恶性肿瘤脑膜转移发生机制及治疗研究进展

Research Progress on the Mechanism of Occurrence and Treatment of Leptomeningeal Metastasis of Malignant Tumors

摘要: 脑膜转移(Leptomeningeal metastasis, LM)是多种恶性肿瘤相对罕见却最严重最具挑战性的并发症，致死率极高。通常癌细胞可通过直接侵犯、血行播散、神经内、神经轴位及血管周围扩散、淋巴系统转移等途径浸润脑膜进入脑脊液(Cerebrospinal fluid, CSF)。CSF微环境处于缺氧及无细胞状态，仅含少量中间代谢产物及微量元素，癌细胞进入CSF后需要克服CSF微环境的限制并且躲避免疫反应。也有学者发现LM患者的CSF中补体C3 (Complement Component 3, C3)升高，可进一步提高血脑屏障通透性。对CSF中ctDNA进行检测可帮助了解肿瘤的基因突变特征、LM的发生发展机制及确定新的治疗靶点。目前LM转移的治疗方法有：鞘内化疗、放射治疗、靶向治疗及免疫治疗。通过对其机制的研究，后续针对LM治疗方案的制定是十分有益的。本文主要针对LM可能的发生机制及目前最新的相关治疗进展进行综述。

Abstract: Leptomeningeal metastasis (LM) is a relatively rare but the most serious and challenging complication of many malignant tumors, with an extremely high lethality rate. Cancer cells usually enter the CSF by infiltrating the leptomeninges through direct invasion, hematogenous dissemination, intra-neural, neuraxial and perivascular spread, and lymphatic metastasis, etc. The microenvironment of the CSF is hypoxic and acellular, and contains only a small amount of intermediary metabolites and micronutrients, so that the cancer cells need to overcome the limitations of the CSF microenvironment and avoid immune responses after entering the CSF. Some scholars have also found that C3 is elevated in the CSF of LM patients, which can further increase the permeability of the blood-brain barrier. Detection of ctDNA in CSF can help to understand the gene mutation characteristics of the tumor, the mechanism of LM development and identify new therapeutic targets. Current treatments for LM metastasis include intrathecal chemotherapy, radiation therapy, targeted therapy and immunotherapy. The subsequent development of therapeutic regimens for LM is beneficial through the study of its mechanisms. In this article, we summarize the possible mechanisms of LM and the latest therapeutic advances.

1. 概述

LM是恶性肿瘤细胞经中枢神经系统(Central nervous status, CNS)转移后累及软脑膜、蛛网膜、蛛网膜下腔并向CSF、腔室播散的结果，在多种恶性肿瘤中属于相对罕见的并发症，预后差，致死率极高。在绝大多数恶性肿瘤中都可发生LM，现如今治疗手段不断进步使得各种恶性肿瘤获得了更好的治疗效果，患者的生存期进一步延长，但与此同时LM的发生概率也在不断增加，而且随着影像诊断技术的发展，也进一步提高了LM的检出率[1]。在实体瘤中LM的发生率为5%~8% [2]，其中原发肿瘤最常见的是肺癌和乳腺癌(5%~25%)，其次是黑色素瘤(6%~18%)及胃肠道恶性肿瘤(4%~14%) [3]，由于许多未确诊病例是经尸检时发现的，故LM发病率可能高达20% [4]。LM的诊断和治疗极具挑战性，确诊的金标准是在脑脊液中检测到恶性细胞或在增强FLAIR图像上观察到LM征象，但阳性率较低，大部分在LM晚期才能被检出，通常需要根据患者的临床表现帮助诊断；在LM治疗中，放射治疗、鞘内化疗(Intrathecal chemotherapy, ITC)、全身化疗、免疫治疗和靶向治疗的单独或联合应用为LM患者提供了更多的治疗选择。但总体来说LM患者预后较差，经过治疗后仍无法有效延长患者生存期，因此，探索LM的发病机制可以更好地帮助提高治疗疗效。本文将重点关注实体肿瘤引起的LM，论述LM的潜在发生机制及相关治疗进展。

