碳离子辐射诱导人脑类器官中相对生物效能与神经干细胞命运异常：揭示放射性脑损伤新机制

《Radiotherapy and Oncology》：Relative biological effectiveness and neural stem cell fate in carbon ion–irradiated human brain organoids

【编辑推荐】为阐明碳离子放疗后对比增强脑损伤的形成机制，本研究利用人脑类器官模型，发现高能碳离子（12C）可诱导异位脉络丛（CP）样结构形成，其相对生物效能（RBE）为2.0。研究揭示了NOTCH、WNT、BMP信号通路失调驱动神经上皮干细胞分化轨迹异常，为优化脑肿瘤粒子治疗剂量规划提供了关键实验依据。

　　

在脑肿瘤治疗领域，碳离子放疗因其独特的物理剂量分布和更高的相对生物效能（RBE）而备受关注。与传统X射线相比，碳离子能够更精准地杀伤肿瘤细胞，同时减少对周围正常脑组织的损伤。然而，临床观察发现，接受粒子放疗（包括质子和碳离子）的患者，特别是儿童脑肿瘤患者，出现对比增强病灶（CELs）的风险显著增高。这些病灶通常被归因于放射性坏死（RN），但其形成的细胞和分子机制至今尚未明确。

为解决这一临床难题，德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的Tamara Bender、Marco Durante和Insa S. Schroeder团队在《Radiotherapy and Oncology》上发表了一项创新性研究。他们利用人脑类器官这一前沿的3D体外模型，深入探究了高能碳离子辐射对正常脑组织发育的影响。研究人员假设，碳离子辐射会通过干扰神经干细胞的正常分化，诱导异常的细胞命运转变，从而引发类似临床所见的病理改变。

关键技术方法概述

本研究采用人胚胎干细胞（H9细胞系）来源的脑类器官作为研究模型，遵循Lancaster等人的非指导性分化方案。实验核心包括：在类器官发育的早期（第20天，富含神经上皮祖细胞）和晚期（第80天，形成成熟神经元网络）两个阶段，对其进行不同剂量（0.5–4 Gy或3–15 Gy）的高能碳离子（¹²C）照射。随后，通过形态学分析（测量类器官面积和液腔形成）、实时定量PCR（qRT-PCR）检测基因表达变化、以及免疫荧光（IF）染色分析蛋白定位，系统评估了辐射效应。数据分析基于至少两次独立实验，并进行了适当的统计学检验。

研究结果

生长抑制与液腔形成

研究发现，在发育早期（d20）接受碳离子照射的类器官，在照射后40天（d60）表现出剂量依赖性的生长迟缓。与未照射对照组相比，0.5 Gy照射可使类器官面积减少1.5倍，而4 Gy照射可使面积减少8.2倍，甚至退回到d20时的大小。更重要的是，碳离子辐射诱导了液腔的形成。在d60分析的类器官中，高达65%的类器官在4 Gy照射后形成液腔，而未照射对照组仅为5%。在发育晚期（d80）照射的类器官中，也观察到了类似的剂量依赖性液腔形成。通过剂量反应曲线计算，碳离子在诱导液腔形成这一终点上的RBE值为2.0，这与先前研究中质子在水搏（SOBP）区的RBE值一致。

脉络丛（CP）样结构的分子证据

基因表达分析显示，碳离子辐射改变了与脉络丛发育相关的关键基因的表达。在照射后60天（d80）的类器官中，脉络丛上皮标志物水通道蛋白1（AQP1）、紧密连接蛋白3（CLDN3）以及钾离子通道KIR7.1等的mRNA水平在1 Gy和4 Gy照射后均有升高。虽然由于数据变异较大，部分结果未达到统计学显著性，但趋势明确。免疫荧光染色结果提供了更确凿的证据：在d80接受15 Gy照射、于d100分析的类器官中，可以清晰地观察到表达AQP1和CLDN3的单层上皮细胞结构，这些细胞完美地衬在液腔表面，形成了典型的脉络丛样组织。

关键发育信号通路的改变

研究进一步探讨了辐射影响细胞分化的潜在机制。NOTCH信号通路成员（NOTCH1, NOTCH2, HES1, HES5）、WNT信号通路成员（WNT3, WNT5A, LEF1）以及BMP信号通路成员（BMP4）的mRNA表达水平在照射后发生了改变。这些通路精确调控着神经发生和脉络丛的形成。值得注意的是，碳离子照射后，WNT通路相关基因的表达呈现出与X射线或质子照射不同的变化模式，如下调趋势，这可能与碳离子诱导的更复杂、更聚集的DNA损伤模式有关。

神经元分化的抑制

免疫荧光染色显示，在形成脉络丛样结构的区域，神经元标志物微管相关蛋白2（MAP2）的表达显著降低。这表明辐射诱导的脉络丛样结构形成是以牺牲神经元为代价的，即神经干细胞的分化轨迹从生成神经元错误地转向了生成脉络丛上皮细胞。

结论与意义

本研究首次在人类脑类器官模型中证实，碳离子辐射能够诱导异位脉络丛样结构的形成，并将其确立为放射性对比增强病灶的一种潜在细胞机制。该效应的RBE值为2.0，这一发现对于临床碳离子治疗具有直接指导意义：在制定脑肿瘤，尤其是儿童脑肿瘤的放疗计划时，必须考虑到正常脑组织对碳离子的敏感性更高，因此可能需要调整剂量阈值以确保安全。

在讨论中，作者指出，尽管脑类器官模型缺乏血管系统和免疫细胞等体内复杂环境，但它成功剥离了血管因素，独立揭示了辐射直接作用于神经上皮干细胞、导致其异常分化为脉络丛上皮的细胞自主性机制。这种由NOTCH、WNT和BMP信号通路失调驱动的命运转变，为理解放射性脑损伤提供了全新的视角。研究提示，未来或可针对这些关键信号通路开发干预措施，以预防或减轻放疗后的脑组织并发症。

总之，这项研究不仅深化了我们对粒子放疗副作用机制的理解，而且展示了脑类器官在放射生物学研究中的巨大价值，为优化放疗策略、提升治疗安全性奠定了重要的理论基础。