Nat Commun：大脑如何感知外周癌症并做出响应？西湖大学李波教授团队研究有了新发现
原创brainnews团队
癌症恶病质是一种致死的代谢消耗综合症，其特征是食欲减退、急剧的体重下降等，50-80%的癌症患者罹患该症，恶病质减少了患者对抗癌治疗的耐受性，并显著加速了患者死亡。最近的研究表明，中枢神经系统可能参与癌症恶病质的发展。然而，对于大脑如何感知外周癌症并做出响应，我们目前尚不清楚。
在癌症发展过程中，某些物质可能作为恶病质的信使，这些物质包括肿瘤产生的因子、受肿瘤影响的器官产生的代谢产物，以及肿瘤改变的免疫或炎症反应因子。其中，白细胞介素-6（IL-6）是一个多功能的细胞因子，其在血液中的水平升高与癌症的进展和恶病质的形成有关。尽管大部分关于IL-6在癌症恶病质中作用的研究都集中在其对骨骼肌、肝脏和肠道等外周器官的影响，但IL-6也可能影响大脑功能，如调节食欲、发热反应和下丘脑-垂体-肾上腺轴。目前，外周IL-6如何参与这些大脑功能的具体机制尚不明确。理论上，IL-6可能通过激活周围神经末梢的受体，将信号传递到大脑。或者，血液中的IL-6可能通过穿透血脑屏障或到达血脑屏障较弱的区域，直接在大脑内发挥作用。
2024年5月，西湖大学的李波教授在Nature Communications上发表名为“Area postrema neurons mediate interleukin6 function in cancer cachexia”的文章，探索了肿瘤恶病质在脑中的相应区域。（AAV-DJ病毒包装服务由维真生物荣幸提供！）
研究结果
1 极后区(Area Postrema，AP)能感知循环系统中的IL-6
为了确定循环中的IL-6能否进入大脑，研究人员将生物素化的IL-6注入小鼠的静脉窦。考虑到癌症恶病质与可能破坏血脑屏障（BBB）完整性的慢性炎症有关，研究人员在健康小鼠和由C26腺癌诱导的恶病质小鼠上进行了实验。在实验中，小鼠的血液中IL-6水平持续升高，随后出现明显的恶病质表型，包括食欲减退和体重急剧下降。在注射生物素化的IL-6 3小时后，在健康小鼠和恶病质小鼠的整个大脑中，研究人员只在位于BBB之外的室周器官AP检测到外源的IL-6。
单分子荧光原位杂交结果揭示了表达IL-6受体α（）的细胞在AP与表达）的神经元部分重叠，后者是AP中的主要细胞还部分与表达生长因子受体激活素样激酶（）的神经元重叠。细胞是AP中神经元的一个亚群，已知与恶心和癌症恶病质有关。同时，静脉注射IL-6主要在AP中的细胞诱导了Fos表达，这些细胞部分与神经元重叠。Il6ra+胰高血糖素样肽1受体（Glp1r+兴奋性神经元类型。大约17-18%的检测到的AP细胞（可能包括胶质细胞）同时表达Il6ra和Glp1r。这些Il6ra+Gfral+Gfral+Glp1r+Il6ra+Glp1r+
图1. 循环系统中的IL-6到达AP并激活AP的神经元
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2 肿瘤使AP区域过度激活
接下来，研究人员测试了恶病质是否与AP的神经元的功能变化有关。研究人员将健康对照小鼠以及已经表现出恶病质表型的带瘤小鼠制备了急性脑切片，并记录了来自AP神经元的突触反应。
研究人员发现，在恶病质小鼠中，小型兴奋性突触后电流（EPSCs）的幅度显著增加，而EPSCs的频率与对照小鼠相比没有变化。相比之下，恶病质小鼠和对照小鼠之间的抑制性突触后电流（IPSCs）没有差异。这些结果表明，癌症恶病质伴随着对AP神经元兴奋性突触传递的增强，这可能导致这些神经元的过度活跃。
图2. 恶病质和对照组小鼠AP神经元电活动
3 中和脑内IL-6可以减轻恶病质和AP网络的过度活跃
研究人员推测，在癌症进展期间，循环系统中的IL-6容易进入AP，并导致AP神经元激活——就像静脉注射的外源性IL-6一样，这导致这些神经元的过度活跃，进而导致AP网络的过度活跃，最终导致恶病质。
为了验证这一假设，研究人员将IL-6的抗体直接注入到大脑中，以此来中和大脑内的IL-6。与对照抗体相比，抗IL-6抗体显著减少了几乎所有小鼠的恶病质表型，延长了寿命，减少了体重和组织损失，增加了食物和水的摄入量，并提高了小鼠的血糖水平。
图3. 通过脑室内途径注入抗IL-6抗体可以防止C26癌症模型中的恶病质发展
4 在AP神经元中抑制Il6ra可以减轻癌症恶病质
为了研究AP神经元是否有介导IL-6在癌症恶病质发展中的功能，研究人员尝使用最近开发的CRISPR/dCas9干扰系统来抑制这些神经元中的Il6ra（Il6ra是编码IL-6Rα的基因）。研究人员设计并筛选出了sgRNA：Il6ra-sgRNA-4，在体外筛选中，当它与dCas9-KRAB-MeCP2共表达时，会导致Il6ra的转录被抑制。