2. LM的发病机制

LM一般是经原发肿瘤直接侵犯、血行播散、神经内、神经轴位及血管周围扩散、淋巴系统转移等方式发生的[5]。一旦肿瘤侵及脑膜，即可沿脑膜及室管膜或随CSF流动而播散，并破坏蛛网膜颗粒功能，引起CSF流通受阻导致脑积水。血脑脊液屏障、血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)和脑脊液–脑屏障构成了脑屏障，这些结构保护CNS不受侵害，但同时也是恶性肿瘤细胞的避难所，阻止多种药物进入脑屏障作用于脑肿瘤[6]。

肿瘤微环境在肿瘤进展过程中起重要作用，并且在肿瘤CNS转移中扮演重要角色。正常生理条件下，CSF微环境与全身体液循环相隔绝，处于缺氧且无细胞状态，仅含有少量中间代谢产物和微量元素，有丝分裂原及葡萄糖含量较低[7]。而LM癌细胞可在扩散至CSF中的同时促使机体免疫细胞通过脉络丛渗透至CSF中，使得CSF中累积大量癌细胞、淋巴细胞、巨噬细胞以及中性粒细胞，因此LM癌细胞在这种CSF微环境中不仅要躲避机体自身免疫反应，还需要克服CSF微环境中营养代谢限制的困难[8] [9]。Yudan Chi [9]等为研究LM细胞克服这种CSF微环境限制的机制，对5名LM患者的CSF进行单细胞RNA测序，其中3例原发灶为乳腺癌，2例为NSCLC，发现5名LM患者CSF中游离细胞的铁转运基因表达上调，与该解剖间隙内的功能性缺铁表现一致，并且在LM患者CSF中检测到铁调素(Hepcidin)浓度高于非LM患者，而Hepcidin是一种与引起机体炎症及铁缺乏有关联的蛋白质[10]，但CSF中的铁转运体-转铁蛋白的水平在LM和非LM患者中相当。随后他们发现CSF中的巨噬细胞可通过产生相应的细胞因子诱导LM癌细胞表达铁结合蛋白脂褐素-2 (Lipocalin-2, LCN2)及其受体SLC22A17，通过对生前患有LM的患者尸体CSF进行免疫荧光检测，也发现LM癌细胞中的LCN2和SLC22A17表达明显增加，与上述结果相一致，但在巨噬细胞或单核细胞群中未见上述表达。随后通过构建LM小鼠模型发现LCN2/SLC22A17复合物可促进LM癌细胞与铁结合，并帮助LM癌细胞在CSF微环境中生存增殖，提出可应用铁螯合疗法抑制LM细胞再生的新治疗模式[9]。LM癌细胞进入CSF空间后，既可以附着于脑膜上，在核磁共振成像上表现为线性或结节性增强，也可以在CSF中自由漂浮，可被细胞学检查发现[11]。由于附着于脑膜的癌细胞仅在少数尸检中被发现，因此目前对于LM的分析仅限于浮游型癌细胞，但它能否代表整个LM群体仍然未知。为了再现粘附和浮游LM癌细胞亚群动态研究，Jan Remsik及Yudan Chi等人采用人类乳腺癌和肺癌细胞系的钩端膜衍生物，上述细胞系可再现LM在体内和体外两种表型，他们发现在体外的浮游细胞与粘附细胞相比增值率下降，ATP含量减低，但富有三羧酸循环和电子传递链特征，这可能为LM癌细胞如何适应CSF严苛的微环境提供了理论依据，然而他们通过小鼠模型发现在体内植入的浮游细胞侵袭性更高，可以迅速定植于脑膜，导致神经系统症状快速进展并死亡，这一结果在他们对35例LM患者的回顾性研究中也得到了支持，提示浮游型LM癌细胞的致死率可能更高[12]。

