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儿童脑肿瘤非常普遍，它仍然是儿童癌症相关死亡的主要原因之一。对于某些恶性、复发率高或播散性脑瘤的全身化疗，挑战之一是许多化疗药物无法穿过血脑屏障，而血脑屏障是维持神经元稳态的保护机制。血脑屏障主要由微血管内皮紧密连接构成。现在，利用磁共振引导聚焦超声（MRgFUS），控制血脑屏障的通透性以使治疗药物能够穿过并对抗脑肿瘤已成为可能。
INC国际神经外科医生集团旗下世界神经外科顾问团（WANG）成员、国际小儿神经外科大咖James T. Rutka（鲁特卡）教授早前已成功开展利用该技术治疗DIPG的临床试验。在这种方法中，需要在进行MRgFUS打开血脑屏障之前，先进行静脉注射微泡。在MRgFUS的作用下，脑毛细血管中的微泡发生振荡并暂时性地破坏血脑屏障，使得全身给药的化疗药物能够在靶向部位穿过。
近期，Rutka教授团队已完成了使用MRgFUS突破血脑屏障，治疗动物模型脑肿瘤，并正在进行以脑瘤患儿为主的临床试验。这一方法不再局限于DIPG，教授团队如今正在开拓更多脑瘤治疗可能，包括髓母细胞瘤、弥漫性中线胶质瘤、室管膜瘤、颅咽管瘤和低级别胶质瘤等。通过临床试验结果，Rutka教授已证实MRgFUS是将治疗试剂递送至中枢神经系统肿瘤的一种安全可靠的方法，且没有明显的神经毒性及并发症。
儿童脑瘤治疗障碍与机会
血脑屏障（BBB）的限制性以及肿瘤免疫微环境的异质性，导致儿童脑瘤的全身性治疗常常失败。血脑屏障是一种选择性的保护机制，它控制着分子从血液向大脑的输送，并维持中枢神经系统的稳定。这种保护机制也限制了全身给药的化疗药物向大脑的输送。
血脑肿瘤屏障是由肿瘤核心区域的新生血管和恶性胶质瘤组织引起的、通常更具渗透性的血脑屏障。血脑肿瘤屏障中存在物理和代谢屏障，微血管内皮细胞之间的紧密连接构成了物理屏障，而药物外排转运体和内体分选过程则构成了代谢屏障。血脑肿瘤屏障的微环境由细胞趋化因子、生长因子和蛋白水解酶组成，所有这些都有利于肿瘤增殖、侵袭、粘附、血管生成和化疗耐药。因此，血脑肿瘤屏障的结构、功能异质性及微环境是决定免疫治疗功能的关键因素。
基因组和表观基因组分析的最新进展已经识别出儿童脑肿瘤（包括髓母细胞瘤、室管膜瘤和胶质瘤）中不同的分子亚组。这些肿瘤在其分子驱动因子和血脑屏障完整性方面不同，这影响了它们的治疗反应。根据其特征对这些肿瘤进行分类，对于新兴免疫疗法的合理递送策略至关重要。
磁共振引导聚焦超声（MRgFUS）是一种非侵入性方法，能够瞬时开放血脑屏障，同时调节肿瘤微环境。MRgFUS在儿童的临床转化中得到了安全性支持。微泡已被广泛用作超声造影剂，在成人和儿童中发展成为治疗剂，具有明确的药代动力学和极少的不良副作用。血脑屏障开放是通过一种可控、短暂且可逆的方法实现的，没有明显的组织损伤或神经毒性副作用，这种策略为靶向儿童肿瘤提供了一种合适的方法，限制了对发育中大脑的毒性风险。
5种常见儿童脑瘤血脑屏障特征
血脑屏障的受损，可能增加免疫治疗的难度。肿瘤微环境代表了一个复杂的、免疫抑制的生态系统，儿童和成人脑肿瘤在肿瘤微环境组成及基线效应免疫细胞群方面表现出明显差异。这些差异可能受到中枢神经系统中年龄依赖性过程的影响。研究人员已经开始根据蛋白质组学免疫特征对脑肿瘤进行分类。低级别胶质瘤和高级别胶质瘤的特征是存在巨噬细胞、小胶质细胞和树突状细胞；颅咽管瘤的特征是PD-1和CTLA-4的表达；室管膜瘤和髓母细胞瘤的特征是较低的免疫浸润。
