脑肿瘤引发颅骨广泛结构紊乱及颅骨骨髓免疫微环境改变

神经病学 血液病学 医学影像 免疫学 基础医学 细胞生物学 生物化学 肿瘤学 生命科学 神经外科 医学
脑肿瘤 颅骨结构 骨髓免疫微环境 单细胞测序 骨质变化 中枢神经系统 免疫细胞

颅骨骨髓免疫微环境在脑肿瘤中的新作用：基于小鼠与人类多中心研究解读

一、学术背景及研究意义

脑肿瘤，尤其是胶质母细胞瘤（Glioblastoma, GBM），是中枢神经系统最具侵袭性的恶性肿瘤之一。过去人们主要将其视为局部疾病，但近年来的证据显示，GBM具有广泛的系统性影响，包括对免疫系统主要和次要器官的重塑，如脾脏、胸腺、骨髓等。近年来的研究发现，颅骨骨髓（Skull Marrow, SM）作为脑组织的“免疫仓库”，在脑损伤和疾病（如自身免疫脑炎、中风等）时能向脑内补充单核细胞和中性粒细胞，但在脑癌（尤其GBM）背景下的具体作用尚不明确。

颅骨骨髓微环境的独特性在于：它通过贯穿颅骨至硬膜（dura）的血管化骨化通道（ossified vascular channels）与脑表面建立了直接的交流路径，允许免疫细胞和分子在颅骨和脑组织间往返。这种机制在多种神经系统疾病中已被证实，但GBM是否能够改变这一骨髓微环境及其骨结构，影响免疫细胞动态，进而干扰脑肿瘤本身及免疫治疗效果，是迄今未解决的科学问题。本研究正是针对上述知识空白，系统性分析GBM对颅骨骨质、骨髓免疫微环境及免疫治疗反应的影响，为脑肿瘤的基础研究及临床干预开辟新方向。

二、论文来源与作者介绍

本论文题为“brain tumors induce widespread disruption of calvarial bone and alteration of skull marrow immune landscape”，发表在2025年11月的《nature neuroscience》（Volume 28, Pages 2231–2246），并在线发布于2025年10月3日。第一作者为Abhishek Dubey及Jinan Behnan，通讯作者为Jinan Behnan（联系方式：jinan.behnan@einsteinmed.edu）。作者团队涉及多家全球著名研究机构，包括Albert Einstein College of Medicine、Karolinska Institutet、Duke University、Osaka University、University of California San Francisco等。

三、研究设计与实验流程详解

1. 研究整体框架

本项研究采用Murine（小鼠）胶质瘤两种模型（SB28与GL261），辅以人类GBM影像数据，对GBM如何影响颅骨骨结构及骨髓免疫微环境进行多层次、系统性剖析。实验流程分为如下几个主要部分：

  • 动物模型建立：采用小鼠SB28与GL261胶质瘤细胞进入脑内建立肿瘤模型，同时设有对照组及多种非肿瘤脑损伤对照（如中风、机械损伤等）。
  • 高分辨率微型CT（microCT）分析：对小鼠不同肿瘤进展阶段进行颅骨结构成像，计算骨密度、骨厚度及骨髓通道数量与直径。
  • 人类GBM影像分析：利用TCIA等公开数据库，采集GBM患者与年龄、性别匹配的非肿瘤对照CT影像，分析颅骨厚度与骨密度变化，并对肿瘤体积与骨质变化进行相关性分析。
  • 骨细胞动态分析：采用Trap-tdTomato转基因小鼠，通过全骨3D光片成像与活体多光子成像，定量骨吸收细胞（Osteoclast, OC）的分布、动态变化及聚集状态。
  • 单细胞RNA测序与高通量流式细胞术分析：获取小鼠SB28和GL261模型的颅骨骨髓（SM）及股骨骨髓（BM）细胞，开展单细胞转录组（scRNA-seq）及蛋白表达谱分析，精确结构和功能描述免疫细胞谱系变化。
  • 药物干预实验：分别采用FDA批准的骨吸收抑制剂（Zoledronic Acid, ZOL，Rankl抗体），联合免疫检查点抑制剂（anti-PD-L1），观察对肿瘤进展及免疫应答影响。

