【大家说】栏目，关注脑疾病转化医学前沿，综合研究成果概述、研究作者自述和国内权威专家解读。本期栏目，我们特别邀请到来自复旦大学附属华山医院神经外科的吴劲松教授，为我们解读并分享最新发表在Nature的一项有关神经胶质瘤细胞网络通讯模式的研究成果。
一、研究概述
胶质母细胞瘤和其他无法治愈的神经胶质瘤具有高发病率和高死亡率的特点，这是由于其侵袭性生长和臭名昭著的耐药性所导致的。最近有研究发现，胶质瘤细胞具有超长的细胞膜管状突出，被称为“肿瘤微管（tumour microtubes）”，可以通过细胞间隙连接将个体细胞连接至多细胞功能和通讯网络。这一现象在最高等动物胶质瘤模型和人类样本中同样存在。值得注意的是，这些肿瘤细胞网络通过频繁的细胞间Ca2+离子波实现多细胞通信，在一定程度上受到神经元输入的影响。此外，在外科治疗后，这些通信网络可以进行自我修复，导致局部肿瘤的复发；通信网络的整合也让肿瘤细胞能更好地耐受替莫唑胺化疗和放疗。
基于这些研究发现，德国海德堡大学医院神经病学诊所、国家肿瘤疾病中心以及德国癌症研究中心（DKFZ）的研究人员对这些肿瘤细胞网络中的Ca2+通信模式进行了深入的生物学和数学表征研究，以更好地了解它们的基本结构和功能，确定其潜在的弱点，他们的最新成果在线发表于2022年11月14日的《Nature》杂志。结果显示，胶质瘤细胞群会向心脏起搏细胞“借用”一种通讯工具，而这种机制可能是未来的胶质瘤治疗靶点。
为了解决这些肿瘤细胞网络的问题，研究人员使用最先进的成像技术，对多种胶质瘤系统（包括体外模型和携带人类胶质瘤细胞的小鼠）的微管网络中Ca2+的活动情况进行了研究。他们发现，Ca2+沿着微管通路在胶质瘤细胞间移动，而抑制间隙连接并阻止Ca2+的活动会导致胶质瘤细胞的增殖放缓。研究人员还指出，当他们阻止细胞间的Ca2+移动时，有一小群胶质瘤细胞仍保持着高度同步、细胞自主的周期性Ca2+振荡，与心脏起搏细胞类似。这一特征并非固定不变，因为在移除胶质瘤“起搏”细胞后，其他细胞便会获得这种周期性特征。
通过细胞间Ca2+活动的数学模型，研究人员进一步探索了胶质瘤网络动力学，发现胶质瘤中的起搏细胞具有类似“集线器”的属性。具体而言，Ca2+的移动模式表明，同普通胶质瘤细胞相比，Ca2+振荡的细胞与网络中其他细胞的连接显得更加紧密。
这种“集线器”般的特性带来了一个问题——网络动力学是如何帮助胶质瘤细胞进行增殖的呢？研究人员通过使用体外系统和起搏细胞/非起搏细胞精确激光消除技术进行探索并发现，单纯消除起搏细胞会扰乱胶质瘤的网络动力学。不同寻常的是，消除起搏细胞会导致胶质瘤网络中其他非起搏细胞的死亡，而消除非起搏细胞却对网络中的其他细胞存活没有影响。这些结果均表明，维持胶质瘤网络中起搏细胞的Ca2+节律活动有助于胶质瘤细胞增殖，进而促进胶质瘤的扩散。
为了揭示控制胶质瘤起搏细胞的分子机制，研究人员筛选了一系列Ca2+振荡的药物抑制剂，并发现TRAM-34和senicapoc分子可以阻止这种Ca2+周期性振荡，阻断Ca2+激活的钾通道蛋白KCa3.1的活动。通过成像，研究人员证实KCa3.1对Ca2+振荡以及胶质瘤网络中的相关细胞增殖具有关键意义。重要的是，在共同培养KCa3.1缺失的细胞和少量KCa3.1表达的胶质瘤细胞时，Ca2+的节律活动和细胞增殖活动均可以得到恢复。因此，这些起搏细胞及其相关网络似乎自行其道，少量起搏细胞便可以恢复胶质瘤网络的特性以及胶质瘤的扩散。
图2：TRAM-34治疗可减少脑肿瘤生长。对照组vs. TRAM-34治疗组（2×120mg/kg体重/天）：代表性区域和细胞密度变化，第14天vs.第0天。n=14个区域/4只小鼠（对照组）；n=21个区域/4只小鼠（TRAM-34治疗组）。
