脑转移是晚期肺癌的严重并发症，包括脑实质转移和脑膜转移。流行病学数据表明，在非小细胞肺癌（non-small-cell lung cancer, NSCLC）患者中，约23%~36%会发生脑转移，多数表现为脑实质转移^[1]。相比之下，脑膜转移罕见于其他实体恶性肿瘤，但随着靶向和免疫治疗的进展，肺癌患者生存期日益延长，脑膜转移的发病率呈现明显的上升趋势，约为3.8%，而在间变淋巴瘤激酶（anaplastic lymphoma kinase, ALK）基因重排和表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）突变患者中高达5%~9%^[2]。

肺癌脑转移严重影响患者的生活质量并显著缩短生存期。研究报道，未经治疗的脑实质转移患者中位总生存期（median overall survival, mOS）仅为2~6个月，而未接受治疗的脑膜转移患者mOS仅为4~6周^[3]。因此，阐明其发病机制对于改善患者的生活质量和延长生存期至关重要。本文将从肿瘤内在特性、脑转移前微环境重塑和脑转移灶微环境等方面对肺癌脑实质和脑膜转移的分子机制进行综述。

1 脑实质转移 1.1 肿瘤内在特性 1.1.1 脑实质转移分子特征

原发性肺癌与其脑实质转移灶之间存在深刻的基因组异质性^[4]。大量研究证实，EGFR突变、ALK基因重排和ROS原癌基因1（ROS proto-oncogene 1, ROS1）融合突变是NSCLC患者发生脑实质与脑膜转移的高危因素^[5-6]。为深入探索NSCLC脑实质转移与原发灶间的基因组异质性，有研究通过全外显子组测序比较73例肺腺癌脑实质转移灶与503例肺腺癌原发灶发现，脑实质转移灶显著富集骨髓细胞瘤病毒癌基因同源物（myelocytomatosis viral oncogene homolog, MYC；12.0% vs 6.0%）、Yes关联蛋白1（Yes-associated protein 1, YAP1；7.0% vs 0.8%）和基质金属蛋白酶13（matrix metalloproteinase 13, MMP13；10.0% vs 0.6%）等基因的扩增和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂2A/B（cyclin-dependent kinase inhibitor 2A/B, CDKN2A/B）的基因缺失（27.0% vs 13.0%）^[7]。患者来源异种移植小鼠模型也证实，单独过表达MYC、YAP1或MMP13均可提高脑实质转移发生率，提示这些基因在脑实质转移克隆选择中的驱动作用。同样，Skakodub等^[8]也通过二代测序方法比较肺腺癌的颅内转移灶和原发灶或颅外转移灶的基因组特征发现，CDKN2A/B缺失和细胞周期信号通路与脑实质转移密切相关，而MYC扩增与脑多发转移密切相关。溴结构域和超末端结构域（bromodomain and extra-terminal domain, BET）蛋白为MYC表达和功能的共激活因子；抑制BET能够抑制MYC的表达和转录，从而抑制肺癌的发生和发展^[9]。肺癌向脑实质转移的演进与基因变异密不可分，上述发现为深入剖析肺癌脑实质转移的发生机制和探索潜在的治疗靶标提供基础，然而迄今为止尚未有CDK相关抑制剂或MYC抑制剂治疗或预防肺癌脑实质转移的临床获益证据。

1.1.2 上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition, EMT）

EMT是上皮细胞失去极性和黏附性从而获得间充质细胞表型的生物学过程，是肺癌转移和耐药的分子基础，主要表现为E-钙黏蛋白表达下调，以及波形蛋白（vimentin）和N-钙黏蛋白表达上调。研究发现，波形蛋白表达在脑实质转移患者中更为常见，在转移的启动中发挥作用，并促进脑实质转移的发生，尤其是在EGFR突变NSCLC患者中^[10]。