2. 实验设计细节

a) 颅骨结构及骨通道变化

  • 实验对象：服务于不同阶段的胶质瘤小鼠（SB28与GL261），包含成年及老年组，每组样本量3~8只。
  • 方法：对骨区分为内外骨板、骨缝周边等关键部位，使用9 μm高分辨率microCT扫描，重点测量骨体积（Bone Volume, BV）、骨厚度（Trabecular Thickness, Tb.Th）、骨数量及骨髓通道数量/直径。
  • 结果显示：GBM小鼠于肿瘤发展早期即出现骨体积减少（如SB28模型第8天显著下降），骨厚度和骨通道数量及直径亦随肿瘤进展而明显增加，且这种变化是颅骨特异性的，未在股骨中表现出同样程度的变化。特别是骨缝边缘、远离肿瘤的枕骨区受损尤其明显，体现出肿瘤引发广泛骨质异常。

b) 人类颅骨影像分析

  • 实验对象及数据：TCIA等数据库中26例GBM患者与22例无肿瘤病史的年龄性别匹配对照，主要以CT和MRI影像为基础。
  • 方法：选取特定解剖点（如枕骨、lambda、bregma等）进行骨厚度测量，并与肿瘤体积做相关性分析。
  • 结果显示：GBM患者颅骨厚度在lambda和mid-occipital等部位显著减少，且该变化与肿瘤体积和部位无显著相关，提示GBM广泛影响颅骨结构而不仅限于肿瘤周边，具有系统性效应。

c) 骨吸收细胞（OC）动态改变

  • 实验对象：Trap-tdTomato转基因小鼠植入SB28和GL261肿瘤模型。
  • 方法：采用全骨光片成像、活体多光子荧光显微，结合3D图像分析算法，分类型定量骨吸收细胞数量、分布与聚集情况。
  • 结果：肿瘤可诱发OC数量减少与分布异常，SB28模型表现为显著骨吸收细胞丢失而GL261晚期有部分反弹，且细胞间距离显著增大，提示骨吸收细胞结构动态与肿瘤进展密切相关。

d) 免疫微环境谱系分析

  • 实验对象：SB28、GL261、对照小鼠的SM和BM细胞，单细胞样本量数千至数万。

  • 方法：优化骨髓分离和单细胞制备流程，并进行scRNA-seq与流式细胞检测（FACS）。数据处理涉及UMAP降维、主成分分析（PCA）、差异表达基因分析（DEG，使用pyDEseq2等算法）、GSEA通路富集分析。

  • 结果：

    • Myeloid（髓系）谱系占比在SM由41%提升至GBM组的72–90%，主导性细胞由中性粒细胞（neutrophil）占比提升，体现髓系偏向（myelopoiesis bias）。
    • 中性粒细胞分为成熟型、前体型等多个亚群，在肿瘤影响下均大幅扩张，而一些髓系前体及骨吸收相关细胞（如acp5+ macrophages）在SM中升高而BM中下降。
    • BM表现出与SM不同的基因表达及通路调控，肿瘤诱导SM的上调基因与免疫激活、炎症、增殖等密切相关，而BM则多为下调炎症通路，提示肿瘤对两者响应方式截然不同。
    • Lymphoid（淋系）谱系变化更为剧烈，SM中B细胞各亚群大量丢失（减少60–94%），而T细胞、调节性T细胞、NKT细胞等在SB28模型中反而增加。
    • 跨模型进一步比较，SB28肿瘤对SM造成的免疫扰乱范围与强度均高于GL261，与临床上不同类型GBM对免疫治疗反应差异相关。