补体是一个复杂且精确调控的蛋白质网络，由50多种血浆成分组成，主要由肝脏产生并释放，作为先天性免疫系统的关键参与者，补体能迅速抵御病原体、触发炎性介质释放并促进吞噬作用及细胞溶解以维持内环境稳定[13]。许多研究发现补体参与免疫反应的同时在恶性肿瘤的发生发展中发挥着重要作用，肿瘤微环境中的补体表达以及癌细胞产生的补体因子与肿瘤的生长密切相关，补体可通过多种途径被激活，目前主要有经典途径、旁路途径及凝集素途径，经典途径由与循环或表面的免疫复合物结合启动，而凝集素和旁路途径则由病原体相关分子模式(PAMPs)或受损、坏死细胞上的异常碳水化合物结构触发[14] [15]。Adrienne Boire等通过构建肺癌及乳腺癌脑膜转移、脑实质转移及其他部位转移的小鼠模型，发现仅在LM的小鼠CSF中检测到补体C3，而CSF微环境因血液–脑脊液屏障与体液环境相隔绝，处于无细胞及缺乏营养物质的状态，上述发现证实脑脊液中补体C3的存在可能是由LM癌细胞产生释放所致；他们又使用ELISA法测定了69例患有实体肿瘤和CNS转移临床症状患者的CSF中的C3水平，结果发现LM患者CSF的C3表达水平最高，而且不同类型恶性肿瘤LM患者CSF中都存在补体C3过表达，提示补体C3的激活与LM的发生发展存在一定相关性，以补体作为靶点的治疗策略值得进一步研究；随后，Adrienne Boire等在比较6名LM患者确诊前后的CSF细胞因子组成后发现补体系统可直接破坏颅脑脉络丛上皮，从而破坏血液–脑脊液屏障，使细胞因子进入CSF以支持癌细胞的生长，进一步证明补体C3可促进LM的发生发展[16]。

来自肿瘤细胞的循环DNA (Circulating tumor DNA, ctDNA)中携带大量肿瘤突变基因，可通过聚合链式反应及新一代测序法检测出来[17]，有研究[18]发现肿瘤细胞浸润脑膜后可直接接触CSF，使得ctDNA可直接进入CSF，由于BBB的存在，CSF中的ctDNA无法进入血液循环，表明通过检测CSF中ctDNA的含量可帮助诊断LM，还有助于了解其基因突变特征，帮助揭示LM发生发展的机制并寻求新的治疗靶点。张昆煜等通过对21例非小细胞肺癌(Non-small cell lung cancer, NSCLC) LM患者的CSF及外周血样本进行基因测序，发现与脑膜转移机制有关的如MYC基因扩增、CTNNB1、SMAD4基因突变等多种独有的基因突变，同时还观察到多种与PI3K/AKT/mTOR通路激活相关的如FGFR3、FGFR4、PIK3R1、AKT3、STK11基因出现不同程度的表达，这些基因的表达可帮助癌细胞突破BBB进入CSF，进一步适应CSF微环境，表明PI3K/AKT/mTOR通路的激活可能与LM的发生有关[19]。Yun Fan [20]等收集11例NSCLC-LM患者进行基因测序，发现CSF中表皮生长因子受体(Epidermal growth factor receptor, EGFR)突变类型与原发肿瘤高度一致，提示CSF中的EGFR突变检测可能帮助诊断并指导LM的治疗，并发现EGFR突变的NSCLC患者发生LM的频率明显高于EGFR野生型的患者，提示EGFR信号传导的增强可能促进LM的发生。但Yang-Si Li等[21]研究发现EGFR突变的NSCLC患者出现CNS转移的几率明显高于野生型EGFR患者，但在这些患者中仅有约10%的EGFR突变NSCLC患者发生LM，这提示在LM的发生发展过程中可能还存在其他因素的参与。Yun Fan等再次通过筛选检测在11例患者中发现4例患者的原发肿瘤和脑脊液中均检测到PIK3CA E545K突变，与EGFR突变阳性的未发生LM的肺腺癌人群相比，PIK3CA突变在发生LM的人群中表达明显增高，提示PIK3CA突变可能与LM相关。同样在肺鳞状细胞癌中发现PI3K异常表达增加与肿瘤具有更高的侵袭性以及患者预后不佳密切相关；另外他们发现与原发肿瘤相比，DNA双链断裂修复基因如BRCA2、RAD50等及错配修复基因MLH3和MSH3的复发性变异集中在CSF中，ARID1B和ATRX等染色质重塑基因的突变也多见于CSF中，提示细胞周期调控与DNA损伤反应可能是CSF复发性变异的主要途径，可能促进LM的发生发展，但这种变异与LM的治疗方式并无明显相关性[20]。

