【综述】中枢神经系统转移瘤：分子学基础和临床认识（上）发生、血管生成和代谢适应、炎症反应

《Jouranl of Neurological Science》 2020年2月21日在线发表波兰University of Medical Sciences的Wanleenuwat P , Iwanowski P . 撰写的综述《中枢神经系统转移瘤：分子学基础和临床认识。Metastases to the central nervous system: Molecular basis and clinical considerations.》（doi: 10.1016/j.jns.2020.116755.）  

【背景】

转移性肿瘤是成人中枢神经系统(CNS)最常见的恶性肿瘤。中枢神经系统转移瘤与预后不良、高并发症发生率和高死亡率有关。肺癌是最常见的脑转移瘤来源，其次是乳腺癌和黑色素瘤。发病率上升主要是由于改善了对原发性恶性肿瘤的系统控制，延长了生存期以及癌症检测方面的进步。

【目的】

对不同原发肿瘤脑转移瘤的转移性级联（cascade）及其在血管生成、神经炎症、代谢适应和的临床细节进行概述。

【方法】

回顾脑转移瘤的相关文献，从病理生理和临床两个方面进行综述。利用PubMed检索1975年1月至2019年12月发表的相关文章，关键词为脑代谢（brain metabolism）、脑转移瘤、转移性级联、分子机制、发病率、危险因素和预后。146篇文章符合标准并被纳入本综述。

【讨论】

一些原发性肿瘤有较高的向中枢神经系统转移的倾向。建立合适的转移微环境对维持肿瘤细胞生长和生存具有重要意义。磁共振成像(MRI)是一种广泛应用于诊断和治疗监测的工具。可用的治疗包括手术、放疗、立体定向放射外科、化疗、免疫治疗和系统靶向治疗。

【结论】

预防转移到中枢神经系统仍然是一个困难的挑战。对高危患者进行筛查的进展和未来新型治疗方法的发展可能改善患者的预后。

1.  引言：中枢神经系统转移瘤的概述

转移性肿瘤占中枢神经系统(CNS)肿瘤的大多数，超过原发性脑瘤。发病率随原发性恶性肿瘤的类型而异。中枢神经系统转移瘤是引起并发症发生率和死亡率的重要原因。预后极差，1年生存率可能低于20%。中位总体生存期约为不治疗的1个月和如果接受治疗的6个月甚至更短。预后取决于多种因素，包括性别、年龄、原发肿瘤类型、诊断原发癌症到出现脑转移瘤之间的时间、转移病灶的数目、Karnofsky一般状态)评分(KPS、颅外转移瘤的存在和治疗反应。由于在发现时通常会出现多发转移瘤，所以可能有很大比例的患者不具备手术治疗的资格。大多数转移性肿瘤是在大脑内发现的，它们浸润脑实质、硬脑膜或软脑膜。小脑、脑干和脊髓是较少见的转移部位。由于在灰白质交界处血管直径狭窄，原发肿瘤的血行播散可能导致肿瘤栓子的夹持(entrapment of tumor emboli)。其他常见的位置是大脑中动脉区域内的分水岭区和皮质髓质交界处(the watershed areas and the corticomedullary junction)。虽然血脑屏障(BBB)对不同分子和细胞的外周浸润提供了重要的保护，但它并不能消除转移性播散的机会。由于神经炎症、蛋白水解酶的上调或肿瘤细胞的直接破坏而导致的BBB完整性的丧失，都会促进转移性侵袭。由于高选择性的血脑屏障（BBB）通透性和存在血肿瘤屏障(BTB)，药物进入中枢神经系统的途径受到限制，即便接受恰当的治疗，仍会引起对治疗的耐药性和预后不良。

按发病率降序排列，最常见的原发性肿瘤为肺癌、乳腺癌、黑色素瘤、肾细胞癌和结直肠癌。大约10%的患者会发展出现脑转移瘤，通常是在病程的晚期。肺癌(23-36%)和乳腺癌(18=30%)的脑转移瘤发生率高于其他原发性癌症。虽然不常见，但从淋巴瘤、胃肠道、妇科和泌尿生殖系统肿瘤的转移也已得到确定。最近，罕见的松果体区的转移瘤报道，且有继发转移到脑室的。这被认为是逆行性脑脊液(CSF)流动的结果。转移病灶可以是单发的或多发的，也可能是出血性的。支气管肺癌、黑色素瘤和绒毛膜癌脑转移是与出血和颅内出血相关的最常见的肿瘤。