EMT的进程受多种分子的影响。snail家族转录抑制因子1（snail family transcriptional repressor 1, SNAIL）、snail家族转录抑制因子2（snail family transcriptional repressor 2, SLUG）、twist家族bHLH转录因子1（twist family bHLH transcriptional factor 1, TWIST1）和锌指E-box结合同源盒蛋白（zinc finger E-box binding homeobox, ZEB）家族转录因子作为EMT的主要诱导因子，通过抑制E-钙黏蛋白，激活N-钙黏蛋白和波形蛋白推动EMT^[11]。研究发现，亲环蛋白A（cyclophilin A, CypA）可通过p38丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）发挥作用，诱导EMT相关蛋白的表达^[12]。转移性肺癌组织中有丝分裂阻滞缺陷蛋白2（mitotic arrest deficient protein 2, MAD2B）表达增加，而MAD2B可通过增强SLUG的表达来促进EMT，从而提高NSCLC脑实质转移能力^[13]。此外，烷基化DNA修复蛋白alkylation repair homolog 5（ALKBH5）可抑制参与维持间充质基因的m6A甲基化，促进NSCLC细胞EMT的发生和颅内肺癌细胞的增殖^[14]。值得注意的是，有脑实质转移的NSCLC患者细胞黏附分子2（cell adhesion molecule 2, CADM2）的表达比无脑转移患者上调2倍以上，且敲低CADM2的表达可抑制NSCLC细胞A549和H322的迁移和侵袭^[15]。跨膜蛋白139（transmembrane protein 139, TMEM139）则相反。TMEM139的过表达可上调E-钙黏蛋白，下调波形蛋白和转移相关分子，阻断EMT，并抑制转移^[16]。有研究比较肺癌原发灶与脑实质转移灶肿瘤细胞发现，脑实质转移细胞存在更多的神经样分化，并可抑制上皮谱系标志物的表达，诱导肺癌细胞EMT程序激活，实现脑实质转移^[17]。本课题组既往研究也通过小鼠肺癌脑实质转移模型筛选构建高脑转移细胞亚群BM4，并发现BM4相较于亲本细胞明显表现出EMT相关特征，通过定量蛋白质组学鉴定出EMT相关蛋白巢蛋白（nestin, NES）和aldehyde dehydrogenase 6 family member A1（ALDH6A1）在肺腺癌脑实质转移中发挥关键作用^[18]。此外，研究发现，神经元与脑实质转移来源的癌细胞共培养可增强肿瘤-神经元通信，并减少EMT，上调突触介质，促进肿瘤适应和在颅内的定植^[19]。综上所述，EMT是肺癌脑实质转移的一个重要分子特征。

1.1.3 肿瘤干细胞

NSCLC是一种高度异质性的恶性肿瘤。其肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）中潜伏着一群具有自我更新、多向分化和耐药潜能的肿瘤干细胞（cancer stem cell, CSC）。这些细胞通常位于血管周围的微环境中，并与临近细胞和TME组分交互，影响肿瘤的增殖、侵袭、转移和耐药性等生物学行为。肺腺癌中分化簇44（cluster of differentiation 44, CD44）、乙醛脱氢酶（acetaldehyde dehydrogenase, ALDH）、促红细胞生成素受体-1（prominin-1, PROM1）和CD117是目前公认的CSC表型标志，其中CD44因其特异度和敏感度最高而被广泛应用。近期研究揭示，CD44⁺ CSC衍生的周细胞样细胞（CSC derived pericyte-like cell, Cd-pericyte）通过与血管内皮细胞的物理附着，借助G蛋白偶联受体124（G protein-coupled receptor 124, GPR124）介导的Wnt7-β-catenin信号通路，完成高效的跨内皮迁移（trans-endothelial migration, TEM），在循环中存活、外渗至脑实质和适应新的TME，从而促进NSCLC脑实质转移的发生^[20]。

与此同时，脑转移起始细胞作为一个独特的干细胞样细胞亚群，能够在脑中形成肿瘤，并通过血液循环迁移到脑部形成微转移，且睾丸蛋白聚糖1（sparc/osteonectin, cwcv and kazal like domains proteoglycan 1; SPOCK1）和TWIST2是调控脑转移瘤起始细胞（brain metastasis initiating cell, BMIC）自我更新的关键基因，敲低SPOCK1减少肿瘤球的形成、迁移和增殖能力，而敲低TWIST2则可减少肿瘤的形成。值得注意的是，SPOCK1作为转化生长因子-β（transforming growth factor-β, TGF-β）通路的下游靶基因，仅表达于最终发生脑实质转移的原发灶，且与YAP1/MMP13扩增区域无直接重叠，提示不同分子通路可协同驱动脑实质转移异质性^[21]。此外，β-分泌酶1（beta-secretase 1, BACE1）通过激活EGFR/丝裂原活化蛋白激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase, MEK）/细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinase, ERK）细胞信号轴增强原发性和脑转移性肺腺癌细胞的肿瘤起始能力，抑制BACE1可阻断NSCLC脑实质转移^[22]。