3. LM的治疗

LM治疗困难，预后差，目前的主要治疗目标是在改善患者生活质量的前提下尽可能延长生存期，并稳定神经系统症状。目前LM的治疗方法包括鞘内化疗(ITC)、放射治疗、靶向治疗及免疫治疗等，这些治疗方法可单独使用也可联合应用增强疗效。

3.1. 鞘内化疗

由于BBB的存在，常规的大分子抗肿瘤药物很难进入CNS抑制肿瘤细胞生长并消灭肿瘤细胞，全身化疗的疗效有限，因此通常采用ITC的方法绕过BBB将药物直接注入蛛网膜下腔直达病灶，提高药物在CSF中的浓度并杀伤脑脊液循环中的肿瘤细胞，因药物仅局限于脑脊液中，因此避免了因化疗引起的全身毒副反应[22]。目前ITC的途径主要包括经腰椎穿刺将药物打入蛛网膜下腔中，或行Ommaya储液囊植入脑室内化疗，考虑到疗效、风险及临床实用性等多方面因素，许多专家更倾向于Ommaya储液囊给药，因为该种给药途径发生硬膜外及硬膜下化疗药物渗漏的风险较小，并且疗效优于腰椎给药[23]。ITC的一线用药主要包括甲氨蝶呤、阿糖胞苷、阿糖胞苷脂质体以及噻替哌等药物[24]。目前有研究[25]认为培美曲塞联合铂类被认为是晚期NSCLC，特别是非鳞状细胞癌患者的一线治疗药物，与甲氨蝶呤相比，培美曲塞具有更广泛的抗肿瘤作用，可能在LM患者中受益，然而经全身化疗后培美曲塞在CSF中的浓度极低，因此可采用鞘内注射的方式来克服BBB对培美曲塞的阻碍作用。一项评估鞘内注射培美曲塞治疗酪氨酸激酶抑制剂治疗后进展的EGFR突变LM的疗效与安全性的单臂Ⅰ期/Ⅱ期临床试验中显示，Ⅰ期研究中发现培美曲塞的推荐剂量是50 mg，在Ⅱ期研究结果中显示对经过多线治疗后进展的LM患者鞘内注射培美曲塞的临床缓解率超过80%，中位生存期超过9个月，安全性较好，值得进一步研究[26]。

李琦等对76例LM患者进行随机分组对照，实验组予以甲氨蝶呤10 mg/(次·周)鞘内注射，共3次，同时予以鞘内注射10 mg地塞米松并联合全脑放疗(WBRT)，对照组予以单纯全脑放疗(WBRT)，最后统计两组的近期疗效，实验组DCR为25，PD为13，对照组DCR为15，PD为23，远期疗效显示实验组中位PFS6.3，中位OS10.1，对照组中位PFS3.1，中位OS6.3，结果表明鞘内注射甲氨蝶呤联合WBRT相较于单纯WBRT可提高近期疗效并延长无进展生存期及总生存期，明显提高了患者的生存质量，但该研究结果因病例数有限还需进一步验证[22]。但早期Bokstein等通过对104例LM患者的回顾性分析表明ITC联合全身化疗及放疗与仅使用全身化疗及放疗的LM患者中位生存期并无显著差异[27]。上述研究结果表明针对LM治疗的疗效仍有待进一步研究。

