综述：脑转移瘤的演进格局：第二卷

《TRENDS IN Cancer》：The evolving landscape of brain metastasis: volume II

本综述由领域内多位顶尖专家联合撰写，系统梳理了脑转移瘤（BrM）研究在过去七年的革命性进展。文章深度整合了组学、肿瘤微环境、代谢重编程等前沿发现，揭示了BrM独特的生物学特征（如染色体不稳定性CIN、神经样分化），并展望了基于精准医疗的预防与治疗新策略（如抗体偶联药物ADC、免疫检查点抑制剂ICB），为这一高死亡率领域带来了新的希望。

　　

脑转移瘤的演进格局：从基础生物学到临床转化的新视野

脑转移瘤（BrM）是最常见的颅内恶性肿瘤，高达30%的成年癌症患者会发生脑转移，是癌症相关发病率和死亡率的主要原因。曾被视为系统性疾病的终末期表现，BrM如今被认为是一种独特的生物学状况，具有独特的器官趋向性、定植和治疗脆弱性机制。

组学策略的交叉视角

综合基因组分析研究为BrM的分子图谱提供了关键见解。与匹配的原发肿瘤或颅外转移瘤的比较分析揭示了不同的进化路径，并发现了驱动脑转移器官趋向性的特征。单细胞和空间组学技术革命性地推动了这一领域，能够以高分辨率解析转移生态系统。

近期研究的一个突出发现是BrM表现出比原发肿瘤和颅外转移瘤更高的染色体不稳定性（CIN）。CIN是癌症的一个标志，其特征是染色体数量和结构的频繁变化。至少六项近期研究显示，在黑色素瘤、非小细胞肺癌（NSCLC）、结直肠癌和乳腺癌等多种癌症类型中，BrM的CIN率显著更高。实验证据表明，CIN可能机械性地促进脑特异性器官趋向性。

单细胞基因组方法，如单细胞/细胞核RNA测序（scRNA-seq/snRNA-seq）和空间转录组学，在解析转移生态系统方面发挥了重要作用。目前最全面的数据存在于NSCLC来源的BrM。研究发现，恶性细胞中支气管肺泡分化状态的丧失是脑内的一个共同标志。引人入胜的是，具有神经样特征（类似于原发性脑肿瘤，如胶质瘤）的癌细胞在原发肿瘤中已存在，但在BrM中显著富集，这表明这些细胞可能易于发生脑趋向性。黑色素瘤患者的单细胞转录组分析也证实，脑转移性黑色素瘤细胞与颅外黑色素瘤转移相比，采用了神经样状态。

肿瘤微环境（TME）

大脑微环境相对于其他转移部位是独特的，这是由于细胞外基质的独特组成、血脑屏障（BBB）的存在以及包括神经元、小胶质细胞、少突胶质细胞和星形胶质细胞在内的组织驻留细胞类型。

