综述：中枢神经系统疾病与障碍生物标志物的分子进展特刊

《International Journal of Molecular Sciences》：Special Issue “Molecular Advances in Biomarkers of Central Nervous System Diseases and Disorders”

　　

胶质母细胞瘤(glioblastoma, GB)是中枢神经系统最具侵袭性的原发性肿瘤，尽管采用当前的治疗方式，仍具有高度侵袭性、快速进展和预后不良的特征。使用IDH1、TERT和MGMT等生物标志物进行分子分层，是2021年WHO分类中改善诊断和预后的关键步骤。氧化应激是GB的一个特征，已被确定为肿瘤发生、进展和治疗抵抗的重要因素。它源于线粒体代谢、NADPH氧化酶以及电离辐射和外源性物质等外源来源产生的活性氧(reactive oxygen species, ROS)与抗氧化防御之间的失衡。这种失衡导致DNA损伤、基因组不稳定以及涉及细胞增殖、凋亡和肿瘤进展的信号通路失调。本综述概述了关键氧化应激生物标志物及其在肿瘤抑制和进展中的双重作用。文章强调了氧化应激如何影响当前GB治疗的反应和抵抗，包括Nrf2–Keap1通路等氧化还原适应性机制，该通路可促进放射抵抗。最后，本文讨论了理解这些机制以制定靶向氧化还原平衡和稳态的治疗策略的潜力，旨在克服抵抗并改善胶质母细胞瘤患者的生存结局。

1. 引言

胶质瘤是中枢神经系统最常见的原发性肿瘤，起源于胶质细胞。胶质瘤发生是由遗传改变和表观遗传修饰驱动的复杂过程，涉及正常胶质细胞向具有增殖能力、弥漫性实质浸润和血管生成的恶性细胞转化。

2. 方法

本综述通过PubMed/MEDLINE、Scopus和Web of Science数据库进行文献检索，重点涵盖2020至2026年发表的文献，同时纳入较早期文献作为基础背景。检索策略采用"胶质母细胞瘤"、"氧化应激"、"活性氧"、"氧化还原"、"NRF2"、"KEAP1"、"NOX4"、"生物标志物"、"放射抵抗"、"化学抵抗"及"替莫唑胺"等关键词组合。纳入标准包括原始研究、临床前体内外研究、临床研究及相关文献综述。

3. 胶质母细胞瘤的分子与临床特征

胶质瘤涵盖从低级别弥漫性星形细胞瘤到高度侵袭性胶质母细胞瘤(WHO 4级)的多种恶性肿瘤。GB是成人最常见的原发性恶性脑肿瘤，年龄调整年发病率约为每10万人3–5例，发病高峰在55–75岁。尽管采用最大安全手术切除、放疗联合替莫唑胺(temozolomide, TMZ)化疗的Stupp方案，中位总生存期仍仅15–20个月，5年生存率低于10%。诊断需整合神经影像学与组织病理学分析，液体活检作为补充技术可检测循环肿瘤DNA、循环肿瘤细胞、microRNA及细胞外囊泡等标志物。2021年WHO中枢神经系统肿瘤分类(WHO CNS5)采用组织分子整合诊断方法，"胶质母细胞瘤"仅用于IDH野生型星形细胞肿瘤。关键生物标志物包括IDH1/2突变、TERT启动子突变、EGFR扩增、PTEN缺失及MGMT启动子甲基化等。尽管分子标志物改善了GB的诊断和分类，但代谢重编程和氧化还原稳态破坏是GB发病机制的基本要素。

4. 胶质母细胞瘤中的氧化还原信号网络

4.1. 内源性细胞ROS生成

活性氧在生理和病理信号转导中均可产生，源自细胞质、内质网、线粒体和过氧化物酶体等细胞器。ROS积累与NF-κB、RAS/RAF和MAPK1/2等信号通路紊乱相关。

