乳腺癌腦轉移分子機制的研究進展

劉睿涵, 毛思怡, 葉熹罡, 董薇, 朱惠珊, 譚維格

1.廣州醫科大學,廣東廣州510180;2.廣州醫科大學附屬第一醫院乳腺外科,廣東廣州510800

乳腺癌(breast cancer,BC)是女性最常見惡性腫瘤之一,具有高復發率、高轉移率和高耐藥性的特點。乳腺癌的遠處轉移常見于骨骼、肺、肝臟及大腦等部位,其中約有10%～16%的轉移性乳腺癌患者出現腦部遠處轉移,一旦發生腦轉移,乳腺癌患者只有4～6個月的中位生存期[1]。因此,乳腺癌腦轉移(breast cancer brain metastasis,BCBM)是乳腺癌患者死亡的主要原因之一,對于患者的生存及預后有極大負面影響。

研究發現,乳腺癌發生腦轉移需經過幾個重要步驟,包括腫瘤細胞遷移、內滲進入血液循環、抵達大腦毛細血管、跨越血腦屏障(blood brain barrier,BBB)和在腦內增殖形成臨床可診斷的轉移灶。與其他部位轉移機制不同的是,腦轉移過程中,腫瘤細胞需要穿過血腦屏障才能到達其目的地[2]。因此,深入探索并完善乳腺癌腦轉移的發生及進展機制,是提高未來乳腺癌診療效果的最佳途徑。

1 與腦轉移相關的基因和非編碼RNA

1.1 影響BCBM的相關基因

近期研究表明,多種基因與BCBM有關。NF1、ESR1、PTEN、FOXM1、YTHDF3、OR5B21、GBX2和P53的異常表達均可促進BCBM的進展(表1)。同一基因可通過影響多種信號通路影響BCBM。PTEN既是PI3K/Akt又是NF-κB通路的調節因子,PTEN通過調節這兩種通路從而影響BCBM的進展[3-4]。此外,不同的基因表達也通過影響相同的信號通路從而促進BCBM的發展。例如,PTEN與FOXM1可調節PI3K/Akt通路影響BCBM的進展[4-5];P53與GBX2通過激活Wnt/β-catenin信號通路從而促進BCBM[8-9]。

表1 影響BCBM的相關基因

1.2 影響BCBM的非編碼RNA

環狀RNA(circular RNA,circRNA)是一類具有環狀結構的非編碼RNA,在乳腺癌細胞增殖和轉移中起著重要作用(表2)。Hsa_circ_0008039一方面能作為miR-432-5p的競爭性內源性RNA(competitive endogenous RNA,ceRNA)提高E2F3表達,另一方面能通過競爭性結合miR-515-5p增強CBX4表達,進而在乳腺癌腦轉移中發揮關鍵性作用[10]。

表2 影響BCBM的非編碼RNAs

微小RNA(microRNA,miRNA)作為一類小分子單鏈RNA,與乳腺癌腦轉移的發展有著密切聯系(表2)。miR-1290、miR-802-5p和miR-194-5p能調節星形膠質細胞的活性,促進BCBM的進展[11-12]。miR-17、miR-19a、miR-19b、miR-20a和miR-92可通過下調抑癌基因PTEN的表達,促進乳腺癌細胞的腦轉移[13]。

長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lnc RNA)是長度超過200 nt的非編碼RNA。lncRNA GS1-600G8.5在BCBM細胞內高表達,并能通過破壞大腦微血管內皮細胞(endothelial cells,EC)的緊密連接,實現乳腺癌細胞在腦內的定植(表2)[14]。

2 與腦轉移相關的信號通路

研究發現,PI3K/Akt信號通路、Wnt/β-catenin信號通路、RAS/ERK信號通路、EGFR信號通路、STAT3信號通路、NF-κB信號通路和PDGFB/血小板源性生長因子受體-β(platelet-derived growth factor receptor-beta,PDGFR-β)旁分泌信號通路與乳腺癌的腦轉移過程密切相關(表3)。

