《Brain Sciences》：Tunable Technologies for the Glioma Tumor Microenvironment: A Comprehensive Review on Bench-to-Bedside Neurosurgical Advances
胶质瘤仍然是中枢神经系统中治疗抵抗性最强的恶性肿瘤之一。胶质母细胞瘤（glioblastoma, GBM）作为侵袭性最强的成人型弥漫性胶质瘤，尽管接受最大安全切除联合放化疗，其生存结局仍持续不佳。胶质瘤并非孤立生长。过去二十年的研究已瓦解了以肿瘤为中心的传统胶质瘤生物学观，取而代之的是一种新的模型：恶性细胞在肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）中发挥作用，而该微环境由免疫、血管、基质及神经等成分共同构成，并协同决定疾病行为。胶质瘤TME之所以难以治疗，不仅在于其包含免疫细胞、血管系统、基质和神经元，更在于这些成分在肿瘤内部呈不均一分布。不同区域具有不同的细胞构成与信号环境，因此也具有不同的治疗易感性。细胞减灭术的重要性并未削弱，恰恰相反。然而，如今同一手术窗口还承担了另一种功能：它使外科医生能够识别哪些组织在生物学上更具危险性，而不仅仅是肉眼异常；能够定位真正的浸润边界；并能够帮助治疗药物穿越长期将其阻隔于脑组织之外的血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）。本综述考察了两个技术领域：①光学诊疗一体化（optical theranostics），包括5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid, 5-ALA）荧光引导手术、荧光素引导可视化、拉曼光谱（Raman spectroscopy）和受激拉曼组织学（stimulated Raman histology, SRH）；②血脑屏障破坏技术。上述技术共同指向的方向，是一种较少依赖解剖学、而更多由肿瘤自身生物学特征引导的胶质瘤外科模式。
1. Introduction
引言部分系统阐明了胶质瘤，尤其是胶质母细胞瘤（glioblastoma, GBM），为何始终是神经肿瘤学中最棘手的疾病之一。文章指出，尽管最大安全切除、放射治疗与替莫唑胺等标准综合治疗不断优化，GBM中位生存期仍大致停留在14–16个月，提示单纯围绕“肿瘤负荷减少”的治疗范式已接近瓶颈。作者据此回顾了胶质瘤研究视角的根本转变：疾病不再被理解为仅由恶性胶质细胞驱动的单一实体，而被视作由恶性细胞、免疫细胞、血管成分、基质成分及神经元网络共同构成的复杂生态系统。
在TME组成层面，正文强调肿瘤相关巨噬细胞和小胶质细胞（tumor-associated macrophages and microglia, TAMs）、内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞、神经元、少突胶质前体样细胞、成纤维样基质群体及细胞外基质（extracellular matrix, ECM）均非旁观者，而是在不同空间位点形成支持肿瘤生长、浸润、耐药和复发的互作网络。尤其值得注意的是，TAMs可占GBM细胞总量的30%–50%，并来源于脑内常驻小胶质细胞与外周骨髓来源巨噬细胞两大群体。单细胞测序与空间转录组学进一步揭示，不同区域中的TAMs并不处于同一免疫状态：血管周围区、缺氧/坏死区、浸润边缘以及复发病灶中的TAM表型均存在显著差异，说明胶质瘤内部并不存在单一统一的免疫微环境。
文章随后概述了这一免疫抑制生态的关键机制。TAMs可分泌转化生长因子-β（transforming growth factor-β, TGF-β）、白细胞介素-10（interleukin-10, IL-10）和集落刺激因子-1（colony-stimulating factor-1, CSF-1）等分子，以抑制细胞毒性T细胞功能并促进血管生成及间质转化。同时，先天免疫检查点信号，如CD47–信号调节蛋白-α（signal regulatory protein-α, SIRPα）轴及CD24–Siglec-10轴，也帮助肿瘤细胞逃避免疫吞噬。作者据此提出，未来神经外科技术平台若仅针对肿瘤体积，而不干预免疫结构与髓系细胞重编程，将难以充分应对疾病本质。
