癌细胞竟学会“下毒”了！科学家首次发现黑色素瘤细胞分泌阿尔茨海默病“毒蛋白”，让星形胶质细胞促癌转移，并抑制小胶质细胞的吞噬功能

转移是肿瘤患者死亡的主要原因之一[1]。不同的肿瘤转移偏好并不相同，40-75%的IV期黑色素瘤患者会发生脑转移[2,3]。

尽管已有临床试验结果表明，黑色素瘤脑转移灶对已经获批的靶向疗法以及免疫治疗仍有响应，但是这种应答持续时间较短，大多数患者最终死于脑转移瘤[4-7]。因此，我们迫切需要了解黑色素瘤脑转移机制，并为脑转移的患者提供新的治疗策略。

近日，由纽约大学朗格尼医学中心的Eva Hernando教授领衔的研究团队在Canecr Discovery期刊发表研究成果[8]。

他们发现进入大脑的黑色素瘤细胞为了生存，竟然会分泌β-淀粉样蛋白（Aβ），这些Aβ蛋白会招募并促进星形胶质细胞向促癌表型转化，同时还能阻止小胶质细胞吞噬黑色素瘤细胞。

让导致阿尔茨海默病的“头号嫌疑犯”为自己的转移服务，黑色素瘤这招真是绝了！

不过，黑色素瘤细胞可能没想到，已经用于临床研究的Aβ抑制剂就在前面等它呢！Hernando团队发现抑制Aβ蛋白分泌的BACE抑制剂可以减少黑色素瘤的脑转移。

这就是“魔高一尺道高一丈”。

▲ 论文首页截图

为了寻找脑转移灶肿瘤的特征，Hernando团队将同一个黑色素瘤患者的脑转移灶（BM）和非脑转移灶（NBM）中的肿瘤细胞分离出来，短期培养后使用短期培养物（STC）进行小鼠荷瘤实验，以及无偏差蛋白质组分析。小鼠荷瘤实验显示，脑转移灶来源的肿瘤细胞表现出更强的脑转移能力。这表明脑转移灶的细胞具有独特的能力，能够更好的适应大脑内的环境。

蛋白质组分析显示，脑转移灶肿瘤细胞富集与神经退行性疾病（阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病）的蛋白质。

▲ A：标本获取示意图；B-D：BM-SCT具有更强的脑转移能力；E：BM-SCT上调多种与神经退行性疾病相关通路

Hernando团队对差异表达蛋白质的进一步调研发现，脑转移灶肿瘤细胞高表达多种切割淀粉样前体蛋白（APP）的酶，如α-分泌酶（BACE2）和α-分泌酶复合物的催化亚基（PSEN1）；而与减少Aβ产生相关的酶则显著降低，如泛素连接酶UCHL1和ADAM19。

那么黑色素瘤细胞是否能够分泌Aβ呢？Hernando团队检测了黑色素瘤细胞培养物上清中Aβ的含量，结果显示脑转移灶的短期培养物上清中有更多的Aβ。鉴于Aβ可以对大脑产生影响，他们假设黑色素瘤细胞可能需要Aβ来帮助它们在大脑实质中存活和生长。

▲ A，B：脑转移黑色素瘤细胞高表达切割APP的酶；F：脑转移黑色素瘤细胞分泌更高水平的Aβ

那么Aβ是否真的能影响黑色素瘤细胞的脑转移能力呢？Hernando团队敲低了黑色素瘤细胞中的APP，发现敲低APP的黑色素瘤细胞脑转移能力下降，但是颅外转移能力没有受到影响。这些结果提示，APP是黑色素瘤细胞在大脑定植所必需的。

▲ 敲低APP后，肿瘤的脑转移能力显著下降

众所周知，APP是Aβ的前体，它拥有多种加工形式，所以APP发挥作用的形式到底是哪一种呢？综合前述的研究结果，Hernando团队假设Aβ是APP发挥作用的形式。

为了验证这个猜想，他们进行了回补实验。向已经敲除APP基因的黑色素瘤细胞中转入突变型APP基因——SPA4CT-T43P——这种突变体基因表达产物主要是Aβ，而不是APP的其他加工形式。结果显示，不论是回补野生型APP基因还是突变型APP基因，均能够恢复黑色素瘤细胞的脑转移能力。这说明Aβ就是黑色素瘤脑转移所需的APP形式。

