综述：胶质母细胞瘤中的氧化还原调控：机制、生物标志物及治疗意义

《International Journal of Molecular Sciences》：Redox Regulation in Glioblastoma: Mechanisms, Biomarkers, and Therapeutic Implications

　　

胶质母细胞瘤（Glioblastoma, GB）是中枢神经系统最具侵袭性的原发肿瘤，具有高度侵袭性、快速进展及尽管采用当前治疗手段仍预后不良的特征。基于IDH1、TERT及MGMT等生物标志物的分子分层，是2021年WHO分类中改善诊断与预后判断的关键步骤。氧化应激（oxidative stress）作为GB的特征之一，已被确认为肿瘤发生、进展及治疗耐药中的重要因素。其产生源于线粒体代谢、NADPH氧化酶及电离辐射和外源性化学物等外源因素所生成的活性氧（reactive oxygen species, ROS）与抗氧化防御之间的失衡。这种失衡可导致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与进展中的双重作用，重点阐述了氧化应激如何影响当前GB治疗的反应与耐药，包括Nrf2–Keap1通路等氧化还原适应性机制对放射耐药的促进作用。最后，本文探讨了理解上述机制以开发靶向氧化还原平衡与稳态的治疗策略的潜力，旨在克服耐药并改善胶质母细胞瘤患者的生存结局。

1. 1.
   引言

胶质瘤是中枢神经系统最常见的原发肿瘤，起源于胶质细胞。胶质瘤的发生是一个由遗传改变和表观遗传修饰驱动的复杂过程，这些机制涉及正常胶质细胞（如星形胶质细胞和少突胶质细胞）向具有强烈增殖能力、弥漫性实质浸润和旺盛血管生成的恶性细胞转化。

1. 2.
   方法

为系统评估现有证据，本综述采用PubMed/MEDLINE、Scopus和Web of Science数据库进行文献检索，重点纳入2020至2026年间发表的文章，并纳入部分早期文献作为基础背景。检索策略采用关键词与布尔运算符组合，包括“glioblastoma”“oxidative stress”“reactive oxygen species”“redox”“NRF2”“KEAP1”“NOX4”“biomarkers”“radioresistance”“chemoresistance”和“temozolomide”。纳入标准包括原创研究、临床前研究、临床研究及相关综述；排除非同行评议会议摘要、非英文文献及病例报告。

1. 3.
   胶质母细胞瘤的分子与临床特征

GB是成人最常见的原发性恶性脑肿瘤，约占所有恶性原发脑肿瘤的45–50%，年龄调整年发病率为每10万人3–5例，发病高峰在55至75岁之间。尽管采用最大安全手术切除、放疗及替莫唑胺（TMZ）同步化疗的标准多模式治疗，中位总生存期仍仅15–20个月，5年生存率低于10%。2021年WHO中枢神经系统肿瘤分类（WHO CNS5）实现了从纯组织学诊断向组织分子整合诊断的转变，将“胶质母细胞瘤”这一术语限定用于成人IDH野生型星形细胞肿瘤。液体活检作为补充技术，可通过分析循环肿瘤DNA、循环肿瘤细胞、细胞游离RNA、microRNA、细胞外囊泡、蛋白质及代谢物等提供GB基因组、转录组、蛋白质组和代谢组的实时信息。脑脊液因与肿瘤直接接触而具有最高的诊断灵敏度。

1. 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的产生

氧化应激与抗氧化平衡（氧化还原平衡）涉及多种疾病的发生发展。ROS在生理和病理信号转导过程中由细胞质、内质网、线粒体和过氧化物酶体等多个细胞器产生。ROS在细胞内的积累与多种信号通路的功能障碍相关，包括NF-κB、RAS/RAF和MAPK1/2等，这些通路与TP53肿瘤抑制基因突变相关。

4.1.1. 线粒体氧化代谢相关生物标志物

线粒体功能障碍、活性氧与瓦伯格效应：线粒体通过电子传递链（ETC）产生ATP，过程中伴随大量ROS生成。复合物I和III是ROS产生的主要位点。在GB中，线粒体结构和功能异常（包括线粒体DNA改变、呼吸复合物失调和线粒体动力学受损）导致电子泄漏增加，产生超氧阴离子，进而转化为过氧化氢。GB细胞处于慢性氧化应激状态，支持肿瘤进展和治疗耐药。GB中线粒体功能障碍与瓦伯格效应（Warburg effect）密切相关，肿瘤细胞即使在有氧条件下也优先通过有氧糖酵解代谢葡萄糖。然而，胶质瘤干细胞（GSCs）并非单纯依赖糖酵解，而是在糖酵解和氧化磷酸化之间灵活切换代谢模式。靶向线粒体代谢的策略包括使用二氯乙酸（DCA）抑制丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）、二甲双胍抑制线粒体复合物I以及谷氨酰胺酶抑制剂（如Telaglenastat）等。