在血管微环境方面，正文指出胶质瘤具有高度异常的血管结构，包括迂曲血管、灌注异质性、微血管增生以及血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）依赖的高通透性。除经典芽生血管生成外，胶质瘤还可通过血管劫持、血管发生、血管拟态甚至肿瘤干样细胞向内皮样表型转化等多种方式建立供血网络。由此形成的异常血管系统直接影响药物递送与肿瘤行为。特别是在增强区之外的浸润边缘，BBB或血脑肿瘤屏障往往相对完整，使残余侵袭细胞得以躲避全身治疗。
缺氧是作者强调的另一核心维度。由于肿瘤生长速度超出供血能力，缺氧区域激活缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor, HIF）依赖的转录程序，包括HIF-1α与HIF-2α介导的血管生成、糖酵解重编程、抗凋亡和侵袭增强。此类缺氧及坏死周围区域还常富集胶质瘤干样细胞，并促进表型可塑性，从而成为复发的重要生物学基础。多组学与空间转录组学进一步将这些异质性组织为可识别的“生态位”或“栖境”，如血管周围、坏死周围、炎症相关和神经元相关区域，不同疗法在不同生态位中的效果并不一致。
基于上述认识，作者重新定义了手术的角色。传统神经外科强调在保护功能区前提下尽可能切除肿瘤，但如今更关键的问题已不只是“切除了多少”，而是“切除了哪些生物学上最危险的区域”。即使实现影像学上的增强区全切，仍可能遗留决定复发的浸润边界、缺氧区、干细胞生态位、巨噬细胞富集区及位于完整BBB之后的残存病灶。由此，整合生物学的神经外科（biology-integrated neurosurgery）逐步兴起：术中成像与递送技术使外科医生能够识别代谢梯度、定位白光下不可见的浸润边界、原位表征组织成分，并通过改变血管通透性影响药物在肿瘤床中的分布。作者据此将全文聚焦于两类最具转化前景的技术：光学诊疗一体化与BBB破坏/靶向递送平台。
2. Optical Theranostics
本节围绕“看见肿瘤生物学”这一核心命题展开，强调光学技术的临床价值并不只是增强可视化，而是将代谢、血管通透性与分子组成等传统手术中不可见的信息转化为术中可操作信号。作者指出，白光显微镜主要呈现解剖形态，无法揭示胶质瘤真正关键的代谢状态、屏障功能和微环境异质性；而光学诊疗一体化技术则使这些维度部分可视化，从而支持更精确的术中决策。
2.1. Biological Basis for Optical Visualization of the Tumor Microenvironment
该小节解释了不同光学平台背后的生物学基础。5-ALA的核心机制在于肿瘤细胞线粒体血红素合成通路异常，口服后可优先积累原卟啉
IX（protoporphyrin IX, PpIX），并在蓝紫光激发下发出红色荧光。由于铁螯合酶活性降低及线粒体代谢紊乱，PpIX未能正常转化为血红素，因此其荧光本质上反映的是组织的生物能量状态，而不仅是简单染色。PpIX信号并不均一：高强度荧光常对应高细胞密度和高增殖活性的肿瘤核心，而边缘低强度荧光则提示肿瘤-脑组织过渡带与浸润性低密度病灶。
与5-ALA不同，荧光素钠主要反映BBB破坏和血管通透性异常，因此更适合指示血管生成活跃、屏障功能失调的肿瘤区室，而非直接标记恶性细胞代谢。作者同时指出，拉曼光谱与SRH则无需外源示踪剂，而是基于脂质、蛋白质和核酸的振动光谱对新鲜组织进行分子指纹识别，可在术中实现肿瘤与正常脑组织区分，甚至推测分子亚型。由此，荧光法与无标记光谱法共同覆盖了肿瘤代谢、屏障泄漏和分子组成三大维度。
2.2. 5-Aminolevulinic Acid Fluorescence-Guided Surgery
