《Antioxidants》：Heterogeneity, Measurement, and Clinical Implications of Oxygenation, Cell Signaling, and Redox Biology in Glioblastoma and Adult Diffuse Gliomas, with Context from Other Brain Tumors
Arabinda Das,
Julian E. Bailes,
Ann Barlow and
Daniil P. Aksenov
编辑推荐：
这篇综述聚焦胶质母细胞瘤（GBM）与成人弥漫性胶质瘤的肿瘤氧合（pO2）异质性及其测量技术，并系统整合了缺氧所触发的细胞信号传导（如HIFs、NRF2/KEAP1通路）与氧化还原（ROS、RNS、RSS）生物学。文章阐明了缺氧如何驱动侵袭、干细胞样状态、免疫抑制及放化疗抵抗，进而评估了靶向缺氧与氧化还原脆弱性的临床策略（如缺氧激活前药、血管正常化、铁死亡诱导），旨在为神经肿瘤学的生物标志物引导治疗提供新框架。
1. 引言
脑肿瘤，尤其是源自胶质细胞的胶质瘤，是中枢神经系统主要的原发性恶性肿瘤。其中，胶质母细胞瘤（GBM，IDH野生型，4级）是成人中最常见且最具侵袭性的恶性脑肿瘤。尽管采用了包括最大范围安全切除、放疗和替莫唑胺化疗在内的综合治疗，患者的预后仍然很差，中位生存期有限。肿瘤氧合是决定癌症生物学和治疗反应的关键因素。缺氧是GBM和成人弥漫性胶质瘤的一个决定性特征，其产生的低氧生态位可促进肿瘤侵袭、干细胞样状态、免疫抑制以及对放疗和替莫唑胺的抵抗，从而导致不良预后。因此，测量组织氧分压（pO2）并绘制其空间异质性图谱，对于理解其机制和开发新疗法（包括缺氧激活前药、缺氧反应性基因治疗和优化放疗计划）至关重要。本综述旨在整合氧合、细胞信号传导和氧化还原生物学这三个常被分割讨论的领域，为神经肿瘤学提供一个从氧测量到氧化还原机制再到治疗应用的统一框架。
2. 脑肿瘤中的氧合：概念与脑特异性限制
尽管大脑仅占体重的2%，却消耗了全身20%的氧气。快速增殖的肿瘤细胞必须与周围功能正常的脑组织竞争氧气供应，因此GBM通常处于缺氧状态。显微镜分析显示GBM存在多个缺氧区域，其肿瘤氧合严重受损且高度异质。GBM肿瘤的中位pO2为10 mm Hg，约25%的肿瘤区域处于缺氧状态（pO2≤ 2.5 mm Hg）。肿瘤缺氧主要由三个原因导致：（i）细胞快速增殖导致的高耗氧量；（ii）由于紊乱的肿瘤新生血管化导致的组织灌注不足；（iii）血管阻塞、水肿和组织坏死。低pO2是驱动侵袭性肿瘤生长、治疗抵抗和患者预后不良的关键因素。当氧含量下降时，缺氧诱导因子（HIFs）被稳定并激活，成为肿瘤细胞适应氧缺乏的主要调节因子。缺氧条件还驱动癌细胞代谢从高效的氧化磷酸化转向低效的糖酵解。另一个脑肿瘤特异性点是氧剥夺常常是间歇性而非静态的，循环缺氧和再氧合会产生线粒体和NADPH氧化酶衍生的活性氧（ROS）爆发，从而放大HIF信号、血管生成、侵袭和放射抵抗。
3. 微血管系统、灌注与神经血管耦合/解耦作为氧合的决定因素