柠檬酸循环酶与ROS产生：异柠檬酸脱氢酶（IDH1/IDH2）正常催化异柠檬酸转化为α-酮戊二酸（α-KG）并产生NADPH，后者对还原型谷胱甘肽（GSH）的再生和ROS调控至关重要。野生型IDH1的遗传抑制可导致脂质和脱氧核苷酸生物合成减少及ROS产生增加。

8-羟基-2-脱氧鸟苷/OGG1与ROS产生：羟自由基主要参与DNA损伤，产生8-羟基-2-脱氧鸟苷（8-OHdG），导致鸟嘌呤与腺嘌呤错配。8-氧代鸟嘌呤DNA糖基化酶1（OGG1）通过碱基切除修复途径识别并切除8-OHdG。OGG1的药理学抑制（如TH5487）可损害氧化DNA损伤修复，导致8-oxoG积累、端粒不稳定和细胞增殖减少。

NADPH家族与ROS产生：NADPH氧化酶（NOX）家族包含NOX1至NOX5、DUOX1和DUOX2七个亚型。NOX1、NOX4和NOX5与ROS产生、氧化还原信号传导及H₂O₂产生高度相关。NOX4在GB中尤为相关，在肿瘤组织和胶质瘤干细胞中表达升高，参与增殖、自我更新、侵袭、血管生成和缺氧适应等多过程。NOX4被鉴定为TGF-β信号的下游效应因子，在干细胞样细胞中表达高于分化肿瘤细胞。

谷胱甘肽过氧化物酶：GPxs是一族硒依赖性抗氧化酶，利用谷胱甘肽（GSH）还原H₂O₂和有机氢过氧化物。GPx1在GB中维持过氧化氢稳态方面起关键作用，尤其在缺氧条件下。缺氧刺激GB细胞产生更多H₂O₂并诱导HIF-1α依赖性GPx1转录。GPx1缺失导致过氧化氢积累、凋亡细胞死亡增加和异种移植模型中肿瘤生长减少。

超氧化物歧化酶：SOD家族（SOD1、SOD2、SOD3）催化超氧自由基歧化为过氧化氢和氧气。SOD2（MnSOD）在GB治疗耐药和氧化还原稳态中起重要作用，其表达升高与GB肿瘤起始细胞群和TMZ耐药相关，抑制SOD2可增加TMZ诱导的氧化应激并使细胞对TMZ重新敏感。

4.1.2. 过氧化物酶体氧化代谢相关生物标志物

过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα）：PPARα是核受体PPAR家族成员，主要调控脂肪酸转运和β-氧化相关基因。在多种癌症模型中，PPARα激动剂可抑制增殖并减少促血管生成脂质介质。PPARα激活可促进脂肪酸氧化并减少葡萄糖摄取，从而损害瓦伯格样代谢。PPARγ在间充质胶质瘤干细胞中高表达，其激活可通过阻断STAT3信号通路减少肿瘤生长和干性。

过氧化氢酶：过氧化氢酶（CAT）主要定位于过氧化物酶体，将过氧化氢分解为水和氧气。在GB中，CAT存在时细胞内过氧化氢水平较低，与TMZ和放疗耐药增加相关。阻断CAT可增强过氧化氢积累并降低肿瘤细胞增殖。

4.2. 外源性ROS的产生

4.2.1. 电离辐射

电离辐射（IR）是放疗的主要组成部分，通过间接作用（水的辐射分解）和直接作用（靶向生物分子）在癌细胞中产生大量ROS，约占辐射诱导生物学损伤的60–70%。IR诱导细胞周期阻滞，触发氧化自由基积累并刺激NADPH氧化酶家族。持续性或过量ROS产生也介导辐射诱导的正常组织损伤。

4.2.2. 外源性化学物

外源性化学物包括香烟烟雾成分和化学污染物（如苯、多环芳烃（PAHs）、重金属），主要通过细胞色素P450和NADPH还原酶代谢，导致大量ROS产生。醌类化合物通过氧化还原循环形成持续的ROS产生回路。重金属（如铅、镉、汞）可削弱抗氧化系统的激活。

1. 5.
   讨论

5.1. 胶质母细胞瘤异质性与肿瘤微环境之间的相互作用

GB的高度分子和代谢异质性可能是决定肿瘤细胞如何响应氧化应激和治疗压力的重要因素。单细胞RNA-seq显示GB肿瘤细胞处于多种动态状态：星形胶质细胞样、少突胶质祖细胞样、神经祖细胞样和间充质样。GB还嵌入非常复杂的微环境中，包括胶质瘤相关小胶质细胞/巨噬细胞、星形胶质细胞、内皮细胞、周细胞、成纤维细胞样基质细胞、淋巴细胞、细胞外基质成分和缺氧微环境。肿瘤相关巨噬细胞获得以TGF-β和IL-10产生为特征的主导免疫抑制表型。缺氧条件下HIF-1α的稳定促进VEGF介导的血管生成、向糖酵解的代谢转变、干性维持和更多ROS产生，形成自我强化循环。

