目的:一直以来,肺癌因其高发率,高转移率,高耐药性等特点而成为人类肿瘤相关致死的主要原因,同时也是最为常见的脑转移肿瘤类型之一。尽管近年来对肺癌的治疗取得了巨大的进步,然而患者的生存状况仍不乐观,尤其是伴随着肺癌细胞的脑转移,患者的生活质量和生存时间受到严重的影响。此外,由于肺癌自身的异质性以及脑内特有微环境,使得几乎目前所有的治疗方案和药物对于脑转移肿瘤均没有良好的疗效,绝大多数患者表现出一系列由脑内转移瘤所致的中枢神经功能障碍等症状,生活质量严重下降。因此,对于肺癌脑转移相关机制的研究有助于为肺癌脑转移临床治疗提供新的思路和方向。目前在肿瘤研究领域关于肿瘤微环境的研究,从最初的“种子土壤”理论到现在的肿瘤免疫治疗,科学家们已普遍形成共识即肿瘤微环境对于肿瘤细胞的生存免疫与转移等具有重要的影响,甚至起到了决定性的作用。因而,对肿瘤微环境的进一步深入研究将有助于从整体层面系统地探索肿瘤的发生发展过程。由于脑在整个生命体活动中的根本性地位,其独特的生理环境,解剖结构,代谢以及免疫条件等均明显不同于颅外其他组织器官。脑内这种独特的生理环境也促进了肿瘤细胞基因表达谱的改变,研究发现脑转移肿瘤基因表达谱的改变不仅和原位肿瘤间存在差异,同淋巴等颅外其他部位的转移瘤相比,脑转移瘤的基因图谱同样有着明显的不同。因此,脑内微环境对于肿瘤细胞而言是一个全新的独有的细胞外环境,其对肿瘤细胞基因遗传和表达模式等构成一个特有的作用外力,从而使得肿瘤细胞在与脑内微环境的相互作用中改变自身的细胞表型以适应这种全新的生存环境。所以,对脑转移微环境同肺癌细胞相互作用的研究将有助于进一步探索肿瘤脑转移相关机制,为肺癌脑转移的临床治疗提供理论基础和药物靶点。脑微血管内皮细胞（brain microvascular endothelial cell,BMEC）是组成脑转移微环境的主要细胞之一,同时也是血脑屏障（blood-brain barrier,BBB）,神经血管单元和脑内转移灶等不可或缺的组成细胞之一。在肺癌细胞脑转移的整个过程中,BMEC更是在血管微环境以及脑内微环境中发挥了重要的作用。然而,目前对于肺癌细胞同BMEC间相互作用的机制仍不十分清楚,对二者彼此间基因表达谱的相互影响与作用机制的研究还不够详尽。因此对肺癌细胞和BMCE间互作的研究尤其是基因表达谱的改变将有助于对肺癌脑转移的进一步研究与探索。随着RNA-Seq测序技术的发展,对基因转录组的研究进入了大数据时代,同时也极大地推动了生物信息学在医学研究领域的应用。通过生物信息学对大量基因转录数据的分析,从基因整体调控网络出发,挖掘和疾病发生发展具有显著相关性的基因,从而为疾病的临床治疗提供新的思路和理论基础。因此,通过对脑转移肺癌细胞转录组的生物信息学分析有助于进一步对肺癌脑转移机制的研究与探索。研究方法:本实验借助生物信息学,联合Gene Expression Omnibus（GEO）数据库中的脑转移肺癌细胞转录组测序数据以及The Cancer Genome Atlas（TCGA）数据库中肺腺癌（lung adenocarcinoma,LUAD）患者临床样本测序数据,进行多数据库多疾病亚型的综合性分析,挖掘脑转移微环境与肺癌细胞互作过程中的重要因子。对与人脑微血管内皮细胞（human brain microvascular endothelial cell,HBMEC）共培养后的人小细胞肺癌（small cell lung cancer,SCLC）细胞系NCIH209的转录组进行测序分析,从而获得在HBMEC影响下,与肺癌细胞基因表达谱改变有关的差异基因（differentially expressed gene,DEG）。同时,下载GEO数据库中人源和鼠源脑转移瘤细胞的转录组测序数据,对原始数据进行质控以及后续的生物信息学的分析。通过对三套转录组测序数据的联合分析,研究脑转移肺癌细胞基因表达谱的变化规律,挖掘肺癌脑转移相关因子。通过对TCGA数据库中肺腺癌原位肿瘤临床样本转录组测序数据以及患者临床病理信息数据的联合分析,研究肺癌脑转移相关因子在原位肿瘤与脑转移瘤之间的表达变化规律。通过慢病毒介导的RNA干扰技术,下调肿瘤细胞中特定基因的表达,研究特定基因对细胞相关功能的影响。利用小鼠颈内动脉（internal carotid artery,ICA）注射手术建立肺癌脑转移动物模型,通过小鼠的脑内成瘤实验观察肺癌脑转移相关因子对转移肿瘤细胞颅内成瘤的影响。通过Real-time PCR和Western Blot等方法分析相关因子在m RNA和蛋白质层面的表达水平。利用流式细胞术和MTS增殖检测分析肿瘤细胞的细胞周期进程及增殖能力。结果:在本实验中,通过对共培养NCI-H209细胞和脑转移PC9细胞以及脑转移LLC细胞的基因转录组测序数据的联合分析发现,在与脑转移微环境的互作过程中,肺癌细胞表现出与神经干细胞和胚胎干细胞功能相关基因集的富集,提示其可能发生类神经干细胞样表型的转换。通过对DEGs的进一步分析发现,CTGF/HOXB9可能与脑转移肺癌细胞代谢表型的改变和肺癌脑转移过程有关。通过小鼠脑内成瘤及流式细胞周期分析等实验发现,CTGF是HOXB9的上游调控因子,CTGF/HOXB9促进脑转移肺癌细胞的细胞周期进程,。结论:1、在与脑转移微环境的互作过程中,肺癌细胞整体表现为以低氧反应为主的代谢状态,同时表现出类神经干细胞样的功能基因表达特点,提示肿瘤细胞在与脑转移微环境互作过程中所呈现出来的可塑性。2、脑转移微环境升高肺癌细胞中HOXB9和CTGF的表达,二者的表达上调促进了脑转移肺癌细胞的增殖和颅内成瘤能力。3、CTGF是HOXB9的上游调控因子,通过对HOXB9的表达调控介导脑转移肺癌细胞的增殖及细胞周期进程。