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  与血管系统的相互作用：血脑屏障由具有强大紧密连接的内皮细胞组成，周围被周细胞/壁细胞和星形胶质细胞足突包围，形成保护大脑的屏障。播散的癌细胞必须首先穿越血脑屏障。穿越后，癌细胞保留与血管周围生态位的相互作用以成功定植大脑。研究表明，大脑内皮细胞可能不是这个过程中的被动区室。穿越血脑屏障后，播散的癌细胞经常与血管腔外侧面保持关联，进行血管共择。这个过程涉及L1CAM的接合，也刺激癌细胞中整合素β1下游的ILK依赖性信号传导，驱动形态变化，使癌细胞能够沿血管扩散。
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  与星形胶质细胞的相互作用：星形胶质细胞逐渐成为BrM形成过程中起复杂作用的关键脑驻留细胞类型。作为血脑屏障或血肿瘤屏障（BTB）的一部分，星形胶质细胞衍生的分泌因子（如IL-6、CCL2）可以通过增加血脑屏障通透性或直接刺激癌细胞穿越完整的血脑屏障外渗，对癌细胞的初始播散产生积极影响。外渗后，反应性星形胶质细胞可以影响定植大脑的癌细胞的命运。研究发现，被星形胶质细胞足突包裹的BrM细胞处于休眠状态，而增殖性微转移灶则表现出足突覆盖减少。星形胶质细胞衍生的层粘连蛋白-a2诱导乳腺癌细胞中肌营养不良蛋白的表达，导致YAP胞质滞留和休眠状态的建立。
  星形胶质细胞的一个亚群通过损害抗肿瘤免疫反应促进转移瘤生长。这个反应性星形胶质细胞亚群通过STAT3的激活来识别，pSTAT3+星形胶质细胞部分通过其局部抑制活化CD8+ T细胞的能力来增强BrM的形成。随后，特异性消融星形胶质细胞中的TIMP1导致T细胞浸润和活化增加，从而减少BrM。此外，星形胶质细胞通过富集先天免疫系统的特定区室来促进局部免疫抑制。例如，单核髓源性抑制细胞（M-MDSC）由于星形胶质细胞分泌CCL2而被吸引到BrM。
  星形胶质细胞的功能重编程似乎源于癌细胞分泌因子水平的增加，这会触发内在可塑性胶质细胞的功能重编程。例如，星形胶质细胞受到小细胞肺癌（SCLC）细胞的影响，采用一种转录程序，包括与星形胶质细胞神经保护功能相关的基因（NGF、BDNF、TGF-α、SERPINE1）。干扰这个在星形胶质细胞中激活的程序会导致癌细胞死亡增加和转移负荷减少。
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  与免疫系统的相互作用：在癌症背景下，这种平衡被打破，导致抑制炎症以保护脑功能的机制与促进抗肿瘤免疫的机制之间发生动态相互作用。BrM中的免疫景观相对于原发性脑肿瘤明显更多样化。
  T细胞可以通过不同的解剖途径浸润BrM，但其丰度和功能状态存在显著的患者间异质性。虽然一些BrM，特别是肺癌来源的（NSCLC，肺腺癌），含有可能具有肿瘤反应性的表达CXCL13的CD39+ T细胞（pTRT），但大多数病变表现出相对较低的T细胞浸润和有限的肿瘤反应性。即使在pTRT细胞高的肿瘤中，免疫抑制仍然占主导地位。
  血液中中性粒细胞/淋巴细胞比率升高与多种癌症患者的不良预后相关，最近也在BrM患者中有报道。新兴数据显示中性粒细胞可以浸润BrM，不同实体癌之间有一定程度的变异性。对来自BrM患者的匹配外周血中性粒细胞和肿瘤相关中性粒细胞（TAN）的分析显示，TAN具有转录上独特的促炎表型。空间分析表明，TAN定位于血管周围和髓系细胞生态位，它们通过IL-8、G-CSF和程序性死亡配体1（PD-L1）介导的T细胞抑制等方式促进免疫抑制、血管生成和肿瘤进展。
  肿瘤相关巨噬细胞（TAM）是脑恶性肿瘤中最丰富和最多样化的免疫细胞群之一。TAM表现出非凡的多样性，包括反映不同起源和表型的不同群体，包括驻留小胶质细胞、从外周血浸润的单核来源巨噬细胞（MDM）以及来自软脑膜的边界相关巨噬细胞。与原发性脑肿瘤中小胶质细胞是主要TAM群体不同，BrM中MDM的比例更高。MDM通过分泌增强血管生成、调节T细胞活性和促进细胞外基质重塑的因子，发挥免疫抑制作用，支持转移瘤生长。
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  与神经元相互作用的新兴意义：神经元是健康和疾病中器官特异性功能的核心。然而，令人惊讶的是，人们花了很长时间才充分认识到它们在BrM病理生物学中的作用，这目前在癌症神经科学领域中的研究仍然不足。
  已在大脑中定植并形成大转移灶的乳腺癌细胞不仅可以在神经元突触附近以突触周围构型（“假三联体”）存在，而且还被证明能通过NMDA谷氨酸受体响应附近突触间隙释放的谷氨酸。转移细胞对谷氨酸的摄取被证明支持肿瘤细胞增殖。作为额外证据，乳腺癌脑转移早期阶段的GABA信号传导可以支持癌细胞在脑环境中的存活和生长。这些不同的神经递质被癌细胞利用以促进其定植大脑的能力。
  该领域一个研究不足的问题是BrM对神经认知功能的影响。新诊断的BrM患者，即使功能损害最小，也常常表现出认知功能障碍。最近研究表明，具有不同遗传谱的不同原发性癌症类型的癌细胞可以差异性地影响大脑中神经回路的功能。这项工作表明，实验模型可用于研究转移对大脑活动的影响。

