肺癌脑转移是肺癌患者的重要致死原因之一 ^［1］。文献报道首诊非小细胞肺癌中（NSCLC）患者中约有7.4%～10%伴有脑转移，30%～50%的NSCLC患者在整个病程的某个阶段会出现脑转移 ^［2-3］。发生脑转移后，患者生存期较短，未予治疗者中位生存期仅约1个月，而且对患者生活质量有明显影响。20世纪70年代全脑放疗成为标准的治疗方案，中位生存期延长到6个月以上 ^［4-7］。2013年JCO报道的一项Ⅱ期临床研究显示，脑转移全脑放疗结合分子靶向药物厄罗替尼一定程度上提高了NSCLC患者尤其是EGFR突变阳性患者的总生存期，证明靶向联合放疗治疗肺癌脑转移的潜在优势 ^［8］。但综合来看，目前临床上对于肺癌脑转移的治疗还未能有突破性的进展，这也使得研究者们在进一步探究放疗联合手术及靶向药物综合治疗手段的同时，认识到探究肺癌脑转移发生发展的分子机制以及预测分子标志物的迫切性和重要性。本文将重点对非小细胞肺癌脑转移瘤的基础研究进展进行综述。

肿瘤转移是非常复杂的过程，肿瘤细胞从原发部位脱落后将经历局部侵润，血管侵犯，循环血液中的生存，在远处转移器官的归巢和植入。脑转移灶的形成具有自身的特点，整个过程可以分为基本的六个步骤，即从原发灶中逃离（escape），在循环系统中的播散（dissemination），与血管壁的黏附（attachment），穿透血脑屏障进入到脑实质（extravasation），与脑部微环境的相互作用（interaction），继而继发生长（survival and proliferation） ^［9］。2010年发表于Nat Med的一项研究利用颈动脉注射的方式建立小鼠脑转移模型并用多光子激光扫描实时显像的方法揭示了肿瘤脑转移最为关键的步骤，即肿瘤细胞在微血管中的阻滞，有效穿透血管壁，与血管周紧密黏附，微转移灶形成 ^［10］。未能成功经历这四个步骤的肿瘤细胞则或静息或衰退或死亡，最终能形成微转移灶继续生长的肺癌肿瘤细胞仅占注射入颈动脉细胞总数的1.0%～2.4%，低于黑色素瘤4.7%～7%的比例。研究进一步发现，肺癌脑转移与黑色素瘤脑转移在关键的第四个步骤中表现出不同的生物学行为，黑色素瘤通常以血管共择（cooption）即依赖已有血管的方式支持生长，而肺腺癌转移细胞则以血管新生（angiogenesis）的方式支持生长，这也将为今后针对不同肿瘤脑转移的抗血管生成治疗提供指导。

当肿瘤细胞入侵进入脑实质后，会与脑组织微环境相互作用。其中血管周小境生，脑实质以及脑脊液是肿瘤细胞克隆形成的主要微环境 ^［11］。研究表明，肿瘤细胞入侵脑组织初期，能够通过β1整合素等因子黏附于血管基底膜，从而进一步浸润血管 ^［12］。当肿瘤细胞侵入脑实质后，会与脑胶质细胞与星状细胞相互作用。研究表明，脑转移瘤灶周的脑胶质细胞与星状细胞明显活化。当肿瘤细胞与脑组织切片体外共培养后，脑胶质细胞会聚集在肿瘤细胞与脑组织的接触边界，帮助肿瘤细胞浸润脑组织 ^［13-14］。星状细胞则可能在一定程度上起到了促进肿瘤细胞生长的作用 ^［15］。小鼠体内磁共振成像实验表明侵入脑组织中的肿瘤细胞也可处于静息的状态，在特定条件下，这些静息的肿瘤细胞能够被激活从而诱发脑转移瘤灶的形成 ^［16］。

在肺癌脑转移的各个关键的步骤中，都有一些关键的分子与通路发挥着关键的作用 ^［9，17］。按其类型可分为：①促进肿瘤细胞穿透血脑屏障相关分子，如选择素，整合素及趋化因子等。②参与肿瘤细胞对脑组织的侵袭，根植及生长过程的分子，如金属蛋白酶MMP，硫酸类肝素蛋白聚酶 HSPGs等。③脑转移介导信号通路，如WNT信号通路等。

