靶向白血病干细胞力学特性：打破治疗抵抗，增强 NK 细胞免疫治疗效果

研究背景

急性髓系白血病(AML)是一种侵袭性血液系统恶性肿瘤，白血病干细胞(LSCs)的化疗抵抗和免疫逃逸是疾病复发、预后不良的核心原因。传统研究多聚焦于 LSCs 的分子、遗传特征，而细胞力学特性(如尺寸、硬度)对其功能的调控作用尚未明确。现有治疗手段难以精准靶向 LSCs，且 NK 细胞等免疫治疗在 LSCs 靶向中效果有限。因此，揭示 LSCs 的力学特征及调控机制，开发 “力学调控 + 免疫治疗” 的联合策略，对突破 AML 治疗瓶颈具有重要意义。

来自中国科学技术大学第一附属医院血液科、中国科学院材料力学行为与设计重点实验室的团队，发表在《nature communications》上的这篇文章：Targeting leukemic stem cell biomechanics suppresses stemness and enhances NK cell-mediated immunotherapy(靶向白血病干细胞力学特性可抑制干性并增强 NK 细胞介导的免疫治疗)，发现急性髓系白血病(AML)的白血病干细胞(LSCs)具有小尺寸、低硬度的核心力学特征，FSClowALDH1A1 + 亚群为高富集 LSC 群体;抑制 ALDH1A1 可通过促进 F-actin 聚合增加 LSC 硬度，降低其干性与化疗抵抗，同时增强 NK 细胞免疫突触形成及细胞毒性，在 AML 患者来源异种移植(PDX)模型中显著提升免疫治疗效果。

实验方法

1.细胞分选与分组：通过流式细胞术(FACS)基于前向散射(FSC)分选 AML 细胞系(KG-1a、U937)及患者原代骨髓 Lin - 细胞的小 / 大细胞亚群;利用微流控芯片分选软 - 小白血病细胞(SSLCs)与硬 - 大白血病细胞(SLLCs);通过 ALDEFLUOR 试剂盒及抗体染色分选 FSClowALDH1A1 + 亚群。

2.力学与分子特性检测：采用原子力显微镜(AFM)检测细胞皮质硬度;通过免疫荧光染色量化 F-actin 水平;利用单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)分析 LSC 亚群分子特征;通过 Western blot、qPCR 验证 ALDH1A1 表达及相关基因变化。

3.基因操作与药物干预：构建 ALDH1A1 shRNA 敲低的 KG-1a 细胞系;使用 ALDH1A1 抑制剂双硫仑(Disulfiram)处理原代 FSClowALDH1A1 + 细胞;通过 Jasplakinolide(Jas，稳定 F-actin)、Latrunculin A(Lat A，破坏 F-actin)调控细胞骨架与力学特性。

4.体内外功能验证：体外通过集落形成实验检测细胞干性，Annexin V/PI 染色评估 NK 细胞细胞毒性;体内构建 M-NSG 小鼠异种移植模型、PDX 模型，通过生物发光成像、流式细胞术检测白血病负荷，HE 染色观察组织浸润，系列移植实验验证 LSC 自我更新能力。

5.NK 细胞免疫治疗相关实验：体外共培养 Disulfiram 处理的 LSCs 与脐带血来源 NK 细胞，通过共聚焦显微镜观察免疫突触形成及穿孔素极化;体内采用 “Disulfiram 预处理 + NK 细胞输注” 联合方案，评估治疗效果及对正常造血干细胞(HSPCs)的安全性。

关键结果

图 1：小尺寸白血病细胞具有更强的干细胞潜能和白血病负荷

该图通过细胞分选、集落形成及异种移植实验，证实小尺寸白血病细胞的干性优势。流式分选 KG-1a、U937 及患者原代 Lin - 细胞的小 / 大细胞亚群后，小细胞在体外集落形成能力显著高于大细胞;体内异种移植模型中，小细胞组生物发光信号更强、白血病负荷更高，小鼠存活率显著降低;患者原代小细胞更富集于 G0 期，分化标志物(CD11b、CD14)表达更低，且在 PDX 模型中 LSC 频率显著升高，同时对化疗药物阿糖胞苷(Ara-C)表现出更强抵抗性，证实小尺寸是 LSC 的关键表型特征。

图 2：F-actin 调控白血病细胞力学特性与干性

该图揭示 F-actin cytoskeleton 是连接细胞力学特性与干性的核心。AFM 检测显示，小尺寸白血病细胞的 F-actin 水平和皮质硬度显著低于大细胞，且细胞尺寸与硬度呈正相关;正常造血干细胞中，小尺寸 CD34+HSPCs 同样具有更低硬度。通过 Jas(增强 F-actin)和 Lat A(抑制 F-actin)调控后，Jas 处理可增加小细胞硬度、降低集落形成能力，Lat A 处理则使大细胞硬度降低、干性增强;RNA-seq 分析显示，Jas 可下调小细胞中 FLT3、NOTCH4 等 LSC 相关基因，Lat A 则上调大细胞中干性基因，且 Jas 处理可增强小细胞对 Ara-C 的敏感性，证实 F-actin 介导的力学特性直接调控 LSC 功能。