表3 與腦轉移相關的信號通路

2.1 PI3K/Akt信號通路與BCBM

PI3K/Akt信號通路是一種細胞內信號通路,可促進腫瘤細胞的生長過程,包括增殖、代謝和血管生成[15]。激活PI3K/Akt通路有助于上調免疫抑制因子以及促轉移基因的表達,例如PD-L1、CTLA4、CSF1以及腦轉移腫瘤微環境中CSF1受體(CSF1 receptor,CSF1R),最終促進腦轉移細胞的增殖[16]。與此同時,PI3K/Akt通路能通過激活下游的mTOR,增加血管內皮生長因子數量,促進生成腫瘤新生血管[25]。因此,該信號通路已成為治療BCBM的潛在治療靶點。

2.2 Wnt/β-catenin、RAS/ERK、EGFR信號通路與BCBM

眾所周知,Wnt/β-catenin信號通路在干細胞的生成及分化過程中具有重要作用。近期研究表明,乳腺癌患者體內Wnt/β-catenin通路的激活能誘導發生BCBM[18]。通過激活Wnt/β-catenin通路,能誘導發生EGFR過表達,進而激活RAS/ERK通路,最終導致乳腺癌細胞增殖和遠處轉移[19]。與此同時,BCBM癌灶中EGFR表達要明顯高于其他轉移灶,EGFR高表達的患者更易早期形成腦轉移灶[20]。因此,Wnt/β-catenin、RAS/ERK與EGFR通路之間可以相互調節從而影響BCBM的進展。

2.3 STAT3、NF-κB信號通路與BCBM

STAT3信號通路是一種信號轉導機制,能促進神經元軸突再生,在BCBM過程中起著重要作用[21]。有研究表明,pSTAT3+反應性星形膠質細胞通過激活MIF/CD74軸,進而激活NF-κB途徑,促進BCBM細胞增殖[22]。此外,抑制因子TaGln2可激活ROS/NF-κB通路導致乳腺癌的遠處轉移。這些說明了STAT3、NF-κB通路與BCBM的進展有關[23]。

2.4 PDGFB/PDGFR-β旁分泌信號通路與BCBM

PDGFR-β是一種發現于成纖維細胞和周細胞等間質細胞的酪氨酸激酶受體。研究證明,PDGFB蛋白與PDGFB mRNA的高表達為腦轉移復發的特異性預后因素,激活PDGFB/PDGFR-β旁分泌信號通路能加速BCBM進程,而使用PDGFR特異性抑制劑crenolanib,能明顯抑制乳腺癌細胞的顱內生長[24]。

3 乳腺癌通過血腦屏障的分子機制研究

血腦屏障(blood brain barrier,BBB)是由星形膠質細胞、周細胞、內皮細胞、神經血管等組成的功能性屏障,位于血液和腦組織之間。BBB參與信號傳遞和維持中樞神經系統穩態,負責精確控制血-腦兩側的物質轉運情況,維護中樞神經系統的內環境穩定。因此,BBB結構的破壞是BCBM進展的關鍵步驟。

研究顯示,血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、HER3/HER2配體外源生長因子的高表達能促進BCBM[25]。VEGF一方面直接誘導生成BCBM新生血管,另一方面通過結合血管內皮細胞表面受體,激活VEGF受體2(VEGF receptor 2,VEGFR2),誘導腫瘤細胞穿越BBB。人表皮生長因子受體2(human epideral growth factor receptor,HER2)陰性乳腺癌的腦轉移風險明顯高于其他亞型的乳腺癌,HER3是與HER2高度相關的信號轉導因子,兩者能形成HER2-HER3二聚體,該二聚體及其配體外源生長因子均有利于BCBM[26]。

此外,ZO-1、3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶-1(3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1,PDPK1)的低表達也與BCBM進展有關。Zhou等[27]發現,抑制緊密連接蛋白ZO-1的表達水平,能破壞ECs間緊密連接的完整性,誘導腫瘤細胞遷移至大腦內。乳腺癌細胞中的PDPK1與肌動蛋白具有相關性,降低PDPK1的表達能提高血腦屏障的通透性,最終導致BCBM[28]。

4 乳腺癌細胞與腦部腫瘤微環境

除了破壞BBB結構,乳腺癌腦轉移灶的形成還依賴于腫瘤細胞與腦部腫瘤微環境(tumor microenvironment,TME)的相互作用。腦部腫瘤細胞的微環境不同于其他組織和器官,其包含有內皮細胞、星形膠質細胞、細胞因子和特定代謝成分等,這種微環境可以促進腦轉移灶的形成和進展[29]。