4.1.1. 线粒体氧化代谢相关生物标志物

线粒体通过电子传递链(electron transport chain, ETC)生成ATP，同时产生大量ROS。复合物I和III是超氧阴离子的主要产生位点，当线粒体膜电位异常或NADH/NAD⁺比值升高时，复合物II也可通过电子逆流产生ROS。GB细胞处于慢性氧化应激状态，该状态支持肿瘤进展和治疗抵抗而非凋亡。线粒体ROS(mitochondrial ROS, mtROS)激活PI3K/AKT、NF-κB、MAPK和缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α)等致癌信号通路，并维持胶质瘤干细胞(glioma stem cells, GSCs)的干性和治疗抵抗。GB中线粒体功能障碍与Warburg效应密切相关，但GSCs实际上更依赖氧化磷酸化而非单纯糖酵解，表现出代谢灵活性。靶向线粒体代谢的策略包括二氯乙酸(dichloroacetate, DCA)抑制丙酮酸脱氢酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase, PDK)、二甲双胍抑制复合物I以及谷氨酰胺酶抑制剂Telaglenastat等。此外，线粒体代谢通过乙酰辅酶A、α-酮戊二酸(α-KG)、琥珀酸和NAD⁺等代谢物连接代谢与染色质重塑，形成代谢-表观遗传轴。

异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase, IDH1/IDH2)正常时将异柠檬酸转化为α-KG并产生NADPH，对维持还原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)再生和ROS调节至关重要。8-羟基-2-脱氧鸟苷(8-hydroxy-2-deoxyguanosine, 8-OHdG)是DNA氧化损伤的标志物，可导致DNA复制错误和基因组不稳定。8-氧代鸟嘌呤DNA糖基化酶1(8-oxoguanine DNA glycosylase 1, OGG1)通过碱基切除修复途径修复8-OHdG，其功能障碍与癌症发生和进展密切相关。NADPH氧化酶(NADPH oxidase, NOX)家族包括NOX1–NOX5、DUOX1和DUOX2七个亚型，其中NOX1、NOX4和NOX5与ROS产生密切相关。NOX4在GB肿瘤组织和胶质瘤干细胞中高表达，作为转化生长因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)信号的下游效应分子，参与维持干细胞表型、增殖、侵袭和缺氧适应。谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPx)家族是硒依赖性抗氧化酶，GPx1在缺氧条件下通过HIF-1α依赖性转录维持过氧化氢(H₂O₂)稳态，其耗竭可诱导GB细胞凋亡。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)家族包括SOD1、SOD2和SOD3三种亚型，SOD2在GB中与TMZ抵抗相关，抑制SOD2可增加TMZ诱导的氧化应激并恢复药物敏感性。

4.1.2. 过氧化物酶体氧化代谢相关生物标志物

过氧化物酶体通过氧化酶产生ROS，同时具有过氧化氢酶(catalase, CAT)等抗氧化系统以维持ROS产生与清除的平衡。过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator-activated receptor alpha, PPARα)调节脂肪酸转运和β-氧化相关基因，PPARα激动剂通过促进脂肪酸氧化和减少葡萄糖摄取来抑制"Warburg样"代谢。PPARγ在间充质胶质瘤干细胞中高表达，其激活可阻断STAT3信号通路并降低肿瘤干性。过氧化氢酶通过分解H₂O₂调节细胞氧化还原平衡，GB中CAT活性升高与TMZ和放疗抵抗相关，抑制CAT可导致H₂O₂积累和肿瘤细胞增殖减少。

4.2. 外源性ROS生成

4.2.1. 电离辐射

电离辐射(ionizing radiation, IR)是放疗的主要组成部分，通过水的辐解(间接作用)和直接靶向生物分子(直接作用)两种机制产生大量ROS，约占辐射诱导生物学损伤的60–70%。IR还促进线粒体过度活跃，导致电子传递链持续功能障碍。此外，IR可诱导DNA双链断裂、细胞周期阻滞和铁死亡，并介导辐射诱导的正常组织损伤。

4.2.2. 外源性化学物质

外源性化学物质包括香烟烟雾成分和化学污染物(如苯、多环芳烃、重金属等)。这些化合物主要通过细胞色素P450和NADPH还原酶代谢，产生大量ROS。醌类化合物通过氧化还原循环持续产生ROS，重金属(如铅、镉、汞)则通过削弱SOD、过氧化氢酶和谷胱甘肽等抗氧化系统加重氧化应激。

5. 讨论

5.1. 胶质母细胞瘤异质性与肿瘤微环境的相互作用

GB的高度分子和代谢异质性决定肿瘤细胞对氧化应激和治疗压力的反应方式。单细胞RNA测序显示GB细胞呈现星形胶质细胞样、少突胶质前体细胞样、神经前体细胞样和间充质样等多种动态状态。肿瘤相关巨噬细胞在GB微环境中获得免疫抑制表型，通过产生TGF-β和IL-10等抗炎细胞因子促进血管生成、侵袭和细胞外基质重塑。缺氧条件下HIF-1α稳定化促进VEGF介导的血管生成、糖酵解代谢转变和干性维持，形成自我强化的循环，推动肿瘤进展和治疗抵抗。