图3：senicapoc治疗可减少脑肿瘤生长。对照组vs. senicapoc治疗组：植入肿瘤（S24系）小鼠的代表性MRI影像、肿瘤大小和Kaplan-Meier生存曲线。senicapoc治疗开始于肿瘤植入后第47天。n=15只小鼠/组。
上述结果又带来了新的问题——Ca2+振荡模式如何转化为增殖信号？对此，研究人员将关键的细胞内信号通路和不同的Ca2+振荡频率进行联系。分析显示，起搏细胞的振荡频率处于一个可以激活MAPK和NF-κB 通路（与癌细胞增殖相关的两种关键通路）的范围内。当他们共同培养KCa3.1缺失的胶质瘤细胞以及MAPK和NF-κB通路激活的细胞时，他们发现激活的细胞可以恢复网络活动和细胞增殖。
最后，研究人员直接测试了抑制KCa3.1是否会影响肿瘤生长。他们在小鼠大脑中发现，KCa3.1表达降低的胶质瘤细胞形成肿瘤的速度比正常胶质瘤细胞要慢得多，这也解释了TRAM-34和senicapoc可以抑制小鼠胶质瘤生长的背后机制。
图4：以KCa3.1为治疗靶点可减少脑肿瘤生长。（h~j）S24对照组vs. S24 KCa3.1敲除（KD）细胞组：植入S24小鼠的代表性MRI影像、肿瘤大小和Kaplan-Meier生存曲线。n=15只小鼠/组；（k）胶质母细胞瘤病例的Kaplan-Meier生存曲线图：KCa3.1表达最高四分位数vs. KCa3.1表达最低四分位数。n=36例（高），n=37例（低）。
综上，研究结果显示KCa3.1对胶质瘤形成具有重要意义，将这些遗传学研究扩展至未来的治疗方法探索，将提示出一种基于以胶质瘤起搏细胞为靶点的潜在治疗策略。
+ + + + + + + + + + +
文章来源
Hausmann, D., Hoffmann, D.C., Venkataramani, V. et al. Autonomous rhythmic activity in glioma networks drives brain tumour growth. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05520-4
二、作者自述
第一作者、德国海德堡大学医院神经病学诊所&国家肿瘤疾病中心Winkler实验室的David Hausmann介绍说：“与健康大脑中的细胞类似，胶质母细胞瘤的肿瘤细胞会形成广泛的网络并渗透到大脑的大部分区域。由于存在这些分支网络，因此胶质母细胞瘤无法通过手术实现完全切除，并会从密集的放化疗中存活下来。这一组织结构的一个重要组成部分是肿瘤细胞间的信息交换以及来自神经元活动的信息输入。我们想了解肿瘤细胞相互间传递的信息是什么——这种传递主要通过钙信号来实现，以及这些信息是如何编码的——我们想了解这种肿瘤的语言。”
“在专门开发的携带人类胶质母细胞瘤细胞的肿瘤模型中，例如培养皿中的肿瘤类器官和存活小鼠的大脑中，我们发现除了基本的‘平等’交流模式外，还存在一种分级的组织结构：胶质母细胞瘤网络中的个体细胞会发育成起搏细胞，并对其他细胞发出周期性节律活动。在此基础上，胶质母细胞瘤基础网络结构的沟通效率就像万维网一样：起搏细胞类似于网络节点，紧密地连接着其他肿瘤细胞；它们拥有特定的离子通道，是节律活动的先决条件。”Hausmann接着说，“肿瘤的节律功能类似于心脏节律。事实上，这种离子通道——也就是钙依赖性钾通道KCa3.1——也存在于心脏的起搏区，但这只是很多通道中的一个。其工作原理是：带电钾离子随通道流动，改变细胞表面的张力——无论是心脏细胞、神经元还是肿瘤细胞——并激活细胞。然后，这一激活信号被传递至网络。我们发现，导致心脏肌肉收缩和心跳的因素也会激活胶质母细胞瘤的两种特定分子机制（MAPK和NF-κB）。这两种机制与胶质母细胞瘤的侵袭性生长和耐药性有关。”
