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胆固醇代谢在脑胶质瘤中的作用

编辑:INC|发布时间:2021-11-05 16:43

  胆固醇代谢在脑胶质瘤中的作用,多种神经系统疾病与脑胆固醇的代谢异常关系密切,阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)、癫、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)等疾病均已证实由脑胆固醇稳态的破坏诱发。越来越多的证据表明胆固醇代谢紊乱与包括GBM在内的多种癌性疾病发展有关,但其在疾病进展中的作用尚不十分清楚。然而,关于血清胆固醇水平与患癌症风险之间关系的流行病学数据存在矛盾,表明循环胆固醇水平仅对癌症发展有边际效应。OHC是胆固醇的羟基化衍生物,在脂类代谢中发挥重要作用,作为活化信号与诱导突变的化合物得到广泛关注。

胆固醇代谢在脑胶质瘤中的作用

  2.1胆固醇代谢与脑胶质瘤发展

  胆固醇代谢在肿瘤细胞的增殖,迁移,侵袭中发挥着重要作用。消除胆固醇或阻碍胆固醇转运能抑制多种肿瘤的生长和侵袭。与正常细胞比较,肿瘤细胞的胆固醇合成增加,脂质代谢失调是恶性肿瘤的特征之一。哺乳类动物中,胆固醇动态平衡分别受到以胆固醇调节元件结合蛋白(sterol-regulatory element binding proteins,SREBPs)和肝X受体(liver X recepters,LXRs)为中心的复杂蛋白质网络的严格调控,这些转录因子参与胆固醇的流入、流出、合成、代谢和酯化过程。

  SREBPs是一类膜结合转录因子,可调节人体内胆固醇稳态并激活部分参与胆固醇合成的基因表达。SREBPs主要以3种形式存在,包括主要参与胆固醇合成的SREBP-2,主要刺激脂肪酸合成SREBP-1c和优先激活胆固醇合成的SREBP-1a。SREBP-2可以促进基因转录生成3-羟-3-甲基戊二酰-CoA还原酶(HMG-CoAreductase,HMGCR)和低密度脂蛋白受体(low-density lipoprotein receptor,LDLR)等,进而调控胆固醇合成与摄取。HMGCR是胆固醇合成途径的限速酶,而合成胆固醇的原料供应受LDLR调节。HMGCR和LDLR基因转录会根据细胞内胆固醇水平的变化而变化。

  胶质母细胞的存活与胆固醇息息相关,胶质瘤组织中SREBP2和合成酶类表达上调。有研究认为SREBPs与表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)突变和PI3K过度激活有关,SREBPs能促进GBM的生长,但利用癌症基因组图谱(The cancer genome atlas,TCGA)数据库的分析表明,弥漫性胶质瘤SREBP2高表达组较低表达组有着更好的预后。细胞内胆固醇过多时,LXRs通过诱导ABCA1和ABCG1基因的表达上调诱导E3泛素连接酶促进胆固醇外排和LDLR减少。

  以上这些转导途径为靶向,已经在动物模型研究中被证明是抑制GBM生长的有效策略。胆固醇代谢产物包括胆固醇酯和OHC等也在肿瘤细胞中升高。脑部多余的胆固醇可以通过酶催化或直接氧化代谢为OHC,包括24(S)-OHC、25-OHC、27-OHC、22-OHC、7-OHC等。24(S)-OHC、25-OHC、27-OHC和7α,25-OHC这几种重要的氧化型胆固醇与免疫性疾病密切相关。除了参与胆固醇代谢以外,OHC还能调节Hedgehog、Wnt和MAPK等信号通路。

  胆固醇25-羟化酶(cholesterol-25-hydroxylase,CH25H)是脂质去饱和酶和脱氢酶家族的一员,作为关键酶羟化胆固醇形成25-OHC,后者再通过CYP7B1进一步羟化形成7α,25-OHC,再与核受体家族例如LXRs结合发挥广泛作用。OHC是LXRs配体,后者抑制SREBPs途径减少胆固醇合成,同时激活ABCA1促进胆固醇从胞内排出,可能有利于抑制肿瘤生长。25-OHC和7α,25-OHC由淋巴组织和非淋巴组织中的多种细胞合成,并且能被炎症反应刺激上调,具有募集和趋化免疫细胞的功能,在炎症、免疫、抗病毒及肿瘤的发生发展过程中发挥重要作用。

  25-OHC合成途径中所需要的酶类被发现在巨噬细胞和暴露于炎症介质的树突状细胞(dendritic cells,DCs)中有上调趋势,提示25-OHC在免疫系统可能具有广泛的作用。25-OHC和7α,25-OHC的作用依赖炎性及免疫细胞膜受体G蛋白偶联受体183(Gprotein-coupled receptor 183,GPR183)即EB病毒诱导受体2(Epstein-Barr virus-induced G-protein coupled receptor2,EBI2)。体外实验中发现,不同肿瘤细胞可通过表达22-OHC经CXCR2途径募集中性粒细胞。