由于改善了对原发癌症的全身系统控制，延长了生存期，以及更先进的神经影像技术的应用，脑转移瘤的发病率正在增加。无论是否有癌症病史，在出现神经系统症状的患者中，影像阳性可能提示存在转移瘤。因为一些原发肿瘤的肿瘤太小，无法在影像学上检测到，也不会产生任何症状，所以起病隐匿，一些转移性肿瘤在原发肿瘤被发现之前就被发现了。局部症状取决于肿瘤的位置，而全身症状则是颅内压升高的结果。头痛、局灶性无力和癫痫发作，通常是主要的症状。

对PubMed数据库的检索使用了关键术语:脑代谢（brain metabolism）、脑转移（brain metastasis）、转移性级联（metastatic cascade）、分子机制（molecular mechanisms）、发病率（incidence）、危险因素（risk factors）和预后（prognosis）。该检索仅限于(发病率、相关危险因素、预后指标、诊断工具、治疗、患者预后临床数据报告的研究)和描述与脑转移瘤发展相关的分子通路的研究。出版文章的入选标准如下:在1975年1月至2019年12月期间发表的文章；用英语写作的；可获得全文的研究报告；所有类型的研究。数据库中一共确认10354篇文章。对合格文章的初步筛选包括对标题和摘要的审查。排除掉文章标题和摘要与审查目的无关的研究。随后，对相关文章进行了全文审查，并排除了不符合标准的文章。有146篇文章符合标准，入选我们的文献综述。

这篇文章将概述中枢神经系统转移瘤的分子基础和转移到脑部的不同原发癌症的临床细节，包括治疗挑战和诊断策略。

2.  中枢神经系统转移瘤的发生：转移性级联反应

转移性级联反应突出了涉及脑转移的步骤。最初，转移瘤细胞从原发癌部位区分离。为了到达中枢神经系统，癌细胞必须在循环系统中生存，进入脑实质，并能在中枢神经系统微环境中生存。这为整个转移过程中的免疫抑制机制的提供了了解(insight)，因为避免免疫识别和炎症介导的破坏对肿瘤细胞生存是至关重要的。还需要在中枢神经系统内维持免疫抑制环境。Kienast等，描述脑转移瘤转移性级联模型的最基本的步骤包括：由于血管管径大小的限制，在血管分支处捕获（arresting）肿瘤细胞、外渗(extravasation)、与微血管保持紧密接触，以获得足够的营养、通过用血管共选择（vessel co-option）的过程,周围血管生长、和血管生成促进大体转移瘤（macrometastases）的形成。缺乏血管生成，癌细胞无法渗出，以及不能与微血管保持密切接触，会导致转移失败。综上所述，细胞与原发肿瘤的分离（dissociation）、对周围基质和基底膜的浸润（invasion of surrounding stroma and basement membrane）、癌细胞的进入血管内渗（intravasation）、外渗（extravasation）、血脑屏障的破坏（breaking down）、中枢神经系统的侵袭和定植（colonization）是转移的主要步骤。图1总结了转移性级联的反应。

从原发肿瘤中分离出细胞	基质和基底膜浸润	癌细胞进入血管内渗	癌细胞外渗	BBB的破坏和癌细胞的侵袭	中枢神经系统定植
大脑亲器官性 ·Wnt信号通路 ·最常见的原发癌症: ·肺-EGFR和HER-2 突变 乳房-TGF-β，ANGPTL4,，Src信号，TrkB, PI3K， BRCA1和HER- 2 突变 ·黑色素瘤		血管生成和 血管共选择 ·VEGF ·EGFR ·HIF-1α,HIF-2α ·血管生成素 ·整合素αvβ3 ·基质金属蛋白酶		免疫监视逃逸:通过调节神经炎症，维持免疫抑制的环境 ·肿瘤相关巨噬细胞 ·调节T细胞 ·骨髓衍生抑制细胞 ·肿瘤浸润淋巴细胞 ·小胶质细胞 ·自然杀伤细胞 ·血小板
	肿瘤微环境: 创造 在中枢神经系统中转移前的生态位 ·肿瘤细胞分泌抗纤溶酶原丝氨酸蛋白抑制剂，促进肿瘤侵袭, 转移扩散和血管共选择。 ·EMT和MET		代谢上调 ·氧化磷酸化 ·糖质新生 ·糖酵解 ·葡萄糖调节蛋白94 ·脂肪酸合成 ·脂肪酸氧化 ·氨基酸氧化 ·FABP7过度表达