尽管CSC在肿瘤脑实质转移中的重要性已被证实，但对其认识尚不透彻，仍有许多问题需要解决，如CSC如何在TME中发挥作用和在肿瘤细胞脑内定植过程中扮演什么角色。因此，CSC在肿瘤脑实质转移中的作用机制有待深入研究。

1.1.4 肿瘤的外分泌特征重塑脑实质转移前微环境

肺癌脑实质转移并非仅由肿瘤细胞单独完成。近年来，研究发现，肿瘤细胞可以通过外分泌物质，包括外泌体、细胞因子和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）等主动重塑脑微环境，在肿瘤细胞抵达前就塑造一个适合定植的转移前微环境。主要集中于脑微血管内皮细胞（brain microvascular endothelial cell, BMEC）、星形胶质细胞和小胶质细胞等，对转移前微环境进行三重改造：血-脑脊液屏障（blood-brain barrier, BBB）通透性增加、免疫环境重塑和代谢环境适应。富含lnc-MMP2-2的外泌体可以通过破坏紧密连接，削弱BBB的完整性。外泌体携带的lncRNA LINC01356也能靶向细胞连接蛋白重塑BBB，从而促进NSCLC的脑实质转移^[23-24]。此外，肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）和TGF-β1等细胞因子可进一步损伤内皮糖萼与降解紧密连接蛋白，提前增加BBB通透性^[25]。

外泌体还可调控脑内常驻免疫细胞，如miR-503抑制小胶质细胞，阻断CD8⁺ T细胞功能，miR-103a可诱导肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophage, TAM）向M2极化，分泌白介素10（interleukin 10, IL-10）和TGF-β，抑制免疫监视^[26]。此外，IL-6和IL-1β可通过信号转导和转录激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3）通路和核因子κB（nuclear factor kappa-B, NF-κB）通路激活星形胶质细胞，共同营造免疫抑制微环境，促进肿瘤细胞转移^[27]。

IL-34是一种能够与集落刺激因子-1受体（colony-stimulating factor 1 receptor, CSF-1R）、syndecan-1（SDC-1）和蛋白酪氨酸磷酸酶受体型Z肽1（protein tyrosine phosphatase, receptor-type Z polypeptide 1; PTPRZ1）3种受体结合的细胞因子^[28]。研究显示，与肺癌原发灶组织比较，肺癌脑实质转移组织中IL-34及其受体CSF-1R和syndecan 1（SDC-1）的表达水平升高，而PTPRZ1的表达则相对较低^[29]，提示IL-34及其相关受体在肺癌脑实质转移的发生和进展中可能有重要作用，PTPRZ1的低表达可能进一步削弱脑微环境对肿瘤细胞的抑制作用，从而为脑实质转移提供有利条件。研究发现，具有脑实质转移倾向的肿瘤细胞可以下调forkhead box protein A2（FOXA2）的表达抑制4-氨基丁酸转氨酶（4-aminobutyrate aminotransferase, ABAT）的活性，进而导致GABA在细胞内积累，随后GABA激活NF-κB信号通路，和星形胶质细胞相互作用形成抑制性微环境，促进肿瘤颅内定植^[30]。GABA在小细胞肺癌脑实质转移中也发挥重要作用。有研究对小鼠大脑皮层利用光遗传刺激诱导GABA能神经元活动发现，其促进小细胞肺癌细胞的增殖，并可重塑脑内神经微环境，增强神经元兴奋性，从而形成促进肿瘤增殖的恶性循环^[31]。这些研究揭示了GABA在肺癌脑实质转移中的独特作用机制。

