近日，Shawn L. Hervey-Jumper团队发现胶质瘤改变神经回路，过度激活肿瘤周围皮层，肿瘤区域与大脑其他区域形成高功能连接。
作者揭示了胶质瘤重塑神经回路，既促进肿瘤发展，又损害认知。他们的成果“Glioblastoma remodelling of human neural circuits decreases survival”发表在最新一期的Nature杂志上。
恶性脑肿瘤（如胶质母细胞瘤）存在于复杂神经回路中。本文作者通过术中电生理学分析语言任务中胶质母细胞瘤浸润皮层的局部场电位，确定了神经反应的可解性，并揭示了胶质母细胞瘤中突触富集的生物驱动因素。
胶质母细胞瘤重塑神经回路
作者选取肿瘤浸润的LPFC（the lateral prefrontal cortex）成年患者进行研究。电皮层扫描（Electrocorticography）显示肿瘤和非肿瘤电极的频率差异（图1）。在任务中，肿瘤区域出现与言语规划相关的神经活动（图1b）。
对比对照条件，肿瘤区域显示出神经元过度兴奋（图1）。同时，肿瘤区域解码复杂单词能力低于正常区域(图1e)。这揭示了胶质母细胞瘤对神经元反应的影响，暗示语言电路的功能重构。
图1.高级胶质瘤（High-grade gliomas）重塑远距离功能神经回路突触性肿瘤细胞（Synaptogenic tumour cells）促进连接
作者使用脑磁脑造影测量了胶质瘤浸润大脑中的神经元振荡，并采样了具有不同功能连接性的胶质母细胞瘤组织。肿瘤内部的功能连接区域可能存在差异，而这些差异可能与胶质瘤细胞亚群的变化有关。通过体积和单细胞RNA测序分析，他们发现参与神经回路组装的基因在高功能连接性肿瘤区域上调。他们还发现在HFC（high functional connectivity）区域内THBS1的表达升高（图2a），并且HFC区域的胶质瘤细胞与神经元之间的突触连接增加（图2b）。
进一步的实验表明HFC区域的胶质瘤细胞促进了突触的形成和神经元的整合（图2c，d，g）。这些结果揭示了肿瘤内功能连接区域的差异以及胶质瘤细胞亚群对神经回路的影响。
胶质瘤异质性和肿瘤亚群在脑回路中的作用得到证实。在HFC区域，肿瘤表现出突触特性。通过异种移植实验（图3a）证明HFC胶质瘤细胞的突触数量明显高于LFC胶质瘤细胞（图3b），证实HFC区域的胶质瘤细胞具有更大的突触潜力。
图2.肿瘤浸润回路表现出以表达突触因子的胶质瘤细胞为特征的突触重塑区域HFC促进肿瘤进展
作者发现神经元对胶质瘤细胞增殖起促进作用。HFC细胞可能是胶质母细胞瘤中的一个亚群，其增殖受神经元因素调节。在初级患者活检中，来自HFC区域的细胞显示增强的Ki-67增殖标记（图3c）。
他们进一步测试了HFC和LFC细胞在神经元条件下的增殖差异（图3d），发现与海马神经元共同培养时，HFC细胞的增殖量增加五倍。此外，HFC细胞还表现出增加的球体（spheroid）入侵和肿瘤微管（tumour microtubes）延长。通过转导THBS1的shRNA敲除HFC细胞中的TSP-1，作者发现肿瘤微管数量减少（图3g）。
在小鼠模型中，HFC肿瘤表现出更大的负担和较短的存活率（图3h）。这些结果表明，对神经元信号有差异反应的肿瘤细胞亚群在神经元环境中表现出增殖、侵入和生存方面的负面影响。
图3.高级胶质瘤与HFC大脑区域表现出双向相互作用胶质瘤连接性缩短了患者的存活率
下一步，作者研究了肿瘤与内在功能连接对患者生存和认知的影响。作者对新诊断的胶质母细胞瘤患者进行了人类生存分析。在控制已知的生存相关因素后，使用MEG技术在肿瘤浸润的大脑中测量了神经振荡和功能连通性。
生存分析显示，具有功能连接的患者总生存期为71周，而没有功能连接的参与者总生存期为123周，显示了肿瘤生存率与功能连接之间惊人的逆关系。
为了识别临床相关的生存风险组，作者使用partDSA算法进行了递归分区生存分析。结果显示，连接程度成为最重要的变量之一，与其他预后变量一起影响了总体生存风险（图4a，b）。此外，他们还发现循环TSP-1水平与肿瘤内功能连接性呈正相关（图4c），而肿瘤内功能连接与语言认知性能之间存在反比关系。
综合来看，这些发现表明胶质母细胞瘤与神经回路的功能整合对认知和生存产生负面影响。
图4. 高级胶质瘤患者的肿瘤内连通性与生存率和TSP-1相关TSP-1作为治疗靶点
基于GBP（gabapentin）作为TSP-1调节剂的潜力，作者研究了GBP对神经元活性驱动的胶质瘤生长的影响。结果显示，GBP处理后的神经元-胶质瘤共培养中，突发活动和同步网络突发明显减少（图4d）。使用shRNA对抗THBS1或应用GBP治疗初级患者衍生的HFC细胞，证实GBP没有肿瘤细胞内在效应。
相比之下，遗传或药理靶向TSP-1会显著减少与神经元共培养的HFC胶质瘤细胞的增殖（图4e，f）。在HFC异种移植小鼠模型中，GBP治疗导致胶质瘤增殖显著下降（图4g，h）。这些发现提供了GBP作为治疗TSP-1调节的胶质瘤生长的潜在策略的初步证据。
结 论
胶质瘤与神经网络相互作用，神经元活动促进瘤生长，瘤增加神经元兴奋性。作者使用肿瘤浸润皮层电图分析，展示语言任务激活和语言回路改变。胶质瘤亚群对神经元信号有差异性反应，影响突触、增殖、侵入和综合特征。神经元活动通过旁分泌和突触信号促进瘤增殖。肿瘤-脑功能连接降低胶质母细胞瘤患者总体生存期。TSP-1抑制减少瘤细胞增殖和网络同步性，提示潜在治疗策略。了解神经元-胶质瘤交互作用及功能整合对改善认知和生存有重要意义。
参考文献
Krishna, S., Choudhury, A., Keough, M.B. et al. Glioblastoma remodelling of human neural circuits decreases survival. Nature 617, 599–607 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06036-1