趋化因子及其受体是调节肿瘤细胞迁徙作用的靶点，其通过间质细胞与肿瘤细胞间的相互作用来参与肿瘤的生长，转移，血管生成和侵袭过程 ^［18-20］。研究发现CXCL12/CXCR4在脑内皮细胞中的表达有助于肿瘤细胞穿透血脑屏障（brain blood barrier，BBB），促进癌细胞的增殖，黏附和侵袭。Paratore S等实验结果显示，NSCLC脑转移患者原发灶中CXCR4的表达明显高于无远处转移的肺癌患者，差异具有统计学意义 ^［21］。体外BBB模型实验表明，CXCL2/CXCR4可通过介导激活PI3K/AKT信号通路增强乳腺癌肿瘤细胞穿透血脑屏障的能力，而利用PI3K/AKT抑制剂特异性抑制该通路后，肿瘤细胞的穿透能力则明显减弱，这一结果表明PI3K/AKT信号通路在CXCL2/CXCR4调节肿瘤细胞侵袭转移中的重要性 ^［22］，该信号通路是否在NSCLC脑转移中同样关键是值得进一步研究的。此外CXC4/CXCL12能够通过整合素介导激活从而增强肿瘤细胞对基质细胞的黏附能力及细胞外基质和肿瘤微环境间的作用，为肺癌脑转移的发生提供有利条件。

基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases，MMPs）是一组能够降解细胞外基质蛋白的内肽酶，其中MMP2，MMP9在恶性肿瘤中表达高，与肿瘤的侵袭和预后最为相关 ^［23］。研究发现，MMPs可能通过细胞外基质与血管生成间的相互作用实现肿瘤的侵袭与转移，对28例肺腺癌脑转移瘤样本的MMP2免疫组化分析显示其表达和血管生成有密切的关系，57.1%的肺癌脑转移病灶MMP2活性明显增强，同时MMP2阳性表达肿瘤样本的平均微血管区（mean microvessel area，MMVA）和平均微血管量（mean microvessel number，MMVN）明显高于阴性表达样本，分别为阴性样本的1.7和1.9倍。研究者推测，MMP2的表达能够促进尤其是组织与肿瘤边界的血管增殖，由此来增强肿瘤细胞在中枢神经系统中的生长与侵袭的能力 ^［24］。因此深入探究MMPs在肺癌脑转移的发生，发展和肿瘤微血管生成中的作用具有重要的价值。

2009年发表于Cell的一项研究表明WNT细胞通路与肺腺癌的脑转移与骨转移密切相关 ^［25］。研究者利用107例临床肺腺癌标本，通过基因芯片的方法分析出TCF4通路与肺腺癌的转移密切相关。而TCF4是WNT的下游调控基因，进一步利用Wnt3a处理肺腺癌细胞后，分析得到新的WNT应答通路分子谱。研究者对其中LEF1和HOXB9两个基因进一步进行了分析，利用shRNA将LEF1和HOXB9稳定敲除后，小鼠的无转移生存期与对照组比得到了明显的延长，这一分析结果表明LEF1，HOXB9在肺癌脑转移中的重要介导作用。基于脑转移临床样本的免疫组化实验显示，36%的样本显示LEF1阳性，TCF4在所有的样本中均有表达，结合临床资料分析发现LEF1阳性联合TCF4高表达与患者生存期存在负相关性 ^［26］。

