非小细胞肺癌脑转移生物学及分子研究进展

Advances in the Biology and Molecular Study of Brain Metastasis from Non-Small Cell Lung Cancer

摘要: 随着医疗技术的进步，非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)患者生存期延长，脑转移(brain metastases, BM)成为其重要的治疗障碍。肿瘤的转移是一个多步骤过程中，更好地了解疾病转移的发病机制将有助于我们确定合适的治疗策略，从而避免脑转移的发生，对患者的预后极其重要。本文就非小细胞肺癌脑转移生物学和分子研究的最新发现作一综述。

Abstract: With the advancement of medical technology, patients with non-small cell lung cancer (NSCLC) have prolonged survival and brain metastases (BM) have become an important therapeutic obstacle for them. Tumor metastasis is a multistep process, and a better understanding of the pathogenesis of disease metastasis will help us determine the appropriate treatment strategy to avoid brain me-tastases, which is extremely important for patient prognosis. In this paper, we present a review of recent findings on the biology and molecular studies of brain metastasis in non-small cell lung can-cer.

1. 背景

20%~40%的晚期恶性肿瘤患者发生脑转移，肺癌是脑转移最常见的原因之一，非小细胞肺癌(NSCLC)的脑嗜性对于腺癌(54.8%)和低分化癌(31.7%)高于鳞状细胞癌 [1]。化学疗法和靶向疗法的最新进展提高了癌症患者的生存率。在这种系统性疾病得到更好控制的背景下，脑转移瘤(BMs)正在成为肿瘤学家面临的新挑战。由于缺乏模型系统，缺乏人体组织样本，以及许多临床试验将脑转移患者排除在外，治疗脑转移瘤的进展一直受到阻碍。虽然对脑转移的生物学仍知之甚少，但令人鼓舞的是，更多的努力正被引导到脑转移的研究上。

为了克服肺癌脑转移，了解脑转移的分子生物学是至关重要的。现就非小细胞肺癌脑转移的最新知识积累和该领域的最新进展作一综述。

2. 脑转移生物学

肿瘤的转移是一个多步骤的级联过程。首先是从原发性肿瘤脱离并侵入周围组织、血管内渗入血管和血行播散、停滞在脑毛细血管和外渗。最终，肿瘤细胞必须在周围组织中定殖，诱导血管生成并响应局部生长因子而增殖 [2]。那些存活下来的细胞会找到有利于其生长发育的微环境，也称为“利基” [3]，然后它们形成微转移，进而可能在相当可变的休眠期后进行细胞分裂，建立临床上显着的病变 [4]。

大脑被认为是转移癌细胞的“避难所”，因为许多治疗药物无法通过血脑屏障(BBB) [5]。BBB是由内皮细胞和支持成分组成的网络，保护中枢神经系统微环境。与外周不同，脑微血管内皮细胞的特征是紧密(TJ)，吞饮活性非常低和输出泵过度表达 [6]。通过加强周围的细胞外基质(ECM)、基底膜、周细胞和星形胶质细胞的末端足部，血脑屏障有效地阻止了血液和脑间质液体之间的物质自由交换 [7]。因此，由于血脑屏障的存在，大脑对肿瘤细胞形成了一种特殊的挑战，肿瘤细胞要通过血脑屏障入侵并存活，必须成功地完成所有步骤。

当转移性癌细胞进入脑循环时，它们可能停滞在血管分支点的毛细血管床内缓慢流动的部位。然后，癌细胞与脑内皮细胞之间的相互作用或跨内皮细胞的迁移由肿瘤细胞表面受体和内皮细胞黏附分子相互作用介导 [8]。在克服血脑屏障后，肿瘤细胞面对局部微环境的组成部分，包括ECM、顽固性脑实质细胞(星形胶质细胞、小胶质细胞)以及旁分泌信号分子，包括细胞因子和生长因子 [8]。生存及成功的肿瘤生长需要适应这些因素并与之相互作用。大脑还通过血管生成、血管扩张、血管生成、血管生成拟态建立充足的血液供应，使脑转移瘤更好地生长和增殖 [9]。在上述过程中，基因表达的功能意义、脑血管的改变、可溶性因子的异常分泌和自分泌/旁分泌信号的激活均参与了脑转移瘤的发生。