本小节综述了5-ALA荧光引导手术的机制、关键临床证据及其微环境意义。作者指出，Stummer Ⅲ期随机多中心试验是该领域的里程碑，证实5-ALA可显著提高增强肿瘤的完全切除率，并改善6个月无进展生存。后续汇总分析和系统综述进一步支持其在提高切除完整性和延长无进展生存方面的稳定优势。RESECT研究和美国FDA批准后的前瞻性多中心研究亦证实，即使在现代神经导航条件下，5-ALA仍具有明确附加价值，说明荧光引导并未被当代影像技术取代。
作者进一步强调，从TME角度看，5-ALA的意义超越了单纯体积切除。定量荧光研究表明，最亮区域往往对应细胞最密集、增殖最旺盛、代谢失衡最明显的病灶，因此5-ALA实际上帮助外科医生识别了生物学上最具侵袭性的区室。边缘的弱荧光则提供了浸润边界的空间线索。在立体定向活检中，荧光还能帮助定位最具诊断价值的取样区，降低遗漏高级别转化灶的风险。其局限性主要在于低级别胶质瘤和非增强边缘区信号较弱，肉眼可见荧光也难以覆盖低浓度PpIX浸润组织，因此未来定量光谱检测有望进一步推动术中生物学边界描绘。
2.3. Fluorescein-Guided Surgery
该部分指出，荧光素引导手术应从不同于5-ALA的生物学框架理解。由于其聚集依赖BBB破坏与血管高通透性，因而主要反映TME中的血管异常轴线。FLUOGLIO前瞻性多中心Ⅱ期研究证明，荧光素辅助下可获得较高完全切除率且安全性可接受。另有研究提示，荧光素在部分浸润边缘区域亦可提供帮助，包括影像学上不增强但病理证实含瘤的组织。作者同时明确指出，荧光素并不直接标记肿瘤细胞，因此其优势主要体现在识别血管生成活跃、屏障受损的核心区，而对BBB相对完整、肿瘤细胞稀疏分散的浸润边缘可能并非最佳工具。由此，5-ALA与荧光素并非替代关系，而是分别报告代谢状态与血管通透性，若能联合应用，理论上可提供更分层的微环境图景。
2.4. Raman Spectroscopy and Label-Free Optical Imaging
本小节重点阐述拉曼技术在无标记术中组织鉴别中的潜力。作者指出，拉曼光谱不依赖荧光剂，而是依据组织内分子键振动频谱差异区分肿瘤与正常脑，尤其适合评估肿瘤-脑界面这一最易遗漏的浸润区域。早期转化研究已显示其在新鲜脑组织中的高诊断准确性。此后，SRH通过将原始拉曼信号转化为快速、适配手术流程的“术中病理”平台，大幅提升了临床可用性。相关多中心研究表明，结合机器学习的SRH在分类准确性上接近传统病理，但可将反馈时间缩短至分钟级。
作者进一步指出，拉曼平台正在改变术中提问方式：问题不再只是“是不是肿瘤”，而是“这是什么类型的组织，其背后的分子程序是什么”。在空间转录组学已证实GBM由多个生物学差异显著的生态位构成的背景下，若拉曼成像能够在患者仍处于手术台上时近似实现这种组织层级的分子表征，它就有望成为连接基础分子生物学与外科决策的关键桥梁。
3. Blood–Brain Barrier Disruption and Targeted Delivery Technologies
本节从“如何把治疗送到正确的区室”出发，讨论BBB作为治疗障碍的核心地位。作者指出，BBB由内皮紧密连接、周细胞、星形胶质终足和基底膜共同构成，严格限制治疗药物进入中枢神经系统。MRI增强仅提示某些区域屏障受损，而无法说明整个肿瘤均处于开放状态。实际上，核心区常高度通透，而浸润边缘往往保持相对完整的BBB，这种“斑块式”屏障结构是浸润细胞逃避治疗的关键原因。围绕这一问题，正文分别讨论了聚焦超声（focused ultrasound, FUS）、对流增强递送（convection-enhanced delivery, CED）及纳米颗粒递药三种策略。
3.1. The Blood–Brain Barrier as a Therapeutic Barrier
该小节从理论层面明确提出：药物治疗失败往往不仅是药效问题，更是空间暴露问题。完整BBB后的残余浸润细胞之所以存活，很多时候并非真正耐药，而是根本未暴露于有效药物浓度之下；而核心区异常渗漏血管又伴随水肿、缺氧、高间质压和营养供应紊乱，进一步塑造不同的局部治疗反应性。作者据此将后文技术统一于同一目标：突破由屏障地理学决定的差异性药物暴露。
