中枢神经系统胆固醇代谢及其对脑胶质瘤免疫治疗的作用

1、中枢神经系统胆固醇代谢及其对脑胶质瘤免疫治疗的作用脑胶质瘤（glioma）是最常见的中枢神经系统原发性恶性肿瘤，其中以多形性胶质母细胞瘤（glioblastomamultiforme，GBM）的恶性程度最高。脑胶质瘤可能起源于神经干细胞、神经胶质祖细胞或星形胶质细胞，等。脑胶质瘤标准的治疗方案为：最大范围的精准手术切除肿瘤、放射治疗、化学（替莫唑胺）治疗相结合的综合疗法。目前，经治患者中位生存期约为14.6个月。癌症基因组图谱（TheCancerGenomeAtlas,TCGA）分析表明GBM的发生与RTK/磷酸肌醇3激酶phosphoinositol3-kinase（PI3K）/MAPK，p

2、53和Rb等信号转导途径的基因改变密切相关。然而脑胶质瘤治疗方面针对这些途径的靶向药物的临床应用未能获得突破性成果，信号转导途径的复杂性、肿瘤细胞基因组的异质性以及血脑屏障（blood-brainbarrier，BBB）都是可能导致疗效不佳的原因。胆固醇是一种广泛存在于动物体内的小分子脂类物质，对于维持细胞的活性和功能至关重要。胆固醇代谢可以通过激活多个信号通路产生多种生物活性中间体，后者可以调节多个信号通路，在调节细胞生长、增殖、分化、存活、凋亡、炎症、运动和细胞膜稳态等方面发挥重要作用。胆固醇不仅参与胶质瘤代谢途径，而且作为靶向药物的载体，对于脑胶质瘤的形成与治疗具有重要作用。1.中枢神经

3、系统与胆固醇胆固醇是细胞膜和血浆脂蛋白的重要组成部分，是类固醇激素、胆汁酸和羟基胆固醇即氧固醇的前体。细胞膜上富含胆固醇的微结构域对于跨膜信号传导至关重要。同时，胆固醇自身及其氧化产物也可以充当信号分子。脂代谢的变化可以影响细胞生长、增殖、分化及迁移过程。有证据表明，前列腺癌等肿瘤疾病中，细胞增殖的启动更依赖于脂代谢而非糖酵解。中枢神经系统中，胆固醇大多位于髓鞘。同时，胆固醇也是突触小泡的主要成分，对于它们的形成和功能至关重要。随着研究的逐渐深入，业内学者发现胆固醇参与了神经元树突、轴突的形成，神经元的存活，星形胶质细胞的增生，神经修复重塑以及神经发育相关信号通路的传递。正常情况下，脑内胆固醇

4、浓度维持在一定范围内，即脑胆固醇稳态，对于维持中枢神经系统的正常功能和发育具有重要意义，而胶质瘤细胞内胆固醇稳态受到胆固醇摄取、合成与外排等多方面的动态控制。1.1脑内胆固醇来源脑内胆固醇含量占人体所有胆固醇的23%，在维持细胞膜完整性、髓鞘形成、突触发生和神经传递中起着至关重要的作用。由于BBB的存在，很少或几乎没有胆固醇能够从外周循环向中枢神经系统中转运。因此，脑部所需的胆固醇基本来源于内源性合成，神经元可以产生自身生长与突触发生所需的多数胆固醇。当神经元发育成熟后，神经元合成内源性胆固醇的功能逐渐被星形胶质细胞和少突胶质细胞取代。1.2脑内胆固醇代谢与胆固醇形成鲜明对比的是，羟基胆固醇具

5、有穿越血脑屏障进入大脑的能力。脑部多余的胆固醇主要经细胞色素P450（CYP）家族成员胆固醇24-羟化酶（Cholesterol24-hydoxylase，CYP46A1）羟基化形成24（S）-羟基胆固醇（hydroxycholesterol，OHC）。24（S）-OHC具有跨越BBB的能力，在脑胆固醇代谢中发挥重要作用。24（S）-OHC经由BBB分泌至外周循环中，通过与低密度脂蛋白结合进行转运后在肝脏内进行代谢。CYP46A1是该途径中关键的限速酶，也是脑的特异性酶与特异性氧化胆固醇指标。CYP46A1活性直接影响到脑内24（S）-OHC的含量，同时也能催化生成少量的20（S）-OHC和2

6、7（S）-OHC。人体内90%的24（S）-OHC来源于脑部，能较为准确地反映脑内胆固醇的代谢水平。有研究表明24（S）-OHC具有神经毒作用，可以通过产生过多自由基使细胞内钙超载，在体外诱导神经元凋亡。因此，24（S）-OHC也可以作为神经系统疾病的周围性生物学指标。与载脂蛋白E（apolipoproteinE，ApoE）结合是脑内胆固醇的另一条代谢途径。ApoE是脑内重要的胆固醇载体蛋白，在脑组织中由星形细胞合成和分泌，存在于各种脂蛋白颗粒的表面，在清除乳糜颗粒和极低密度脂蛋白中起配体作用。ApoE一方面作为转运载体帮助胆固醇通过BBB；另一方面能够配合胆固醇与髓磷脂维持和修复损伤后的神经

7、细胞膜。此外，类固醇激素合成急性调节蛋白（steroidogenicacuteregulatoryprotein，StAR）转运途径，ATP结合转运体A1（ATP-bindingcassettetransporterA1，ABCA1）诱导途径，胆固醇酰基转移酶1（acyl-CoA:cholesterolacyltransferase1,ACAT1）途径也都参与到脑内相关胆固醇的合成过程。StAR可以引导神经元内游离胆固醇转运至线粒体内膜形成多种神经甾体的共同前体孕烯醇酮，同时还可以促进胆汁酸的合成以利于胆固醇排泄。ABCA1作为一种膜蛋白可调节胆固醇和磷脂进入胆固醇逆运转，推动ApoE-胆固醇

8、-磷脂复合物的形成。而ACAT1可以催化游离的胆固醇生成胆固醇酯，通过控制细胞内游离胆固醇和胆固醇酯之间的动态平衡影响胆固醇代谢。ACAT1是细胞内唯一催化游离胆固醇合成胆固醇酯的酶，敲除ACAT1减少胆固醇酯合成能显著缓解小鼠模型中胶质瘤病灶进展。2.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（Alzheimersdisease，AD）、癫、帕金森病（Parkinsonsdisease，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

9、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。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-regulatoryelementbindingproteins，SREBPs）和肝X受体（liverXre

10、cepters，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-densitylipoproteinreceptor，LDLR）等，进而调控胆固醇合成与摄取。HM

11、GCR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（epidermalgrowthfactorreceptor，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（Thecancergenomeatlas，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

12、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7,25-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

13、）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7,25-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7,25-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（dendriticcells，DCs）中

14、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7,25-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-coupledreceptor183，GPR183）即EB病毒诱导受体2（Epstein-Barrvirus-inducedG-proteincoupledreceptor2，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m

15、RNA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（interleukinIL）-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

16、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7,25-OHC在不同区域形成了浓度梯度，有研究发现7,25-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7,25-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

17、。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7,25-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，7,25-OHC也被发现是EBI2+DC的导向信号。上述研究均表明，以7,25-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7,25-OHC缺

18、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（perxisomeproliferators-activatedreceptor，PPAR）-、LXR-、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

19、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（epithlialmesenchymaltransition，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（e

20、xtracellularregulatedproteinkinases，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

21、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（carnitinepalmitoyltransferase1A，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胆固醇代谢与脑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

22、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

23、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

24、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（isocitratedehydrogenase，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-gradegliomas）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。CYP46