3. 肿瘤脑转移的分子机制研究进展

3.1. 基因表达分析

肿瘤的发生发展受表观遗传学的影响。Grinberg等对142例NSCLC组织中12个基因的表达进行研究，发现CDH2、KIFC1和FALZ三个基因的表达水平对早期和晚期肺癌BM有较高的预测价值，且与预后不良相关 [10]。Yoo等对71例有(n = 40)或没有(n = 31) BM的NSCLC患者肿瘤组织DCUN1D1表达进行评估，发现16例DCUN1D1阳性的NSCLC患者中有14例(87.5%)出现BM (OR = 3.112; p = 0.009)，这表明DCUN1D1阳性原发性NSCLC具有向BM的生物学易感性 [11]。Wang对61例接受手术切除的NSCLC BM患者回顾性研究，发现CDK4/CCND1、CDKN2A/2B基因的改变在肺组织中表达丰富，提示它们与增加转移风险有关 [12]。更多与NSCLC BM的基因还需进一步研究。

3.2. 细胞表面分子

3.2.1. 整合素

整合素可以促进肿瘤细胞的粘附，影响肿瘤细胞的粘附和血管生成，促进肿瘤细胞的侵袭和迁移，还可以通过激活信号级联过程来调节细胞存活 [13]。整合素α3β1的表达与肺癌BM密切相关。与肺肿瘤亲代细胞系和骨转移胞系相比，转移到脑的肿瘤细胞高表达α3β1整合素，抑制α3β1整合素功能可减少裸鼠脑转移瘤的形成，可能是α3β1整合素与层粘连蛋白的相互作用，促进了肿瘤细胞的迁移和侵袭 [14]。因此，αβ-整合素家族可能是转移性癌症患者的诊断生物标记物和治疗靶点。

3.2.2. 细胞黏附分子

内皮细胞表达多种黏附分子，包括细胞间黏附分子(intercellular adhesion molecule, ICAM)、血管细胞黏附分子(vascular cell adhesion molecule, VCAM)和血小板–内皮细胞黏附分子(platelet endothelial cell adhesion molecules, PECAM)。这些在免疫反应和炎症中都是必不可少的，其中一些也被证明参与了血管内皮细胞和肿瘤细胞的相互作用及转移的形成。最近，Sipos等人发现ICAM-1和VCAM-1上调导致肿瘤细胞对脑毛细血管内皮的粘附增加，从而导致了BM的发生 [15]。另有研究发现，NSCLC BM中白细胞粘附分子(leukocyte adhesion molecules, ALCAM)表达显着上调，对ALCAM基因敲除后细胞粘附能力及BM的发生率显著降低 [16]。

3.3. 钙黏附素

在正常组织中，上皮细胞通过粘合蛋白紧紧地结合在一起，以保持组织的结构完整性。其中一种粘附蛋白E-钙粘蛋白(E-cadherin)的下调已被证明与几种肿瘤类型的转移潜力相关 [17] [18]。E-cadherin的表达缺失可诱导癌细胞发生上皮–间充质转化(epithelial-mesenchymal transformation, EMT)，从而增加细胞的运动能力和转移能力。Yoo等对54例NSCLC手术病理标本进行免疫组化，结果显示，发生BM的风险显著增加与NSCLC患者中存在低E-钙粘蛋白表达的原发肿瘤有关(p = 0.001) [19]。

3.4. 可溶性因子

3.4.1. 血管内皮生长因子(VEGF)

血管生成是肿瘤转移的一个重要方面，VEGF可同时影响血管生成和血管通透性 [20]。Yano等人在裸鼠模型的BM异种移植中检测到VEGF分泌增加；相反，将反义VEGF基因转染PC14-PE6肺腺癌细胞系可降低实验性BM的发生率，提示VEGF在BM肿瘤细胞中高表达 [21]。Jubbet等人比较了匹配的原发性NSCLC和BM瘤中VEGF的表达、增殖、微血管密度、血管形态和血管成熟度，他们发现，脑转移瘤中增殖率和血管成熟度明显高于其匹配的原发肿瘤 [22]，这亦表明VEGF与BM的发生是有关系的。

3.4.2. 趋化因子

趋化因子在细胞迁移、侵袭和肿瘤血管生成中发挥重要作用 [23]。有研究发现，CXCR4/CXCL12(CXC趋化因子亚家族成员)信号轴可能参与非小细胞肺癌BM的发生 [24]。最近的一项研究中，Paratoreet等研究了CXCR4/CXCL12在有BM和无BM患者的原发性NSCLC标本中的表达，结果显示，CXCL12和CXCR4在转移性NSCLC组织中的表达明显高于配对的非转移性NSCLC组织(p < 0.05) [25]，提示CXCR4和CXCL12与NSCLC BM相关。

