神經(jīng)膠質(zhì)瘤的生物學研究現(xiàn)狀及進展

金星一，付 超，于偉東，張金男

(吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院 神經(jīng)外一科，吉林 長春130033)

神經(jīng)膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的原發(fā)腫瘤，可擴散至鄰近或遠離原發(fā)灶的腦組織，手術(shù)很難將腫瘤組織徹底切除。2016年世界衛(wèi)生組織(WHO)對中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的分類中首次將分子生物標記與典型的組織學特征結(jié)合起來，以定義不同的神經(jīng)膠質(zhì)瘤[1]。神經(jīng)膠質(zhì)瘤診斷的這種轉(zhuǎn)變反映了人類對腦腫瘤生物學行為理解的重大進展。過去的二十年里，在基因組學研究中已經(jīng)闡明神經(jīng)膠質(zhì)瘤的遺傳基礎。近年來神經(jīng)膠質(zhì)瘤在外科和醫(yī)學影像技術(shù)以及放療、電場治療、化療和免疫療法等方面取得了重大進展，但神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞在正常腦實質(zhì)內(nèi)廣泛傳播的固有趨勢還是嚴重限制了治療的效果，化療及生物調(diào)節(jié)劑等治療的療效也還尚未肯定。因此，更好地了解誘發(fā)神經(jīng)膠質(zhì)瘤入侵的生物學機制可能對于開發(fā)更有效、毒性更小的治療方法具有較高的臨床意義。本篇綜述主要探討神經(jīng)膠質(zhì)瘤侵襲的生物學研究現(xiàn)狀和進展。

1 神經(jīng)膠質(zhì)瘤的生物學

在腦實質(zhì)內(nèi)浸潤生長是彌漫性神經(jīng)膠質(zhì)瘤的顯著特征，這使完全的手術(shù)切除病變成為不可能[2]。彌漫性神經(jīng)膠質(zhì)瘤在宿主腦組織內(nèi)的任何地方浸潤生長，有些學者傾向于浸潤到白質(zhì)和血管壁的邊緣[3]。周圍腦組織的浸潤也是由神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞和細胞微環(huán)境之間復雜的相互作用決定的[4]。在這里，我們從細胞內(nèi)在和外在因素方面回顧維持和促進神經(jīng)膠質(zhì)瘤浸潤的機制。

2 神經(jīng)膠質(zhì)瘤表型的可塑性和遺傳變異性

2.1 上皮-間質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)化和遷移

神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞有能力獲得間質(zhì)細胞表型，以應對微環(huán)境信號；并通過胞外基質(zhì)(ECM)轉(zhuǎn)移。表現(xiàn)出一種細長的，通常是楔形的表型[5]。神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的遷移和浸潤是多步驟的過程。上皮-間質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化(EMT)是傷口愈合、胚胎發(fā)育和組織重塑的一個重要過程。它是將極化的上皮細胞轉(zhuǎn)化為有動力的間質(zhì)細胞。有證據(jù)表明EMT在神經(jīng)膠質(zhì)瘤形成過程中起到關(guān)鍵作用，同時也與神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的遷移有關(guān)[6]。神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞侵襲涉及到ECM的降解。它是一個多因子的過程，是由相鄰的癌細胞和ECM結(jié)合的生化過程。一般來說，神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞侵襲涉及四個不同的步驟[7]：(1)從原發(fā)腫瘤中分離出侵襲細胞；(2)ECM黏著；(3)ECM的降解；(4)細胞運動和收縮。在細胞水平上，蛋白酶、細胞粘附分子和相關(guān)信號因子的分泌在神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞遷移中也起著重要作用[4]。其中整合蛋白是促使神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞附著在ECM上最常見的蛋白，并可以通過黏著斑激酶和尿激酶調(diào)節(jié)其表達。