图1。促进中枢神经系统转移的转移性级联和途径的综述。

BBB,血脑屏障；CNs中枢神经系统;EGFR，表皮生长因子受体；HER-2，人类表皮生长因子受体2；ANGPTL4：血管生成素样-4；rkB，原肌球蛋白激酶受体B；PI3K,磷酸肌醇3-激酶；VEGF:血管内皮生长因子;HIF，乏氧诱导因子；MMP：基质金属蛋白酶；FABP7，脂肪酸结合蛋白7；EMT：上皮-间质细胞的转变；MET:,间叶细胞-上皮的转变。

脑肿瘤微环境(TME)由肿瘤细胞和中枢神经系统的常驻细胞（resident cells）组成。它有利于转移性生长，调节癌症进展和影响对治疗的反应。新出现的证据表明，原发性癌细胞能够诱导形成一种专门的环境，为转移性种植、肿瘤细胞存活和增殖做好准备，这种环境被称为“转移前生态位（pre-metastatic niche）”。创造一个合适的代谢环境也涉及到癌细胞的存活。乳腺癌细胞中己糖激酶2（hexokinase 2）、葡萄糖调节蛋白94（glucose-regulated protein 94）、参与脂肪酸合成的蛋白和强化得脂肪酸氧化（proteins involved in fatty acid synthesis and enhanced fatty acid oxidation）的遗传性上调支持上述观点，以上说明了这些细胞是如何适应低糖环境的。

癌症干细胞(CSC)存在于原发性脑瘤和转移瘤中，促成对治疗的耐药抵抗性和复发。癌症干细胞(CSC)存在于血管周围环境中，促进癌细胞生长和增殖。血管生成素（Angiopoietin）、血管内皮生长因子(VEGF)和表皮生长因子受体(EGFR)通路参与血管生成，是抗血管生成治疗的潜在靶点。血管共选择(co-option)是指肿瘤细胞沿周围的血管扩散，这是抗血管生成治疗后上调的过程，在对治疗耐药抵抗性中起作用。此外，由于促进(faciliation)肿瘤细胞迁移(migration)出肿瘤边界，血管共选择也可能促进肿瘤复发。纤维蛋白溶解酶的间质表达（Stromal expression of plasmin）通常提供保护，防止转移。然而，癌症细胞，尤其是来源于乳腺癌和肺癌的细胞，能够通过表达丝氨酸蛋白抑制剂（serpins）来逃避转移性抑制，丝氨酸蛋白抑制剂（serpins）是一种纤溶酶原激活物抑制剂。没有纤溶酶，浸润的转移瘤细胞能够逃脱Fas-介导的杀灭。通过阻止纤溶酶介导的L1细胞粘附分子(L1CAM)分裂来破坏细胞粘附也会增强转移性扩散和血管共选择。通过靶向血管生成和血管共选择，抑制肿瘤血管生态位的形成，可能在减少复发恢复原状（relapse）、进展、播散（dissemination）、复发重现(recurrence)和对治疗有抵抗耐药性方面有希望。

与其他癌症相似，脑转移瘤也能表达“上皮-间质细胞的转化(EMT)”和“间质细胞-上皮转化(MET)”，受转录因子和生长因子信号转导的多基因控制影响（multigenic control of transcription factor and growth factor signaling）。证据支持共有的转移性标志，如在不同的癌症中Wnt信号通路表达上调，并倾向于出现脑转移。对EMT/MET相关通路的进一步了解可能有助于靶向治疗的发展，从而减缓癌症的进展并抑制转移性细胞的扩散。

3. 在脑转移瘤中的血管生成和代谢适应

从原有的血管形成新血管的过程被称为血管生成（angiogenesis.）。血管生成是癌症形成、生长和转移的重要过程。存在血管生成，提供了对环境应急(stresser)的保护，如乏氧（hypoxia）和缺血介导的肿瘤生长停滞(stagnation)和凋亡。血管内皮生成因子(VEGF)、血管生成素、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMP)和EGFR(表皮生长因子受体）表达上调。有研究报道在转移瘤周围区域的血管生成活性增加。可能是由于血管生长和破坏加快，基质金属蛋白酶（MMP）和血管内皮生成因子(VEGF）的过表达也与转移性肿瘤相关性出血有关。