01
髓母细胞瘤
这是最常见的恶性儿童脑肿瘤，约占所有儿童脑肿瘤的15% ，包括以下四个亚组：WNT、SHH、第3组、第4组。SHH和第4组具有完整的血脑屏障，WNT髓母细胞瘤具有渗漏的血脑屏障，而第3组髓母细胞瘤具有轻度破坏的血脑屏障。WNT亚型的渗漏性血脑屏障允许免疫治疗药物全身递送至肿瘤组织中，通常具有生存优势，对MRgFUS介导的血脑屏障开放的需求较低。
髓母细胞瘤的特点是促炎细胞因子和T细胞浸润水平低，表明存在免疫抑制的肿瘤微环境。在SHH和WNT亚型中，肿瘤微环境的特征是肿瘤相关巨噬细胞占优势，而第3组和第4组具有更高表达的CD8+ T细胞。特别是SHH亚组比其他亚组表现出更多的炎性细胞因子，第4组含有高水平的淋巴细胞和中性粒细胞浸润，并伴有高表达的CD3+ T细胞。髓母细胞瘤表达的M2样巨噬细胞多于M1样巨噬细胞，T淋巴细胞很少，且PD-L1表达低，这导致了肿瘤增殖和侵袭。
02
弥漫中线胶质瘤
DMG的一个类别是弥漫内生性脑桥胶质瘤（DIPG），占所有儿童高级别胶质瘤的10%和脑干肿瘤的80%。DIPG具有完整的血脑屏障和高度免疫抑制的肿瘤微环境，其特点是M2样肿瘤相关巨噬细胞与M1样肿瘤相关巨噬细胞的表达比率较高。非炎症性肿瘤微环境表现为低炎症标志物和细胞因子表达、减少的CD3+和CD8+浸润T细胞、低突变负荷以及降低的抗原呈递。
03
室管膜瘤
这是第三常见的儿童脑肿瘤，有四种亚型，其中两种位于后颅窝，另外两种位于幕上。室管膜瘤具有完整的血脑屏障，在幕上亚型中，血脑屏障状态受损。后颅窝室管膜瘤具有低的T细胞肿瘤浸润和低的突变负荷，产生免疫抑制的肿瘤微环境，是儿科患者中最常见的室管膜瘤亚型 。幕上室管膜瘤通常具有更高的生存率，可以实现大体手术全切除，减少了对MRgFUS的需求。
04
颅咽管瘤
釉质上皮型颅咽管瘤是儿童中颅咽管瘤的主要形式，特点是血脑屏障受损，肿瘤微环境中炎症标志物和免疫调节细胞因子（如IL-6和IL-10）升高。颅咽管瘤的复发率为25%，在某些ACP患者中这一比率会增加。基因组谱分析数据显示，ACP肿瘤在复发过程中保持稳定，MAPK通路的激活是复发的主要原因。ACP肿瘤促进了免疫抑制的肿瘤微环境。
05
低级别胶质瘤
这类脑瘤包括具有完整血脑屏障的弥漫性低级别胶质瘤和具有受损血脑屏障的毛细胞星形细胞瘤。毛细胞星形细胞瘤在肿瘤微环境中具有最高程度的巨噬细胞浸润和高度活化的M1表型，这增加了炎症，导致对治疗的反应性增加。这种肿瘤通常表达促炎的免疫微环境，存在T淋巴细胞和M1表型。儿科低级别胶质瘤促进中度免疫抑制的肿瘤微环境，具有降低的PD-L1表达、高的CD8+ T细胞表达和CD163巨噬细胞。
磁共振引导聚焦超声如何打开血脑屏障
