髓系和肿瘤细胞间白介素1相关旁分泌回路驱动胶质母细胞瘤进展

研究背景

胶质母细胞瘤（GBM）是儿童和成人中最常见的侵袭性原发性脑肿瘤，患者的总体生存率很低，目前没有能明显改善患者预后的抗肿瘤疗法。

肿瘤微环境(TME)中存在大量高度适应性的非肿瘤细胞，包括肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)，这些巨噬细胞来自骨髓(骨髓衍生髓系细胞，BMDM)或脑内固有小胶质细胞(MG)，BMDM可以产生细胞因子白细胞介素-1(包括IL-1α和IL-1β)，IL-1α和IL-1β已被证实在许多癌症中都有促进肿瘤发生的作用。

文献来源

西奈山伊坎医学院癌症研究所团队于去年9月在The Journal of Clinical Investigation 上发表了题目为“A paracrine circuit of IL-1β/IL-1R1 between myeloid and tumor cells drives genotype-dependent glioblastoma progression”的研究论文。作者利用RCAS－TVA系统构建了PDGFB驱动(PDGFBmGBM)和Nf1沉默(Nf1mGBM)的GBM小鼠模型，研究了IL-1α和IL-1β在体外和体内促进肿瘤发生的机制。BMDMs和肿瘤细胞间存在IL-1β/IL-1R1的前馈旁分泌回路，促进了PDGFB mGBM的发展，IL-1β的局部拮抗可能是治疗PDGFBmGBM的有效方法。

研究结果

根据异柠檬酸脱氢酶I和II(IDH1/2)基因突变情况，将GBM分为野生型IDH(IDH-WT)和突变型IDH(IDH-Mut)。

首先，研究人员使用TCGA数据集评估了GBM患者的IL-1的表达情况，发现IL-1β在IDH-WT患者中有较高表达，IL-1β和IL1相关通路基因表达情况与不良预后相关。与正常脑组织相比，GBM组织中IL-1β表达增加，且集中于肿瘤周围及血管周围，肿瘤内表达相对较少。IL-1β和IBA1（泛巨噬细胞标记物）在血管周围表现出共定位，说明TAM是人类GBM中IL-1β的主要来源。

Fig.1  IDH-WT GBM患者中IL1B的高表达与生存率降低有关

接下来，评估了不同GBM亚型的IL1表达差异，发现人类MES(间质型)GBM中IL1的表达水平高于PN(神经型)GBM，Nf1mGBM小鼠模型中IL-1β水平远高于PDGFBmGBM模型。使用荧光激活细胞分选术分离肿瘤相关细胞，发现所有PDGFBmGBM模型肿瘤相关细胞的IL-1β mRNA水平都有所增加，其中BMDM的IL-1βmRNA水平最高，且与GBM细胞共培养的BMDM可诱导IL-1β的表达和分泌。这些结果表明，IL-1β在人类和鼠类GBM中均有表达，并且在体外以GBM亚型特异性的方式被诱导。

Fig.2  IL-1B在人MES-GBM和NF1沉默的小鼠GBM中的表达增加

为确定IL-1β是否在GBM的生长进程中起关键作用，在野生型和IL-1β KO小鼠中构建PDGFB驱动的GBM小鼠模型，发现IL-1β KO的GBM小鼠的存活期得到延长。其中TME细胞的IL-1β缺失显著延长了肿瘤小鼠的存活时间。在肿瘤发展的早期阶段，野生型和IL-1β KO小鼠体内的肿瘤体积相当，表明IL-1β缺失对肿瘤发生没有受到影响，是通过抑制肿瘤生长从而延长小鼠存活时间。

Fig.3  TME衍生的IL-1β可调控PDGFB驱动小鼠的GBM生长

为了确定IL-1α和IL-1β之间是否存在功能冗余，通过scRNA-seq分析了从野生型、IL-1β-KO和IL-1α/IL-1β-KO小鼠体内分离的肿瘤。IL-1α和IL-1β主要产生于髓系细胞。与野生型小鼠相比，IL-1β KO小鼠中单核细胞的相对丰度降低，在IL-1α/IL-1β-KO小鼠中更为明显。使用流式细胞术分析，与野生型小鼠相比，IL-1β-KO小鼠肿瘤中髓系细胞总数明显减少，BMDM数量减少。

