引言

我們的大腦，是宇宙間已知的最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一。億萬個神經(jīng)元 (neuron) 通過精準(zhǔn)的放電與連接，編織出我們的思想、情感和記憶。然而，在這片智慧的沃土上，有時也會滋生出最致命的“雜草”——腦腫瘤。其中，一種名為彌漫性中線膠質(zhì)瘤 (Diffuse Midline Glioma, DMG) 的腫瘤，尤其兇險，是兒童中最致命的腦癌之一。

長久以來，我們認(rèn)為腫瘤的生長主要由其自身的基因突變決定。但近年來，一個顛覆性的領(lǐng)域——癌癥神經(jīng)科學(xué) (Cancer Neuroscience)，正在興起。研究人員發(fā)現(xiàn)，大腦的神經(jīng)活動，這個維持我們生命與思維的根本過程，竟然會成為某些腦腫瘤生長的“幫兇”。此前的研究已經(jīng)證實，大腦中最主要的“興奮性”信使——谷氨酸 (glutamate)，能夠促進(jìn)膠質(zhì)瘤的生長。但這是否就是故事的全貌？大腦中還有許多其他類型的神經(jīng)元，它們扮演著“調(diào)控者”的角色，影響著整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)律和狀態(tài)。這些神經(jīng)元是否也參與了這場與腫瘤的“共謀”？6月19日發(fā)表在《Cell》上的重磅研究“Cholinergic neuronal activity promotes diffuse midline glioma growth through muscarinic signaling”，為我們揭開了這幕大戲的另一角。這項研究精準(zhǔn)地鎖定了一類特殊的神經(jīng)元——膽堿能神經(jīng)元 (cholinergic neuron)，并發(fā)現(xiàn)它們與DMG之間存在著一種令人不安的、相互促進(jìn)的“邪惡共生”關(guān)系。

追蹤“幕后黑手”：大腦深處的“精準(zhǔn)投毒”線路

要理解這場“共謀”，我們首先要認(rèn)識今天的主角之一：膽堿能神經(jīng)元。這類神經(jīng)元以釋放一種名為乙酰膽堿 (acetylcholine, ACh) 的神經(jīng)遞質(zhì)而聞名。乙酰膽堿在大腦中扮演著“超級調(diào)音師”的角色，它不直接傳遞“是”或“否”的簡單信息，而是調(diào)節(jié)著整個腦區(qū)的興奮性、注意力和學(xué)習(xí)記憶狀態(tài)。

研究人員將目光投向了位于大腦中腦 (midbrain) 的兩個膽堿能神經(jīng)元“指揮部”：腳橋腦核 (pedunculopontine nucleus, PPN) 和背外側(cè)被蓋核 (laterodorsal tegmentum nucleus, LDT)。這兩個核團(tuán)就像兩個信號發(fā)射塔，它們的神經(jīng)纖維（軸突）會延伸到大腦的其他區(qū)域，形成精準(zhǔn)的“通訊網(wǎng)絡(luò)”。巧妙的是，它們的投射目標(biāo)恰好是DMG最常發(fā)生的兩個部位：PPN主要投射到腦橋 (pons)，而LDT則主要投射到丘腦 (thalamus)。

這個解剖學(xué)上的對應(yīng)關(guān)系，讓研究人員產(chǎn)生了一個大膽的猜想：這種促進(jìn)生長的效應(yīng)會不會是“線路依賴”的？也就是說，是不是只有特定線路的神經(jīng)活動，才能促進(jìn)特定位置的腫瘤生長？

為了驗證這一點，研究人員首先在健康的小鼠身上進(jìn)行了一項實驗。他們利用光遺傳學(xué) (optogenetics)技術(shù)——一種可以用光來精確控制特定神經(jīng)元開關(guān)的“遙控器”——來觀察膽堿能神經(jīng)元活動對正常腦細(xì)胞的影響。他們關(guān)注的是少突膠質(zhì)前體細(xì)胞 (oligodendrocyte precursor cells, OPCs)，這些細(xì)胞是DMG的起源細(xì)胞，也是大腦中負(fù)責(zé)生產(chǎn)髓鞘 (myelin，神經(jīng)纖維的絕緣層) 的“后備軍”。

