德国海德堡大学解剖学与细胞生物学研究所、国家肿瘤疾病中心和德国癌症研究中心的Varun Venkataramani等研究神经元与胶质瘤细胞间的直接通信通道：突触前神经元与突触后胶质瘤细胞之间的真实的功能性化学突触，结果发表在2019年9月的《Nature》杂志。
——摘自文章章节
【Ref: Venkataramani V, et al. Nature. 2019 Sep;573(7775):532-538. doi: 10.1038/s41586-019-1564-x. Epub 2019 Sep 18.】
人类神经结构与胶质瘤间的关系已有深刻的研究。经典神经递质的非突触自分泌和旁分泌效应与胶质瘤和其它脑肿瘤的进展相关。特别是，谷氨酸与不同类型的谷氨酸受体结合后，可增进脑肿瘤细胞的增殖、存活和侵袭。此外，肿瘤微管蛋白（tumour microtubes，TM）促进无法治愈的胶质瘤，尤其是胶质母细胞瘤（GBM）和低级别星形细胞胶质瘤的进展和耐药。TM对于胶质瘤细胞的侵袭和增殖至关重要，可将单个肿瘤细胞连接到功能性通信网络。德国海德堡大学解剖学与细胞生物学研究所、国家肿瘤疾病中心和德国癌症研究中心的Varun Venkataramani等研究神经元与胶质瘤细胞间的直接通信通道：突触前神经元与突触后胶质瘤细胞之间的真实的功能性化学突触，结果发表在2019年9月的《Nature》杂志。
研究者首先采用电子显微镜检查TM时观察到化学突触的典型特征。进而探索不同脑肿瘤模型的神经胶质突触（neurogliomal synapses，NGS）结构，包括人源胶质瘤细胞系的异种移植模型、与神经元共培养模型和成人胶质瘤手术标本等；结果都能明确鉴别出脑肿瘤细胞及其TM，并且能频繁地重复在肿瘤浸润区发现NGS。NGS包含突触前囊泡、具有致密电子物质的突触间隙、对接囊泡的突触前活性区基质和突触后致密物质区，具有谷氨酸能化学突触的所有标志性特征。由突触前神经元和突触后胶质细胞组成NGS，在大多数胶质瘤细胞的NGS上可以观察到TM。在少突胶质细胞瘤和脑膜瘤模型中，未检测到神经元和脑肿瘤细胞之间的突触，而这两种脑肿瘤可以治愈，在生长过程中没有TM形成。在不可治愈的人脑胶质瘤及其小鼠模型中，NGS的形成一致；但在恶性程度较低的原发性脑肿瘤中NGS并不形成，这表明NGS对星形细胞胶质瘤（包括胶质母细胞瘤）的恶性特征有特殊影响。研究者采用超分辨的3D直接随机光学重建显微镜（direct stochastic optical reconstruction microscopy，dSTORM）、共聚焦显微镜、人脑胶质瘤的单细胞基因表达数据、3D电子显微镜和免疫荧光染色等方法研究NGS的分子组成。结果发现，NGS中的谷氨酸能氨甲基磷酸受体（AMPAR）是严格的点状模式组织，并与谷氨酸能突触前囊泡簇重叠；谷氨酸能NGS经常在相互连接的TM网络上表达；强TM-连接胶质瘤细胞亚群，是已知的无法治愈的胶质瘤驱动因子，显示含有功能性AMPAR突触接触的分子特征。研究者进一步分析NGS在不同模型中的功能特性，包括胶质母细胞瘤手术切除的组织、稳定表达GFP或tdTomato的GBM细胞、异种移植小鼠的新鲜脑组织涂片和与神经元共培养的GBM细胞等。发现GBM细胞中存在自发的兴奋性突触后生物电流（spontaneous excitatory postsynaptic currents，sEPSCs），从而表明人类疾病中存在功能性NGS。并且，在所有的人类脑胶质瘤样本和疾病模型中，sEPSCs的振幅、上升时间和衰减动力学相同，与已建立的谷氨酸能突触值一致。另外，研究者还发现，GBM细胞与神经元共培养和异种移植模型的新鲜脑组织涂片中存在自发的慢内向电流（slow inward currents, SICs）；已证实SIC由多种脑生理电活动的组合产生，其中AMPAR和细胞外钾离子蓄积是主要因素；谷氨酸转运蛋白电流的作用不太明显，可能取决于参与反应的GBM细胞的分子组成，每种成分的影响不同。已知钙离子信号是胶质瘤内的通讯中心。因此，研究者探讨GBM细胞中SIC和EPSC与细胞内钙信号的耦合。发现GBM细胞不为生物电所兴奋，一系列诱发的EPSC可产生胶质瘤钙信号；其次，在脑肿瘤的大脑区内对转导光敏感通道蛋白-2（channelrhodopsin-2，ChR2）神经元的光遗传学激励后，GBM细胞显示钙离子信号瞬变频率增加和表现为同步的钙活动模式，大大超过自发钙离子信号的瞬变和自发胶质瘤网络活动的频率；而且在ChR2刺激后共同活动的GBM细胞的数量明显增加。进一步分析表明，突触刺激的GBM细胞亚群能够将钙离子信号传递到剩余TM连接的胶质瘤网络。综上所述，研究结果证实，钙离子可以通过AMPAR和其它电解质离子进入GBG细胞，神经元活动可以锁定GBM细胞网络的时间和引起临床钙离子信号。研究者试图阐明NGS的输入对GBM细胞侵袭和增殖的生物学后果，这是该肿瘤进展的两个关键。通过检测神经元激活的钙离子信号，发现体内与神经元功能连接的GBM细胞亚群比其它GBM细胞具有更大的侵袭性。肿瘤细胞的迁移与钙离子信号的频率相关，呈因果关系。另外，当AMPAR信号受到基因干扰时，体内GBM细胞侵袭下降；表明NGS驱动钙依赖性GBM细胞激活直接影响GBM细胞的侵袭性。研究者在研究肿瘤细胞的增殖和最终胶质瘤进展是否受NGS的影响时，发现通过遗传和药理学阻断AMPAR信号通路、阻断NGS驱动的神经元和GBM细胞之间的突触通讯可降低GBM细胞的恶性程度，从而使胶质瘤的进展缓慢。选择性非竞争性AMPAR拮抗剂perampanel是一类抗癫痫药物，在胶质瘤患者应用具有潜在的抗肿瘤作用。长期对异种移植小鼠给予perampanel可降低GBM细胞的增殖。
最后，研究结果表明，在TM连接的脑肿瘤细胞网络中，谷氨酸能神经胶质突触通过影响钙离子信号，刺激胶质瘤的侵袭和生长，驱动脑肿瘤的进展。上述复杂的胶质瘤环路动力学机制促成突触传递调节剂（如AMPAR抑制性抗癫痫药物perampanel）成为临床前研究和临床试验中令人感兴趣的候选药物。此外，临床上大多数不可治愈的胶质瘤患者，都有癫痫发作，并且癫痫反复发作或加剧与恶性胶质瘤的复发相关。于是提出一个相反的因果关系：癫痫发作期间过度的神经元活动实际上在刺激脑肿瘤的进展。
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