2.2 細胞代謝的可塑性

癌癥細胞的一個共同特征是它們改變了葡萄糖代謝[8]。癌細胞不同于非腫瘤細胞依賴氧化磷酸化來產(chǎn)生細胞過程所需的能量，它是通過呼吸作用轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒猱a(chǎn)生乳酸進行代謝。事實上，癌癥細胞傾向于在有足夠氧氣的情況下進行有氧糖酵解過程，這是一種被稱為有氧糖酵解或瓦爾堡效應的現(xiàn)象，也是腫瘤發(fā)展的一個代謝特征[9]。盡管瓦爾堡效應作為一種可能的治療目標最近重新引起人們的關(guān)注，但它的生物學基礎仍然難以捉摸。與線粒體氧化代謝相比，有氧糖酵解是一種低效的獲取能量的方法。然而，糖酵解的增加會產(chǎn)生一種充滿競爭的酸性環(huán)境，在此環(huán)境中，癌細胞對正常的組織會有一個進化的優(yōu)勢[10]。越來越多的證據(jù)表明，乳酸誘發(fā)的毒性成份是腫瘤侵襲所需的重要組成部分，因此將此作為侵襲性癌癥的一個重要標志[13]。神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的特點是高糖酵解和乳酸堆積，可以在相對低氧環(huán)境下迅速生長發(fā)展。實際上，神經(jīng)膠質(zhì)瘤的許多侵襲性特征可能依賴于一種異常的代謝功能，這使得對代謝變化的研究及代謝其對侵襲過程的影響成為癌癥研究中一個不斷探索并存在治療潛力。

2.3 腫瘤的異質(zhì)性

腫瘤的異質(zhì)性是惡性腫瘤的特征之一，在腫瘤生長過程中，經(jīng)過多次分裂增殖，子細胞呈現(xiàn)出分子生物學或基因方面的改變。腫瘤異質(zhì)性促進疾病進展和耐藥性的產(chǎn)生[12]。由于分子的多樣性和微環(huán)境的異質(zhì)性，在單個腫瘤細胞和不同患者之間都存在廣泛的遺傳和表型變異現(xiàn)象[13]。通常大家認為腫瘤的異質(zhì)性是由于自我更新的腫瘤干細胞或者是突變所導致基因組不穩(wěn)定所致。但最近的實驗結(jié)果表明，神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞具有廣泛的遺傳異質(zhì)性[14]。除此之外，神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞和周圍的腦實質(zhì)之間的相互作用也導致了功能性和表型的多樣性。有證據(jù)表明，腫瘤內(nèi)不同的克隆可能具有遺傳和表觀遺傳變異，從而促進癌細胞的遷移和侵襲。最近，各種不同類型細胞的混合物模擬表型異質(zhì)性的實驗表明，侵襲是由于多個腫瘤細胞亞群共同推動[15]。盡管越來越多的人認為腫瘤內(nèi)的異質(zhì)性是神經(jīng)膠質(zhì)瘤發(fā)展的關(guān)鍵，但由于我們對基因和微環(huán)境變化知之甚少，所以對基因組的不穩(wěn)定性和微環(huán)境變化如何導致神經(jīng)膠質(zhì)瘤的侵襲性還有待于更深入的研究。

3 膠質(zhì)瘤細胞外的影響因素

3.1 作用機制

大腦的特定結(jié)構(gòu)如血管，白質(zhì)纖維束和腦實質(zhì)，都是神經(jīng)膠質(zhì)瘤浸潤的主要部位[16]。在任何階段，神經(jīng)膠質(zhì)瘤都包含著由多種細胞類型和各種ECM成分組成的非腫瘤腦組織。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的ECM不同于其他組織中的ECM，它具有低纖維蛋白含量和高碳水化合物濃度[17]。神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞侵襲鄰近腦組織的過程是多種生物學分子調(diào)控的共同作用，主要的入侵途徑有待考證，目前認為是由基底膜的髓鞘與星形膠質(zhì)細胞構(gòu)成[18]。神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞沿著外周血管-薄壁組織界面和周圍血管腔體進行遷移[16]。更準確地說，血管侵襲是通過層粘連蛋白和Ⅳ型膠原蛋白介導的整合蛋白(介導ECM蛋白)來調(diào)節(jié)侵襲性的，而白質(zhì)侵襲則是通過細胞間的連接和調(diào)節(jié)細胞ECM的粘附力機制來調(diào)節(jié)的[16]。然而，大多數(shù)傳播途徑的具體指導因素和相關(guān)的分子機制仍不清楚。

