Nature Cancer：結(jié)直腸癌細(xì)胞劫持腦-腸神經(jīng)環(huán)路促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)

摘要背景

癌癥患者常伴隨抑郁、焦慮等心理問題，這些問題不僅影響患者的生活質(zhì)量，還可能加速腫瘤進(jìn)展。長(zhǎng)期的臨床觀察和流行病學(xué)調(diào)查表明，心理社會(huì)壓力對(duì)腫瘤的發(fā)生、進(jìn)展及治療反應(yīng)有顯著影響。然而，大腦如何直接調(diào)控外周腫瘤進(jìn)展的具體機(jī)制尚不清楚。外側(cè)隔核（LS）是大腦中的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，參與情緒、動(dòng)機(jī)和行為的調(diào)節(jié)，特別是與獎(jiǎng)賞、焦慮、恐懼和抑郁等過程密切相關(guān)。近年來，光遺傳學(xué)研究表明，激活外側(cè)隔核內(nèi)的特定GABA能神經(jīng)元或來自邊緣下皮質(zhì)的谷氨酸能投射可以誘導(dǎo)焦慮樣行為。鑒于抑郁、焦慮與癌癥發(fā)病率和死亡率之間的關(guān)聯(lián)，探索外側(cè)隔核在腫瘤進(jìn)展中的作用具有重要意義。

2025年8月中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)和南方醫(yī)科大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作在《Nature Cancer》（IF：28.5）發(fā)表了題為Colorectal cancer cells hijack a brain–gut polysynaptic circuit from the lateral septum to enteric neurons to sustain tumor growth的研究文章。本研究探討了外側(cè)隔核（Lateral Septum, LS）中的GABA能神經(jīng)元如何通過一條復(fù)雜的多突觸神經(jīng)環(huán)路與腸膽堿能神經(jīng)元相互作用，進(jìn)而促進(jìn)結(jié)直腸癌（Colorectal Cancer, CRC）的生長(zhǎng)。研究不僅揭示了大腦與外周腫瘤之間的雙向相互作用機(jī)制，還強(qiáng)調(diào)了心理應(yīng)激在癌癥進(jìn)展中的關(guān)鍵作用。

研究結(jié)果

1. 逆行示蹤技術(shù)揭示外側(cè)隔核與結(jié)直腸癌的神經(jīng)聯(lián)系

作者構(gòu)建了結(jié)直腸癌小鼠模型（注射CMT93或SW480細(xì)胞），在小鼠的直腸和坐骨神經(jīng)中形成的腫瘤內(nèi)觀察到NF-L+神經(jīng)纖維，并發(fā)現(xiàn)CMT93細(xì)胞的神經(jīng)生長(zhǎng)因子（NGF）mRNA的高表達(dá)，在使用GM441756（NGF受體特異性抑制劑）后，腫瘤以及顯著減小且神經(jīng)纖維的浸潤(rùn)也減小了。

作者采用帶有紅色熒光蛋白的偽狂犬病病毒注射到小鼠的直腸腫瘤中。一周后，我們觀察到腫瘤內(nèi)、直腸和脊髓中的膽堿能神經(jīng)元，以及外側(cè)下丘腦和外側(cè)隔核中的GABA能神經(jīng)元中均有mRFP?神經(jīng)纖維分布。外側(cè)隔核位于皮層下前腦，主要由GABA能神經(jīng)元構(gòu)成，表明外側(cè)隔核GABA能神經(jīng)元是通過多突觸通路參與調(diào)控結(jié)直腸癌腫瘤的關(guān)鍵投射神經(jīng)元群體。

2. LSGABA神經(jīng)元通過多突觸方式調(diào)控支配腫瘤的膽堿能神經(jīng)元

作者采用帶綠色熒光蛋白的HSV病毒注射到雄性ChAT-Cre/Ai14小鼠（膽堿能神經(jīng)元能表達(dá)tdTomato）的LS中，48小時(shí)后，直腸腫瘤中大多數(shù)eGFP?神經(jīng)纖維與tdTomato共定位。將HSV-ΔTK-LSL-tdTomato-TK病毒（一種只有在表達(dá)Cre時(shí)才復(fù)制和跨突觸的病毒）注射到GAD65-Cre小鼠的LS中，72小時(shí)后，在直腸腫瘤中檢測(cè)到tdTomato?神經(jīng)纖維，其中大多數(shù)纖維表達(dá)ChAT。這一發(fā)現(xiàn)表明，LSGABA神經(jīng)元可能通過一個(gè)多突觸回路，與向結(jié)直腸癌腫瘤微環(huán)境發(fā)送神經(jīng)纖維的腸膽堿能神經(jīng)元建立連接。

3. 化學(xué)遺傳學(xué)/光遺傳學(xué)調(diào)控LSGABA神經(jīng)元影響結(jié)直腸癌生長(zhǎng)