1.2 癌症相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblast, CAF）的调控

CAF作为TME中的关键细胞成分，可分泌多种生长因子、细胞因子和趋化因子重塑细胞外基质，为肿瘤细胞的侵袭和转移创造有利条件。

脑实质转移灶在缺氧情况下，缺氧诱导因子2α（hypoxia-inducible factor-2α, HIF-2α）的激活可驱动肺癌脑转移CAF转换为肌成纤维细胞样CAF（myofibroblast-like CAF, Myo-CAF）和基质CAF（matrix-CAF），促进血管生成与免疫抑制，从而加剧肿瘤的转移。一方面，CAF通过激活血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）信号通路，促进血管生成，触发代谢重编程，为肿瘤细胞提供丰富的营养和能量支持^[32]。另一方面，CAF大量释放TGF-β和肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor, HGF）等生长因子和细胞因子。HGF可通过MET-HGF结合介导上皮细胞和炎症CAF（inflammatory CAF, iCAF）之间的通讯，诱导肿瘤细胞发生EMT，从而促进肿瘤细胞脑实质转移能力^[33-34]。同时，CAF分泌的MMP，如MMP-2和MMP-9，能够有效降解ECM，破坏组织的完整性，促进肿瘤细胞脑实质转移^[35]。

1.3 BBB破坏

BBB由内皮细胞之间形成的紧密连接、基底膜、星形胶质细胞的外周足部和周细胞共同构成。有研究建立体外BBB模型探讨miR-522-3p和张力蛋白1（tensin 1, TNS1）在肿瘤细胞跨血管迁移中的作用发现，miR-522-3p的过表达增强BBB的通透性，而TNS1过表达则逆转这种通透性增加，提示miR-522-3p和TNS1在肿瘤细胞的跨血管迁移中发挥重要调控作用^[36]。间皮素（mesothelin, MSLN）在NSCLC脑实质转移患者的血清和肿瘤组织样本中表达升高，MSLN诱导的c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase, JNK）/MET信号通路的激活通过降解内皮细胞间连接蛋白，帮助NSCLC细胞穿透BBB，从而增强NSCLC细胞的脑实质转移能力^[37]。

1.4 脑实质转移灶的微环境 1.4.1 免疫抑制性微环境

TME是肿瘤细胞赖以生存和发展的复杂生态系统，涵盖肿瘤细胞周围的血管、免疫细胞、成纤维细胞、信号分子和细胞外基质（extracellular matrix, ECM）等多种成分。一项研究对来自44例NSCLC患者的原发性和转移性肿瘤标本进行深入分析，提供转移的综合转录组图谱，包括肿瘤核心、肿瘤免疫微环境（tumor immune microenvironment, TIME）和肿瘤脑微环境（tumor brain microenvironment, TBME）等多个层面，发现脑实质转移患者大脑TME表现出抗原呈递减少、B细胞与T细胞功能降低和中性粒细胞、M2型巨噬细胞、未成熟小胶质细胞与反应性星形胶质细胞增加的特征^[38]。另一研究通过对比分析配对的原发肿瘤和肺癌脑实质转移瘤的免疫微环境发现，脑实质转移病灶中CD3⁺ T细胞的百分比和T细胞、细胞毒性淋巴细胞、B细胞与自然杀伤细胞的评分降低^[39]。以上研究表明，脑实质转移患者大脑TME中存在显著的免疫抑制现象，形成的免疫抑制微环境可促进肿瘤侵袭和转移。

1.4.2 星形胶质细胞

星形胶质细胞是大脑微环境中数量最多的间充质细胞类型，具有支持和维持中枢神经系统内稳态的生物学功能，在肺癌脑实质转移形成过程中发挥重要作用。反应性星形胶质细胞能够释放纤溶酶原激活剂（plasminogen activator, PA），将纤溶酶原转化为纤溶酶，从而激活促凋亡细胞因子Fas配体来杀死渗出的转移性癌细胞。相关研究表明，来自肺腺癌的转移性肿瘤细胞会产生抗PA丝氨酸蛋白酶抑制剂，帮助肿瘤细胞避免Fas介导的凋亡，并使其沿脑内毛细血管增殖，促进肺腺癌的脑实质转移进程^[40]。此外，星形胶质细胞可被来源于肿瘤细胞的细胞因子如巨噬细胞移动抑制因子、IL-8和PA抑制剂-1激活，并产生IL-6、TNF-a和IL-1β促进肿瘤细胞增殖。近期研究提示，磷酸化的STAT3和反应性星形胶质细胞亚群是脑实质转移所必需的，可以改变TME并促进脑实质转移过程^[41]。