3.2 低氧誘導的遷移

低氧微環(huán)境是實體瘤的重要特征，對神經(jīng)膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展以及細胞的增殖能力也都有重要作用。普遍的觀點認為，糖酵解的增加可能是腫瘤細胞對缺氧的適應性反應[11]。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的分類，將具有高度增生的病理血管和腫瘤壞死血管的神經(jīng)膠質(zhì)瘤診斷為膠質(zhì)瘤Ⅳ[1]。通過實驗證實這些腫瘤病理上的血管變化是在低氧和壞死區(qū)域形成的，并由一種稱為低氧誘導因子-1α(hypoxia-inducible factors-1α,HIF-1α)所介導。免疫組化分析顯示，雖然高級別的神經(jīng)膠質(zhì)瘤在局部表現(xiàn)出很強的血管生成活動，但同時低級別的區(qū)域顯示正常的腦組織灰質(zhì)或白質(zhì)范圍內(nèi)血管生成受限[19]。這也解釋了在高級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤中不同侵潤性和促血管生成腫瘤細胞表型共存的現(xiàn)象。腫瘤細胞的促血管生成因子的過度表達導致血管增生，血管直徑比正常腦組織要大得多，同時也有基底膜增厚現(xiàn)象。同時在實驗中還觀察到，由于血管異常，在低氧條件下，神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞會主動離開缺氧區(qū)[20]。

不同的病理和實驗結(jié)果都表明，血管阻塞可以很好地解釋高級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤的快速增值和擴散滲透[21]。阻塞或塌陷的血管會誘發(fā)惡性周邊的膠質(zhì)瘤壞死，它們通常會形成與細胞密度增加相關(guān)的線條狀，稱為膠質(zhì)母細胞瘤。處于嚴重缺氧狀態(tài)，壞死病灶周圍，是高級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤的常見特征。實驗研究進一步表明，惡性腫瘤缺氧導致神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞遷移和侵襲增加[22]。在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中，低氧誘導細胞遷移的確切病理生理學機制尚不清楚，需要進一步的研究來了解低氧反應和神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞代謝控制所涉及的復雜分子機制。

3.3 血腦屏障

大腦脈管系統(tǒng)的一個重要的結(jié)構(gòu)組成部分是血腦屏障(BBB)，這對于大腦組織提供氧氣和葡萄糖，調(diào)節(jié)廢物排出，以及維持精確調(diào)節(jié)微環(huán)境以獲得神經(jīng)元信號等功能都有至關(guān)重要的作用[23]。BBB是由緊密結(jié)合的內(nèi)皮細胞和血管周圍的星形膠質(zhì)細胞組成，它們比身體其它部位的毛細血管更加能夠限制血液中分子的交換。高級別的神經(jīng)膠質(zhì)瘤有破壞BBB完整性的能力，這與腫瘤的不斷生長和腫瘤細胞浸潤擴散到周圍腦實質(zhì)相關(guān)[24]。最近的研究表明，在高級別的神經(jīng)膠質(zhì)瘤中，BBB可以被腫瘤的異質(zhì)性破壞，而BBB中斷的程度與惡性腫瘤的級別有關(guān)[25]。然而，由膠質(zhì)瘤引起的BBB失調(diào)和細胞浸潤之間的精確關(guān)系仍然不清楚。另一方面，實驗數(shù)據(jù)表明，在大腦中，標準抗癌藥物的主要障礙之一是BBB，它限制了化療的效果[25]。事實上，幾乎完整的BBB的存在是低級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤治療最大的挑戰(zhàn)因素之一。盡管在高級別的神經(jīng)膠質(zhì)瘤BBB可能會被破壞，BBB在腫瘤周圍組織中是相對完整的，還會有侵襲性神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的存在[25]。這就使得浸潤性的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞能夠逃逸化療，從而促使腫瘤復發(fā)。