代谢

播散的肿瘤细胞在定植大脑后经历深刻的代谢重编程。这些适应改变了BrM细胞摄取和利用关键代谢物的方式，同时通过释放代谢副产物重塑微环境。

虽然来自不同癌症类型的BrM细胞的一些代谢途径保持一致，但也存在明显的不同代谢过程，反映了代谢异质性。BrM可能表现出代谢可塑性，通过更有效地利用相同的关键营养素，或者表现出代谢灵活性，利用脑微环境中的可用营养素来满足其能量需求、生物合成需求和氧化还原平衡。

核心代谢途径，如糖酵解和磷酸戊糖途径活性的增加，由致癌突变（如c-MYC、人表皮生长因子受体2（HER2）、PIK3CA）驱动，增强了乳腺癌BrM中NADPH的产生和核苷酸合成。葡萄糖利用增强，由糖酵解酶和转运蛋白的上调驱动，支持能量生产，有助于微环境酸化，并促进乳腺癌和肺癌BrM的治疗抵抗和转移生长。改变线粒体生物发生和动力学导致氧化磷酸化（OXPHOS）调节，这对于维持细胞能量需求、氧化还原平衡和生物合成途径至关重要。BrM经常上调线粒体蛋白（如ALDH9A1、FH、COX7B）的产生，或利用GABA支路驱动这种氧化转变。

为了在营养匮乏的脑微环境中生存，转移细胞还依赖于增强的氨基酸转运和分解代谢。氨基酸转运体（如LAT1）的表达升高促进了必需氨基酸（包括支链氨基酸（BCAA）、苯丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸和酪氨酸）穿越血脑屏障的摄取。BCAT1表达增加和BCAA分解代谢降低了α-酮戊二酸水平并抑制了m6A去甲基酶ALKBH5，这与NSCLC的不良预后相关。类似地，三阴性乳腺癌（TNBC）BrM在葡萄糖受限条件下依赖谷氨酰胺和BCAA分解代谢来维持糖异生。

除了直接获取营养，BrM细胞积极重塑脑微环境的代谢景观。例如，乳腺癌BrM可以释放携带miR-199b-5p的细胞外囊泡，该miRNA下调星形胶质细胞（SLC1A2/EAAT2）和神经元（SLC38A2/SNAT2和SLC16A7/MCT2）中的溶质载体表达。结果，星形胶质细胞和神经元之间的代谢耦合被破坏，导致谷氨酰胺、谷氨酸和乳酸在细胞外微环境中积累，这些可以被转移细胞摄取以促进其生长。

实验模型与技术进展

临床前研究的质量和转化价值取决于实验模型在多大程度上再现人类疾病。尽管经过二十多年的研究，仍然缺乏能够完全重现从原发肿瘤形成到大脑中大转移灶建立的整个转移级联过程的实验模型。然而，基因工程小鼠模型（GEMM）的进展允许研究自发性BrM。此外，也建立了能够从原位接种定植大脑的转移性细胞系。

除了体内模型，实验性离体方法允许直接在人类BrM样本上测试疗法。使用患者来源的器官型培养物（PDOC）提供了一个临床相关平台，用于在启动临床试验前跨多个患者评估疗法。这种离体方法已证明能够预测患者反应、评估局部毒性、识别药物反应的生物标志物、测试联合疗法，甚至可升级为中通量药物筛选平台。

建模BrM标准护理疗法方面也取得进展。实验神经外科模型为研究术后复发提供了有用工具，术后复发仍然是一个没有既定标准护理治疗计划的主要临床挑战。临床前模型结合全脑放疗（WBRT）报告了由脑微环境诱导的获得性放射抵抗机制。分子分析表明，通过RAGE抑制剂阻断抵抗途径可以改善小鼠的反应。最近，乳腺癌脑转移的立体定向放射外科（SRS）临床前建模显示，虽然CD8 T细胞浸润BrM，但由于局部免疫抑制，它们未能增强放疗疗效。