5.2. KEAP1–NRF2信号轴在胶质母细胞瘤发展和治疗耐药中的作用

KEAP1–NRF2信号通路是细胞氧化还原平衡的关键调节因子。基础条件下KEAP1促进NRF2泛素化和蛋白酶体降解；氧化或亲电应激可修饰KEAP1反应性半胱氨酸残基，使NRF2积累并激活抗氧化反应元件（ARE）依赖性基因。在GB中，持续的NRF2活性可能通过上游致癌通路失调（包括EGFR、PI3K/AKT、mTOR和HIF-1α）以及p62/SQSTM1积累而产生。NRF2激活诱导广泛的细胞保护程序，涉及抗氧化酶、谷胱甘肽代谢、解毒、线粒体保护和代谢重编程。NRF2抑制可逆转胶质瘤细胞中的保护表型，支持NRF2信号与TMZ耐药之间的功能联系。TRIM25通过增加KEAP1泛素化促进NRF2稳定化和核积累，导致TMZ耐药增加。放射本身同时触发NRF2信号，导致抗氧化酶上调、谷胱甘肽合成增加、DNA修复改善和凋亡抑制。临床前研究表明，NRF2靶向策略（包括Brusatol、ML385和Halofuginone）可增加氧化应激并增强GB模型对治疗的敏感性。然而，NRF2也保护正常组织免受氧化损伤，治疗窗口仍是一个重要的未解决问题。

5.3. NOX4与缺氧诱导的ROS产生

GB微环境并非静态缺氧环境，而是不稳定的，存在慢性缺氧区域与缺氧-常氧循环交替区域。异种移植研究表明，循环缺氧区域（而非慢性缺氧区域）优先表现出更高的NOX4表达和ROS产生，以及更大的放射耐药性；抑制NOX4后放射耐药性降低。NOX4介导的线粒体ROS可促进HIF-1α稳定化，而NOX4敲低降低HIF-1α表达。HIF-1α稳定后转位至细胞核，与HIF-1β异二聚化，激活参与血管生成、糖酵解、细胞存活、侵袭和缺氧适应相关基因。FOXM1在GB中频繁过表达，与侵袭性肿瘤特征和不良临床结局相关。Su等人（2021）证明NOX4来源的线粒体ROS通过HIF-1α稳定化诱导FOXM1表达，HIF-1α可直接激活FOXM1转录。NOX4活性对TGF-β诱导的GSC增殖、自我更新、干细胞标志物表达以及NRF2介导的抗氧化和代谢反应激活是必需的。NOX4抑制与放疗联合在脑内GB模型中显示出增强的放疗疗效。Setanaxib（GKT137831）作为首创NOX1/4抑制剂，已在原发性胆汁性胆管炎、肾脏疾病等疾病中进入临床试验，但在GB中尚缺乏临床证据。DCA在恶性脑肿瘤的早期临床试验中显示可穿越血脑屏障且总体耐受良好，主要治疗相关问题是低级别周围神经病变。二甲双胍联合放疗和TMZ的随机II期试验显示耐受性良好，但未显著改善无进展生存期或总生存期。缺氧激活前体药物（如Evofosfamide/TH-302）在胰腺癌III期试验中未显示主要生存获益。正在进行的NCT05500612研究正在测试氧增强MRI和BOLD MRI检测GB缺氧区域的能力。

5.4. 氧化应激与血脑屏障穿透：迈向胶质母细胞瘤多模式治疗策略

放疗和TMZ均可扰乱肿瘤氧化还原稳态，治疗疗效与肿瘤细胞是否能耐受或利用由此产生的氧化应激密切相关。肿瘤电场治疗（Tumor Treating Fields）是FDA批准的辅助疗法，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和线粒体功能障碍敏感，并导致细胞内ROS积累。血脑屏障（BBB）是GB治疗的主要挑战，外排转运体如ABCB1和ABCG2可阻止有效药物达到治疗浓度。近期策略聚焦于优化激酶抑制剂的理化性质（降低分子量和极性表面积、增加亲脂性、最小化外排转运体识别），以及纳米颗粒药物递送、受体介导的转胞吞、聚焦超声介导的瞬时BBB开放、对流增强递送和可生物降解颅内植入物等新型递送策略。天然来源化合物方面，富含药用蘑菇生物活性提取物的植物-真菌治疗配方通过促氧化效应、线粒体功能降低、凋亡促进和TMZ促死亡效应增强来抑制U251胶质母细胞瘤细胞生长。含有大麻二酚（CBD）和塞来昔布的纳米脂质体可同时调节高级别胶质瘤中的氧化应激和炎症信号。

1. 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且多层面的作用，影响肿瘤起始、代谢重编程和治疗耐药。ROS产生与抗氧化防御之间的平衡不仅驱动基因组不稳定和致癌信号传导，也使肿瘤细胞能够适应恶劣的微环境条件。关键的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，凸显了GB中氧化还原调控的复杂性和双重性。GB细胞利用抗氧化通路的能力，特别是通过Nrf2激活等机制，显著促进了对放疗和化疗的耐药。这些见解强调了靶向氧化还原稳态作为治疗策略的潜力。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策略，最终改善患者预后。