摘要
肺癌是中国癌症发生率及死亡率最高的肿瘤，严重威胁人们的健康。脑转移是肺癌最常见的远处转移之一，发生率可达50％。尽管分子靶向治疗和免疫治疗在肺癌中取得了显著的进步，改善了患者的生活质量和生存时间，但肺癌脑转移患者仍预后较差，目前缺乏有效的治疗手段和诊断预测生物标志物。除血脑屏障外，颅内特有的微环境对脑转移的发生发展也具有重要作用，但是关于肿瘤细胞与颅内微环境的互作机制知之甚少。 通过对本院和公共的脑转移瘤和肺原发灶配对的转录组数据进行分析，我们发现在两个数据库中脂质运载蛋白-2(Lipocalin-2,LCN2)在脑转移瘤中的表达均显著高于肺原发灶。对患者的脑转移瘤的单细胞转录组数据分析发现LCN2主要在肿瘤细胞上表达。对脑转移瘤组织标本进行免疫组织化学(Immunohistochemistry,IHC)染色，结果提示LCN2在脑转移瘤中的IHC评分显著高于肺癌原发灶，且IHC 3+的患者的颅内无疾病进展生存时间劣于＜3+的患者。体内外模型发现干预肿瘤细胞的LCN2不影响其透过血脑屏障的能力，但影响其在颅内的定植与增殖。通过对干预LCN2的肿瘤细胞培养上清进行多因子检测，发现血管内皮生长因子-A(Vascular endothelial growth factor A,VEGF-A)变化差异明显。免疫酶联吸附(Enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)检测发现 LCN2高表达组的VEGF-A蛋白表达水平显著高于低表达组。体内研究显示，高表达LCN2的脑转移模型中新生血管更多。通过基因富集分析及蛋白免疫印迹证实，LCN2高表达组的Janus激酶(Janus kinase,JAK)-信号转导和转录激活因子3(Signal transducer and activator of transcription,STAT3)信号通路激活。使用STAT3的抑制剂(SH-4-54)或/和贝伐珠单抗治疗高表达LCN2的小鼠脑转移瘤可以显著延缓脑转移瘤的进展。 值得注意的是，在肺原位和皮下移植瘤模型中，干预肿瘤细胞的LCN2表达不影响肿瘤的生长，也不影响肿瘤的新生血管形成。进一步对脑转移瘤和原发灶的颅内微环境进行分析，发现颅内特有的星形胶质细胞显著高表达LCN2的受体SLC22A17。在LCN2高表达的脑转移瘤中，多种趋化因子在星形胶质细胞中显著上调，巨噬细胞占比显著增高。通过比较肿瘤细胞与星形胶质细共培养后的细胞培养上清对巨噬细胞的趋化作用，发现LCN2高表达对巨噬细胞的趋化能力更强。提示LCN2高表达的肿瘤细胞可以与星形胶质细胞互作招募巨噬细胞。另外，肿瘤细胞与巨噬细胞共培养后肿瘤细胞的LCN2蛋白表达水平显著升高，使用白介素1(Interleukin-1,IL-1)受体阻滞剂处理后该作用受到抑制。进一步使用IL-1β处理肿瘤细胞可以上调肿瘤细胞LCN2的蛋白表达，加入NF-κB抑制剂可以下调肿瘤细胞LCN2的蛋白表达。这表明巨噬细胞可以反过来激活IL-1β-IL1R-NF-κB信号通路上调肿瘤细胞的LCN2蛋白表达。 综上，本研究揭示了肿瘤细胞、星形胶质细胞及巨噬细胞三者相互作用促进肺癌的脑转移的机制。我们发现肿瘤细胞可以分泌LCN2与星形胶质细胞上的受体SLC22A17特异性结合，激活星形胶质细胞分泌多种趋化因子，招募颅外的单核细胞进入颅内转化为巨噬细胞，后者可以分泌IL-1β上调肿瘤细胞的LCN2蛋白表达。此外，肿瘤细胞还可以分泌LCN2与其受体结合激活JAK2-STAT3信号通路，促进VEGF-A的转录和分泌，使得肿瘤的新生血管生成增多。我们发现LCN2的这些功能对脑转移的发展至关重要，为肺癌脑转移的形成与发展提供了新的思路。
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