Fig.4  ScRNA-seq揭示了IL-1β-KO小鼠炎性单核细胞的减少

之前的研究表明，NF-κB通路与IL-1β介导的信号转导有关，基于这一结论，研究人员对体外培养的PDGFBmGBM和Nf1mGBM肿瘤细胞中的NF-κB通路进行了分析。与PDGFBmGBM细胞相比，Nf1mGBM细胞的NF-κB通路中间产物的磷酸化增加，且IL-1β可诱导PDGFBmGBM中的NF-κB活化，而Nf1mGBM中不存在这一作用。PDGFBmGBM细胞会分泌MCPs以应对IL-1β，而Nf1mGBM细胞在无IL-1β时也具有很高的MCP产量。以上结果表明，Nf1mGBM和PDGFBmGBM细胞通过不同的机制调节MCP的表达。

Fig.5  IL-1β在PDGFB驱动的GBM细胞培养物中诱导NF-κB通路活化

为了确定Nf1mGBM细胞中不依赖IL-1β的MCP调节是否在体内也有影响，研究人员在野生型、IL-1β KO和IL-1α/IL-1β KO小鼠体内构建了Nf1mGBM小鼠模型。IL-1β或IL-1的缺失对小鼠的存活率没有影响。scRNA-seq分析结果显示，IL-1α和IL-1β同样主要生产于髓系细胞。与PDGFBmGBM不同的是，IL-1β KO和IL-1α/IL-1β-KO小鼠中单核细胞的相对丰度没有降低，不同基因型小鼠肿瘤的增殖情况也没有变化，这与小鼠存活结果一致。

Fig.6  对IL-1β-KO和IL-1α/IL-1β-KO小鼠的Nf1 mGBM进行ScRNA-seq和免疫表型分析

IL-1α和IL-1β的共同缺失对肿瘤中MCP水平存在显著影响，因此研究了IL-1α和IL-1β缺失是否会进一步延长肿瘤小鼠的生存期。与IL-1β KO小鼠存活时间延长相反，IL-1α/IL-1β-KO肿瘤小鼠的存活时间与野生型肿瘤小鼠相似。为确定IL-1α/IL-1β-KO肿瘤小鼠的效应机制，分析了scRNA-seq数据，发现在IL-1α/IL-1β-KO小鼠的多类细胞中，干扰素（IFN）的活性大幅降低，且分裂细胞在高表达IFN的肿瘤细胞中的比例下降，推测这些细胞在缺乏髓系细胞IFN刺激后进入静止状态。也就是说，GBM的进展同时受到IL-1a和IL-1b的调控。

Fig.7  IL-1α/IL-1β敲除对PDGFB驱动的GBM小鼠的存活率没有影响

前述实验是在IL-1α/IL-1β-KO或IL-1β-KO小鼠中进行的，随后研究了局部中和IL-1β或引入IL-1R1拮抗剂(IL-1Ra)是否会阻碍肿瘤生长并延长存活时间。结果显示，药理拮抗IL-1β或IL-1R1可延长GBM小鼠的生存期。免疫组化结果显示，IBA1阳性细胞密度降低，表明TAM浸润减少，这是肿瘤预后改善的重要指标。

Fig.8  瘤内注射抗IL-1β抗体或IL-1Ra可延长GBM小鼠的存活时间

综上所述，PDGFB驱动的GBM细胞会诱导MDM表达促炎细胞因子IL-1β，IL-1β与肿瘤细胞中的IL-1R1结合，激活NF-kB通路，随后诱导产生单核细胞趋化蛋白(MCPs)。肿瘤细胞和MDM之间的IL-1β/IL-1R1前馈旁分泌回路形成了相互依存关系，驱动PDGFBmGBM进展。基因缺失或局部拮抗IL-1β/IL-1R1会导致MDM浸润减少、肿瘤生长减少，CD8+ T细胞消耗减少，从而延长荷瘤小鼠的生存期。这些结果表明，局部拮抗IL-1β可被视为一种有效的GBM治疗方法。

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