MRgFUS背后的生物物理机制涉及微泡振荡、对内皮细胞的机械应力、紧密连接解体和转胞吞作用增加。微泡被静脉注射，在低强度超声波的存在下，它们会振荡、膨胀和收缩，即所谓的声空化，导致血脑屏障的暂时性破坏。吸收的超声能量传递给微泡，引起振荡，从而实现对正常组织的最小可观察破坏。作用于内皮细胞壁的应力导致细胞变形，暂时打开血脑屏障，这是由足以诱导稳定微泡空化的声压引起的。暂时性血脑屏障开放背后的其他分子机制包括小窝蛋白-1的上调，这会导致超声处理1小时后血脑屏障通透性增加。MRgFUS和静脉注射微泡的这些机制是非侵入性的技术，利用超声换能器通过颅骨传输声能波，以精确瞄准大脑内的特定位置。这种血脑屏障的开放是暂时的，并允许治疗药物靶向递送到肿瘤区域（图1）。
图1：聚焦超声换能器定位在MRI患者床上的患者头部上方。（A）微泡与选定的免疫疗法一起静脉注射。（B）颅内区域接受超声处理；MRI引导聚焦超声允许实时图像引导和声能波的精确靶向。（C）超声处理后，微泡与超声场相互作用。在微血管水平，微泡在超声波存在下振荡，诱导内皮细胞壁的机械应力，导致血脑屏障暂时性和局部性破坏。此过程与小窝蛋白-1（血脑屏障通透性的关键调节因子）的上调以及紧密连接蛋白（包括闭合蛋白、封闭蛋白-1和-5）的下调有关。总之，这个过程增加了血脑屏障的通透性，并在超声处理后数小时内恢复。
临床前研究表明，MRgFUS介导的血脑屏障开放显著增强了瘤内化疗药物（如多柔比星、顺铂、依托泊苷）的递送和蓄积，在脑肿瘤模型中转化为治疗效果改善和最小的毒副作用 。
MRgFUS介导的赫赛汀跨血脑屏障转运增强了治疗药物的递送。重复MRgFUS介导的血脑屏障开放的安全性和有效性也在临床前研究中进行了评估。与单独使用微泡、单独使用MRgFUS以及MRgFUS + 微泡不加治疗药物相比，在脑干中浓缩多柔比星最有效的方法是MRgFUS+微泡+多柔比星的组合。
这些研究建立了一种方法来克服异质性的血脑屏障通透性，增加瘤内化疗药物浓度，递送大分子药物，在动物模型中，减少肿瘤负荷并提高生存获益。
MRgFUS的免疫调节作用
MRgFUS不仅增强药物递送，还可以通过机械和炎症信号通路改变肿瘤微环境。这个环境是敏感的，可以在MRgFUS治疗后发生变化，促进从这种免疫沙漠（也称为免疫学“冷”肿瘤）向更具炎症性或“热”肿瘤的转变。这种转变诱导细胞反应，如增加的肿瘤相关巨噬细胞和小胶质细胞，并使微环境对免疫检查点抑制剂产生反应的可能性成为现实。MRgFUS与免疫检查点抑制剂的组合，或MRgFUS+嵌合抗原受体T细胞，是在特定肿瘤病例中使用的策略，并已被证明发挥不同的生化和机械效应，使肿瘤能够从冷免疫环境转变为热免疫环境。
聚焦超声技术最初是为治疗成人而开发的，在儿童患者中的临床应用于2020年获得批准，凸显了儿童临床研究的早期阶段。儿童脑肿瘤通常表现出免疫学冷的肿瘤微环境，其特点是缺乏免疫细胞浸润，MRgFUS诱导的免疫调节作用可能与在成人肿瘤和临床前模型中观察到的结果不同。
差的T细胞浸润和弱的基线免疫激活，常常导致对免疫检查点抑制剂的免疫治疗抵抗，定义了免疫学冷肿瘤。需要治疗策略来促进免疫细胞募集和激活，将这些肿瘤转化为一种促炎的“热状态”，其特征是高T细胞浸润、高干扰素-γ信号传导、强大的抗肿瘤免疫反应，以及对免疫治疗药物反应性的改善。
如何将免疫学冷肿瘤转化为免疫学热肿瘤？
MRgFUS介导的血脑屏障开放诱导细胞和组织应激，这可能导致炎症以及小胶质细胞和巨噬细胞表达的增加。临床前模型也显示了促炎细胞因子表达的增加，以及通过树突状细胞成熟所证明的增强的抗原呈递。
