后极区神经元介导白细胞介素-6在癌症恶病质中的功能

本文为一项原创性研究，由Qingtao Sun、Daniëlle van de Lisdonk、Miriam Ferrer等共同完成，主要作者来自美国冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）及西湖大学（Westlake University）等机构。该研究于2024年发表于《Nature Communications》。

一、研究背景与目的

癌症恶病质（cancer cachexia）是一种破坏性的代谢消耗综合征，以厌食、疲劳和剧烈的非自主性体重下降为特征，影响50%至80%的癌症患者，显著降低生活质量并加速死亡。尽管已知脑在恶病质发病机制中发挥重要作用，但脑如何感知外周癌症并促发恶病质表型仍不清楚。

白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）长期以来被认为是癌症恶病质的关键介质。癌症进展过程中IL-6的持续升高被认为会导致脑功能障碍，最终引起恶病质。然而，外周IL-6如何影响脑一直是未解之谜。此前针对IL-6的治疗探索主要集中在其外周器官功能上，系统性给予抗IL-6或抗IL-6受体抗体虽在临床和动物模型中显示出抗恶病质效果，但由于IL-6是一种多效性细胞因子，对全身免疫和代谢功能至关重要，系统性中和可能引起严重副作用。

为回答外周IL-6如何影响脑这一问题，研究者推测循环IL-6可能通过缺乏或具有薄弱血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）的室周器（circumventricular organs）进入脑内。其中，后极区（area postrema，AP）是位于后脑的室周结构，位于BBB之外，已被认为参与对进入循环的致呕剂的恶心和呕吐反应。因此，本研究旨在检验AP神经元是否为IL-6在癌症恶病质中功能的关键介导者。

二、研究流程与实验方法

研究首先检测循环IL-6能否进入脑内。研究者通过眼眶后静脉窦注射生物素化的IL-6至健康小鼠和C26腺癌诱导的恶病质小鼠，3小时后制备脑切片，基于亲和素-生物素相互作用检测外源性IL-6的存在。结果显示，在整个脑中，外周注射的IL-6仅在AP中被检测到，而在另一室周器正中隆起（median eminence，ME）中未检测到。

随后，研究者通过免疫组织化学检测AP中Fos（一种即刻早期基因产物，与近期神经元激活相关）的表达，发现静脉注射IL-6显著增加AP中Fos表达，且在恶病质状态下进一步增加。IL-6注射还增加了与AP相互连接的结构中的Fos表达，包括孤束核（nucleus tractus solitarii，NTS）、臂旁核（parabrachial nucleus，PBN）、下丘脑室旁核（paraventricular nucleus of hypothalamus，PVN）、中央杏仁核（central amygdala，CEA）、终纹床核（bed nucleus of the stria terminalis，BNST）和下丘脑弓状核（arcuate hypothalamic nucleus，ARH）。单分子荧光原位杂交（smFISH）显示，AP中表达Il6ra的细胞与表达Glp1r的神经元以及表达Gfral的神经元部分重叠，且静脉注射IL-6诱导的Fos表达主要发生在AP的Il6ra阳性细胞中。

接着，研究者利用C26腺癌模型检测癌症是否影响AP神经元。在肿瘤接种后第7天，AP中IL-6水平即已升高，并持续至恶病质终点。肿瘤接种后第11天（恶病质发作前），AP中Fos阳性细胞数显著增加，NTS、PBN、PVN、BNST和CEA也显示肿瘤诱导的Fos增加。电生理记录显示，恶病质小鼠AP神经元的微小兴奋性突触后电流（miniature excitatory postsynaptic currents，mEPSCs）振幅显著增大，而频率不变；抑制性突触后电流（inhibitory postsynaptic currents，IPSCs）在恶病质小鼠与对照小鼠之间无差异。这表明癌症恶病质伴随AP神经元兴奋性突触传递的增强。

为检验脑内IL-6在恶病质中的作用，研究者通过植入微型泵进行侧脑室（intracerebroventricular，i.c.v.）持续输注抗IL-6抗体或同型对照抗体。输注在两个时间点启动：一是在肿瘤接种后10或12天（恶病质尚未开始的晚期阶段），另一是在肿瘤接种前（预处理）。结果显示，与对照抗体相比，抗IL-6抗体显著减轻恶病质表型，延长寿命，减少体重和组织损失，增加食物和水摄入，升高血糖水平，并降低AP、PBN、PVN、BNST及CEA中的Fos表达。抗IL-6抗体不改变血浆中IL-6水平，也不抑制肿瘤生长。

为进一步验证AP神经元是否介导IL-6的功能，研究者采用CRISPR/dCas9干扰系统，在AP神经元中特异性抑制Il6ra（编码IL-6受体的基因）的表达。该系统包含dCas9-KRAB-MeCP2融合蛋白和一个靶向Il6ra启动子区域的sgRNA。通过体外筛选，研究者确定了两个有效sgRNA（Il6ra-sgRNA-4和-6），其中sgRNA-4在体外可使Il6ra表达降低67%。将表达dCas9-KRAB-MeCP2和Il6ra-sgRNA-4或对照LacZ-sgRNA的慢病毒注射至AP，两周后接种C26肿瘤。结果显示，Il6ra-sgRNA-4组小鼠寿命显著延长，体重损失减少，食物和水摄入增加，血糖水平升高。生存天数与仍表达Il6ra的Gfral阳性神经元比例呈负相关。在同步安乐死的独立实验中，Il6ra-sgRNA-4组也表现出减轻的体重和组织损失，并降低了AP、PBN和PVN中的Fos表达。另一sgRNA（Il6ra-sgRNA-6）也产生了类似效果。