實驗結(jié)果清晰地展示了這種線路的特異性：當(dāng)研究人員用藍(lán)光激活LDT中的膽堿能神經(jīng)元時，丘腦區(qū)域的OPC增殖率出現(xiàn)了顯著提升，從約5%的基礎(chǔ)水平躍升至接近15%，增殖細(xì)胞數(shù)量幾乎翻了三倍。然而，腦橋區(qū)域的OPC卻“無動于衷”。反過來，當(dāng)他們激活PPN中的膽堿能神經(jīng)元時，奇跡發(fā)生在腦橋——這里的OPC增殖率從約5%飆升至超過12%。而這一次，丘腦區(qū)域的OPC則顯得“事不關(guān)己”。這個發(fā)現(xiàn)本身就極具價值。它揭示了大腦中正常的細(xì)胞增殖和修復(fù)過程，是如何受到膽堿能神經(jīng)系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控的。但更深遠(yuǎn)的意義在于，它為我們理解DMG的生長機(jī)制，提供了一張關(guān)鍵的“線路圖”。

故技重施：癌細(xì)胞如何“偷師”并利用神經(jīng)信號？

既然膽堿能神經(jīng)元的活動能精準(zhǔn)地“遙控”正常OPC的增殖，那么對于它們邪惡的“孿生兄弟”——DMG細(xì)胞，是否也同樣有效呢？研究人員將DMG腫瘤細(xì)胞植入小鼠的丘腦或腦橋，模擬了人類DMG的發(fā)生部位。然后，他們再次拿起了光遺傳學(xué)的“遙控器”。實驗結(jié)果與之前的發(fā)現(xiàn)如出一轍，甚至更為震撼。

在植入了丘腦膠質(zhì)瘤的小鼠中，激活LDT的膽堿能神經(jīng)元，直接導(dǎo)致了腫瘤細(xì)胞增殖率的急劇上升。增殖細(xì)胞（通過EdU標(biāo)記）的比例從約15%的基線水平，一躍超過了35%，增殖速度翻了一倍以上。而激活PPN的神經(jīng)元，對丘腦里的腫瘤則幾乎沒有影響。在植入了腦橋膠質(zhì)瘤的小鼠中，情況正好相反。激活PPN的神經(jīng)元成為了腫瘤生長的“超級油門”，而激活LDT的神經(jīng)元則無法驅(qū)動腦橋腫瘤的生長。

為了實時捕捉癌細(xì)胞“聽到”神經(jīng)信號的瞬間，研究人員還進(jìn)行了一項更為直觀的實驗。他們讓DMG細(xì)胞表達(dá)一種鈣離子探針 (GCaMP)，當(dāng)細(xì)胞被激活時，內(nèi)部的鈣離子濃度會升高，探針就會發(fā)出熒光。通過纖維光度記錄 (fiber photometry) 技術(shù)，他們可以實時監(jiān)測腫瘤內(nèi)部的熒光變化。結(jié)果令人驚嘆：當(dāng)研究人員用光打開LDT神經(jīng)元的“開關(guān)”時，遠(yuǎn)在丘腦的DMG腫瘤細(xì)胞內(nèi)部，熒光信號瞬間飆升。這就像我們親眼看到，癌細(xì)胞在“聽到”膽堿能神經(jīng)元發(fā)出的“指令”后，立刻做出了響應(yīng)。這證明，DMG細(xì)胞已經(jīng)成功地將自己整合進(jìn)了大腦的神經(jīng)環(huán)路中，并且正在積極地“竊聽”和利用這些促進(jìn)生長的信號。

解碼“犯罪工具”：乙酰膽堿與M1/M3受體的“致命接頭”

我們已經(jīng)知道了“誰”在發(fā)號施令（膽堿能神經(jīng)元）以及“誰”在接收指令（DMG細(xì)胞），但這個指令本身是什么？它是如何傳遞的？神經(jīng)元與靶細(xì)胞的通訊方式主要有兩種：一種是通過釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子 (neurotrophic factor)，如著名的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子 (BDNF)，進(jìn)行旁分泌 (paracrine) 通訊；另一種則是通過釋放經(jīng)典的神經(jīng)遞質(zhì) (neurotransmitter)，如乙酰膽堿，進(jìn)行類似突觸的通訊。

