic T lymphocyte-associatedantigen-4，CTLA-4）的抑制剂已被证明对多种肿瘤有效。研究显示肿瘤干细胞比非肿瘤干细胞能表达更高的PD-L1^[48]。肿瘤干细胞中PD-L1可通过EMT/β-catenin/STT3/PD-L1信号轴诱导EMT。此外，抑制依托泊苷致敏可诱导肿瘤干细胞对抗T细胞免疫球蛋白黏蛋白分子3治疗敏感^[49]。此外，PD-L1通过PI3K/Akt途径激活，促进OCT4和Nanog基因的表达，增加乳腺癌肿瘤干细胞的干性。肿瘤干细胞和PD-L1间的致癌关系在许多肿瘤中都有报道^[50,51,52]。因此，使用检查点抑制剂可能克服肿瘤干细胞介导的耐药。

基于树突状细胞（dendritic cells，DC）的疫苗装载肿瘤抗原，可引起高度特异性的抗肿瘤T细胞反应。靶向基于DC的治疗性疫苗，需要鉴定肿瘤干细胞相关的肿瘤抗原。DC疫苗靶向肿瘤干细胞正在卵巢癌和胶质母细胞瘤中进行临床试验评估。此外，检查点抑制剂与DC疫苗的协同可减少体内黑色素瘤干细胞^[53]，表明联合治疗可成为消除肿瘤干细胞的策略。嵌合抗原受体T细胞免疫疗法（chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy，CART）可以特异性识别表达于肿瘤干细胞的表面抗原，这一特征使CART细胞治疗作为在临床上抑制肿瘤干细胞有巨大潜力^[54]。研究表明，自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）免疫疗法有希望攻击肿瘤干细胞的异质性，但体内NK细胞的持久性、肿瘤部位的归巢和NK的低反应性或功能异常等局限性需要克服才能在临床上取得成功^[55]。

肿瘤干细胞化疗后存活有助于肿瘤的复发。因此，识别和消除所有肿瘤干细胞亚群对肿瘤的治疗是非常必要的^[56]。肿瘤干细胞表面标记物及肿瘤微环境分子水平的研究进展与肿瘤干细胞的治疗密切相关^[57]。表面标记物如CD133、EpCAM、CD44在不同肿瘤干细胞中表达。CD24是实体瘤如胶质瘤、肺癌、肝癌和结直肠癌等肿瘤干细胞最重要的标记物^[58]。这些标记物不仅在肿瘤干细胞表达，而且还在正常细胞表达，其难以靶向肿瘤细胞。因此确定更具特异性的肿瘤干细胞标记是必要的。

最近的治疗通过激活休眠的肿瘤干细胞使其进入细胞周期，增加其对治疗的敏感性。另外研究药物可特异性靶向休眠的肿瘤干细胞^[59,60]。蛋白激酶抑制剂甲磺酸伊马替尼是治疗慢性粒细胞性白血病非常有效的药物，但是不能预防白血病干细胞引起的复发。甲磺酸伊马替尼和组蛋白去乙酰化酶抑制剂的联合治疗已被证明是一种有效的治疗策略，可以杀灭白血病干细胞及其他肿瘤细胞^[60]。

组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase inhibitor，HDAC）表达异常与肿瘤干细胞相关^[61,62]。除了靶向组蛋白，HDAC抑制剂也可靶向几个非组蛋白效应分子。HDAC抑制剂可以改变5%~10%的基因，已经报道了许多不同的机制^[63]。HDAC抑制剂在体内外通过不同的机制抑制肿瘤干细胞^[64]。尽管如此，HDAC抑制肿瘤干细胞种群的机制尚未完全阐明^[65]。此外，在化疗反应方面，药物诱导肿瘤干细胞的可塑性可能与HDAC表达上调有关^[66,67]。因此，HDACs抑制剂联合其他靶向信号通路的化疗药物，作用于肿瘤干细胞相关通路，可能是一种独特的策略。

另一种可能治疗晚期肿瘤的方法是促进肿瘤细胞分化为成熟细胞^[68]。全反式维甲酸（all-trans-retinoic acid，ATRA）等诱导分化剂可以促进肿瘤细胞分化。ATRA已被证明可以抑制肿瘤细胞生长和促进早幼粒细胞的分化^[69]。此外，ATRA也能下调ALDH的表达。其他药物如佛波醋酸肉豆蔻酸酯、蛋白激酶C、六甲基胺双乙酰胺和维生素D3已被证明有助于白血病的治疗^[70]。

铁的获取、排出、储存和调节都在肿瘤中受到干扰，表明铁代谢的重新编程是肿瘤细胞存活的一个重要方面。研究揭示了铁代谢在肿瘤干细胞中的作用，并提示针对肿瘤干细胞铁代谢的特异性靶向可能提高肿瘤的疗效。盐霉素是一种从白色链霉菌Streptomyces albus中分离出来的抗生素，在体内外表现出对乳腺肿瘤干细胞的选择性活性，通过溶酶体隔离铁，进一步促进铁蛋白降解和芬顿反应导致毒性脂质过氧化物与铁死亡^[70]。