3.4 免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

長期以來，腫瘤一直被認為是不能治愈的。致癌與傷口愈合通常都涉及細胞增殖、遷移、入侵、血管生成，炎癥和星形膠質(zhì)細胞的激活[26]。有些高級別的神經(jīng)膠質(zhì)瘤的微環(huán)境在很多方面都與慢性傷口相似，尤其是在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中觀察到的廣泛細胞遷移和入侵。這是一種非特異性反應，星形膠質(zhì)細胞被激活以回應中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。神經(jīng)膠質(zhì)瘤的邊界顯示出更多的有活性星形膠質(zhì)細胞，與神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞一起分泌各種前體轉(zhuǎn)移信號分子[16]。最近，一種由活性星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生的高水平蛋白質(zhì)(結(jié)締組織生長因子)被認為可以刺激神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的遷移[26]。事實上，分泌因子幾乎參與調(diào)節(jié)腫瘤細胞浸潤信號機制的所有方面，如生長因子激活、ECM成分、整合素和E-鈣粘素的表達。因此，識別神經(jīng)膠質(zhì)細胞再活化過程可能有助于更好地理解神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的浸潤，并可能帶來對治療方面的影響。

腦組織內(nèi)的小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞是神經(jīng)膠質(zhì)瘤中主要的浸潤性免疫細胞，約占腫瘤總數(shù)的30%左右[27]。單核細胞在血液循環(huán)不斷地被吸收到腫瘤中，并迅速分化成腫瘤相關(guān)的巨噬細胞(TAMs)，然后在低氧/壞死區(qū)域積聚[27]。TAMs產(chǎn)生因子不僅能刺激腫瘤細胞的存活和增殖，還能抑制免疫[28]。越來越多的證據(jù)表明，TAMs也參與了神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞遷移和侵襲的調(diào)節(jié)[29]。此外，TAMs通過各種影響血管生成和ECM重塑的化學因子分泌，促進神經(jīng)膠質(zhì)瘤的惡化，從而促進神經(jīng)膠質(zhì)瘤的侵襲。最近有證據(jù)表明，由神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞分泌的菌落刺激因子1(CSF-1)會誘導TAMs促進腫瘤細胞侵襲[30]?？傊蒚AMs分泌的趨化因子、細胞因子和生長因子激活不同的信號通路，可以促使神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂泄粜缘募毎?/p>