1.4.3 小胶质细胞

小胶质细胞是大脑微环境中主要的固有免疫细胞，在微环境的引导下可极化为具有不同免疫效应的M1样和M2样表型，其中M2样表型有促肿瘤作用。研究表明，脑转移性NSCLC细胞中的IL-6通过JAK2/STAT3信号传导诱导抗炎小胶质细胞，进而促进NSCLC细胞在脑部的定植^[42]。

2 脑膜转移

脑膜转移是肺癌最凶险的并发症之一。其发生依赖肿瘤细胞对蛛网膜-脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）屏障与BBB的双重突破。肿瘤细胞可以直接破坏CSF屏障，也可利用屏障薄弱区或经CSF-脑界面进入CSF形成脑膜转移。有肺癌小鼠模型显示，肺癌细胞可经颈内动脉至脉络丛动脉，先定植脉络丛，2~3 d后才在CSF中被检出^[36]。

NSCLC脑膜转移患者CSF中可检出癌胚抗原相关细胞黏附分子6（carcinoembryonic antigen related cell adhesion molecule 6, CEACAM6）mRNA。体外研究证实，该分子通过整合素-ECM相互作用增强肿瘤细胞对CSF的侵袭力，CEACAM6的过表达可促进肿瘤细胞迁移^[43]。肺腺癌脑膜转移患者CSF循环肿瘤细胞中CEACAM6 mRNA表达增高，且CSF和血清中CEACAM6含量均高于非脑膜转移患者。研究发现，CSF中肿瘤细胞可分泌补体成分C3，激活脉络丛上皮细胞中的C3a受体，进而破坏BBB，使得表皮生长因子（epidermal growth factor, EGF）和其他有丝分裂原的血浆成分进入CSF，为癌细胞的生长提供有利条件^[36]。该研究还检测69例患有实体肿瘤和中枢神经系统转移临床症状的患者的CSF中的C3水平。结果显示，发生软脑膜转移的患者CSF中C3水平高于脑实质转移或无脑转移的患者，提示C3在BBB的破坏中亦发挥关键作用^[36]。肺癌软脑膜转移相关的巨噬细胞主要来源于硬脑膜，通过分泌型磷酸蛋白1（secreted phosphoprotein 1, SPP1）-MMP14轴迁移至CSF，并在CSF中形成免疫抑制微环境，促进肿瘤生长^[44]。另有研究显示，脑膜转移患者中恶性上皮细胞分泌的midkine（MDK）可调节巨噬细胞的表型和功能，使其表现免疫抑制特性，其中脂质相关巨噬细胞亚型可抑制抗肿瘤免疫反应并促进肿瘤进展^[45]。研究发现，干扰素γ（interferon-γ, IFNγ）在肺癌脑膜转移患者中含量升高，T细胞来源的IFNγ可通过驱动常规树突细胞2（conventional dendritic cell 2, cDC2）亚群向表达迁移标志物C-C趋化因子受体7（C-C chemokine receptor type 7, CCR7）的成熟树突状细胞转化，进而分泌IL-12和IL-15，激活并支持自然杀伤细胞，最终由自然杀伤细胞杀伤癌细胞而抑制脑膜转移^[46]。

然而肺癌脑膜转移患者发病率相对较低，标本获取有限，机制研究有限，缺乏微环境方面相关研究，因此需要进行更深入的研究，识别脑膜转移的关键机制，指导个体化方案。

3 总结与展望

脑转移包括脑实质和脑膜转移，是肺癌严重的并发症，死亡率极高。尽管在过去的几十年中，其治疗策略取得进展，但患者预后依旧严峻，而且其转移机制尚未完全阐明，许多关键问题亟待解决。构建能够再现人类肺癌脑实质和脑膜转移全过程的体内外模型是未来研究的方向。本文围绕肺癌肿瘤内在特性和微环境因素，多维度深入探讨，对肺癌脑实质和脑膜转移机制进行综述。期望未来对脑转移特别是脑膜转移全过程机制会有更深入的理解，并为制定治疗策略提供新方向。

利益冲突  所有作者声明无利益冲突