3.5. 蛋白酶

蛋白水解酶参与了肿瘤细胞通过血脑屏障、内皮细胞的形成和迁移等过程。基质金属蛋白酶(MMPs)在肿瘤细胞通过血脑屏障的跨内皮迁移过程中可能具有特殊的重要性。例如，MMP1和MMP2具有降解血管内皮细胞(ECM)的能力，并促进新血管的形成，从而帮助肿瘤细胞到达血液循环中 [26] [27]。Hu等人的研究发现，BM肺腺癌细胞过表达MMP9 [28]。ADAM-9是一种膜结合型蛋白酶，Shintaniet等研究者发现ADAM9能够上调整合素α3β1的表达，从而促进BM的形成 [29]。

3.6. miRNA

miRNA是调节肿瘤细胞侵袭和转移的重要分子。Chen LT等人发现miR-378在BM患者手术标本中高表达，可能与miR-378促进的高平均微血管密度(MVD)和血管生成拟态(VM)的存在保证了肿瘤的血供有关，这也许是NSCLC发生BM的关键机制 [30]。Aroraet等人报道，miR-328赋予了NSCLC细胞迁移潜能的作用 [31]。Wei等对122名NSCLC患者进行了Logistic回归分析，发现患有BM的NSCLC患者的血清miR-330-3p水平高于没有BM的患者，并发现miR-330-3p的过表达促进了NSCLC细胞的体外增殖，迁移，侵袭和EMT [32]。Wang等人研究表明，在肺癌BM中，miR-143-3p的表达较肺癌组织上调，这可能与提高了血脑屏障侵袭能力有关 [33]。综上，多种miRNA的表达均与NSCLC BM有关，在肿瘤生长、迁移、侵袭及EMT过程中均发挥了作用。关于miRNA介导NSCLCBM的机制，还需进一步研究。

3.7. 驱动基因改变

3.7.1. 表皮生长因子受体(EGFR)突变

EGFR是一种具有酪氨酸激酶依赖活性的跨膜蛋白，存在于所有上皮细胞的膜上。EGFR突变发生在10%~20%的非亚洲患者和约40%的亚洲患者中。有多项研究发现，EGFR突变的患者更易出现BM [34] [35] [36]。Hus学者等回顾性研究了121名EGFR阳性和422名EGFR野生型患者，发现EGFR阳性患者与EGFR野生型的脑转移累计发生率分别为39.2%和28.2% (p = 0.038; HR 1.4)，中位生存率分别为22.4个月和7.9个月(p < 0.001) [37]。随后，一项包含1522名NSCLC患者的回顾性研究报告，确诊时携带EGFR突变的患者发生BM的风险较未发生突变的患者几乎高出两倍 [38]。上述结果表明，EGFR突变状态可能对NSCLC的中枢神经系统进展(CNS)产生影响，这种现象可能与EMT有关。

3.7.2. 间变性淋巴瘤激酶(ALK)突变

ALK是一种酪氨酸受体激酶，对脑组织的发育与神经元的调控发挥了重要的作用。大约1.4%的NSCLC具有ROS1重排。Rangachari等对21例ALK突变的NSCLC患者的研究发现，23.8% (5/21)的患者在初诊时就有BM，随着时间的推移，诊断后BM的累积发病率逐年增加：1年23.8%，2年45.5%，3年58.4% [39]。随后，Gainor等人的研究也发现，对于晚期非小细胞肺癌ALK基因重排的患者，BM的发生率明显升高，有趣的是，其不仅可以转移至脑实质，脊髓及脑膜等均可以发生转移 [40]。尽管有人提出过脊髓转移与静脉扩散和相邻结构的直接侵袭有关，但大多数人认为其主要是通过动脉播散引起的 [41]。而脑膜转移则被认为主要是由于血行扩散或实质病变的直接扩散 [42]。

4. 总结

脑转移已成为一个日益严重的临床问题，这在很大程度上是由于最近对全身转移疾病的临床控制有所改善。虽然对脑转移的生物学了解仍然很少，但令人鼓舞的是，越来越多的研究开始转向脑转移的研究。这篇综述中提到的生物标记物将是预测脑转移瘤发生的有前途的工具。然而，目前还没有一种方法可以单独预测脑转移的发生，还有许多挑战需要将其转化为实践。在本文中，我们描述了非小细胞肺癌脑转移的机制基础(见表1)，更好地了解肺癌脑转移的分子生物学。脑转移的发生反映了这种肿瘤–微环

Table 1. Risk factors for the development of non-small cell brain metastases.

表1. 非小细胞脑转移发生的危险因素

境相互作用的高潮。特别是脑的特殊生理学不仅与转移瘤的定植有关，而且对治疗干预的疗效和结果也有重要影响。未来治疗脑转移患者的临床干预必须考虑到这些重要的微环境决定因素的影响。

NOTES

^*这些作者对这项工作做出了同等的贡献，并共享第一作者身份。

^#通讯作者。