作者研究了hM3Dq的激活潛力，給予CNO后，感染了DIO-hM3Dq病毒的mCherry?神經(jīng)元表現(xiàn)出c-Fos（一種神經(jīng)元激活標(biāo)志物）表達(dá)的增加。這種激活在離體的外側(cè)隔核腦片中進(jìn)一步得到證實(shí)，CNO誘導(dǎo)了表達(dá)DIO-hM3Dq的mCherry?神經(jīng)元活動(dòng)增強(qiáng)。值得注意的是，給予CNO后激活LSGABA神經(jīng)元，導(dǎo)致小鼠直腸腫瘤生長(zhǎng)顯著加快。光遺傳學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的精準(zhǔn)控制。病毒感染后，神經(jīng)元表達(dá)光敏蛋白如hChR2，當(dāng)受到藍(lán)光照射時(shí)，這些蛋白會(huì)引發(fā)動(dòng)作電位，表明神經(jīng)元被激活。對(duì)表達(dá)hChR2的LSGABA神經(jīng)元進(jìn)行藍(lán)光激光刺激，顯著促進(jìn)了小鼠直腸腫瘤的生長(zhǎng)。

在離體的外側(cè)隔核腦片中，CNO（選擇性抑制hM4Di）處理有效抑制了感染DIO-hM4Di和GAD67-Cre病毒的mCherry?神經(jīng)元的活動(dòng)。通過注射CNO抑制LSGABA神經(jīng)元，導(dǎo)致小鼠直腸腫瘤體積顯著減小。NpHR3.0是另一種光敏蛋白，它能夠在黃光激光刺激下實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元的光學(xué)抑制，使神經(jīng)元超極化。使用黃光激光刺激抑制LSGABA神經(jīng)元，同樣顯著抑制了小鼠的腫瘤生長(zhǎng)。

4. LSGABA–LHGABA環(huán)路促進(jìn)結(jié)腸蠕動(dòng)和直腸腫瘤生長(zhǎng)

為了確定LSGABA–LHGABA投射是否連接到脊髓，作者將AAV/Retro-DIO-Flp病毒注射到荷瘤和無瘤雄性C57BL/6J小鼠的雙側(cè)骶副交感核中。一周后，作者將GAD67-Cre、AAV-fDIO-TVA-tdTomato和AAV-fDIO-RVG病毒注射到雙側(cè)外側(cè)下丘腦。又過了兩周，作者將RV-EnvA-ΔG-eGFP病毒注射到相同的外側(cè)下丘腦位點(diǎn)。作者在每個(gè)腦片的外側(cè)下丘腦中觀察到大約1-3個(gè)共表達(dá)tdTomato和eGFP的神經(jīng)元，同時(shí)在每個(gè)腦片的外側(cè)隔核中發(fā)現(xiàn)大約1-6個(gè)eGFP?神經(jīng)元。在外側(cè)隔核的這些eGFP?神經(jīng)元中，約80%共表達(dá)GAD65。這些發(fā)現(xiàn)表明，LSGABA–LHGABA投射神經(jīng)元支配著骶副交感核。

作者將GAD67-Cre和DIO-hChR2病毒注射到雄性C57BL/6J小鼠的LS中，同時(shí)將光纖植入LS。接著，將GAD67-Cre連同DIO-mCherry或DIO-hM3Dq病毒一起注射到這些小鼠的外側(cè)下丘腦。監(jiān)測(cè)結(jié)腸蠕動(dòng)發(fā)現(xiàn)，激活LSGABA神經(jīng)元促進(jìn)了玻璃珠的排出，而激活LHGABA神經(jīng)元?jiǎng)t延遲了其排出。預(yù)先激活LHGABA神經(jīng)元消除了LSGABA神經(jīng)元對(duì)玻璃珠排出的促進(jìn)作用。這些結(jié)果表明，LSGABA神經(jīng)元的激活通過抑制LHGABA神經(jīng)元來增強(qiáng)結(jié)腸蠕動(dòng)。

總之，LSGABA神經(jīng)元通過抑制LHGABA神經(jīng)元，在驅(qū)動(dòng)結(jié)直腸癌腫瘤進(jìn)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

5. LSGABA神經(jīng)元誘導(dǎo)的腫瘤生長(zhǎng)需要腸膽堿能神經(jīng)元的激活

作者向瘤內(nèi)注射BTXA（肉毒桿菌毒素A與膽堿能神經(jīng)末梢有高親和力結(jié)合，可阻斷神經(jīng)傳遞）顯著抑制了小鼠的腫瘤生長(zhǎng)，但BTXA處理在體外并不直接抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖。AAV-DIO-hM4Di和AAV-DIO-hM3Dq病毒也被用于抑制或激活腸道內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)。

LS主要由GABA能神經(jīng)元構(gòu)成，缺乏膽堿能神經(jīng)元——這一解剖學(xué)特征使作者能夠選擇性地激活ChAT-Cre小鼠中的LSGABA神經(jīng)元，或抑制其腸膽堿能神經(jīng)元。通過使用DIO-hM4Di病毒抑制膽堿能神經(jīng)元后，作者發(fā)現(xiàn)LSGABA神經(jīng)元對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的刺激作用有所減弱。與此一致的是，在雄性和雌性C57BL/6J小鼠中使用BTXA抑制腸神經(jīng)元，顯著削弱了LSGABA神經(jīng)元在結(jié)直腸癌模型中的促腫瘤效應(yīng)。