▲ 回补实验证明Aβ是APP发挥促肿瘤脑转移的形式

那么Aβ在黑色素瘤脑转移中究竟发挥怎样的作用呢？Hernando团队首先观察了黑色素瘤细胞转移入大脑的过程，建立了转移的时间线。随后比较了敲低APP的黑色素瘤细胞与野生型（WT）黑色素瘤细胞转移过程的区别。

实验结果显示，敲低APP对肿瘤细胞在脑血管停滞、外渗以及在血管中生长并没有影响，但是缺乏APP的肿瘤细胞无法在脑实质中建立转移灶，而是发生了凋亡。这些数据表明黑色素瘤细胞需要Aβ帮助其在脑实质定植。

▲ A：黑色素瘤脑转移时间线；B：敲低APP的肿瘤无法建立转移灶

为何Aβ具有帮助黑色素瘤细胞在大脑定植的能力呢？已有的研究显示星形胶质细胞是肿瘤脑转移的重要调控者，而Aβ对星形胶质细胞功能具有显著的影响[9-11]。因此Hernando团队假设Aβ是通过影响星形胶质细胞的功能来促进肿瘤细胞定植的。

他们从免疫荧光结果中发现，缺少APP的肿瘤细胞周围星形胶质细胞显著减少。这说明肿瘤细胞分泌的Aβ可以促进肿瘤局部星形胶质细胞增加。

那Aβ对星形胶质细胞的功能有何影响呢？Hernando团队使用黑色素瘤细胞条件培养基培养原代星形胶质细胞，发现Aβ抑制了星形胶质细胞的多种炎症信号通路，尤其是补体级联反应通路。

通过免疫荧光技术、共聚焦显微镜以及三维成像技术，Hernando团队验证了测序的结果，并且发现在炎症型星形胶质细胞（A1）中高表达的补体C3蛋白在Aβ存在的情况下减少了。这些数据表明Aβ抑制了星形胶质细胞的炎症性A1极化，促进肿瘤的免疫逃逸。

▲ C：敲低APP后脑转移肿瘤细胞周围形形胶质细胞数量显著减少；F：在Aβ存在的情况下星形胶质细胞的C3表达显著下降

考虑到星形胶质细胞分泌的C3可以刺激小胶质细胞向促炎表型极化并增强其吞噬功能[12-14]，因此Hernando团队假设Aβ可以抑制小胶质细胞向促炎表型极化以及吞噬功能。

他们通过免疫荧光技术、共聚焦显微镜以及三维成像技术，观察黑色素瘤相关小胶质细胞（Iba1⁺）的表型，发现在有Aβ的情况下，小胶质细胞表达更多的抗炎介质Arg-1，而吞噬功能标志物CD68的表达则显著下降。

这些数据表明，Aβ可以促进小胶质细胞的抗炎表型极化，并且保护黑色素瘤细胞免于小胶质细胞的吞噬。

▲ 在Aβ存在的情况下小胶质细胞高表达抗炎介质Arg-1，吞噬功能下降

既然我们已知Aβ在黑色素瘤脑转移中的重要作用，那么抑制Aβ可以减少黑色素瘤的脑转移吗？

Hernando团队通过诱导性shRNA系统在已经建立的脑转移模型中敲低APP的表达，实验结果显示，即使在已经建立的脑转移瘤中，敲低APP也能够显著降低肿瘤负荷。

随后，Hernando团队使用了一种β分泌酶抑制剂（BACEi）治疗荷瘤小鼠，可以看到抑制Aβ分泌后脑转移瘤显著减少。这些结果提示，抑制Aβ可以有效减少黑色素瘤脑转移并抑制肿瘤生长。

▲ 抑制Aβ的产生或分泌显著减少黑色素瘤脑转移

总的来说，这项研究成果首次发现Aβ可以帮助黑色素瘤进行脑转移，将黑色素瘤的脑转移与阿尔茨海默病联系在一起，并且提示Aβ可能会是一个有希望的肿瘤治疗靶点。

过去的几十年中，科学家已经开发出众多清除Aβ的药物，它们可以有效地清除大脑中的Aβ，虽然在阻止阿尔茨海默病疾病进展中失败，但是未来它们可能在肿瘤治疗这一新战场发挥作用。

参考文献：

1. Seton-Rogers S. Metastases arrive at other organs via bone. Nat Rev Cancer. 2021;21(7):411. doi:10.1038/s41568-021-00370-0

2. Patel JK, Didolkar MS, Pickren JW, Moore RH. Metastatic pattern of malignant melanoma. A study of 216 autopsy cases. Am J Surg 1978;135(6):807-10 doi 10.1016/0002-9610(78)90171-x.