  胶质瘤细胞中,诱导CH25H表达上调使25-OHC合成增加,可对单核细胞/巨噬细胞产生趋化作用,这一作用通过EBI2受体介导。有研究表明GBM细胞通过细胞因子诱导的方式在mRNA和蛋白质水平上表达CH25H,并且能够合成与分泌25-OHC。研究发现外源性25-OHC和来源于GM133条件培养基的脂质提取物可以通过EBI2诱导THP-1细胞的迁移。并且,人类外周血单核细胞也可以对外源性25-OHC做出反应性迁移。因此,GBM细胞产生的25-OHC有可能是诱导单核细胞向肿瘤细胞募集的趋化信号之一,能够促进肿瘤相关巨噬细胞的沉积。

  此外,25-OHC被发现可以通过脂质合成和分隔拮抗多种病毒的复制,调节免疫球蛋白A的合成,促进巨噬泡沫细胞的形成,上调部分炎性细胞因子例如白细胞介素(interleukin IL)-6和介导反馈抑制IL-1家族细胞因子的产生。EBI2是一类7次跨膜受体,在B细胞、T细胞、树突状细胞、单核巨噬细胞等免疫细胞细胞膜均有表达。EBI2可以介导B细胞在淋巴结自中央滤泡向外周滤泡转移定位及抗体生成,免疫细胞的趋化作用会影响肿瘤部位的免疫形势,为促进肿瘤部位免疫应答和规避免疫逃逸提供了新的思路。

  研究提示趋化B细胞转移的具体机制可能是淋巴结不同分区基质细胞中,CH25H、CYP7B1等代谢酶分布的不同,进而导致了7α,25-OHC在不同区域形成了浓度梯度,有研究发现7α,25-OHC是EBI2激动效应最强的配体。因此,EBI2对B细胞的趋化作用与7α,25-OHC及其前体25-OHC的浓度形成呈正比,羟固醇-EBI2信号通路指导了B细胞在淋巴结内的分配。除B细胞外,此类趋化作用还体现在对脾脏CD4+DC及T细胞免疫功能的调节上。

  由于脾脏边缘区域内的DCs有呈递血液中抗原的作用,缺乏EBI2或7α,25-OHC合成体系的小鼠脾脏边缘区域内CD4+DC数量显著减少,进一步影响辅助T细胞的激活及抗体的产生过程。此外,其可以调节CD4+T细胞在淋巴组织中T细胞与DCs的相互作用,DCs产生的CD25可抑制IL-2对CD4+T细胞分化的抑制作用,促进CD4+T细胞分化。此外,7α,25-OHC也被发现是EBI2+DC的导向信号。

  上述研究均表明,以7α,25-OHC为代表的OHC可以对表达EBI2受体的免疫细胞产生趋化和迁移作用,EBI2和7α,25-OHC缺乏均可能引起免疫应答缺陷。27-OHC可能是胆固醇代谢的敏感调节剂,可以抑制胆固醇合成并刺激星形胶质细胞中胆固醇的转运。之前有研究证明27-OHC是浓度依赖性的抑制低密度脂蛋白摄取、降解和抑制HMGCR细胞内介质。还发现HMGCR失活是由于胆固醇转化为27-OHC引发的。

  研究发现27-OHC通过下调SREBP-1a、HMGCR和LDLR的表达,能够降低胶质瘤细胞内胆固醇水平,并通过上调过氧化物酶体增殖物激活受体(perxisome proliferators-activated receptor,PPAR)-γ、LXR-α、ABCA1和ApoE的基因表达促进胆固醇转运,导致经27-OHC处理后的胶质瘤细胞活力明显降低甚至凋亡。此外,有研究表明27-OHC可通过消耗细胞内胆固醇水平以抑制前列腺癌的生长。

  而其他研究却发现,在乳腺癌细胞中27-OHC通过诱导上皮-间质转化(epithlial mesenchymal transition,EMT)导致肿瘤生长加速,在早期肝细胞癌的部分亚型中也出现了这种现象。同时,与25-OHC、24(S)-OHC和27-OHC等转运相关的循环脂蛋白可能对于胶质瘤的形成至关重要,例如高密度脂蛋白。

  高密度脂蛋白含有的1-磷酸鞘氨醇(sphingosine-1-phosphate)是一类高效的促GBM细胞分裂剂,可以参与诱导胶质瘤细胞DNA合成增加,细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)磷酸化和Ca2+活化。

  2.2胆固醇代谢与肿瘤微环境

  肿瘤微环境即肿瘤细胞产生与生活的内环境。近年来,肿瘤微环境概念逐渐完善,被定义为由非肿瘤细胞、胶质瘤干细胞、肿瘤细胞、免疫细胞和基质细胞等富含细胞的异质性混合物,这些细胞都包含在一个经修饰的细胞外基质中。其中,免疫细胞包括髓系抑制性细胞、肿瘤相关的小胶质细胞/巨噬细胞、CD4+T辅助性细胞、细胞毒性CD8+T细胞、自然杀伤细胞、调节性T细胞以及包括树突状细胞和髓系巨噬细胞在内的抗原递呈细胞等。