GBM表现出异常的血管形态——以紊乱、迂曲的血管为特征——这破坏了灌注。肿瘤内部和周围无序的血管系统是由于GBM细胞既能围绕现有血管生长（血管共择），也能诱导新血管生成（血管生成）。与侵袭性GBM中血管生成相关的大多数血管是不成熟和功能失调的，缺乏适当的外周细胞和内皮细胞覆盖，导致一个渗漏的血管网络，且不受正常调节机制控制。这些异常血管使得血浆和其他物质渗漏到周围的脑组织中，可能导致水肿，同时也限制了药物向肿瘤的输送。在健康大脑中，脑血管自动调节通过根据压力变化调整血流量来保持稳定的血液供应，而神经血管耦合（NVC）则作为一种高效的实时输送系统，将局部血流量与神经活动精确联系起来，确保足够的氧气和葡萄糖输送。这些机制被异常的肿瘤相关血管网络破坏，导致自动调节受损和神经血管“解耦”，使得适应血压变化或响应周围健康脑组织神经活动的血流调节能力受损。在正常脑血管中，稳态机制也调节血流以响应CO2/O2水平的变化。GBM组织表现出与健康组织相比减弱的CO2/O2反应性，这可能归因于GBM肿瘤低效、不成熟的新生血管或组织缺氧的影响。这些血管异常也具有氧化还原活性。一氧化氮（NO）生物利用度的改变、ROS对NO的清除以及基于硫醇的翻译后修饰可以重塑血管张力、内皮通透性和屏障稳定性。
4. 测量脑肿瘤氧合的方法：从侵入性探针到多模态成像
检测临床环境中的肿瘤缺氧可能有助于评估肿瘤发展侵袭性表型或治疗抵抗的潜力，这两种情况都会导致不良预后。测量脑肿瘤氧合的方法范围广泛，从使用氧电极和光纤的侵入性直接测量，到非侵入性多模态成像技术，如功能磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）。
侵入性方法包括：极性氧电极，可提供直接、实时、定点的pO2测量，通常被视为金标准，但具有侵入性且测量范围局限；光纤探针，利用发光团响应O2水平发出荧光，同样具有侵入性和局限性；电子顺磁共振（EPR）血氧定量法，一种基于磁共振成像（MRI）的技术，使用微小的、可植入的氧敏感顺磁晶体来测量pO2，允许在同一部位进行连续或重复的定量评估。
非侵入性（成像）方法包括：血氧水平依赖（BOLD）/T2* MRI，基于氧合和脱氧血红蛋白的不同磁性特性，无创且广泛可用，但提供的是氧合的相对测量值，而非定量值；定量BOLD（qBOLD），使用更复杂的模型分离BOLD信号的各个成分，允许无创定量绘制氧摄取分数（OEF）和脱氧血容量（DBV）；灌注MRI，通过追踪示踪剂（如注射的钆造影剂或磁标记水）的通过来测量组织血流，从而推断组织氧合；氧增强MRI（OE-MRI），测量患者吸入100%氧气时组织磁性的变化，可直接评估组织接受和利用氧气的能力；硝基咪唑正电子发射断层扫描（PET）示踪剂，如FMISO（18F氟米索硝唑），可特异性积聚在缺氧细胞中，提供缺氧组织的定量图谱；以及结合PET和MRI优势的PET-MRI融合技术。
对于聚焦氧化还原的解释，区分氧评估和氧化还原评估很重要。氧成像可以识别低氧区域、血管反应性或示踪剂滞留的缺氧组织，但不能直接量化ROS通量、谷胱甘肽/硫氧还蛋白缓冲、一氧化氮信号或铁死亡敏感性。
5. 不同脑肿瘤实体中氧合的空间和时间异质性