3.2. Focused Ultrasound-Mediated BBB Disruption
作者指出，FUS是当前临床轨迹最清晰的BBB调控手段之一。其通过低强度脉冲超声联合静脉微泡，使微泡振荡并机械性牵张血管内皮，导致紧密连接暂时增宽和囊泡转运增加，从而在局部、可逆地开放BBB。动物研究显示，这可提高化疗药物、抗体乃至纳米制剂在肿瘤内的浓度。更重要的是，FUS可能还改变免疫细胞迁移与血管信号，提示其不仅是药代动力学工具，也可能本身就是一种微环境干预。
在临床转化方面，文章回顾了MRI引导FUS在脑肿瘤患者中实现安全BBB开放的早期证据，并特别强调针对非增强浸润区的应用进展：相关研究已证明，在通常BBB仍相对完整的浸润边缘，FUS可增加局部荧光素积聚，首次直接证实其能改善复发最相关区域的药物递送。植入式超声系统进一步使重复门诊治疗成为可能。SonoCloud等研究显示，反复月度BBB开放在复发GBM中具有可行性和安全性；后续研究还证明植入式多发射器装置可显著提高白蛋白结合型紫杉醇等药物在声化区域周围脑组织中的浓度。BT008NA试验则首次报告了微泡增强经颅FUS联合替莫唑胺的比较性生存获益信号。尽管如此，最佳声化参数、开放范围、持续时间、药物相互作用以及FUS介导的免疫/基质改变是否能稳定转化为长期生存获益，仍待进一步明确。
3.3. Convection-Enhanced Delivery
与FUS“打开屏障”不同，CED通过立体定向导管在正压下将药物直接注入脑实质，以体积流方式使药物在间质中传播，从而绕过BBB。作者认为，这一策略与胶质瘤复发生物学高度契合，因为最关键的残余病灶往往位于围手术腔边缘、深部浸润区和系统给药最难覆盖的组织中。正文回顾了CED概念从1994年提出至今的发展，指出其真正难点并非理论，而在于工程实现：输注速度、导管直径、回流、导管尖端密封情况和靶区几何形态都会显著影响分布体积。
PRECISE Ⅲ期试验是CED最重要的临床检验之一。尽管其未显示总体生存优势，但后续分析发现，许多病例的导管放置位置和围肿瘤覆盖范围并不理想。这一结果构成全文讨论中的关键论点：在空间异质性显著的胶质瘤中，生物学上合理的药物也可能因未能到达相关生态位而被误判为无效。近年来，慢性持续输注系统、MRI实时追踪、放射性载荷及溶瘤病毒等方向的探索，使CED较以往更稳定、更具可操作性。作者强调，CED最吸引人的地方在于外科医生能够主动决定药物递送到哪里，从而实现围腔边缘、残余浸润组织乃至特定干细胞生态位的空间定向调控。
3.4. Nanoparticle-Based Drug Delivery
纳米颗粒递药代表另一种思路：既不直接打开BBB，也不进行脑内穿刺，而是通过工程化颗粒本身实现跨屏障运输。正文概述了聚合物纳米颗粒、脂质体、胶束、树枝状聚合物、无机颗粒及仿生/杂化体系等多种平台，并强调其可同时承担延长循环、保护载药、跨越BBB及优先聚集于肿瘤的多重任务。更关键的是，纳米颗粒并非简单载体，而是可编程平台，其表面修饰和释放行为可根据TME生物学条件进行调控。
作者指出，胶质瘤异常血管和间歇性通透性可能允许一定程度的被动聚集，但脑肿瘤中的增强渗透与滞留效应（enhanced permeability and retention, EPR）远不如颅外肿瘤稳定，因此主动靶向更具意义。通过针对内皮受体、肿瘤抗原或巨噬细胞相关标志物的配体修饰，纳米颗粒可增强跨内皮转运、选择性滞留或对免疫细胞的定向递送。更进一步，其药物释放还可被酸性pH、局部酶活性、氧化应激或外部超声等刺激触发，使载药行为与缺氧生态位或免疫抑制区的具体生物化学状态耦联。虽然前临床研究已显示诸多潜力，包括针对胶质瘤干细胞和免疫抑制微环境的脂质或聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）体系，但作者也指出，其临床转化仍受限于跨BBB稳定性差、网状内皮系统清除、临床级制备困难、脱靶聚积及人体内到达验证不足等问题。
4. Discussion