大鼠胶质瘤模型的临床前证据在一定程度上支持MRgFUS的免疫调节作用。白介素-12与MRgFUS联合全身给药，以触发针对癌细胞的免疫反应。MRgFUS和IL-12递送的组合在肿瘤区域内产生了最显著的CD3+、CD8+和调节性T细胞的增加。MRgFUS可用于局部经颅热疗，证明了实体瘤中药物浓度和递送的增强。这种热应激降低了颅外肿瘤的间质液压力，改善了纳米颗粒的积累，并改变了血管通透性，从而改变了肿瘤微环境。
MRgFUS可以作为肿瘤微环境的有效调节剂。通过热效应和机械效应，MRgFUS可以刺激免疫相关过程，包括肿瘤抗原和炎症介质的释放。这些效应可以触发下游生化信号，影响肿瘤相关巨噬细胞和小胶质细胞，它们是肿瘤微环境的关键调节因子。
免疫检查点抑制剂和MRgFUS的组合是一种有前景的策略，可以激活免疫系统，从而消除肿瘤细胞。PD-1/PD-L1免疫检查点抑制剂是最常用的癌症免疫疗法，自2014年初步研究以来已显示出有效性。使用MRgFUS的目的是在肿瘤组织的受限区域内实现均匀的免疫检查点抑制剂分布。闭环MRgFUS通过声发射反馈控制微泡振荡，改善了GL261肿瘤中免疫检查点抑制剂的渗透，并改变了肿瘤免疫微环境。
这些发现支持MRgFUS作为一种针对脑肿瘤的局部免疫佐剂治疗，对免疫细胞组成产生积极影响，并将肿瘤微环境转化为一个更易对免疫检查点抑制剂产生反应的微环境。MRgFUS可以实现空间靶向的治疗递送，从而可能减少周围组织中的脱靶免疫激活。
新的免疫调节技术是CAR T细胞疗法。这种新颖的技术允许每个肿瘤及其遗传亚型根据其抗原表达被靶向。这项技术是为了应对某些癌症可能对免疫检查点抑制剂免疫疗法无反应的情况，特别是在儿童DMG中。CAR T细胞被设计成对特定的肿瘤抗原作出反应，不需要免疫检查点通路抑制，并且可以独立于肿瘤细胞上的主要组织相容性复合体表达发挥作用，从而直接影响肿瘤。
图2：描述了在MRgFUS介导的血脑屏障开放联合免疫检查点抑制剂疗法或CAR T细胞疗法后，免疫学冷肿瘤向热肿瘤的转化。
尽管CAR T细胞在体外被激活并能独立识别肿瘤抗原，但它们可能会在肿瘤微环境中因髓系群体而变得耗竭或受到抑制。
免疫效应细胞相关神经毒性综合征是儿童患者CAR T细胞疗法公认的并发症。CAR T细胞疗法的若干局限性，包括严重的毒性、抑制性的肿瘤微环境相互作用、受限的向肿瘤部位的运输以及抗原逃逸，都可能限制治疗效果。MRgFUS有潜力通过增强递送和改变肿瘤微环境来调节这些限制。将特定的肿瘤脉管系统和免疫细胞群体纳入治疗分层中，是儿科神经肿瘤学中免疫治疗成功的关键决定因素。
儿童患者的几种生理差异面临独特的挑战，包括围手术期体温过低风险增加、较薄的颅骨和帽状结构，以及减少的皮下脂肪组织沉积。儿童和成人脑肿瘤之间也存在重要的免疫学差异。
针对髓母细胞瘤肿瘤的免疫治疗策略研究表明，PD-1、PD-L1和CTLA-4抗体在临床儿科人群中已取得有效结果，但SHH亚组除外，该亚组在四种亚型中具有最高的PD-L1表达。CAR T细胞疗法可能代表一种替代策略，因为它可以绕过抗原呈递的主要组织相容性复合体依赖性，直接靶向肿瘤细胞并增强细胞毒性淋巴细胞表达。
DMG，特别是儿科DMG，对免疫检查点抑制剂疗法（包括MRgFUS增强递送）几乎没有或完全没有反应。导致疗效降低的原因包括缺乏免疫检查点蛋白以及通过小胶质细胞促进作用增加的免疫抑制标志物 。