脑肿瘤中氧合的空间和时间异质性是治疗的主要挑战，因为缺氧区域可促进治疗抵抗并导致肿瘤复发。胶质母细胞瘤（GBM）和脑转移瘤等不同肿瘤实体表现出不同的氧合模式和代谢微环境。瘤内氧合异质性是GBM等侵袭性癌症的一个决定性特征。侵袭性肿瘤表现出异质性血流，导致高度血管化和严重灌注不足的区域。灌注不良的区域导致缺氧条件，迫使癌细胞从氧依赖代谢转向糖酵解以求生存，产生酸性微环境，促进更具侵袭性、治疗抵抗和侵袭性的表型。氧合异质性伴随着氧化还原异质性。同一胶质母细胞瘤内的不同区域可能在抗氧化储备、半胱氨酸可用性、脂质过氧化和铁死亡敏感性方面存在差异。识别肿瘤中的异质性可以通过先进的神经影像学技术（如PET和MRI）创建肿瘤的“栖息地图谱”，显示缺氧、灌注和其他特征之间的空间关系。高级别胶质瘤（HGGs）和转移瘤具有显著的氧合空间和时间异质性及高度缺氧；相比之下，低级别胶质瘤（LGGs）和脑膜瘤往往缺氧程度较轻，尽管异质性仍然存在。儿科肿瘤的数据有限。了解瘤内异质性对于改善癌症治疗和克服治疗抵抗至关重要，因为不同的肿瘤区域对治疗的反应不同。
6. 将氧合与细胞信号传导和氧化还原生物学联系起来：分子特征、细胞状态和免疫微环境
氧合对于代谢过程至关重要，也是细胞功能的关键调节因子。缺氧通过改变分子特征、影响细胞状态和塑造免疫微环境，引发组织广泛的生物重编程。在胶质瘤中，许多这些氧依赖效应是通过氧化还原敏感的 signaling 网络传递的，这些网络将ROS、活性氮物种（RNS）、活性硫物种（RSS）和抗氧化缓冲与侵袭、干性、免疫抑制和治疗反应联系起来。
分子特征：缺氧诱导因子（HIFs）是细胞对缺氧反应的主要调节因子，在缺氧条件下稳定并激活数百个基因的转录，介导生存适应，如增加葡萄糖摄取、无氧糖酵解和血管生成。在胶质瘤中，缺氧通过上调与迁移、局部侵袭、免疫逃逸和治疗抵抗相关的基因来促进侵袭性细胞状态。除了HIFs，氧化还原稳态还与NRF2/KEAP1、PI3K/AKT/mTOR、Wnt/β-连环蛋白、Notch、NF-κB和STAT3信号通路相互作用。缺氧可增加活性氧（ROS）的产生，在线粒体和NADPH氧化酶（特别是循环缺氧下的NOX4）的驱动下，ROS可作为剂量和区室依赖性的第二信使。
氧化还原稳态与抗氧化缓冲：在细胞水平，氧合决定的不仅仅是HIF的稳定；它还帮助定义了胶质瘤细胞生存的氧化还原窗口。为了维持这个允许的氧化还原窗口，GBM细胞，尤其是胶质瘤干细胞样细胞，严重依赖谷胱甘肽和硫氧还蛋白系统以及抗氧化酶和NRF2相关的应激反应。
活性氮和活性硫物种信号传导：一氧化氮（NO）可以影响血管张力、内皮通透性、线粒体呼吸和免疫信号，而S-亚硝基化提供了一种共价机制，氧化还原状态通过该机制改变蛋白质功能。在GBM中，NO依赖的S-亚硝基化与内皮功能障碍和血管渗漏有关。
氧化还原依赖性翻译后修饰：蛋白质的可逆氧化还原修饰，如反应性半胱氨酸的氧化、S-亚硝基化、二硫键交换，可以改变酶活性、受体运输、细胞骨架组织和内皮屏障功能。
细胞状态：缺氧在支持干细胞和祖细胞（胶质瘤干细胞样细胞，GSC）表型的未分化状态（“干性”）中起关键作用。在低氧条件下，肿瘤细胞代谢向糖酵解转变，这为GSCs的生存和侵袭提供了能量和营养。氧化还原失衡也影响脑肿瘤中主导的细胞死亡程序。铁死亡是一种由脂质过氧化驱动的铁依赖性细胞死亡形式，在GBM中，其敏感性受SLC7A11/xCT活性、谷胱甘肽可用性、GPX4相关保护和NRF2状态的影响。