5.2. KEAP1–NRF2信号轴在胶质母细胞瘤发展和治疗抵抗中的作用

KEAP1–NRF2信号通路是细胞氧化还原平衡的关键调节因子。在基础条件下，KEAP1促进NRF2泛素化和蛋白酶体降解；氧化或亲电应激修饰KEAP1的反应性半胱氨酸残基，使NRF2积聚并激活抗氧化反应元件(antioxidant response element, ARE)依赖性基因。GB中NRF2的持续激活可通过EGFR、PI3K/AKT、mTOR和HIF-1α等上游致癌通路失调以及p62/SQSTM1积累而产生。NRF2调节磷酸戊糖途径、谷氨酰胺代谢和NADPH生物合成相关酶的表达，维持谷胱甘肽再生所需的还原当量。NRF2激活与TMZ抵抗相关，TRIM25通过增加KEAP1泛素化促进NRF2稳定和核积聚，降低氧化应激并增强TMZ抵抗。放疗本身可同时触发NRF2信号，上调抗氧化酶、增加谷胱甘肽合成并抑制凋亡。药理学抑制或基因沉默NRF2可增加细胞内ROS积累、损害谷胱甘肽代谢、减少胶质瘤干细胞维持并显著提高放疗和TMZ的疗效。Brusatol、ML385和Halofuginone等NRF2靶向制剂在临床前研究中显示潜力。

5.3. NOX4与缺氧诱导的ROS生成

GB微环境呈现循环缺氧与常氧交替的不稳定性特征。循环缺氧区域较慢性缺氧区域具有更高的NOX4表达和ROS产生，以及更强的放射抵抗，而抑制NOX4可降低放射抵抗。NOX4敲低可降低HIF-1α表达，表明NOX4介导的ROS可加剧缺氧反应。NOX4–ROS–HIF-1α轴的重要下游效应因子是叉头框蛋白M1(forkhead box M1, FOXM1)，NOX4来源的线粒体ROS通过稳定HIF-1α直接激活FOXM1转录。NOX4还参与TGF-β诱导的GSC增殖、自我更新和干细胞标志物表达，并通过维持HIF依赖性转录间接影响血管生成。setanaxib(GKT137831)作为首类NOX1/4抑制剂已在原发性胆汁性胆管炎等疾病中进入临床试验，但在GB中的临床证据仍然缺乏。DCA和二甲双胍等代谢调节剂在GB临床试验中显示安全性和可行性，但临床获益有限。低氧激活前药evofosfamide(TH-302)在胰腺癌III期试验中未显示生存获益。

5.4. 氧化应激与血脑屏障穿透：迈向胶质母细胞瘤的多模式治疗策略

放疗和TMZ的疗效与氧化应激诱导密切相关。肿瘤治疗电场(Tumor Treating Fields)是FDA批准的GB辅助疗法，可破坏有丝分裂纺锤体组装和胞质分裂，使胶质瘤细胞对TMZ敏感并导致细胞内ROS积累。血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)是GB治疗的主要挑战，ABCB1和ABCG2外排转运蛋白限制激酶抑制剂在脑内的治疗浓度。克服BBB的策略包括优化药物理化性质(降低分子量和极性表面积、增加脂溶性)、纳米颗粒递送、受体介导转胞吞、聚焦超声介导的BBB通透性改变、对流增强递送和可生物降解颅内植入物等。天然来源化合物如药用蘑菇生物活性提取物和含大麻二酚(cannabidiol, CBD)与塞来昔布的纳米脂质体通过调节氧化应激增强常规治疗效果。

6. 结论

氧化应激在胶质母细胞瘤的发病和进展中发挥核心和多方面作用，影响肿瘤起始、代谢重编程和治疗抵抗。关键氧化应激相关生物标志物包括线粒体酶、NADPH氧化酶和抗氧化系统。GB细胞利用抗氧化通路(尤其是Nrf2激活)的能力显著促进对放疗和化疗的抵抗。未来研究应聚焦于将氧化应激生物标志物整合到临床实践中，并开发选择性破坏肿瘤氧化还原平衡同时保留正常细胞功能的治疗策略，以最终改善患者生存结局。