室管膜瘤RELA肿瘤表现出显著高于其他室管膜瘤亚型的PD-L1表达，提示优先选择免疫检查点抑制剂而非CAR T细胞疗法。在ACP中，最近的研究支持MRgFUS+免疫检查点抑制剂的方法。
低级别胶质瘤具有较低的CD8+ T细胞和T细胞运输水平以及降低的PD-L1表达，MRgFUS+CAR T细胞可能是合适的策略。
表1总结了基于血脑屏障和肿瘤微环境特征以及过去研究的常见儿科脑肿瘤的建议方法。这些方法高度依赖于肿瘤特异性特征，这加强了个体化治疗方法的需求。
正在进行的临床试验与未来方向
Rutka教授团队进行的临床试验报告了在少数（五名）胶质瘤患者中进行MRgFUS血脑屏障开放的安全性和可行性。结果证明：可以使用MRgFUS反复且安全地开放血脑屏障，从而实现靶向、短暂的破坏以递送全身注射的化疗药物，且无剂量限制性毒性报告。MRgFUS增加了曲妥珠单抗（一种化疗药物）的瘤内浓度，该方法可应用于深部脑区，如脑干、颅神经核和小脑，为位于手术困难区域的肿瘤提供了一种非侵入性的辅助方法。此外，血脑屏障开放耐受性良好，患者无不良副作用。这些结果可作为证据，表明无法手术切除或因位于大脑特定位置而对标准癌症治疗无反应的脑肿瘤，仍可能受益于MRgFUS血脑屏障开放以递送治疗药物。
目前正在进行的MRgFUS临床试验正在探索其在增强替莫唑胺和卡铂等化疗药物递送方面的潜力，用于胶质母细胞瘤患者。MRgFUS介导的血脑屏障开放也正在被探索用于促进胶质母细胞瘤肿瘤中游离血浆DNA进入血流，从而利用液体活检进行诊断和治疗监测。液体活检是一种用于分析肿瘤病理学的诊断方法，如脑脊液、血液、循环肿瘤DNA和细胞。它可以实时监测肿瘤分子环境、其对治疗的反应及其进展。最近的一项研究报告称，短暂的MRgFUS介导的血脑屏障开放可以通过富集循环脑源性生物标志物的信号来提高液体活检的敏感性。这表明可以根据各自的组织学标志物对肿瘤进行个体化治疗。
关注MRgFUS介导的血脑屏障开放是否可用于越来越多的儿科脑肿瘤，或者其应用是否应保留给特定的肿瘤亚型和患者特异性特征，这将是一件有趣的事情。某些肿瘤如DMG（DIPG）和髓母细胞瘤的SHH亚型通常保留完整的血脑屏障，限制了常规化疗方法。需要MRgFUS来增强局部药物递送并改善瘤内分布。MRgFUS不应被视为一种通用的药物递送平台，而应被视为一种调节工具，其应用需根据肿瘤生物学、血管特征和治疗目标进行定制。
新兴的生物材料策略，包括抗氧化和免疫调节水凝胶，已证明是一种额外的无毒方法来调节促炎信号传导和巨噬细胞极化。虽然这在儿科人群中尚未得到探索，但这可能成为MRgFUS介导的免疫治疗递送的补充方法，突出了整合微环境靶向疗法来治疗儿科中枢神经系统肿瘤的机会。
通过使用免疫肿瘤学基因表达检测，近期研究阐明了同一分类内肿瘤的显著异质性，特别是肿瘤微环境的组成。DMG被发现具有广泛的T细胞浸润和强的PD-L1阳性，这表明免疫检查点抑制剂是治疗某些DMG患者的合适选择。
Rutka教授团队强调了支持MRgFUS与免疫检查点抑制剂或CAR T细胞策略联合方法的临床前和新兴临床证据。这些方法的选择可能取决于个体而非普遍的肿瘤特征，包括血脑屏障完整性和肿瘤微环境的免疫原性特征。
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