4.1 乳腺癌細胞在腦內增殖的特點

在腫瘤發展過程中,高水平招募免疫細胞易被功能異常的微環境重塑,從而影響免疫細胞的功能。該過程有利于促進細胞增殖、保護腫瘤細胞不被清除,進而促進腫瘤細胞的遠處轉移。研究表明,源于腫瘤的外泌體,充當著免疫細胞及腫瘤細胞之間信號轉導的重要媒介。外泌體能誘導巨噬細胞發生M2型極化,分泌促血管生成因子和細胞因子,有利于BCBM的進展[30]。另一方面,外泌體能介導microRNAs自星形膠質細胞轉移至BCBM細胞內,下調抑癌基因PTEN的表達,有利于腫瘤細胞定植于大腦內[13]。

4.2 腦部腫瘤微環境特點

星形膠質細胞是大腦中最豐富的神經膠質細胞。近期研究結果顯示,星形膠質細胞不僅能通過分泌C-C基序趨化因子配體2、胰島素樣生長因子結合蛋白2抗體和血清殼多糖酶3樣蛋白1,促進大腦皮層內的BCBM細胞增殖和轉移灶的形成,還能通過調控細胞外糖蛋白Reelin的表達,促進乳腺癌細胞在大腦微環境的定植[31]。BCBM癌灶中的星形膠質細胞常以STAT3磷酸化(pSTAT3)形式來表達,在小鼠模型和人類臨床樣本中,pSTAT3+反應性星形膠質細胞能通過上調免疫抑制分子數量,建立免疫抑制環境,促進BCBM的發展[22]。與此同時,星形膠質細胞和腦轉移癌細胞株之間存在一種縫隙連接通道,該通道由CX43和PCDH7共同介導,腫瘤細胞經由該通道向星形膠質細胞提供第二信使cGAMP,從而激活STING通路并產生γ干擾素、腫瘤壞死因子等細胞因子,激活BCBM相關信號通路,最終促進乳腺癌細胞的增殖和遠處轉移[17]。

乳腺癌的代謝多樣性是決定其腦轉移適應性的基礎。缺氧狀態下的腫瘤微環境與腫瘤侵襲性、預后不良明顯相關,缺氧誘導因子HIF-1α與乳腺癌細胞的腦轉移潛力呈正比,BCBM較原發腫瘤細胞更易激活缺氧信號轉導[32]。乳酸代謝與腫瘤細胞的腦部定植有關,BCBM細胞產生的乳酸能限制自然殺傷細胞從而逃避其介導的先天免疫監視[33]。糖代謝也與BCBM密切相關,有學者發現BCBM細胞能表達更高水平的糖原和果糖-1,6-二磷酸酶(fructose-1,6-bisphosphatases,FBPs),而FBPs表達與腫瘤細胞生存能力呈正相關[26]。此外,相關研究結果證明,SREBF1、SCD等脂質代謝特征基因的富集是大腦的特征,該基因介導的脂質代謝有利于腫瘤的腦轉移[34]。

因此,確保大腦內供氧平衡,抑制糖代謝、乳酸代謝和脂質代謝,可阻礙早期乳腺癌的腦部轉移,提高患者的生存率。

5 小結與展望

近年來,系統性全身治療的加速發展有效地控制了乳腺癌的顱外病變,提高了患者的生存率,也增加了腦部遠處轉移的可能性。此外,影像學的日益精確和體檢篩查也提高了顱內病變的檢出率,因此,乳腺癌的腦部遠處轉移在臨床上愈發常見。綜上,從腫瘤細胞生長、增殖到轉移,癌癥進展是個復雜的過程,受多種因素影響,包括細胞信號通路、基因、外泌體和代謝因素等。至今為止,BCBM的各細胞分子機制之間是否存在交叉影響,還有待進一步探索。

現有的BCBM治療方法仍以手術和放化療為主,由于血腦屏障的存在,血液中的大分子藥物難以抵達腦部對應的病灶發揮作用,傳統化療方案療效不佳,使得BCBM患者的預后較差。對BCBM機制的深入研究不僅有利于病情的監測,還能發現新的治療靶點。預測BCBM相關靶點的可用性及相關靶向治療的藥物研發是未來研究的新方向和新熱點,能讓患者的獲益最大化,為BCBM患者帶來新的希望。