神经胶质瘤的生物学研究现状及进展

金星一，付 超，于伟东，张金男

(吉林大学中日联谊医院 神经外一科，吉林 长春130033)

神经胶质瘤是中枢神经系统最常见的原发肿瘤，可扩散至邻近或远离原发灶的脑组织，手术很难将肿瘤组织彻底切除。2016年世界卫生组织(WHO)对中枢神经系统肿瘤的分类中首次将分子生物标记与典型的组织学特征结合起来，以定义不同的神经胶质瘤[1]。神经胶质瘤诊断的这种转变反映了人类对脑肿瘤生物学行为理解的重大进展。过去的二十年里，在基因组学研究中已经阐明神经胶质瘤的遗传基础。近年来神经胶质瘤在外科和医学影像技术以及放疗、电场治疗、化疗和免疫疗法等方面取得了重大进展，但神经胶质瘤细胞在正常脑实质内广泛传播的固有趋势还是严重限制了治疗的效果，化疗及生物调节剂等治疗的疗效也还尚未肯定。因此，更好地了解诱发神经胶质瘤入侵的生物学机制可能对于开发更有效、毒性更小的治疗方法具有较高的临床意义。本篇综述主要探讨神经胶质瘤侵袭的生物学研究现状和进展。

1 神经胶质瘤的生物学

在脑实质内浸润生长是弥漫性神经胶质瘤的显著特征，这使完全的手术切除病变成为不可能[2]。弥漫性神经胶质瘤在宿主脑组织内的任何地方浸润生长，有些学者倾向于浸润到白质和血管壁的边缘[3]。周围脑组织的浸润也是由神经胶质瘤细胞和细胞微环境之间复杂的相互作用决定的[4]。在这里，我们从细胞内在和外在因素方面回顾维持和促进神经胶质瘤浸润的机制。

2 神经胶质瘤表型的可塑性和遗传变异性

2.1 上皮-间质细胞的转化和迁移

神经胶质瘤细胞有能力获得间质细胞表型，以应对微环境信号；并通过胞外基质(ECM)转移。表现出一种细长的，通常是楔形的表型[5]。神经胶质瘤细胞的迁移和浸润是多步骤的过程。上皮-间质细胞转化(EMT)是伤口愈合、胚胎发育和组织重塑的一个重要过程。它是将极化的上皮细胞转化为有动力的间质细胞。有证据表明EMT在神经胶质瘤形成过程中起到关键作用，同时也与神经胶质瘤细胞的迁移有关[6]。神经胶质瘤细胞侵袭涉及到ECM的降解。它是一个多因子的过程，是由相邻的癌细胞和ECM结合的生化过程。一般来说，神经胶质瘤细胞侵袭涉及四个不同的步骤[7]：(1)从原发肿瘤中分离出侵袭细胞；(2)ECM黏着；(3)ECM的降解；(4)细胞运动和收缩。在细胞水平上，蛋白酶、细胞粘附分子和相关信号因子的分泌在神经胶质瘤细胞迁移中也起着重要作用[4]。其中整合蛋白是促使神经胶质瘤细胞附着在ECM上最常见的蛋白，并可以通过黏着斑激酶和尿激酶调节其表达。

2.2 细胞代谢的可塑性

癌症细胞的一个共同特征是它们改变了葡萄糖代谢[8]。癌细胞不同于非肿瘤细胞依赖氧化磷酸化来产生细胞过程所需的能量，它是通过呼吸作用转变为糖酵解产生乳酸进行代谢。事实上，癌症细胞倾向于在有足够氧气的情况下进行有氧糖酵解过程，这是一种被称为有氧糖酵解或瓦尔堡效应的现象，也是肿瘤发展的一个代谢特征[9]。尽管瓦尔堡效应作为一种可能的治疗目标最近重新引起人们的关注，但它的生物学基础仍然难以捉摸。与线粒体氧化代谢相比，有氧糖酵解是一种低效的获取能量的方法。然而，糖酵解的增加会产生一种充满竞争的酸性环境，在此环境中，癌细胞对正常的组织会有一个进化的优势[10]。越来越多的证据表明，乳酸诱发的毒性成份是肿瘤侵袭所需的重要组成部分，因此将此作为侵袭性癌症的一个重要标志[13]。神经胶质瘤细胞的特点是高糖酵解和乳酸堆积，可以在相对低氧环境下迅速生长发展。实际上，神经胶质瘤的许多侵袭性特征可能依赖于一种异常的代谢功能，这使得对代谢变化的研究及代谢其对侵袭过程的影响成为癌症研究中一个不断探索并存在治疗潜力。