肿瘤细胞整合素αvβ3的活化状态和肿瘤微环境是重要的决定脑转移瘤生长的因素。整合素αvβ3被激活(Activated integrin αvβ3))能够促进VEGF表达和与乏氧无关的（independently of hypoxia）血管建立(vessel recruitment),而VEGF上调未活化的整合素αvβ3 则 只发生在缺氧条件下。激活的αvβ3增强血管生成,防止乏氧诱导细胞凋亡,阻止肿瘤细胞的死亡。激活的整合素αvβ3促进在循环中捕获肿瘤细胞，与基质金属蛋白酶9型 (MMP-9)合作,促进肿瘤细胞迁移到促迁移的基质（promigratory  substrates）。乳腺癌细胞表达激活的整合素αvβ3分泌成熟的MMP-9,其表示出促迁移的效应,增强癌细胞移动性和迁移。MMPs在转移瘤的各个阶段发挥作用，包括转移细胞与原发肿瘤的分离、癌细胞的血管进入内渗、外渗、向中枢神经系统的迁移以及血管生成的上调。因此,针对激活的整合素αvβ3和基质金属蛋白酶可能有希望能预防脑转移。随着研究的深入，血清中MMPs和VEGF的水平也可能成为中枢神经系统转移的生物标志物和治疗反应的预测因子。

乏氧诱导因子(HIF)是一种转录因子，在乏氧会反应上调。通过HIF的调节作用，肿瘤细胞能够通过上调VEGF等促血管生成因子（pro-angiogenic factors）来适应乏氧环境。VEGF活性增加导致血管完整性的丧失和血管通透性的增加，促进肿瘤细胞从原发部位扩散。VEGF诱导的血管生成对转移瘤和癌细胞增殖也很重要。Liao等发现HIF-1α是肿瘤生长、进展,和转移潜力的重要调节者,然而它的存在对肿瘤启动或转移并不是必不可少。缺乏HIF-1α表达导致推迟肿瘤的生长和进展,减少癌症细胞增殖和肿瘤血管分布（vascularity）。最近的证据也强调了HIF-2α促进血管生成的作用。除了HIF外，研究还证实肝配蛋白A1(ephrin-A1)的促血管生成特性。作为ephrin-A1介导VEGF上调的结果，肿瘤细胞中ephrin-A1过表达可促进新生血管形成和转移的扩散。血管内皮细胞上HIF-2α的表达也可能通过激活ephrin-A1促进新血管形成。血管生成素2 (Ang-2)的上调也依赖于HIF。血管生成素是淋巴管生成、血管通透性、细胞粘附性和炎症细胞募集（recruitment）的重要调节者。由于有证据表明活化存在于血肿瘤屏障的Ang2，Ang2介导的血管不稳定可能也促成转移。

代谢适应（Metabolic adaptations）对于转移性肿瘤细胞在中枢神经系统环境中的生长和生存非常重要。上调参与糖酵解（glycolysis）、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）和三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）的酶，以满足高能量的需求，使它们在低葡萄糖微环境中生存和增殖。与葡萄糖无关的途径（Glucoseindependent pathways），如氨基酸氧化（amino acid oxidation）和糖异生（gluconeogenesis）也被上调，这意味着癌细胞不依赖于葡萄糖作为唯一的底物。氨基酸，尤其是谷氨酰胺（glutamine）和支链氨基酸(branched-chain amino acids)，在大脑组织间隙（interstitial space）中含量丰富，也经受了氧化过程（the process of oxidation）。此外，脑转移瘤细胞能够进行氨基酸依赖的糖异生（amino acid-dependent  gluconeogenesis）并储存糖原（store glycogen）。细胞缺乏重要的葡萄糖异生作用的酶果糖二磷酸酶-2 (FBP2)证明细胞凋亡和细胞死亡增加，这表明糖异生在癌细胞存活中的重要性。参与磷酸戊糖途径（the pentose phosphate pathway）和谷胱甘肽系统（glutathione system）的酶活性增加，对抗线粒体呼吸产生的活性氧（reactive oxygen species）提供抗氧化保护。特别是在乳腺癌脑转移，脂类分解（lipolysis）的上调也被发现促进转移。抑制脂如单酰甘油脂肪酶（monoacyclglyerol lipase）或烷基甘油磷酸酯合成酶（alkylglyceronephosphate synthase）等参与脂类分解的酶可以减少癌细胞的侵袭和生长。转移性细胞对大脑环境的另一种适应是获得“神经元样（neuron-like,）”特性的能力，使得在能量代谢中利用如乙酸盐等内源性底物成为可能。针对线粒体呼吸通路相关酶、糖异生、脂类分解和其他的具体上调代谢通路等脑转移瘤癌细胞特异性上调代谢通路的治疗方法的未来的发展，可能阻止脑转移瘤的形成，抑制转移瘤细胞的生长和增殖。