總之，這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)有力地表明，LSGABA神經(jīng)元誘導(dǎo)的腫瘤生長(zhǎng)需要腸膽堿能神經(jīng)元的激活。

6. GABA是介導(dǎo)隔膜-腸道多突觸環(huán)路的關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)

作者使用背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元和腸神經(jīng)元的條件培養(yǎng)基培養(yǎng)結(jié)直腸癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)這種培養(yǎng)基顯著促進(jìn)了結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖，而這種效應(yīng)可被經(jīng)BTXA處理的神經(jīng)元的條件培養(yǎng)基所阻斷。繼而通過小鼠實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)抑制LSGABA神經(jīng)元的活性會(huì)降低直腸腫瘤中的GABA濃度，而激活這些神經(jīng)元?jiǎng)t會(huì)增加GABA水平。總的來說，LSGABA神經(jīng)元的激活增強(qiáng)了腫瘤內(nèi)ChAT?神經(jīng)纖維釋放GABA，從而以旁分泌方式調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞。

作者特異性敲低腸膽堿能神經(jīng)元中GAD67的表達(dá)。抑制這些神經(jīng)元中的GABA合成，顯著減緩了小鼠直腸腫瘤的生長(zhǎng)。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了腸膽堿能神經(jīng)元來源的GABA在促進(jìn)結(jié)直腸癌生長(zhǎng)中的關(guān)鍵作用。

7. 慢性應(yīng)激激活隔膜-腸道多突觸環(huán)路導(dǎo)致結(jié)直腸癌生長(zhǎng)

作者對(duì)小鼠進(jìn)行慢性束縛應(yīng)激實(shí)驗(yàn)，觀察到其血清皮質(zhì)酮水平顯著升高，焦慮程度加重，結(jié)直腸組織中GABA濃度升高，而乙酰膽堿水平降低，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，外側(cè)隔核中的GABA能神經(jīng)元被顯著激活，伴隨外側(cè)下丘腦中c-Fos?神經(jīng)元減少，而骶副交感核和腸肌間神經(jīng)叢中c-Fos?神經(jīng)元增加，表明隔膜-腸道多突觸環(huán)路被激活。慢性束縛應(yīng)激還促進(jìn)了腫瘤生長(zhǎng)，升高了直腸腫瘤內(nèi)GABA水平并降低了ACh水平，同時(shí)伴隨血清皮質(zhì)酮持續(xù)升高。

研究結(jié)果表明，應(yīng)激通過激活隔膜-腸道多突觸環(huán)路促進(jìn)結(jié)直腸癌的腫瘤進(jìn)展。慢性束縛應(yīng)激可能改變腸ChAT?神經(jīng)元的神經(jīng)遞質(zhì)表型，導(dǎo)致GABA分泌增加、ACh分泌減少，從而增強(qiáng)腫瘤生長(zhǎng)。

8. 人類隔區(qū)代謝活性與結(jié)直腸癌進(jìn)展相關(guān)

作者分析了103名健康個(gè)體和103名結(jié)直腸癌患者的1?F-FDG PET/CT數(shù)據(jù)，計(jì)算了隔區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化攝取值比，發(fā)現(xiàn)隔區(qū)在人類腫瘤進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，并且環(huán)境刺激可能通過隔區(qū)的神經(jīng)環(huán)路影響腫瘤生長(zhǎng)。

研究結(jié)論

本文通過一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，揭示了外側(cè)隔核-腸神經(jīng)環(huán)路在結(jié)直腸癌進(jìn)展中的關(guān)鍵作用。研究不僅深化了我們對(duì)大腦與腫瘤相互作用的理解，還為開發(fā)新的癌癥治療策略提供了科學(xué)依據(jù)。未來研究可進(jìn)一步探索該神經(jīng)環(huán)路在其他類型癌癥中的作用，以及如何通過干預(yù)該環(huán)路來優(yōu)化癌癥治療。同時(shí)，結(jié)合心理干預(yù)和個(gè)體化治療策略，有望為癌癥患者提供更加全面和有效的治療方案。

研究意義

? 從神經(jīng)環(huán)路層面闡明了大腦如何通過多突觸通路直接調(diào)控結(jié)直腸癌腫瘤進(jìn)展

? 揭示了外側(cè)隔核（LS）GABA能神經(jīng)元 → 外側(cè)下丘腦（LH）GABA能神經(jīng)元 → 脊髓骶副交感核 → 腸膽堿能神經(jīng)元這一新型腦-腸神經(jīng)環(huán)路

? 證明了GABA是驅(qū)動(dòng)該環(huán)路、促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)的關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)

? 發(fā)現(xiàn)慢性心理應(yīng)激可激活該環(huán)路，為心理干預(yù)輔助癌癥治療提供理論基礎(chǔ)

? 103例臨床PET/CT數(shù)據(jù)顯示隔區(qū)代謝活性與結(jié)直腸癌進(jìn)展相關(guān)，具有臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值