2.3 肿瘤的异质性

肿瘤的异质性是恶性肿瘤的特征之一，在肿瘤生长过程中，经过多次分裂增殖，子细胞呈现出分子生物学或基因方面的改变。肿瘤异质性促进疾病进展和耐药性的产生[12]。由于分子的多样性和微环境的异质性，在单个肿瘤细胞和不同患者之间都存在广泛的遗传和表型变异现象[13]。通常大家认为肿瘤的异质性是由于自我更新的肿瘤干细胞或者是突变所导致基因组不稳定所致。但最近的实验结果表明，神经胶质瘤细胞具有广泛的遗传异质性[14]。除此之外，神经胶质瘤细胞和周围的脑实质之间的相互作用也导致了功能性和表型的多样性。有证据表明，肿瘤内不同的克隆可能具有遗传和表观遗传变异，从而促进癌细胞的迁移和侵袭。最近，各种不同类型细胞的混合物模拟表型异质性的实验表明，侵袭是由于多个肿瘤细胞亚群共同推动[15]。尽管越来越多的人认为肿瘤内的异质性是神经胶质瘤发展的关键，但由于我们对基因和微环境变化知之甚少，所以对基因组的不稳定性和微环境变化如何导致神经胶质瘤的侵袭性还有待于更深入的研究。

3 胶质瘤细胞外的影响因素

3.1 作用机制

大脑的特定结构如血管，白质纤维束和脑实质，都是神经胶质瘤浸润的主要部位[16]。在任何阶段，神经胶质瘤都包含着由多种细胞类型和各种ECM成分组成的非肿瘤脑组织。中枢神经系统中的ECM不同于其他组织中的ECM，它具有低纤维蛋白含量和高碳水化合物浓度[17]。神经胶质瘤细胞侵袭邻近脑组织的过程是多种生物学分子调控的共同作用，主要的入侵途径有待考证，目前认为是由基底膜的髓鞘与星形胶质细胞构成[18]。神经胶质瘤细胞沿着外周血管-薄壁组织界面和周围血管腔体进行迁移[16]。更准确地说，血管侵袭是通过层粘连蛋白和Ⅳ型胶原蛋白介导的整合蛋白(介导ECM蛋白)来调节侵袭性的，而白质侵袭则是通过细胞间的连接和调节细胞ECM的粘附力机制来调节的[16]。然而，大多数传播途径的具体指导因素和相关的分子机制仍不清楚。

3.2 低氧诱导的迁移

低氧微环境是实体瘤的重要特征，对神经胶质瘤的发生发展以及细胞的增殖能力也都有重要作用。普遍的观点认为，糖酵解的增加可能是肿瘤细胞对缺氧的适应性反应[11]。根据世界卫生组织的分类，将具有高度增生的病理血管和肿瘤坏死血管的神经胶质瘤诊断为胶质瘤Ⅳ[1]。通过实验证实这些肿瘤病理上的血管变化是在低氧和坏死区域形成的，并由一种称为低氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factors-1α,HIF-1α)所介导。免疫组化分析显示，虽然高级别的神经胶质瘤在局部表现出很强的血管生成活动，但同时低级别的区域显示正常的脑组织灰质或白质范围内血管生成受限[19]。这也解释了在高级别神经胶质瘤中不同侵润性和促血管生成肿瘤细胞表型共存的现象。肿瘤细胞的促血管生成因子的过度表达导致血管增生，血管直径比正常脑组织要大得多，同时也有基底膜增厚现象。同时在实验中还观察到，由于血管异常，在低氧条件下，神经胶质瘤细胞会主动离开缺氧区[20]。