e) 药物干预与免疫治疗实验

  • 实验对象：小鼠SB28与GL261肿瘤模型，干预组及对照组，样本量5–10只/组。
  • 干预措施：分别使用骨吸收抑制剂ZOL与Rankl抗体，联合或单独应用免疫检查点抑制剂anti-PD-L1。
  • 结果：骨吸收抑制剂可显著抑制骨质流失，但在SB28模型中反而加速肿瘤进展，且会抑制anti-PD-L1的治疗效益；免疫检查点抑制剂本身能显著增加肿瘤局部活化T细胞并清除炎症型中性粒细胞，但与骨吸收抑制剂联合使用则反而恢复炎症中性粒细胞高表达、削弱T细胞响应。

四、主要结果与逻辑推导

本研究首次系统性证明GBM能够激活颅骨广泛骨质破坏，骨吸收细胞分布发生巨大变化，骨髓通道数量与直径增加，实现脑肿瘤对远端免疫仓库的调控。这种调控不仅在小鼠模型中成立，也在人体GBM患者影像和数据中得到验证。免疫细胞谱系分析显示，SM与BM作为两个免疫器官，对脑肿瘤的反应截然不同，尤其是SM的髓系免疫偏向和B细胞大丢失决定了其对免疫治疗的反应性和炎症水平。

药物干预结果则进一步延伸了这一发现：骨吸收细胞功能的药学抑制虽能阻止骨质流失，却会加剧GBM（尤其是富含炎症性中性粒细胞的mesenchymal亚型肿瘤）的进展，并直接抵消免疫检查点抑制剂的获益，为临床治疗策略提供了重要警示。

五、结论及科学价值

综上，本研究揭示脑肿瘤通过远端骨髓免疫仓库与脑表面的直接通路造成广泛骨结构破坏和免疫微环境紊乱，为GBM系统性病理机制和免疫治疗反应机制提出了全新理论。颅骨骨髓不仅是免疫细胞的“储备库”，更是影响肿瘤免疫治疗效果的关键调控节点。这为未来脑肿瘤的早期诊断、分型，以及精准化免疫治疗提供了新的标的和方向。

在实际临床应用方面，本研究直接解释了既往骨质疏松治疗（如ZOL、Denosumab等）在GBM患者中出现生存率降低的机制，为将来GBM患者的骨质管理及免疫治疗临床设计提供了重要参考。

六、研究亮点与创新点

  • 首次明确GBM对颅骨广泛区域和骨髓免疫微环境的重塑作用，突破以往仅关注肿瘤局部的视角。
  • 建立并验证了小鼠模型与人类GBM之间的骨质与免疫微环境变化的可比性与一致性。
  • 创新地结合高分辨率microCT、Trap-tdTomato基因标记、多通道免疫流式、单细胞RNA测序多模态，系统描绘骨组织与骨髓免疫环境的动态变化。
  • 发现骨吸收细胞药学抑制对免疫治疗获益具有反作用，为免疫治疗联合策略和骨质药物应用于脑肿瘤患者敲响警钟。

七、其他重要信息

  • 本研究涉及27位国际顶尖科学家及机构，跨神经外科、免疫学、放射学等多学科交叉合作，体现了神经肿瘤领域的全新融合趋势。
  • 附录方法部分详细介绍了动物管理、细胞系培养、转基因鼠表型鉴定等技术，为相关领域研究者提供了可复现基础。

八、论文价值与展望

本研究将脑-骨髓免疫轴的概念引入脑肿瘤机制和临床管理范畴，强调骨质与免疫微环境应作为脑肿瘤患者综合治疗方案的考虑因素之一。未来需进一步探索骨髓免疫微环境的调控手段，优化免疫治疗联合策略，提升GBM患者的整体预后与生活质量。

本研究作为《nature neuroscience》发表的重要成果，将为神经科学、肿瘤免疫学及转化医学领域带来深远影响，其系统性、多维度和临床导向的研究策略值得广泛借鉴与学习。