EGFR通路是非小细胞肺癌治疗中非常重要的通路，而其在肺癌脑转移中的作用目前尚不清楚。2014年发表于Tumor Biol的一项研究对15例配对的NSCLC原位肿瘤和脑转移瘤进行了EGFR检测，发现其EGFR突变检测一致性高达93.3% ^［27］，提示存在于原位肿瘤中的EGFR突变也同样存在于脑转移肿瘤中。2011年发表于JCO的一篇报道对110 例NSCLC的原位肿瘤进行了EGFR突变分析，结果发现发生脑转移患者的EGFR突变率高达64.3%，而未发生脑转移患者的EGFR突变率为31.3%，仅为前者的一半 ^［28］。这一结果提示，携带有EGFR突变的肿瘤细胞可能更易于穿透血脑屏障，发生脑转移。近期Hendriks LE等对EGFR突变患者是否更易于发生脑转移这一课题进行了探究 ^［29］，结果显示EGFR阳性患者，KRAS阳性患者，野生型患者的脑转移发生率没有明显差异，分别为32%、35%和40%。但考虑到EGFR阳性的患者大多接受了EGFR TKI的治疗，这种干预极有可能影响了肿瘤细胞对脑部的侵袭转移，从而影响EGFR突变阳性人群中脑转移的发生率。脑转移后患者的平均生存期分析显示，EGFR阳性患者为12.1个月，野生型患者10.7个月，KRAS阳性的患者7.6个月，EGFR阳性患者预后最佳也进一步提示EGFR突变细胞存在于脑转移灶中，而转移浸润至脑组织中的EGFR突变细胞相较于野生型肿瘤细胞是否具有更强的转移侵袭能力，经EGFR-TKI治疗后颅内转移灶中EGFR阳性的细胞是否对药物已产生了一定的耐受性是值得进一步探究的。

目前，如何预防脑转移的发生越来越受到临床与基础肿瘤专家的关注。预防性脑照射（prophylactic cranial irradiation，PCI）在小细胞肺癌治疗中的成功应用是临床上最好的例证。对于非小细胞肺癌治疗，初步的研究结果表明PCI能降低局部晚期NSCLC患者脑转移发生率约50%，显示出良好的应用前景 ^［30］。因此针对肺癌脑转移的预防性治疗越来越受到重视，但如何筛选出脑转移的高危人群接受预防性治疗，并避免患者因过度治疗带来的潜在毒副作用和经济损失是目前脑转移研究领域中迫切需要解决的问题，筛选有效的预测分子标记物建立脑转移预测模型成为了研究的重点。

2009年Cell的一项研究利用基因芯片的方法筛选出了由81个基因组成的WNT应答分子谱，并建立了肺腺癌脑转移和骨转移的预测模型 ^［25］。利用该模型对患者进行分群发现，阳性人群较阴性人群的无转移生存期明显延长。进一步分析表明，该模型对于早期StageⅠ的患者的预测同样有效，但对于鳞癌和乳腺癌患者无效，这也表明该预测模型是特异性肺腺癌转移预测模型。2009年发表于Clin Cancer Res的一项研究利用qRT-PCR在142例NSCLC手术标本中检测了12个基因的表达，结合临床资料分析，其中CDH2，KIFC1以及FALZ与脑转移发生密切相关 ^［31］。利用这三个基因建立的脑转移预测模型对患者进行分群后，其无脑转移生存期差异明显。Arora S等利用miRNA芯片对7例发生脑转移与6例未发生脑转移的原位NSCLC肿瘤手术样本进行了分析，筛选得到miRNA-328对脑转移发生有一定预测能力，在15例样本的验证中AUC值可达0.881 ^［32］。

虽然目前脑转移预测分子的研究已经取得了一些进展，但离临床应用还有很长的路要走，其中还存在着很多的问题值得深入研究。包括：筛选所得预测分子在临床大样本中的进一步验证；如何进一步提高预测的准确性；除了组织样本外临床上容易获得的血清血浆样本是否也能有效的检出，东西方人群是否存在脑转移预测分子的差异性等等。

有效的肺癌脑转移分子标志物有助于可减少脑转移高风险人群的影像检查费用，便于早期识别，及时治疗。S100B是在人类脑、肌肉、和脂肪组织中发现的一种蛋白，它由脑内的星形胶质细胞合成，并能在血脑屏障被破坏时释放入血 ^［33-34］。2013年美国胸内科医师年会（CHEST）上的一项针对肺癌脑转移早期识别的前瞻性研究显示，血清标志物S100B检测可准确识别肺癌脑转移 ^［35］。该研究共入选了145例新诊断或未经治疗的肺癌病例，且入组时未考虑其病情已属于哪一期。研究人员发现在脑转移的18例患者中，S100B及其抗体联合检测的敏感性达到89%、特异性则达到50%，如与患者脑影像学检查前的临床分期等资料结合应用，则其诊断准确性还会更高。研究者将进一步扩大样本以进一步验证S100B对于肺癌脑转移识别的有效性，尤其对于肺癌脑转移是否具备早期识别的能力是非常值得探讨的。