不同的病理和实验结果都表明，血管阻塞可以很好地解释高级别神经胶质瘤的快速增值和扩散渗透[21]。阻塞或塌陷的血管会诱发恶性周边的胶质瘤坏死，它们通常会形成与细胞密度增加相关的线条状，称为胶质母细胞瘤。处于严重缺氧状态，坏死病灶周围，是高级别神经胶质瘤的常见特征。实验研究进一步表明，恶性肿瘤缺氧导致神经胶质瘤细胞迁移和侵袭增加[22]。在神经胶质瘤中，低氧诱导细胞迁移的确切病理生理学机制尚不清楚，需要进一步的研究来了解低氧反应和神经胶质瘤细胞代谢控制所涉及的复杂分子机制。

3.3 血脑屏障

大脑脉管系统的一个重要的结构组成部分是血脑屏障(BBB)，这对于大脑组织提供氧气和葡萄糖，调节废物排出，以及维持精确调节微环境以获得神经元信号等功能都有至关重要的作用[23]。BBB是由紧密结合的内皮细胞和血管周围的星形胶质细胞组成，它们比身体其它部位的毛细血管更加能够限制血液中分子的交换。高级别的神经胶质瘤有破坏BBB完整性的能力，这与肿瘤的不断生长和肿瘤细胞浸润扩散到周围脑实质相关[24]。最近的研究表明，在高级别的神经胶质瘤中，BBB可以被肿瘤的异质性破坏，而BBB中断的程度与恶性肿瘤的级别有关[25]。然而，由胶质瘤引起的BBB失调和细胞浸润之间的精确关系仍然不清楚。另一方面，实验数据表明，在大脑中，标准抗癌药物的主要障碍之一是BBB，它限制了化疗的效果[25]。事实上，几乎完整的BBB的存在是低级别神经胶质瘤治疗最大的挑战因素之一。尽管在高级别的神经胶质瘤BBB可能会被破坏，BBB在肿瘤周围组织中是相对完整的，还会有侵袭性神经胶质瘤细胞的存在[25]。这就使得浸润性的神经胶质瘤细胞能够逃逸化疗，从而促使肿瘤复发。

3.4 免疫系统的调节

长期以来，肿瘤一直被认为是不能治愈的。致癌与伤口愈合通常都涉及细胞增殖、迁移、入侵、血管生成，炎症和星形胶质细胞的激活[26]。有些高级别的神经胶质瘤的微环境在很多方面都与慢性伤口相似，尤其是在神经胶质瘤中观察到的广泛细胞迁移和入侵。这是一种非特异性反应，星形胶质细胞被激活以回应中枢神经系统的损伤。神经胶质瘤的边界显示出更多的有活性星形胶质细胞，与神经胶质瘤细胞一起分泌各种前体转移信号分子[16]。最近，一种由活性星形胶质细胞产生的高水平蛋白质(结缔组织生长因子)被认为可以刺激神经胶质瘤细胞的迁移[26]。事实上，分泌因子几乎参与调节肿瘤细胞浸润信号机制的所有方面，如生长因子激活、ECM成分、整合素和E-钙粘素的表达。因此，识别神经胶质细胞再活化过程可能有助于更好地理解神经胶质瘤细胞的浸润，并可能带来对治疗方面的影响。

脑组织内的小胶质细胞和巨噬细胞是神经胶质瘤中主要的浸润性免疫细胞，约占肿瘤总数的30%左右[27]。单核细胞在血液循环不断地被吸收到肿瘤中，并迅速分化成肿瘤相关的巨噬细胞(TAMs)，然后在低氧/坏死区域积聚[27]。TAMs产生因子不仅能刺激肿瘤细胞的存活和增殖，还能抑制免疫[28]。越来越多的证据表明，TAMs也参与了神经胶质瘤细胞迁移和侵袭的调节[29]。此外，TAMs通过各种影响血管生成和ECM重塑的化学因子分泌，促进神经胶质瘤的恶化，从而促进神经胶质瘤的侵袭。最近有证据表明，由神经胶质瘤细胞分泌的菌落刺激因子1(CSF-1)会诱导TAMs促进肿瘤细胞侵袭[30]。总之，由TAMs分泌的趋化因子、细胞因子和生长因子激活不同的信号通路，可以促使神经胶质瘤细胞转变为更具有攻击性的细胞。