研究人員通過一系列體外實驗，試圖分離出關(guān)鍵的信號分子。他們發(fā)現(xiàn)，雖然BDNF確實在其中扮演了一定的角色，但它并非故事的全部。真正的主角，正是膽堿能神經(jīng)元的“招牌產(chǎn)品”——乙酰膽堿 (ACh)。在培養(yǎng)皿中，當(dāng)研究人員直接向DMG細(xì)胞中加入乙酰膽堿時，這些癌細(xì)胞的增殖和遷移能力都顯著增強(qiáng)。例如，在5微摩爾 (µM) 濃度的乙酰膽堿作用下，DMG細(xì)胞的增殖率幾乎翻倍。這說明乙酰膽堿本身就足以直接驅(qū)動腫瘤的惡性行為。

那么，DMG細(xì)胞又是如何“接收”乙酰膽堿信號的呢？這需要通過細(xì)胞表面的受體 (receptor) 來完成，就像一把鑰匙匹配一把特定的鎖。乙酰膽堿的受體主要分為兩大類：毒蕈堿型 (muscarinic) 和煙堿型 (nicotinic)。為了找出關(guān)鍵的“鎖”，研究人員利用單細(xì)胞RNA測序 (scRNA-seq)技術(shù)，分析了大量DMG病人的腫瘤樣本。他們發(fā)現(xiàn)，在DMG細(xì)胞中，毒蕈堿型受體家族的兩個成員——M1受體 (CHRM1) 和M3受體 (CHRM3)——的基因表達(dá)水平異常之高，尤其是在那些保持著OPC特征的、最具增殖活性的癌細(xì)胞亞群中。

這會是那把關(guān)鍵的“鎖”嗎？研究人員設(shè)計了決定性的“鎖死”實驗：首先是藥物阻斷，在進(jìn)行光遺傳學(xué)刺激的同時，他們通過微型導(dǎo)管向丘腦腫瘤內(nèi)精準(zhǔn)輸送了M1和M3受體的特異性抑制劑。結(jié)果是決定性的：當(dāng)M1和M3受體被同時“鎖死”后，即使LDT神經(jīng)元被光激活得再劇烈，丘腦腫瘤的增殖也完全停滯了，增殖率從超過30%的高點瞬間跌回了15%左右的基線水平。其次是基因敲除，為了排除藥物可能帶來的脫靶效應(yīng)，研究人員更進(jìn)一步，利用CRISPR基因編輯技術(shù)，直接敲除了DMG細(xì)胞中的M1和M3受體基因。這些被“繳械”的癌細(xì)胞，在植入小鼠腦橋后，對PPN神經(jīng)元的激活信號完全“免疫”。

這一系列的證據(jù)形成了一條完整的邏輯鏈：中腦的膽堿能神經(jīng)元釋放乙酰膽堿，乙酰膽堿與DMG細(xì)胞表面的M1和M3受體結(jié)合，激活了細(xì)胞內(nèi)部的增殖和遷移程序，最終導(dǎo)致了腫瘤的失控性生長。整個過程如同一套設(shè)計精密的“犯罪工具”，而M1和M3受體，就是那個最關(guān)鍵的“致命接頭”。

驚天逆轉(zhuǎn)：當(dāng)癌細(xì)胞開始“操縱”神經(jīng)元

如果故事到此為止，那只是一個神經(jīng)元“助紂為虐”的單向故事。然而，這項研究最令人不寒而栗的發(fā)現(xiàn)是，這種關(guān)系是雙向的——腫瘤細(xì)胞，反過來也能“操縱”神經(jīng)元！研究人員提出了一個問題：DMG腫瘤的存在，是否會影響與其相連的膽堿能神經(jīng)元的活動狀態(tài)？他們通過比較荷瘤小鼠和健康小鼠的腦組織，尋找答案。

利用cFos（一種神經(jīng)元活動后的即時早期基因）作為“活動指示器”，他們發(fā)現(xiàn)與對照組相比，無論是腦橋荷瘤還是丘腦荷瘤的小鼠，其中腦LDT和PPN核團(tuán)里的膽堿能神經(jīng)元，其cFos陽性率都顯著升高，幾乎是對照組的兩倍。這表明這些神經(jīng)元變得異常活躍。為了獲得更直接的電生理學(xué)證據(jù)，研究人員在離體腦片上記錄了LDT膽堿能神經(jīng)元的電活動。結(jié)果證實了他們的觀察：來自荷瘤小鼠的膽堿能神經(jīng)元，其自發(fā)性興奮性突觸后電流 (sEPSC) 的頻率顯著高于對照組。這意味著它們接收到了更多的興奮性輸入，時刻處于一種“一觸即發(fā)”的亢奮狀態(tài)。