3.2. 放射治疗

对于因脑部局部巨大病灶造成CSF阻塞的患者，通过局部放射治疗可有效缩小病灶并缓解脑积水症状，恢复脑脊液流通甚至重建CSF循环，这样可以避免行CSF分流术，增加了后续行ITC的机会。由于LM可沿神经轴扩散至整个CNS，而单一的全脑放疗(Whole-brain radiotherapy, WBRT)或局部脊髓放疗的照射野无法覆盖整个神经轴，因此不能完全阻止LM在CNS中的进展。全脑全脊髓放疗(Craniospinal irradiation, CSI)照射范围广，可消灭CNS区域内的所有肿瘤细胞，可以更好地缓解CNS症状并控制病情进展，但传统CSI的毒副作用较强，如重度骨髓抑制、严重的放射性肠炎和放射性黏膜炎等[4]，患者承受力有限，使得后续无法与其他治疗相联合。当前更先进的放疗技术如调强适形放射治疗(Intensity-modulated radiation therapy, IMRT)、螺旋断层放射治疗及质子治疗可以显著降低射线带来的放射性毒副反应[28]，且有效性和安全性较传统放疗技术更高。Yang等人所进行的质子CSI与累及野放疗(Involved-field radiotherapy, IFRT)相对比的随机临床实验中，将63例NSCLC与乳腺癌LM患者随机分配至质子CSI组与IFRT组，观察到质子CSI的中枢神经系统中位PFS为7.5个月，而IFRT仅为2.3个月，质子CSI的OS为9.9个月，IFRT为6.0个月，证明质子CSI相比于IFRT具有显著的生存获益[29]。但该实验由于纳入样本量少，仍然需要进一步实验研究来证实质子CSI对LM患者生存期的影响。

Hirano等人纳入了204名患者，其中有22名LM患者和182名脑转移患者，给予WBRT，通过随访结果显示LM患者的中位总生存期为440天，脑转移患者的中位总生存期为322天，结果证明WBRT与LM患者的长期生存可能存在关联[30]。同时该项研究发现WBRT可以改善大部分LM患者头痛、恶心等症状，但对于癫痫发作及意识障碍等不可逆性神经损害症状的改善并不明显。另有多项回顾性研究显示接受过完整疗程的WBRT的LM患者的生存期有所延长，在其中采取多种方式联合治疗的LM患者的生存期最长[31] [32]。