研究人员将2种慢病毒载体注射进小鼠AP：一种是在神经元启动子控制下表达dCas9-KRAB-MeCP2的慢病毒载体（lenti-SYN-FLAG-dCas9-KRAB-MeCP2）；另一种是表达Il6ra-sgRNA-4的慢病毒（lenti-U6-Il6rasgRNA-4/EF1α-mCherry），或是针对细菌基因lacZ的sgRNA作为对照组（lenti-U6-lacZ sgRNA/EF1α-mCherry）。三周后，研究人员从这些小鼠中制备了包含AP的脑切片进行免疫组织化学分析，结果显示大部分FLAG信号与NeuN信号共定位，表明病毒表达是特异性针对神经元的。
研究人员将神经元的百分比成反比。Il6ra-sgRNA-4组或对照病毒注入AP区域，两周后，用再C26肿瘤接种小鼠。结果显示，Il6ra-sgRNA-4组的小鼠寿命显著延长，这一效果与可检测到Il6ra表达的Glp1r+Il6ra-sgRNA-4组的小鼠体重损失减少，食物和水的摄入量增加，血糖水平升高，并且有减少组织损失的趋势。在实验结束时，Il6ra-sgRNA-4组的小鼠与对照组相比，肿瘤和脾脏更大，这可能是因为前者的小鼠生存时间增加。
图4. 在C26癌症模型中，抑制AP神经元中的Il6ra表达减轻了恶病质
5 在LLC模型中，抑制AP的Glp1r+神经元可以减轻食欲减退
鉴于C26模型中小鼠的生存率与AP中Glp1r+神经元的AP神经元的活性有助于这种综合症的发展。Il6ra抑制相关，以及之前发现Glp1r及其配体生长/分化因子-15（GDF-15）参与了癌症恶病质的研究，研究人员推测Glp1r+
为了测试这个假设，研究人员试图使用Glp1r-p2a-Cre小鼠结合Cre依赖性病毒注射方法选择性地操纵这些神经元。但由于C26模型需要使用Balb/c或CD2F1小鼠，这与具有C57BL/6遗传背景的Glp1r-p2a-Cre小鼠不兼容。因此，在这个实验中，研究人员使用了植入性Lewis肺癌模型进行替代，Lewis肺癌模型这是另一个表现出恶病质特征但症状较轻的小鼠癌症模型。
研究人员首先测量了这个模型中癌症进展不同时间点的血液中IL-6和GDF-15的水平。小鼠血浆IL-6和GDF-15在肿瘤接种后大约两周都有所增加。为了特别抑制神经元的活性，研究人员在Glp1r+Glp1r-p2a-Cre小鼠的AP双侧注射了AAV，一种是TeLC，能阻止神经递质释放；另一种是GFP，作为对照。两周后，再将这些小鼠接种LLC。
结果显示，与携带肿瘤的GFP小鼠相比，携带肿瘤的TeLC小鼠在癌症进展的晚期表现出增加的食物摄入量和终点时增加的肌肉量，达到了与GFP假手术组（即，在神经元中表达病毒传递的GFP并接受生理盐水注射而非肿瘤接种的小鼠）相当的水平。TeLC肿瘤小鼠与GFP肿瘤小鼠相比，也增加了脂肪和肌肉量。这些结果表明，Glp1r+减少Glp1r+AP神经元的活性可以减轻恶病质表型。
图5. 在Lewis肺癌模型中，抑制Glp1r+AP神经元缓解了恶病质症状
总结
研究人员发现在雄性小鼠中，位于延髓的极后区神经元是IL-6在癌症恶病质中功能的关键区域。研究人员发现，循环系统中的IL-6可以迅速进入AP并引起AP神经元的兴奋性突触传递增强和AP网络的过度活跃。而在携带肿瘤的小鼠大脑中使用抗IL-6抗体中和IL-6可以减轻恶病质和AP网络的过度活跃，并显著延长寿命。此外，特异性地抑制Il6ra在AP神经元中的表达，也能达到类似的效果。而沉默表达Glp1r的AP神经元也能减轻癌症恶病质表型和AP网络的过度活跃。
参考文献：
Sun Q, van de Lisdonk D, Ferrer M, Gegenhuber B, Wu M, Tollkuhn J, Janowitz T, Li B. Area postrema neurons mediate interleukin-6 function in cancer-associated cachexia. bioRxiv [Preprint]. 2023 Jan 14:2023.01.12.523716. doi: 10.1101/2023.01.12.523716. Update in: Nat Commun. 2024 Jun 1;15(1):4682. doi: 10.1038/s41467-024-48971-1. PMID: 36711916; PMCID: PMC9882141.
编译作者：
brainnews创作团队