  肿瘤的生长代谢需要消耗大量的营养物质,导致其与营养环境相互作用和重塑。多数肿瘤细胞的脂类代谢呈合成异常增强,而脂肪酸分解减缓。胶质瘤干细胞主要通过影响脂肪酸氧化过程中的相关酶类实现对脂质代谢的调控。比如,肉毒碱棕榈酰基转移酶1A(carnitine palmitoyltransferase1A,CPT1A)具有调控长链脂肪酸转运至线粒体的能力,而CPT1C是脂肪酸β氧化的调控因子,胶质瘤干细胞通过调控CPT1A和CPT1C以调节胶质瘤的能量代谢。有研究表明CPT1A和CPT1C均在胶质瘤患者中呈现高表达,而CPT抑制剂作用于胶质瘤干细胞可抑制胶质瘤细胞增殖。

  2.3胆固醇代谢与胶质瘤治疗

  随着肿瘤代谢研究的逐渐深入,基于代谢途径中关键酶或转运体的抗肿瘤药物开始成为新的肿瘤治疗方案。例如,吲哚胺2,3-双加氧酶最早被运用于肿瘤的免疫治疗,吲哚胺2,3-双加氧酶抑制剂与化疗联合治疗或其他免疫治疗在黑色素瘤等疾病中表现出一定的生存获益。此外,基于氨基酸、糖酵解代谢的免疫治疗研究也十分丰富,前者以谷氨酰胺代谢调控为代表,后者主要集中于己糖激酶、乳酸脱氢酶等靶点。

  在脂代谢调控的免疫治疗中,ACAT1抑制剂阿伐麦布(avasimibe)具有良好的抗肿瘤能力,这是由于胆固醇酯化的抑制使CD8+T细胞质膜胆固醇水平升高,导致T细胞受体簇集和信号传导增强以及免疫突触的有效形成,从而增强了CD8+T细胞的抗肿瘤活性。研究提示阿伐麦布与PD-1药物的联合治疗相较于PD-1药物单一治疗具有更显著的临床意义。胆固醇代谢抑制剂与肿瘤疫苗免疫疗法的联用也具有一定的临床前景。

  在Kras突变的肺癌动物模型中,阿伐麦布与Kras肽类疫苗联用可以显著降低调节性T细胞(Treg)数量以促进CD8+T细胞的肿瘤浸润。除此之外,ACAT1抑制剂K604、ATR-101也被实验证实可以有效抑制一些异种移植模型中的肿瘤生长。与正常脑组织比较,GBM标本中CYP46A1水平显著降低。CYP46A1表达减少与人类神经胶质瘤的肿瘤分级增加和预后不良有关。CYP46A1过表达抑制了细胞增殖并通过增加24(S)-OHC水平减少胆固醇积累抑制体内肿瘤生长。同时发现,经24(S)-OHC处理的GBM细胞可通过调节LXRs和SREBPs信号传导抑制肿瘤生长。

  抗HIV药物依非韦伦(efavirenz)是一种已知的CYP46A1激活剂,可穿透BBB,通过激活体内的CYP46A1/24-OHC轴以抑制GBM生长。研究提示CYP46A1是GBM细胞胆固醇的关键调节剂,CYP46A1/24-OHC轴是潜在的治疗靶标。有研究发现,异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)突变可促进24(S)-OHC的产生,并改变胶质瘤组织内的胆固醇稳态。

  IDH突变是低级别胶质瘤(low-grade gliomas)和继发性GBM最重要的遗传改变之一,甚至被用于指导胶质瘤的分类。许多证据表明IDH突变与肿瘤代谢重编程有关,可能是肿瘤治疗的潜在靶点。除了促进谷氨酰胺加入和糖酵解,IDH突变还通过减少还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和乙酰辅酶A的产生而阻碍脂质的合成。

  CYP46A1被证实在IDH1突变的星形胶质细胞和胶质瘤细胞中表达升高,促进了24(S)-OHC的产生,通过减少胆固醇内流并增加胆固醇外流使脑部胆固醇水平降低。胆固醇水平的降低反馈性刺激了其生物合成,使IDH1突变的胶质瘤细胞对于已知的HMGCR抑制剂阿托伐他汀更为敏感,之前阿托伐他汀被认为具有一定的抗肿瘤作用。此外,研究发现加入阿托伐他汀可引起显著的IDH1突变胶质瘤细胞死亡和迁移抑制。

  有临床研究发现,洛伐他汀(lovastatin)与替莫唑胺联合治疗具有较为明显的抗胶质瘤细胞生长作用,具有作为脑胶质瘤辅助治疗策略的潜力。如前所述,激活LXR可以增加胆固醇外排并降低胆固醇摄取,也是一种具有潜力的抗肿瘤策略。研究表明,人工合成的LXR激动剂GW3965和T0901317可以在胶质细胞瘤、乳腺癌和前列腺癌动物模型中显著抑制肿瘤生长。LXR-623除了可以激活LXRs外,还具有高度的脑渗透性,可以选择性杀死胶质瘤细胞并延长GBM小鼠的生存期。

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