通讯作者、德国海德堡大学医院神经病学诊所&国家肿瘤疾病中心Winkler 实验室的Frank Winkler教授补充道，“起搏细胞（心脏起搏细胞或胶质瘤起搏细胞）以特定的频率传输信号，这显然是这两种信号通路的激活码。因此从某种意义上来说，我们破解了肿瘤的通信密码。”
另一位研究作者、德国海德堡大学医院神经病学诊所的医学主任兼神经肿瘤学临床合作部门负责人Wolfgang Wick教授最后总结说：“有了起搏细胞，我们便清楚地发现了胶质母细胞瘤的致命弱点。我们的研究显示，胶质母细胞瘤中只有少数细胞会发育成起搏细胞。当我们以个体细胞为靶点并将其关闭时，与其相连的细胞也会随之死亡。如果我们能有效地阻断KCa3.1通道并关闭起搏细胞，便可以永久性削弱肿瘤，剥夺其网络的生存优势。目前已经有了合适的候选药物，对小鼠进行的初步测试也充满潜力，但临床试验尚未证实该候选药物是否适用于人类的治疗。”
三、吴劲松教授的权威解读
作为一种难治性恶性肿瘤，胶质母细胞瘤（脑癌）的复发九成以上见于肿瘤病灶的瘤周区域。脑癌细胞的侵袭性生物学行为和治疗抵抗的病理生理学机制一直是肿瘤学基础研究的一个焦点问题。既往研究提出了很多种假说，包括肿瘤细胞沿神经轴突周围间隙移行、肿瘤干细胞理论、肿瘤周边的组织乏氧代谢与酸性微环境、“肿瘤-神经元交互网络”等。本文作者基于严密的细胞学和动物体内实验论证，提出了KCa3.1（钙激活的K+通道）通道相关的Ca2+振荡机制。作者的研究证实肿瘤细胞形成一种由“微管”相连接的动态平衡的网络。网络间信号传递依赖于钙离子（Ca2+）。网络中存在较小比例的关键节点（key hubs）细胞，驱动网络间信号传递，并维系网络的鲁棒性。这一点类似于心脏的起搏细胞，驱动心肌的自主节律。跨膜KCa3.1钾通道则会驱动胶质瘤起搏细胞中的Ca2+周期性振荡；而Ca2+振荡又反过来驱动其他细胞的MAPK和NF-κB信号通路激活，最终促进胶质瘤细胞的增殖和肿瘤扩散。
毫无疑问，本研究提出了一种全新的理论，来诠释脑癌细胞的侵袭性生物学行为和治疗抵抗的病理生理学机制。可以预见，KCa3.1通道阻滞剂TRAM-34或senicapoc作为脑癌的潜在治疗化合物，将成为临床转化研究的热点之一。TRAM-34（Triarylmethane-34）是一种有效的、选择性的中电导KCa3.1抑制剂，Kd为20nM，比作用于其他离子通道选择性高200到1500倍，且不抑制细胞色素P450。同样，senicapoc（ICA-17043）也是一种KCa3.1阻滞剂，它已被提议用于镰状细胞性贫血。
本文也引发了作者两个联想，一是脑癌网络中存在的关键节点（key hubs）细胞与传统意义上的肿瘤干细胞之间存在什么关联？二是脑癌网络中Ca2+振荡机制与“肿瘤-神经元交互网络”机制存在什么关联？相关研究还将继续开展下去。
专家介绍
吴劲松 教授
复旦大学附属华山医院
医学博士，主任医师
复旦大学教授，复旦大学博士研究生导师，上海市卫生系统优秀学科带头人
复旦大学附属华山医院神经外科副主任
复旦大学神经外科研究所副所长
复旦大学附属华山医院生物样本库主任
国家神经疾病医学中心脑胶质瘤专业组长
复旦大学附属华山医院伦理委员会委员
上海市抗癌协会理事，兼神经肿瘤专业委员会主任委员
中国抗癌协会神经肿瘤专业委员会副主任委员，兼脑胶质瘤学组组长
中国神经科学学会脑机接口与交互分会副主任委员
中国抗癌协会肿瘤样本整合研究分会常务委员
上海市神经科学学会理事，上海脑科学与类脑研究中心专家组专家
ASNO科学委员会委员
WFNS教育委员会委员
上海市浦东新区政协委员
民盟复旦枫林分委华山支部主委
民盟复旦大学上海医学院分委会第五届分委会副主委
上海市侨界知识分子联谊会第九届理事会常务理事
声明：脑医汇旗下神外资讯、神介资讯、神内资讯、脑医咨询、AiBrain 所发表内容之知识产权为脑医汇及主办方、原作者等相关权利人所有。