3. de la Monte SM, Moore GW, Hutchins GM. Patterned distribution of metastases from malignant melanoma in humans. Cancer Res 1983;43(7):3427-33.

4. Davies MA, Saiag P, Robert C, Grob JJ, Flaherty KT, Arance A, et al. Dabrafenib plus trametinib in patients with BRAF(V600)-mutant melanoma brain metastases (COMBI-MB): a multicentre, multicohort, open-label, phase 2 trial. Lancet Oncol 2017;18(7):863-73 doi 10.1016/S1470-2045(17)30429-1.

5. Tawbi HA, Forsyth PA, Algazi A, Hamid O, Hodi FS, Moschos SJ, et al. Combined Nivolumab and Ipilimumab in Melanoma Metastatic to the Brain. N Engl J Med 2018;379(8):722-30 doi 10.1056/NEJMoa1805453.

6. Long GV, Atkinson V, Lo S, Sandhu S, Guminski AD, Brown MP, et al. Combination nivolumab and ipilimumab or nivolumab alone in melanoma brain metastases: a multicentre randomised phase 2 study. Lancet Oncol 2018;19(5):672-81 doi 10.1016/S1470-2045(18)30139-6.

7. Zhang D, Wang Z, Shang D, Yu J, Yuan S. Incidence and prognosis of brain metastases in cutaneous melanoma patients: a population-based study. Melanoma Res 2019;29(1):77-84 doi 10.1097/CMR.0000000000000538.

8. Kleffman K, Levinson G, Rose IVL, et al. Melanoma-secreted Amyloid Beta Suppresses Neuroinflammation and Promotes Brain Metastasis [published online ahead of print, 2022 Feb 24]. Cancer Discov. 2022;candisc.1006.2021. doi:10.1158/2159-8290.CD-21-1006.

9. Schwartz H, Blacher E, Amer M, Livneh N, Abramovitz L, Klein A, et al. Incipient Melanoma Brain Metastases Instigate Astrogliosis and Neuroinflammation.Cancer Res 2016;76(15):4359-71 doi 10.1158/0008-5472.CAN-16-0485.

10. Allaman I, Gavillet M, Belanger M, Laroche T, Viertl D, Lashuel HA, et al. Amyloid-beta aggregates cause alterations of astrocytic metabolic phenotype: impact on neuronal viability. J Neurosci 2010;30(9):3326-38 doi 10.1523/JNEUROSCI.5098-09.2010.

11. Ye B, Shen H, Zhang J, Zhu YG, Ransom BR, Chen XC, et al. Dual pathways mediate beta-amyloid stimulated glutathione release from astrocytes. Glia 2015;63(12):2208-19 doi 10.1002/glia.22886.

12. Lian H, Litvinchuk A, Chiang AC, Aithmitti N, Jankowsky JL, Zheng H. Astrocyte Microglia Cross Talk through Complement Activation Modulates Amyloid Pathology in Mouse Models of Alzheimer's Disease. J Neurosci 2016;36(2):57789 doi 10.1523/JNEUROSCI.2117-15.2016.

13. Chen T, Lennon VA, Liu YU, Bosco DB, Li Y, Yi MH, et al. Astrocyte-microglia interaction drives evolving neuromyelitis optic lesion. J Clin Invest 2020;130(8):4025-38 doi 10.1172/JCI134816.

14. Wei Y, Chen T, Bosco DB, Xie M, Zheng J, Dheer A, et al. The complement C3C3aR pathway mediates microglia-astrocyte interaction following status epilepticus. Glia 2021;69(5):1155-69 doi 10.1002/glia.23955.