小细胞肺癌通过诱导突触缩放改变神经元兴奋性：脑转移中神经功能紊乱的新机制

《Communications Biology》：Small cell lung cancer induces synaptic scaling to alter neuronal excitability

本研究聚焦小细胞肺癌(SCLC)脑转移导致的神经功能异常难题，通过电生理学、转录组学和类器官模型，首次揭示SCLC细胞能与中枢神经元形成功能性突触连接，并诱导神经元间出现倍增性突触缩放(multiplicative synaptic scaling)，导致神经元兴奋性异常增高。研究发现NMDA受体(NMDAR)激活维持这种异常放电，FDA批准的NMDAR阻断剂美金刚(memantine)可快速恢复正常神经活动，为SCLC脑转移相关神经系统症状的治疗提供了新靶点。

　　

当小细胞肺癌(SCLC)细胞扩散到大脑时，患者常出现癫痫、认知功能障碍等严重神经系统症状。传统观点认为这些症状主要由肿瘤占位效应引起，但越来越多的证据表明，肿瘤细胞可能与神经元发生直接的功能性互动。SCLC作为一种具有高度脑转移倾向的恶性肿瘤，其肿瘤细胞起源于肺神经内分泌细胞，而这类细胞在正常情况下就能与神经元形成突触连接。这是否意味着SCLC细胞保留了这种形成突触的能力？如果答案是肯定的，那么这种神经元-肿瘤细胞连接如何影响大脑神经网络功能？这些问题的答案对于理解SCLC脑转移的病理机制和开发针对性治疗策略至关重要。

为了回答这些问题，范德堡大学的研究团队在《Communications Biology》上发表了最新研究成果。他们发现SCLC细胞确实能与中枢神经元形成功能性突触，并且这种整合会诱导神经元网络出现异常兴奋性增高。更引人注目的是，这种异常活动可以通过NMDA受体阻断剂快速逆转，为临床治疗提供了新思路。

研究团队运用多种前沿技术方法开展研究，包括：使用大鼠海马神经元和人诱导神经元(iN)与SCLC细胞共培养模型；全细胞膜片钳技术记录突触传递和神经元兴奋性；单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析SCLC细胞在人脑类器官(CO)中的转录组变化；人胚胎干细胞(hESC)来源的脑类器官模拟肿瘤-脑微环境相互作用；药理学方法测试GABA_A受体和NMDA受体在肿瘤诱导神经异常中的作用。

功能性神经元-SCLC突触的形成

研究人员首先通过共培养SCLC细胞与大鼠海马神经元，利用全细胞膜片钳技术检测到SCLC细胞上存在诱发性和自发性突触后电流。这些电流在20赫兹刺激下呈现易化现象，与神经元间突触的抑制形成鲜明对比。大约40%的SCLC细胞检测到突触电流，且这些突触对AMPA受体(AMPAR)拮抗剂CNQX表现出异质性反应，而对GABA_A受体拮抗剂荷包牡丹碱(bicuculline)则一致敏感。

免疫染色显示H69 SCLC细胞上存在GABA能突触标志物vGAT和Gephyrin的表达。在使用人诱导神经元(iN)的实验中，研究人员通过synaptobrevin2-HaloTag标记观察到SCLC细胞上动态的突触形成和消除过程。有趣的是，在纯兴奋性的人诱导神经元环境中，SCLC细胞形成的突触仍然对荷包牡丹碱敏感，表明GABA能传递在神经元-SCLC突触中占主导地位。

SCLC在脑类器官中的转录组学变化

为模拟更真实的人脑微环境，研究人员将SCLC细胞植入人脑类器官(CO)中。单细胞RNA测序分析显示，与二维培养相比，脑类器官中的H69 SCLC细胞GABA_A受体亚基表达上调，氯转运蛋白NKCC1表达显著增加，表明肿瘤细胞在神经元环境中建立了高细胞内氯梯度。

增殖标志物Ki67在脑类器官中的H69细胞表达增加，且条件培养基中荷包牡丹碱处理降低了肿瘤细胞活力。钙成像显示SCLC整合改变了脑类器官的自发活动模式，荷包牡丹碱处理选择性地降低了携带SCLC的脑类器官中事件频率。

人神经元的功能性改变

SCLC整合如何影响神经元功能？研究人员发现，与H69 SCLC共培养的人诱导神经元(iN)表现出内在兴奋性增加，动作电位数量随电流阶跃增加而显著增多，阈值电流(rheobase)降低。自发性动作电位爆发式放电增加，兴奋性突触后电位(EPSP)的频率和振幅均升高。

微型兴奋性突触后电流(mEPSC)记录显示，SCLC共培养不仅增加了mEPSC频率，还诱导了约50%的倍增性突触缩放(multiplicative synaptic scaling)，即所有突触的强度按比例增强，这与赫布型可塑性有本质区别。这种变化需要长期(>2周)整合，短期共培养不产生类似效应。

SCLC诱导的突触重塑机制

为解析突触重塑机制，研究人员测试了分泌因子 versus 物理接触的作用。SCLC条件培养基仅增加mEPSC频率，而物理整合是诱导倍增性缩放所必需的。PI3K抑制剂LY294002可逆转频率增加但不影响缩放，而72小时荷包牡丹碱处理可使缩放降低约40%，表明GABA能突触形成和分泌因子通过不同机制调控突触重塑。

荷包牡丹碱处理还能正常化iN的异常放电活动，降低SCLC在神经元环境中的增殖。这些结果表明，靶向亚阈值突触表型可能是治疗脑转移神经症状的有效策略。

NMDA受体在SCLC重塑回路中的激活

鉴于异常爆发式放电可能涉及NMDA受体(NMDAR)激活，研究人员测试了NMDAR拮抗剂AP5和美金刚(memantine)的作用。两者均能显著降低SCLC共培养神经元的自发放电频率，AP5主要通过减少每次爆发的动作电位数量起作用，而美金刚同时影响爆发次数和每次爆发的峰电位数量。

这一发现表明，NMDAR激活维持了SCLC微环境中的异常神经元活动，且不依赖GABA能信号靶点的药物如美金刚可能有效缓解这种异常兴奋。

研究结论与意义

本研究系统揭示了SCLC脑转移中神经功能异常的新机制：肿瘤细胞通过形成功能性突触（主要是GABA能）整合入神经网络，并诱导倍增性突触缩放，导致神经网络稳态崩溃和异常兴奋。这种异常活动由NMDAR激活维持，可被FDA已批准的药物美金刚快速逆转。

该研究的创新性在于：首次报道SCLC诱导的倍增性突触缩放现象；揭示肿瘤细胞利用GABA能突触整合神经网络的新机制；提出靶向NMDAR而非GABA能信号的治疗新策略。这些发现不仅深化了对癌症-神经相互作用的理解，也为SCLC脑转移相关神经系统症状的治疗提供了直接转化价值。未来研究可探索不同SCLC亚型的突触整合特性，以及在自发脑转移小鼠模型中验证这些发现。