肿瘤治疗的传统策略主要针对一般的肿瘤细胞。然而，近年来的肿瘤生物学研究表明，肿瘤干细胞才是导致癌症复发、转移及化疗和放疗耐药的根源，这为肿瘤的诊断和治疗提供了崭新的思路。因此，寻找能有效靶向杀伤（“狙击”）肿瘤干细胞的方法与药物，有望成为人类攻克肿瘤的新希望。

最近，中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室（中科院高能物理研究所/国家纳米科学中心）和中国科学技术大学生命学院的合作研究发现，金属富勒醇Gd@C₈₂(OH)₂₂碳纳米材料可以高效抑制三阴性乳腺癌干细胞的自我更新能力。Gd@C₈₂(OH)₂₂通过调控肿瘤微环境，阻断细胞从上皮样（EMT）到间质样（MET）的转换，实现高效清除肿瘤干细胞，终止肿瘤的发生和转移。研究者巧妙利用Gd@C₈₂(OH)₂₂在肿瘤表面的富氧微环境（丰富的肿瘤新生血管）和肿瘤深部的缺氧微环境中的去质子化和质子化转变，实现对肿瘤干细胞的“狙击”作用和更高效的乳腺癌治疗效果。研究成果发表于Nature Communications, 2015, 6, 5988。

尤其重要的是，实验结果显示，Gd@C₈₂(OH)₂₂对正常干细胞没有作用和毒性。迄今为止，已发现的肿瘤干细胞抑制药物往往具有高毒性，这限制了其临床应用。与此相反，体内体外的实验结果证明，Gd@C₈₂(OH)₂₂碳纳米物质没有可观测的毒性，因此它成为可以直接靶向肿瘤干细胞的无毒纳米抑制剂。

肿瘤干细胞本身与肿瘤细胞一样具有高度的异质性。传统的肿瘤干细胞抑制药物往往针对单个靶点，只能部分削弱而不能有效杀伤肿瘤干细胞，却还明显增加对正常干细胞的毒性。由于富勒醇纳米结构的独特物理化学性质，尤其是球体结构表面的高度可调控性可以实现其多功能化，因此它有可能同时针对多个靶点而不增加对正常干细胞的毒性，为肿瘤干细胞的临床治疗提供了实用的新途径。

传统的肿瘤放疗和化疗的基本原理是“杀死”肿瘤细胞，同时也杀死正常细胞，因此其毒副作用成为导致肿瘤治疗失败的重要原因之一。2005年，高能所的研究人员发现了低毒性碳纳米物质“不杀死”肿瘤细胞，也能高效抑制肝癌的生长。在随后的系统研究中，他们提出了“监禁”肿瘤细胞的新策略，并通过设计纳米表面筛选出Gd@C₈₂(OH)₂₂，在动物身上验证了“监禁”肿瘤的思路。最近的机制研究揭示，这一策略可以避免肿瘤细胞的抗药性（PNAS 2010），高效抑制肿瘤的转移并超越传统药物分子与靶分子作用的化学原理（PNAS 2012），并且高效抑制肿瘤干细胞的自我更新能力，终止肿瘤的发生和转移（Nature Communications 2015）。通过十多年的研究显示，这些治疗效果的实现都与Gd@C₈₂(OH)₂₂对肿瘤微环境（肿瘤生长的“土壤”）的直接调控密切相关，而肿瘤干细胞被认为是肿瘤复发的“种子”。

在过去十多年的研究中，该工作先后得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院先导专项、北京市科委、中科院高能所的支持。