免疫微环境：组织内的氧梯度对于调节免疫细胞功能和塑造整体免疫微环境至关重要。在慢性炎症和癌症中，缺氧可创造一个免疫抑制微环境，促进免疫抑制细胞的积累，抑制抗肿瘤免疫反应，并直接降低免疫疗法的有效性。从氧化还原的角度看，GBM中的免疫抑制不仅是低氧的结果，也是氧化信号的结果。
7. 临床意义及神经肿瘤学中的氧靶向和氧化还原靶向策略
改善脑肿瘤氧合的方法主要集中在增强常规疗法（如放疗和化疗）的疗效上，这些疗法常常受到肿瘤缺氧微环境的阻碍。
高压氧治疗（HBOT）：涉及在高于一个标准大气压的压力下呼吸100%氧气，可显著增加血浆中溶解的氧气量并输送到组织，包括肿瘤。与放疗结合时显示出有希望的结果。
碳合气呼吸：患者吸入95%氧气和5%二氧化碳的混合气体。高氧含量增加了溶解氧，而二氧化碳作为血管扩张剂，进一步增强了肿瘤的血流和氧气输送。
抗血管生成“正常化”：使用抗血管生成剂（如贝伐珠单抗）来修剪异常、渗漏的肿瘤血管，使其进入更正常、功能性的状态，从而改善血流和氧气/药物输送。然而，尽管在无进展生存期方面有所改善，大型III期临床试验并未显示总生存期的提高。
缺氧激活前药（HAPs）：是在实体瘤中低氧条件下选择性转化为活性细胞毒性药物的非活性化合物，从而仅靶向缺氧的癌细胞。虽然在临床前研究中显示出巨大潜力，但由于需要克服血脑屏障和可靠的成像生物标志物来识别合适的患者，其在脑肿瘤中的临床转化令人失望。
氧合图谱绘制：成像可以整合到癌症治疗中，以发现和绘制缺氧肿瘤区域，这些区域通常对标准疗法有抵抗。这些信息用于个性化和调整放疗、指导手术方法，并在全身治疗试验中对患者进行分层或监测反应。
放疗计划：缺氧是放射抵抗的主要原因。氧合成像技术用于创建“生物靶区”，将更高的辐射剂量 specifically 输送到这些放射抵抗的缺氧区域，以实现更好的局部肿瘤控制。
手术：氧合成像尚未成为神经肿瘤学切除范围决策的标准，但它可能提供具有临床相关性的生理学背景，例如识别更可能 harbors 治疗抵抗性疾病的浸润性瘤周区域。
系统治疗试验：在GBM中与缺氧评估或氧修饰治疗相关的临床研究中，氧合成像作为一个重要的生物标志物，用于预测反应和预后。结合氧化还原意识的试验设计可能特别有用。
人工智能（AI）：可以处理和结合来自医学图像（影像组学特征）、基因组谱和临床信息（包括氧合指标）的大量不同数据集，并建立强大的预测模型来对患者进行分层、预测治疗反应和总体预后。影像基因组学结合氧合指标与缺氧相关的特定基因突变或通路，可能有助于将宏观氧合图与微观氧化还原生物学联系起来。
8. 结论
在脑肿瘤中，受损的氧合源于肿瘤与周围神经元竞争性的高代谢需求以及水肿的占位效应之间的破坏性相互作用。这导致了一个缺氧、酸性、免疫“冷”的微环境，促进了肿瘤的侵袭性，并且是有效治疗的主要障碍。直接改善或利用肿瘤氧合的临床策略仍然有限，这凸显了需要更好的工具来随时间识别可操作的缺氧生态位。将缺氧诱导通路与氧化还原敏感性脆弱性、放疗和免疫疗法相结合，可能为神经肿瘤学提供一个更合理的精准医疗框架。总而言之，胶质瘤氧合不仅应被视为一个灌注和成像问题，也应被视为一个氧化还原信号问题。这个视角将氧梯度与ROS、RNS、硫相关代谢、抗氧化缓冲、细胞状态可塑性和治疗反应整合起来。因此，缺氧导向成像在与氧化还原意识生物标志物和治疗策略配对时可能信息量最大。