增强的线粒体氧化能力保护转移瘤细胞免受氧化损伤和凋亡。研究发现，在转移性黑色素瘤和乳腺癌脑转移瘤中，氧化磷酸化(OP)增加。Fischer等描述与患者相匹配的颅外转移瘤相比，黑色素瘤脑转移的患者中氧化磷酸化(OP)通路丰富，这会促进对使用MAPK、BRAF和抗程序性细胞死亡蛋白1 (PD-1)抑制剂等靶向治疗产生耐药性。是否增强氧化磷酸化(OP)以促进转移瘤的形成，微转移瘤的自然生长（outgrowth），或这两个过程均涉及，仍然没有定论。在抗MAPK靶向治疗的黑色素细胞脑转移瘤模型中，应用OP抑制剂IACS-010759抑制OP，目前尚处于早期临床试验阶段。结果显示，黑色素瘤脑转移模型能抑制转移瘤，降低发生转移的风险，提高生存率。与其他恶性肿瘤相比，线粒体复合物I (MC-I)在黑色素瘤脑转移中发挥较大的作用。β-谷甾醇（sitosterol）作为胆固醇类似物,还发现其抑制MC-I以减少肿瘤的生长,并阻止转移瘤的形成。当使用β-谷甾醇（sitosterol）共同管理时或者在缺乏MC-I活性时，癌细胞不再对BRAF抑制剂有耐药性。针对OP通路的药物可能有助于减少脑转移瘤的数目，克服治疗的耐药抵抗性，提高总体生存率。

4.神经炎症在转移瘤中的作用

近年来，神经炎症（neuroinflammation）在脑转移瘤中的促进作用和免疫调节药物的潜在治疗疗效受到广泛关注。在肿瘤微环境中，炎症细胞、癌细胞和基质成分之间的通信（communication）通过分泌细胞因子、趋化因子、蛋白酶和生长因子来影响肿瘤的进展和转移。发现炎性细胞同时具有促和抗肿瘤的特性。发现包括免疫激活和免疫抑制T细胞亚型两方面，以及瘤周水肿的程度和更好的生存预后，肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)的水平，之间存在相关性，提示免疫检查点抑制剂在脑转移瘤中的潜在治疗作用。创造免疫抑制的微环境和逃避血流中的免疫监视对肿瘤细胞的存活和扩散至关重要。在转移瘤组织中，免疫细胞浸润数量减少和促肿瘤M2巨噬细胞较多表达意味着存在免疫逃逸和支持肿瘤生长的免疫抑制环境。

具有免疫抑制特性的免疫细胞，如肿瘤相关巨噬细胞(TAM)、骨髓衍生抑制细胞(MDSC)和调节性T细胞与肿瘤细胞相互作用，并参与建立免疫识别和破坏的机制。中性粒细胞和小胶质细胞在刺激和抑制肿瘤生长和转移方面具有双重作用。促肿瘤的中性粒细胞不仅帮助形成转移前的生态位，而且通过抑制T细胞增殖和形成中性粒细胞胞外陷阱（traps），促进肿瘤生长、增殖、转移扩散和侵袭的过程，使循环的肿瘤细胞能够迁移和侵袭。小胶质细胞除了具有吞噬和细胞毒的抗肿瘤特性外，还可能极化成抑瘤表型，通过下调细胞毒因子的表达来促进肿瘤生长。

在血流中，血小板与循环中的肿瘤细胞结合可防止自然杀伤细胞介导的裂解，促进肿瘤与中枢神经系统血管内皮细胞的粘附和癌细胞外渗。组织蛋白酶S作为一种蛋白酶，其表达增加被认为通过巨噬细胞负责调节特定部位的转移瘤到达脑部，且肿瘤细胞会破坏连接粘附分子和血脑屏障的完整性，促进肿瘤细胞的侵袭。肿瘤细胞能够通过分泌抗纤溶酶原丝氨酸蛋白酶抑制剂 (anti-PA serpins)，抑制通常由脑基质产生的纤溶酶的形成，在脑微环境中生存下来，从而抑制转移性侵袭的机制。没有纤溶酶的形成，肿瘤细胞能够进行LICAM（细胞粘附分子）介导的血管共选择，逃脱Fas介导的杀灭。