胶质母细胞瘤分化程度对血脑屏障通透性的影响

背景介绍

胶质母细胞瘤（Glioblastoma Multiforme, GBM）是一种高度侵袭性的脑肿瘤，由于其复杂的生物学特性和血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）的存在，治疗难度极大。血脑屏障是由紧密连接蛋白（Tight Junctions, TJs）和ATP结合盒（ATP-binding Cassette, ABC）转运蛋白组成的复杂结构，能够阻止大多数药物进入大脑。尽管在GBM肿瘤核心区域，血脑屏障被破坏，但在肿瘤边缘的脑组织（Brain-Adjacent-to-Tumor, BAT）中，血脑屏障仍然完整，这导致药物难以到达这些区域，进而引发肿瘤复发。

GBM的异质性是其治疗失败的主要原因之一。肿瘤中同时存在分化程度较高的细胞和癌症干细胞（Cancer Stem Cells, CSCs），后者虽然数量较少，但在肿瘤的发生、发展和复发中起着关键作用。CSCs具有多药耐药性，主要归因于高表达的P-糖蛋白（P-glycoprotein, Pgp）等ABC转运蛋白。此外，CSCs能够扩散到邻近的脑组织，导致肿瘤复发。

尽管已知GBM细胞会释放一些可溶性因子影响血脑屏障的通透性，但其具体机制尚不明确。本研究旨在探讨GBM细胞的分化程度如何影响血脑屏障的通透性，并揭示其中的分子机制。

论文来源

本论文由Sabrina Di Giovanni、Martina Lorenzati、Olga Teresa Bianciotto等作者共同完成，作者来自意大利都灵大学（University of Torino）、法国巴黎科钦研究所（Institute Cochin）等多个研究机构。论文于2024年发表在《Fluids and Barriers of the CNS》期刊上，标题为“Blood-brain barrier permeability increases with the differentiation of glioblastoma cells in vitro”。

研究流程与结果

1. 研究设计

本研究通过体外实验，构建了人源血脑屏障模型，并与来自3名患者的GBM细胞共培养。GBM细胞被分为干细胞/神经球（Stem Cell/Neurosphere, SC/NS）和分化/贴壁细胞（Differentiated/Adherent Cell, AC）两种类型。研究还设置了使用GBM细胞条件培养基的实验组，以探讨可溶性因子对血脑屏障的影响。

2. 实验流程

a) 血脑屏障模型的构建

研究人员使用了人脑微血管内皮细胞（HCMEC/D3）作为血脑屏障的主要组成部分，并将其培养在Transwell插入物中。为了模拟更接近生理状态的血脑屏障，研究还构建了三重培养模型，包括内皮细胞、星形胶质细胞（Human Astrocytes, HAS）和周细胞（Human Pericytes, HPEs）。

b) GBM细胞与血脑屏障共培养

GBM细胞（AC和NS）被分别与血脑屏障模型共培养72小时。通过测量跨内皮电阻（Transendothelial Electrical Resistance, TEER）和药物（如多柔比星、米托蒽醌和右旋糖酐-70）的通透性，评估血脑屏障的功能变化。

c) 条件培养基实验

研究人员还使用了GBM细胞的条件培养基，分别添加或去除IL-6（白细胞介素-6），以验证IL-6在调节血脑屏障通透性中的作用。

d) 分子机制研究

通过免疫印迹（Immunoblotting）和实时定量PCR（qRT-PCR），研究人员检测了血脑屏障细胞中ABC转运蛋白和紧密连接蛋白的表达变化。此外，还使用了STAT3（信号转导和转录激活因子3）的抑制剂STA-21和靶向STAT3的PROTAC（蛋白降解靶向嵌合体）SD-36，进一步验证IL-6/STAT3信号通路的作用。

3. 主要结果

a) GBM细胞增加血脑屏障通透性

研究发现，与GBM细胞共培养后，血脑屏障对多柔比星、米托蒽醌和右旋糖酐-70的通透性显著增加，TEER值下降。这些效应在AC共培养组中更为显著，表明分化程度较高的GBM细胞对血脑屏障的影响更大。

b) 条件培养基的影响

GBM细胞的条件培养基同样增加了血脑屏障的通透性，且AC条件培养基的效果强于NS条件培养基。通过ELISA检测，研究人员发现AC条件培养基中IL-6的水平显著高于NS条件培养基。

c) IL-6的关键作用

通过添加或去除IL-6，研究人员发现IL-6是调节血脑屏障通透性的关键因子。IL-6通过激活STAT3信号通路，下调ABC转运蛋白和紧密连接蛋白的表达，从而增加血脑屏障的通透性。

d) STAT3信号通路的作用

使用STAT3抑制剂STA-21或PROTAC SD-36处理后，血脑屏障的通透性显著降低，ABC转运蛋白和紧密连接蛋白的表达恢复。这表明IL-6/STAT3轴在调节血脑屏障通透性中起着核心作用。

4. 结论

本研究首次揭示了GBM细胞的分化程度对血脑屏障通透性的影响。分化程度较高的GBM细胞通过释放IL-6，激活血脑屏障细胞中的STAT3信号通路，下调ABC转运蛋白和紧密连接蛋白的表达，从而增加血脑屏障的通透性。这一发现为改善GBM治疗中的药物递送提供了新的思路，特别是针对血脑屏障较为完整的肿瘤边缘区域。

研究亮点

1. 首次揭示分化程度对血脑屏障通透性的影响：本研究首次证明了GBM细胞的分化程度与血脑屏障通透性之间的关系，填补了这一领域的研究空白。

2. IL-6/STAT3轴的关键作用：研究明确了IL-6通过STAT3信号通路调节血脑屏障通透性的分子机制，为未来的药物开发提供了潜在靶点。

3. 多重实验模型的构建：研究不仅使用了单一的血脑屏障模型，还构建了更接近生理状态的三重培养模型，增强了实验结果的可靠性。

4. 潜在的治疗应用：通过调控IL-6/STAT3轴，未来可能开发出新的治疗策略，提高化疗药物在GBM治疗中的递送效率。

研究意义

本研究的科学价值在于揭示了GBM细胞分化程度与血脑屏障通透性之间的关联，并明确了IL-6/STAT3轴在这一过程中的核心作用。这一发现不仅加深了我们对GBM生物学行为的理解，还为改善GBM治疗提供了新的思路。通过靶向IL-6/STAT3轴，未来可能开发出更有效的药物递送策略，从而提高GBM患者的治疗效果。

此外，本研究还为其他涉及血脑屏障的神经系统疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病等）提供了新的研究视角，具有广泛的应用前景。