由于血脑屏障的存在，很多药物很难穿透血脑屏障达到有效的治疗剂量是目前脑转移治疗最大的障碍。为此临床与临床前研究也涌现出很多的研究方向，包括研发能有效穿透BBB的药物，具有脑趋向性的病毒，利用药物修饰及其他干预手段增加BBB通透性等等。

目前的临床上的EGFR TKI穿透血脑屏障的能力有限，因此无法有效的治疗中枢神经系统（CNS）转移患者或预防CNS转移的发生。小分子化合物AZD3759则克服了血脑屏障的阻碍，其设计旨在能够有效穿透血脑屏障并对一代二代EGFR TKI起到补充的作用。与gefitinib，erlotinib以及icotinib相比，AZD3759可缩小脑部肿瘤，明显延长脑转移动物模型的存活期。目前AZD3759计划将于 2014年第三季度开展首次人体试验（first-time-in-man）研究。我们也期待AZD3759将来在临床中的应用，它极有可能为EGFR突变阳性的脑转移患者带来更多的临床获益。

具有脑趋向性的病毒对于脑转移的治疗是否能发挥效用目前并不明确。有研究表明Vesicular Stomatitus病毒能够袭击小鼠模型的颅内肿瘤包括原发的脑胶质瘤，使得血脑屏障遭到破坏 ^［36］。Rvovirus type3型病毒是一种可自我复制的病毒，它能够影响肿瘤细胞RAS信号通路产生细胞毒性 ^［37］。小鼠体内实验表明，Rvovirus type3型病毒介入后能够使乳腺癌脑肿瘤模型的瘤灶缩小并延长小鼠的生存期，副作用包括轻微的局部炎症及脑水肿。脑趋向性病毒对脑肿瘤的治疗作用能够转化到临床是值得继续探讨的。

Angiopep2是一种含有19个氨基酸的短肽，它能够和BBB上的低密度脂蛋白相关受体结合，促进药物穿透血脑屏障。研究表明，利用angiopep2修饰paclitaxel后相较paclitaxel进入血脑屏障的能力增强50倍以上，该类药物目前已进入临床实验研究阶段 ^［38］。放射被认为是增加血脑屏障通透性的最好干预手段，前期研究表明，放射能够对BBB造成损伤，引起内皮细胞的减少，PGP等外流泵表达的下降，以及VEGF蛋白的上调等等 ^［39］。但放射治疗以后，BBB是否被完全打开，BBB是否会在短时间内得到修复，以及BBB修复过程中涉及的信号通路等目前尚不清楚，而针对这些问题的进一步探究将为药物与放射治疗的联合提供更多的理论依据。

除此之外，值得基础肿瘤学家进一步研究的课题与方向还有很多。包括通过比较成对的原发肿瘤灶与脑转移灶分子谱，不同组织器官来源的脑转移分子谱，筛选和验证新的肺癌脑转移相关基因，并对新基因进行功能性的分析；对脑部微环境的研究，肿瘤细胞是如何与脑基质及宿主细胞的相互作用；对血脑屏障生物学的深入研究，血脑屏障对药物转运机制的影响，如何改善血脑屏障的通透性增加药物的转运；对脑转移动物模型的建立，用于脑转移相关标志物的验证和疗效的评估。

综合来看，非小细胞肺癌脑转移的研究已经取得了一定的进展，包括介导肺癌脑转移相关新分子及新通路的发现，肺癌脑转移预测及识别分子的探寻以及新型能够有效穿透血脑屏障靶向药物的研发等等。但我们对于肺癌脑转移的认识还有很多的不足，目前很多临床前的研究结果也鲜有在临床上得到应用，有很多方向值得深入研究以期筛选到更为有效的针对肺癌脑转移的治疗方案及药物，从而真正的为肺癌脑转移患者带来更多临床获益。

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