图 3：微流控分选富集具有高干性的软 - 小白血病细胞(SSLCs)

该图通过自主设计的微流控芯片，基于细胞尺寸和硬度实现 SSLCs 与 SLLCs 的高效分选。芯片通过微堰结构和通道室设计，利用液压差使软 - 小细胞更易通过，分选后 SSLCs 的 F-actin 水平、细胞尺寸及硬度均显著低于 SLLCs;功能验证显示，SSLCs 更富集于 G0 期，CD11b、CD14 表达更低，集落形成能力更强;体内异种移植模型中，SSLCs 组小鼠骨髓白血病细胞浸润更显著，白血病负荷显著高于 SLLCs 组，证实微流控分选可精准富集高干性 LSC 群体。

图 4：scRNA-seq 鉴定 FSClowALDH1A1 + 亚群为 LSC 高富集群体

该图通过单细胞 RNA 测序解析尺寸分选后细胞的分子特征。对患者原代 Lin - 细胞的小(FSClow)、大(FSChigh)亚群进行 scRNA-seq，鉴定出 6 个细胞集群，其中 LSC 集群的 LSC630、LSC4836 评分最高，且主要富集于 FSClow 群体;差异基因分析发现 ALDH1A1、SPINK2、LGALS3BP 为 LSC 核心标志物，其中 ALDH1A1 高表达与 AML 患者不良预后相关;免疫荧光和流式验证显示，FSClow 细胞的 ALDH1A1 阳性率及 ALDEFLUOR + 细胞比例显著高于 FSChigh 细胞;FSClowALDH1A1 + 亚群的 LSC 占比达 80.3%，是 FSClow 群体的 16 倍，为 LSC 高特异性富集亚群。

图 5：FSClowALDH1A1 + 细胞具有低 F-actin、低硬度特征及强干性

该图聚焦 FSClowALDH1A1 + 细胞的力学与功能特性。GO 分析显示，FSClowALDH1A1 + 细胞的下调差异基因主要富集于肌动蛋白细胞骨架相关通路，F-actin 基因评分显著低于其他亚群;免疫荧光和 AFM 检测证实，该亚群的 F-actin 水平和皮质硬度显著低于 FSClowALDH1A1 - 及 FSChigh 细胞，而集落形成能力显著增强;Jas 处理可增加该亚群的 F-actin 聚合和硬度，降低 G0 期细胞比例及集落形成能力;系列移植实验显示，FSClowALDH1A1 + 细胞在原代、二代、三代移植小鼠中均保持高植入效率，证实其长期自我更新能力。

图 6：抑制 ALDH1A1 可增加细胞硬度并降低 LSC 干性

该图验证 ALDH1A1 对 LSC 力学特性和干性的调控作用。Disulfiram(ALDH1A1 抑制剂)处理 FSClowALDH1A1 + 原代细胞后，F-actin 水平和皮质硬度显著升高，集落形成能力显著降低;shRNA 敲低 KG-1a 细胞的 ALDH1A1 后，同样观察到 F-actin 聚合增强、硬度增加及干性减弱;体内异种移植模型中，ALDH1A1 敲低的 FSClowALDH1A1+KG-1a 细胞植入后，小鼠骨髓的人 CD45 + 细胞比例显著降低，白血病负荷显著减轻，证实抑制 ALDH1A1 可通过调控力学特性靶向 LSC 干性。

图 7：ALDH1A1 抑制增强 NK 细胞介导的免疫治疗效果

该图揭示力学调控联合 NK 细胞免疫治疗的协同作用。Disulfiram 处理的 FSClowALDH1A1 + 细胞与 NK 细胞共培养后，NK 细胞的免疫突触形成更稳定，穿孔素极化指数显著升高，特异性杀伤率显著增强，集落形成能力显著降低;活细胞成像显示，Disulfiram 处理组的 NK 细胞杀伤时间更短、杀伤效率更高;AML PDX 模型中，“Disulfiram 预处理 + NK 细胞输注” 联合治疗组的骨髓白血病细胞比例(1.89%)显著低于对照组(28.5%)及单一治疗组，HE 染色证实骨髓浸润显著减少;且 Disulfiram 对正常 CD34+HSPCs 的活力和集落形成能力无显著影响，证实该策略的安全性。

全文总结

本研究首次系统揭示了 AML 的 LSCs 具有 “小尺寸、低硬度” 的核心力学特征，明确 FSClowALDH1A1 + 亚群为高特异性 LSC 富集群体，阐明 ALDH1A1 通过调控 F-actin 聚合维持 LSC 的力学特性与干性。通过抑制 ALDH1A1 可重塑 LSC 的力学表型(增加硬度)，不仅直接降低其干性和化疗抵抗，还能通过增强免疫突触形成提升 NK 细胞的细胞毒性，形成 “力学调控 + 免疫治疗” 的协同效应。该研究突破了传统靶向 LSC 分子特征的局限，从细胞力学角度提供了新的治疗靶点，为解决 AML 治疗抵抗和复发难题提供了创新性策略，同时证实了该联合方案的安全性和临床转化潜力，对血液系统恶性肿瘤的精准治疗具有重要指导意义。