治疗进展

随着许多癌症系统性治疗的进展，BrM越来越可以通过一系列医学方法进行治疗。靶点识别、药物设计和临床试验设计方面的突破已导致改善的结局，包括BrM患者生存期延长。

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  小分子抑制剂：靶向治疗，包括小分子酪氨酸激酶抑制剂（TKI），已显著改善具有可操作基因组改变的患者的总生存期（OS）和中枢神经系统特异性结局。最显著的例子之一是针对表皮生长因子受体（EGFR）的连续几代TKI，它们对10-15%携带EGFR激活突变（包括外显子19缺失、外显子21替换（如L858R）和外显子20耐药突变T790M）的NSCLC变得非常有效。第三代EGFR-TKI奥希替尼在临床前模型中显示出与早期EGFR-TKI相比增强的血脑屏障穿透性，并在BrM患者中显示出显著的临床益处。
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  抗体偶联药物（ADC）：ADC已成为BrM的一类有前景的强效药物，特别是在HER2阳性乳腺癌中。Trastuzumab deruxtecan（T-DXd）已显示出显著的头颅内活性，前瞻性试验报告客观头颅内反应率约为60-70%。因此，根据当代指南，T-DXd现在是HER2阳性乳腺癌BrM的推荐治疗。
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  中枢神经系统转移的免疫治疗：免疫检查点抑制剂（ICB）的出现过去二十年改变了癌症治疗学。最初，患有中枢神经系统转移的患者被排除在伊匹木单抗（抗CTLA4抗体）以及帕博利珠单抗和纳武利尤单抗（抗PD1抗体）及其组合的早期试验之外。然而，最初的观察数据显示，在方案外接受治疗或参加伊匹木单抗早期准入计划的转移性黑色素瘤患者显示出对中枢神经系统转移的潜在活性。随后在转移性黑色素瘤中的试验专门招募了BrM患者，接受单药抗PD1抗体治疗，帕博利珠单抗和纳武利尤单抗均实现了约22%患者的头颅内客观缓解率（ORR）。抗CTLA4和抗PD1治疗的组合随后在一项大型3期试验中进行了评估，该试验将这种双重ICB与单药抗CTLA4治疗进行了比较。研究提示双重疗法相对于单药抗PD1有小的优势，尽管代价是毒性增加。然而，两项独立的针对黑色素瘤BrM患者的2期试验证实，双重ICB治疗表现出优异的头颅内活性，缓解率至少与颅外疾病相当，在超过50%的患者中产生持久的头颅内客观缓解率。

预防

尽管中枢神经系统转移的治疗取得了重要进展，但目前的策略在很大程度上仍然是反应性的，对于大多数患者改变脑转移性疾病自然史的能力有限。识别发生中枢神经系统转移的高风险患者群体（称为一级预防）对于制定优化、成本效益高和有针对性的预防策略至关重要。各种预测工具正在探索中以支持这一目标，机器学习和人工智能的快速进展有助于识别可靠的生物标志物。

临床前研究提供了大量资源，用于功能性探索临床相关性、验证生物标志物和优化预防治疗策略。然而，一个关键的挑战仍然是将这些发现转化为临床相关场景。一种有前景的方法是使用机会窗口试验，允许在标准治疗（如手术）之前对患者测试治疗干预措施。迄今为止，成功的一级或二级中枢神经系统预防的例子仅限于具有非常特定、明确无误的躯干分子改变的患者：这些改变在原发肿瘤和BrM之间共享，并且存在匹配的靶向治疗。此外，接受ICB抗体治疗的一个亚群患者显示出减少的中枢神经系统进展。

结论

总之，本综述中讨论的研究和策略强调了一个中心主题：BrM不仅仅是系统疾病的延伸，而是一个独特的生物学和临床实体。从控制脑趋向性的基因组和细胞特征，到在中枢神经系统内实现生存和进展的特化微环境和代谢适应，BrM为治疗干预提供了独特的脆弱性。一种更综合的方法——将高分辨率基础科学与预测工具、创新模型、治疗开发和以患者为中心的临床设计联系起来——现在触手可及。