4 医学影像学和组织病理学

4.1 医学影像学

传统的X线扫描显示了神经胶质瘤的形态学信息，但是早期的肿瘤或小的转移性病变通常没有办法被检测到，所以这种技术已经逐渐被核磁共振成像(MRI)取代，它对肿瘤的存在更加敏感并且已经成为评估脑肿瘤的标准成像方式。通过改变磁场强度、时间以及持续的时间，可以创建无数具有不同对比度和信息的非侵袭性图像[31]。更常见的磁共振T1和T2加权像主要用于显示神经胶质瘤的一般解剖特征，然而这两种类型的脉冲序列强调不同的特征，例如：脑脊液(CSF)在T2加权像上是明亮的，在T1加权像上是黑暗的。T1-加权像可以用来突出显示胶质母细胞瘤的血管渗透特征，通过在T1加权像上显示出明亮的造影剂来获得图像。虽然T1和T2加权像脉冲序列仍是临床上使用的主要图像，但也有许多其它先进的MRI技术正在探索中，如血管灌注成像、扩散加权成像(DWI)和质子磁共振波谱(MRS)等[32]。血管灌注成像突出了血管高密度的区域，并已被证明在预测哪些患者对抗血管生成治疗有反应方面是有用的[33]。DWI可用于各种领域，但对于胶质母细胞瘤，它最常用来量化表观扩散系数，这被认为与细胞密度呈反比关系[34]。MRS使用质子信号来确定目标代谢物的相对浓度，已被证明能够识别富含干细胞的组织区域，检测异柠檬酸脱氢酶(IDH)基因突变的肿瘤[35]。因此，虽然有许多很有前途的先进的磁共振方法来确定各种肿瘤特征，但仅根据MRI的发现来区分正常和病理组织还是很复杂的。

4.2 组织病理学

神经胶质瘤的诊断和分类是以组织病理学为基础的。通过组织样本的组织病理学分析可以在细胞水平上提供进一步的信息，这对于量化和区分肿瘤内异质性是极为重要的。病理科通常进行组织学和免疫组织化学分析，以确定是否存在疾病，进而确定胶质瘤分级和评估疾病进展[36]。然而，病例组织检测可以被看作是动态生物过程的冻结场景，提供的数据在空间和时间上都受到严重限制。因此，尽管医学成像技术和组织病理学不断发展，但肿瘤早期识别、肿瘤内异质性评估和对解剖、功能和代谢的分辨仍具有较大的挑战性。

5 其他

了解胶质瘤恶性进展的相关因素和机制可以改善患者的预后和长期生存率。这一点尤其重要，因为随着时间的推移，低级别胶质瘤通常会发展为高级别的病变，而且它们生长和侵袭的速度更快[37]。恶性进展的过程是由一系列导致表型和分子异质性的遗传改变和微环境变化所驱动的。Hatzikirou等人研究表明，仅凭突变的表型改变不能解释胶质瘤的恶性进展，并提示表型转变受到肿瘤微环境的强烈影响[38]。因此，肿瘤进展的基本表型可能只有在其他表型出现之前才会出现。

6 结论

胶质瘤侵袭以细胞迁移、表型可塑性、浸润性生长以及恶性程度由低向高的发展为特征。恶性进展的逐步过程是由一系列的遗传改变和微环境变化所驱动的。本文所回顾的生物学研究进展旨在阐述这些特性背后的关键机制，从而改进神经胶质瘤的治疗。尽管绝大多数癌症治疗方法都有细胞毒性，但胶质瘤细胞的侵略性和侵袭性促使人们对治疗产生了莫大的兴趣。在本文提出的系列研究进展中，说明随着大量生物医学数据的出现使一些问题已有了解决方法，但也仍有许多工作需要做，比如加大交叉学科的研究，将数学模型提供的通用结构框架引入到未来神经胶质瘤个性化医疗治疗中去。