研究者进一步在胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）模型中检验了AP神经元Il6ra抑制的效果。PDAC模型基于FC1245细胞系，小鼠表现出食物和水摄入减少、肌肉和脂肪重量降低以及血浆IL-6升高。在该模型中，Il6ra-sgRNA-4组小鼠的食物和水摄入得到改善，组织消耗减少，AP及其互连区域的Fos表达降低。

鉴于C26模型中生存与Gfral阳性AP神经元中Il6ra抑制的相关性，以及此前研究发现Gfral及其配体GDF-15参与癌症恶病质，研究者利用Gfral-P2A-Cre小鼠（C57BL/6背景）与Lewis肺癌（Lewis lung carcinoma，LLC）模型（因C26模型需BALB/c背景，与Gfral-Cre小鼠不兼容），通过Cre依赖性表达破伤风毒素轻链（tetanus toxin light chain，TeLC）来阻断神经递质释放，从而特异性抑制Gfral阳性AP神经元的活动。结果显示，与其他组相比，TeLC肿瘤小鼠在癌症进展后期食物摄入增加，终点时肌肉量增加，脂肪和肌肉量均高于GFP肿瘤小鼠。此外，TeLC组在AP、PBN、PVN、CEA和BNST中的Fos表达低于GFP肿瘤组。两组肿瘤和脾脏质量相似，表明该操作不影响肿瘤生长。

三、主要结果与发现

本研究的核心发现包括：第一，循环IL-6可快速进入AP并激活AP神经元及其关联网络；第二，外周肿瘤导致AP中IL-6水平升高，增强AP神经元的兴奋性突触传递，引起AP网络过度活跃；第三，通过i.c.v.输注抗IL-6抗体中和脑内IL-6可减轻恶病质、逆转AP网络的过度活跃并显著延长寿命；第四，利用CRISPR/dCas9干扰特异性抑制AP神经元中的Il6ra也达到类似效果；第五，抑制Gfral阳性AP神经元的活动同样减轻癌症恶病质表型和AP网络过度活跃。

电生理实验发现，恶病质小鼠AP神经元的mEPSC振幅显著增大而频率不变，提示突触后水平的兴奋性传递增强；抑制性传递不受影响。在不同肿瘤模型（C26、LLC和PDAC）中，AP网络——包括AP、NTS、PBN、PVN、BNST和CEA——在癌症进展过程中均表现出稳定的过度活跃，且在IL-6开始升高时即从恶病质前期开始出现。静脉注射IL-6也诱导相同的网络活动模式。

值得注意的是，多数实验中对照组和实验组在同步安乐死时肿瘤质量无差异，表明这些操作不影响肿瘤生长。仅在生存时间不同的实验中，实验组因存活更久而导致肿瘤质量更大。

四、结论与意义

本研究确定AP神经元是IL-6在癌症恶病质中功能的关键介导者。外周IL-6可快速进入AP，激活AP神经元及其关联网络；肿瘤引起的IL-6持续升高导致AP神经元兴奋性突触传递增强和网络过度活跃，进而驱动恶病质的发生发展。靶向脑内IL-6信号——尤其是AP神经元中的IL-6受体——能够有效减轻恶病质并延长生存，而不影响肿瘤生长。

本研究的科学价值在于首次阐明外周IL-6影响脑的具体通路和细胞机制，揭示了AP作为脑感知外周炎症信号的枢纽，以及AP网络在恶病质发病中的核心地位。在应用价值方面，由于系统性IL-6中和可能引起严重副作用，本研究提示靶向脑内IL-6信号或AP神经元可能是治疗癌症恶病质的有效且更安全的策略。

五、研究亮点

本研究的亮点包括：（1）发现了循环IL-6进入脑的特定部位——AP，并明确了其激活的神经网络；（2）采用了多种互补的实验手段，包括生物素化IL-6示踪、smFISH基因表达分析、离体电生理记录、脑内抗体输注、CRISPR/dCas9介导的基因抑制以及化学遗传学神经元沉默；（3）在三种不同的肿瘤模型（C26、LLC和PDAC）中验证了AP神经元IL-6信号在恶病质中的关键作用；（4）发现AP网络过度活跃在恶病质前期即已出现，提示其可能是早期干预的靶点。此外，研究还发现Gfral阳性AP神经元（曾被认为介导GDF-15的致厌食作用）也参与IL-6信号通路，提示AP中不同分子信号可能汇聚于共同的神经环路来驱动恶病质。

六、研究局限

本研究仅使用雄性小鼠。癌症恶病质的进展在雄性和雌性中存在差异，雄性通常表型更为严重。因此，这一方法对雌性小鼠是否有效仍需未来研究加以验证。