讨论部分将前述技术整合为一个共同命题：胶质瘤外科的目标已从单纯减瘤逐步扩展为“读取、进入并调控”肿瘤微环境。作者提出两项贯穿全文的原则。其一，最有价值的术中成像并非仅报告解剖，而是报告肿瘤生物学：5-ALA对应代谢活性，荧光素对应屏障破坏与血管通透性，拉曼平台对应分子组成与组织分类，这三者互补而非重复。其二，胶质瘤药物失败常常不是药物本身失败，而是空间递送失败。无论是PRECISE试验中的CED，还是尚未完全证明人体有效跨BBB的纳米颗粒，都说明若评价体系只看系统血药浓度而不考察药物是否在正确肿瘤区室达到有效浓度，临床试验将持续低估真正有潜力的治疗。
作者同时强调，FUS在这些技术中位置特殊，因为它可能既改善递送，又主动改写局部微环境。若未来多模态整合成熟，理想化工作流可能包括：用5-ALA切除代谢活跃核心病灶，用SRH实时判定边界组织性质，再以围手术期FUS开放浸润边缘BBB，使系统或局部药物能够到达残余病灶。作者认为，当前真正缺失的不是单项技术，而是跨平台整合以及相应临床试验设计的革新，未来应引入空间药物分布和生物学终点，而不仅是切除体积。
5. Limitations
局限性部分主要从证据层级、研究异质性、可及性和生物学复杂性四方面展开。作者指出，5-ALA已有Ⅲ期证据并进入常规实践，而FUS、植入式CED多处于Ⅰ/Ⅱ期，纳米颗粒递药则多停留在动物模型阶段，因此这些技术不能被视为证据强度相当。不同研究对全切定义、术后影像流程、分子分型标准及辅助治疗方案并不一致；药物递送研究中，目标人群、剂量设计和到达验证方法也高度异质，导致技术贡献难以直接横向比较。另一方面，植入式超声阵列、术中高场MRI、长期CED硬件和SRH平台均需较高设备投入与专业训练，推广受中心条件限制。更深层的限制则来自胶质瘤微环境本身：其由冗余信号网络、肿瘤与免疫细胞表型可塑性及多区室持续串扰共同维系，因此任何单一轴线干预都可能被系统性代偿，这也构成多模态联合策略的理论依据。
6. Emerging TME Tunable Technologies and Future Directions
未来方向部分进一步扩展了“可调控TME技术”的概念边界。作者认为，人工智能（artificial intelligence, AI）引导影像、空间转录组学与单细胞分析、声动力治疗（sonodynamic therapy, SDT）以及局部免疫治疗递送平台，可能在未来十年显著重塑胶质瘤手术。AI有望将多参数MRI转化为肿瘤生态位图谱，辅助术前与术中识别高侵袭性区域；空间转录组学正在以前所未有的分辨率定义肿瘤不同区室的分子特征，并可能反向影响切除范围和活检策略；SDT则借助超声与声敏剂在深部组织中诱导活性氧（reactive oxygen species, ROS）生成，不仅直接杀伤肿瘤，还可能破坏肿瘤血管和重塑免疫环境；局部免疫递送平台则试图绕开全身免疫治疗在GBM中的失效因素，将细胞因子、检查点抑制剂或免疫刺激载荷直接送入TAM富集区或肿瘤床。
在6.5 Future Directions中，作者最终将未来挑战概括为三点：第一是互操作性，目前5-ALA、拉曼成像、FUS与CED仍相互孤立，尚无统一工作流整合代谢荧光、实时分型和围手术期屏障调控；第二是试验设计，传统“切除范围”终点已不足以评价这些技术是否真正改变了局部微环境或药物空间分布；第三是公平可及性，复杂设备和基础设施要求使先进技术集中于少数学术中心。作者强调，这些问题不是减缓创新的理由，而是推动下一阶段有序临床转化的前提。
7. Conclusions
结论部分收束全文核心论旨：胶质瘤微环境并非抽象概念，而是决定药物分布、免疫监视和治疗暴露的真实解剖—生物学结构。文中讨论的所有技术，无论是5-ALA、FUS，还是仍处于前临床阶段的平台，均直接作用于这些关键特征。真正改变的是神经外科的“雄心范围”：问题已不再只是“能安全切除多少肿瘤”，而是“外科医生在一次手术中究竟能读取、到达并调控微环境的多少维度”。作者据此认为，下一代胶质瘤手术的定义，将取决于这种从解剖切除走向生物学整合干预的能力边界。