這種亢奮狀態(tài)的直接后果是什么？自然是釋放更多的乙酰膽堿。研究人員利用一種名為GRAB-ACh的新型熒光探針，實時監(jiān)測了腫瘤微環(huán)境中乙酰膽堿的濃度。結(jié)果顯示：隨著腫瘤的生長，腫瘤周圍乙酰膽堿的釋放水平在持續(xù)攀升。在腫瘤植入后的一周、三周、四周，研究人員觀察到乙酰膽堿的釋放信號越來越強(qiáng)。到第四周時，荷瘤小鼠的乙酰膽堿釋放水平已顯著高于對照組。

至此，一個完整的“邪惡閉環(huán)”被揭示出來：DMG腫瘤的存在，使中腦的膽堿能神經(jīng)元變得過度興奮 ? 過度興奮的神經(jīng)元釋放更多的乙酰膽堿 ? 更多的乙酰膽堿通過M1/M3受體，反過來驅(qū)動DMG腫瘤更快速地生長和擴(kuò)散 ? 更大、更具侵襲性的腫瘤，進(jìn)一步加劇神經(jīng)元的興奮......

這是一種可怕的、自我強(qiáng)化的正反饋循環(huán)。它解釋了為何DMG如此難以控制，因為腫瘤不僅是“寄生”在大腦中，更是主動地“劫持”了大腦的神經(jīng)環(huán)路，將其改造成了促進(jìn)自身生長的“溫床”。

斬斷魔爪：我們能否打破神經(jīng)元與腫瘤的“邪惡共生”？

這項基礎(chǔ)研究的最終目的，是為臨床治療找到新的突破口。這項研究的發(fā)現(xiàn)，無疑為DMG的治療帶來了新的曙光。過去，我們更多地關(guān)注腫瘤細(xì)胞本身的基因突變，試圖用化療或靶向藥“殺死”它們。但這項研究告訴我們，我們或許可以換一個思路——不直接攻擊腫瘤，而是斬斷它與神經(jīng)元之間的“通訊線路”。

最直接的靶點，就是那對關(guān)鍵的“接頭”——M1和M3毒蕈堿型受體。由于這兩種受體在正常大腦組織中的表達(dá)相對有限，而在DMG細(xì)胞中卻異常富集，這使得它們成為了極具吸引力的治療靶點。開發(fā)能夠特異性阻斷M1/M3受體的藥物，有望在不嚴(yán)重影響正常大腦功能的情況下，有效抑制DMG的生長。這種策略被稱為“神經(jīng)活動依賴性療法”，它代表了癌癥治療的一個全新方向。

更重要的是，這項研究也讓我們對“癌癥”有了更深層次的理解。腫瘤并非一個孤立的、只在局部作亂的“壞組織”，而是一個能夠與宿主系統(tǒng)（如此復(fù)雜的大腦）進(jìn)行復(fù)雜、雙向互動的“智能”對手。它學(xué)習(xí)、適應(yīng)并利用宿主的生理機(jī)制，為自己服務(wù)。當(dāng)然，研究人員也坦誠，這只是揭開了冰山一角。例如，大腦中還有其他膽堿能核團(tuán)（如基底前腦）是否也參與其中？神經(jīng)元與DMG細(xì)胞之間是否存在真正的、物理連接的“突觸”結(jié)構(gòu)？這些問題仍有待未來的研究去回答。

盡管如此，這項發(fā)表于《細(xì)胞》的杰出工作，無疑是癌癥神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一座里程碑。它不僅為我們描繪了一幅膽堿能神經(jīng)元與DMG“共舞”的驚人畫卷，更重要的是，它為那些身處絕境的DMG患兒和家庭，指明了一條充滿希望的新路。打破神經(jīng)元與腫瘤的“邪惡共生”，或許就是我們戰(zhàn)勝這種致命疾病的關(guān)鍵一步。未來的某一天，我們或許能通過“讓大腦冷靜下來”的方式，來“餓死”這些最狡猾的腫瘤。

參考文獻(xiàn)

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00618-X

來源于【生物探索】

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