4 醫(yī)學影像學和組織病理學

4.1 醫(yī)學影像學

傳統(tǒng)的X線掃描顯示了神經(jīng)膠質(zhì)瘤的形態(tài)學信息，但是早期的腫瘤或小的轉(zhuǎn)移性病變通常沒有辦法被檢測到，所以這種技術(shù)已經(jīng)逐漸被核磁共振成像(MRI)取代，它對腫瘤的存在更加敏感并且已經(jīng)成為評估腦腫瘤的標準成像方式。通過改變磁場強度、時間以及持續(xù)的時間，可以創(chuàng)建無數(shù)具有不同對比度和信息的非侵襲性圖像[31]。更常見的磁共振T1和T2加權(quán)像主要用于顯示神經(jīng)膠質(zhì)瘤的一般解剖特征，然而這兩種類型的脈沖序列強調(diào)不同的特征，例如：腦脊液(CSF)在T2加權(quán)像上是明亮的，在T1加權(quán)像上是黑暗的。T1-加權(quán)像可以用來突出顯示膠質(zhì)母細胞瘤的血管滲透特征，通過在T1加權(quán)像上顯示出明亮的造影劑來獲得圖像。雖然T1和T2加權(quán)像脈沖序列仍是臨床上使用的主要圖像，但也有許多其它先進的MRI技術(shù)正在探索中，如血管灌注成像、擴散加權(quán)成像(DWI)和質(zhì)子磁共振波譜(MRS)等[32]。血管灌注成像突出了血管高密度的區(qū)域，并已被證明在預測哪些患者對抗血管生成治療有反應方面是有用的[33]。DWI可用于各種領域，但對于膠質(zhì)母細胞瘤，它最常用來量化表觀擴散系數(shù)，這被認為與細胞密度呈反比關(guān)系[34]。MRS使用質(zhì)子信號來確定目標代謝物的相對濃度，已被證明能夠識別富含干細胞的組織區(qū)域，檢測異檸檬酸脫氫酶(IDH)基因突變的腫瘤[35]。因此，雖然有許多很有前途的先進的磁共振方法來確定各種腫瘤特征，但僅根據(jù)MRI的發(fā)現(xiàn)來區(qū)分正常和病理組織還是很復雜的。

4.2 組織病理學

神經(jīng)膠質(zhì)瘤的診斷和分類是以組織病理學為基礎的。通過組織樣本的組織病理學分析可以在細胞水平上提供進一步的信息，這對于量化和區(qū)分腫瘤內(nèi)異質(zhì)性是極為重要的。病理科通常進行組織學和免疫組織化學分析，以確定是否存在疾病，進而確定膠質(zhì)瘤分級和評估疾病進展[36]。然而，病例組織檢測可以被看作是動態(tài)生物過程的凍結(jié)場景，提供的數(shù)據(jù)在空間和時間上都受到嚴重限制。因此，盡管醫(yī)學成像技術(shù)和組織病理學不斷發(fā)展，但腫瘤早期識別、腫瘤內(nèi)異質(zhì)性評估和對解剖、功能和代謝的分辨仍具有較大的挑戰(zhàn)性。

5 其他

了解膠質(zhì)瘤惡性進展的相關(guān)因素和機制可以改善患者的預后和長期生存率。這一點尤其重要，因為隨著時間的推移，低級別膠質(zhì)瘤通常會發(fā)展為高級別的病變，而且它們生長和侵襲的速度更快[37]。惡性進展的過程是由一系列導致表型和分子異質(zhì)性的遺傳改變和微環(huán)境變化所驅(qū)動的。Hatzikirou等人研究表明，僅憑突變的表型改變不能解釋膠質(zhì)瘤的惡性進展，并提示表型轉(zhuǎn)變受到腫瘤微環(huán)境的強烈影響[38]。因此，腫瘤進展的基本表型可能只有在其他表型出現(xiàn)之前才會出現(xiàn)。

6 結(jié)論

膠質(zhì)瘤侵襲以細胞遷移、表型可塑性、浸潤性生長以及惡性程度由低向高的發(fā)展為特征。惡性進展的逐步過程是由一系列的遺傳改變和微環(huán)境變化所驅(qū)動的。本文所回顧的生物學研究進展旨在闡述這些特性背后的關(guān)鍵機制，從而改進神經(jīng)膠質(zhì)瘤的治療。盡管絕大多數(shù)癌癥治療方法都有細胞毒性，但膠質(zhì)瘤細胞的侵略性和侵襲性促使人們對治療產(chǎn)生了莫大的興趣。在本文提出的系列研究進展中，說明隨著大量生物醫(yī)學數(shù)據(jù)的出現(xiàn)使一些問題已有了解決方法，但也仍有許多工作需要做，比如加大交叉學科的研究，將數(shù)學模型提供的通用結(jié)構(gòu)框架引入到未來神經(jīng)膠質(zhì)瘤個性化醫(yī)療治療中去。