3.3. 靶向治疗

第三代EGFR抑制剂奥希替尼有更好的CNS渗透性，且对于EGFR突变的NSCLC-LM患者给予口服大剂量奥希替尼(每日160 mg)可显示出不同程度的生存获益[33]，对EGFR突变的NSCLC-LM患者的治疗中具有重要意义。虽然第一代间变性淋巴瘤激酶(Anaplastic lymphoma kinase, ALK)抑制剂克唑替尼对BBB的穿透性较差，但有研究显示在LM患者经WBRT后给予克唑替尼或同时鞘内注射甲氨蝶呤，可显著延长PFS (6~10个月) [34]。第二代ALK抑制剂色瑞替尼在克唑替尼治疗LM失败后联合传统化疗或WBRT时也可在一定程度上延长PFS (5~18个月) [35]。劳拉替尼是目前较新的ALK抑制剂之一，在一项针对197例ALK阳性NSCLC患者的Ⅱ期临床研究中，劳拉替尼其中表现出较强的颅内活性[36]。并且一份病例报告指出劳拉替尼具有较高的CSF渗透率[37]，可能对于中枢神经系统转移尤其是LM患者具有一定疗效。多项研究表明在人表皮生长因子受体2 (Human epidermal growth factor receptor 2, HER2)阳性乳腺癌脑转移患者中，曲妥珠单抗可缓解CNS症状并延长生存期[38]，可能对于LM患者的疗效有一定帮助。在另一项关于鞘内注射曲妥珠单抗治疗HER2阳性乳腺癌LM患者的研究中，共招募34名乳腺癌LM患者，中位OS为10.5个月，在治疗期间未出现明显毒副反应，具有较高的安全性和有效性，有希望改善HER2阳性乳腺癌LM患者预后[39]。Geukes Foppen等收集分析39例黑色素瘤LM患者发现采用系统靶向治疗联合免疫抑制剂的治疗模式可增加LM总生存期并可能达到长期缓解[40]。目前黑色素瘤主要靶向药物为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(B-Raf proto-oncogene, serine/threonine kinase, BRAF) V600E抑制剂包括达拉非尼和维罗非尼，但有研究表明对于黑色素瘤脑转移和脑膜转移患者应用BRAF抑制剂效果欠佳，可能与BBB的阻碍作用相关[41]，而且大多数研究主要集中于黑色素瘤脑转移患者的疗效中，而对于黑色素瘤LM患者的治疗急需开展相应研究。

3.4. 免疫治疗

有研究发现抗细胞程序性死亡受体-1 (Programmed death 1, PD-1)、抗细胞程序性死亡受体配体1 (Programmed death ligand 1, PD-L1)和抗细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白-4 (Cytotoxic T lymphocyte-associated protein-4, CTLA-4)三类药物对NSCLC和黑色素瘤来源的LM均有不错的疗效[42]。其中伊匹木单抗和纳武利尤单抗可分别阻断CTLA-4和PD-1单克隆抗体，在许多实体瘤治疗中取得了显著的疗效，但在LM中的研究仍然很少。其中帕博利珠单抗在两项难治性高级别LM患者的临床实验中表现出生存获益，但仍需更多的相应研究明确免疫药物对LM的疗效[43]。在一项研究中纳入对42例黑色素瘤LM患者，对其单纯鞘内灌注白介素-2 (IL-2)，显示出一定的生存获益，中位总生存期(OS)为9.1个月，超过16%的患者存活超过24个月[44]。目前，抗肿瘤免疫药物的BBB渗透率仍然有限，还需要对这些药物进行更多研究，以进一步明确免疫药物对LM的疗效。

聚焦超声(Focused ultrasound, FUS)、肿瘤浸润淋巴细胞(Tumor-infiltrating lymphocytes, TILs)、嵌合抗原受体(Chimeric antigen receptor, CAR) T细胞及BBB穿透化合物等针对LM的实验性治疗可能对LM有一定的临床获益，但尚无定论，还需要更多实验及临床研究来证实[45]。

4. 结论

由于恶性肿瘤的微环境、肿瘤细胞固有的侵袭性和BBB及血脑脊液屏障在一定程度上限制了治疗药物渗透，LM的治疗方法受限。进一步探索LM的病理生理机制可以帮助研究更有效的治疗策略。放射治疗可以在一定程度上改善患者的生活质量，帮助恢复脑脊液灌注，为ITC提供机会。而靶向及免疫治疗的兴起为治疗LM提供了新思路，根据患者具体情况及原发肿瘤基因特性进行的个性化综合治疗手段可帮助缓解LM的CNS症状，改善生活质量。由于目前关于LM的病例报告及随机试验研究较少，且大部分LM患者被排除在前瞻性实验之外，关于LM的临床治疗指南大部分来源于小型回顾性分析与专家共识，因此对于LM的最佳治疗方案还未明确，有必要进行更多前瞻性研究以探索疗效更佳的治疗方法。

基金项目

内蒙古自治区科技计划项目：2019GG151。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。