譚明宇 綜述 , 馮梅, 黃建鳴, 郎錦義 審校

530000南寧，廣西醫(yī)科大學(xué) 研究生院(譚明宇、馮梅、郎錦義)；610041成都，四川省腫瘤醫(yī)院·研究所，四川省癌癥防治中心, 電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院(馮梅、黃建鳴、郎錦義)

近年來隨著影像及計(jì)算機(jī)等技術(shù)快速發(fā)展，腫瘤放射治療模式已經(jīng)從二維放療發(fā)展到了三維放療、調(diào)強(qiáng)放療和圖像引導(dǎo)調(diào)強(qiáng)放療[1-2]，同時(shí)放療的“物理精準(zhǔn)”在過去的30年也取得長足進(jìn)步。靶區(qū)劑量不斷提高的同時(shí)，腫瘤的局部控制率和療效得到提高，正常器官也得到最大程度的保護(hù)[3]。但由于個(gè)體差異性及腫瘤異質(zhì)性，臨床放療仍面臨一些“物理精準(zhǔn)”方法無法徹底解決的問題，例如臨床上常因正常組織耐受劑量的限制而不能給予腫瘤足夠照射劑量、不同的放療方式或放射徑跡和不同的劑量分割模式產(chǎn)生的DNA損傷不同，以及暴露于電離輻射后，腫瘤細(xì)胞的許多相關(guān)基因的表達(dá)會(huì)發(fā)生變化，促進(jìn)DNA損傷修復(fù)，導(dǎo)致治療失敗[4-5]。因此，在基于特異性基因的劑量調(diào)節(jié)模式引導(dǎo)下提高腫瘤對(duì)射線的敏感性以及改善放射抗拒腫瘤的放射效果是放療發(fā)展新趨勢，對(duì)放療從“物理精準(zhǔn)”走向“生物精準(zhǔn)”具有重要的臨床意義[6]。

1 腫瘤的精準(zhǔn)放射治療

2015年，首次提出了基于人類基因組測序的個(gè)體化醫(yī)學(xué)概念，即“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”，這是基于應(yīng)用生物信息學(xué)與大數(shù)據(jù)的整合提出的一個(gè)新型的醫(yī)學(xué)概念或治療模式[7]。腫瘤精準(zhǔn)治療的中心原則是針對(duì)個(gè)體腫瘤的生物學(xué)特征，其目標(biāo)是在合適的時(shí)間將正確的治療方法施予合適的患者身上。雖然人類基因組測序更進(jìn)一步地推進(jìn)了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)時(shí)代的到來，也促進(jìn)了腫瘤的化療和生物靶向制劑的臨床應(yīng)用，但事實(shí)上，腫瘤放射治療還沒有真正進(jìn)入生物精準(zhǔn)時(shí)代。正如所知，腫瘤放療的劑量主要由腫瘤組織學(xué)和解剖學(xué)引導(dǎo)。在放療技術(shù)和劑量計(jì)算的支持下實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)?shù)奈锢砭珳?zhǔn)，可獲得較好的局控率和治療增益。目前，放射治療劑量協(xié)議是基于每個(gè)患者都有同樣的機(jī)會(huì)受益于物理精準(zhǔn)的、一個(gè)“一刀切(one-size-fits-all)”模式的放射治療[8]。盡管有研究提出了基于腫瘤基因表達(dá)特征的放射劑量調(diào)整的腫瘤精準(zhǔn)放射治療或個(gè)體化放射治療的思路或路徑[9]，然而，腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性決定了不同個(gè)體腫瘤患者用相同放療劑量和分割模式所獲得的治療反應(yīng)存在一定的差異，而基于基因組的腫瘤放射治療的“生物精準(zhǔn)性”和個(gè)體腫瘤之間或瘤內(nèi)生物學(xué)差異來調(diào)整放射劑量和制定放療計(jì)劃還尚未被充分認(rèn)識(shí)，致使腫瘤的精準(zhǔn)放射治療依然存在著一定的障礙。因此，這一基于基因組的、反映不同類型腫瘤放射表型的放射治療模式的研究引起了廣泛關(guān)注。

2 基于基因組表達(dá)譜調(diào)整放射劑量的模型

近年來，利用基因測序預(yù)測誰將受益于或不受益于放射治療受到了腫瘤放療專家的廣泛重視。2016年，Scott等[10]報(bào)道了一個(gè)基于基因組調(diào)整放射劑量的模型(genomic-adjusted radiation dose, GARD)。利用48 NCI-60細(xì)胞系經(jīng)2Gy體外照射后的細(xì)胞存活分?jǐn)?shù)(survival fraction at 2Gy，SF2)篩出了10個(gè)基因AR、c-Jun、STAT-1、PKC-beta、RelA、cABL、SUMO1、PAK2、HDAC1和IRF1的差異表達(dá)譜作為SF2敏感性指數(shù)(Radio-Sensitivity Index，RSISF2)，將其與線性二次模型擬合，建立了一個(gè)GARD數(shù)學(xué)模型，計(jì)算GARD評(píng)分。評(píng)分高的具有較好的放射反應(yīng)，反之亦然，并以此來預(yù)測放射治療的臨床預(yù)后及其相關(guān)性。然而，不同類型腫瘤的GARD評(píng)分并非完全一致，比如放射抵抗的神經(jīng)膠質(zhì)瘤的GARD評(píng)分就高于對(duì)于放射敏感的宮頸癌和頭頸部腫瘤。臨床驗(yàn)證的結(jié)果顯示，GARD評(píng)分對(duì)20個(gè)不同類型的8 271例原發(fā)腫瘤進(jìn)行的5個(gè)多中心隊(duì)列研究(5 TCC and TCGA cohorts：Erasmus Breast Cancer Cohort,Karolinska Breast Cancer Cohort,Moffitt Lung Cancer Cohort,Moffitt Pancreas Cancer Cohort,Cancer Genome Atlas Glioblastoma Patient Cohort)中僅有乳腺癌的GARD評(píng)分基本符合臨床結(jié)果。鑒于此結(jié)果，有專家評(píng)論認(rèn)為，這種源于體外RSISF2的線性二次模型的GARD模型仍存在一定的缺陷。有研究證明，用這種體外GARD模型預(yù)測體內(nèi)腫瘤RSI和放療局部控制率是極不可靠的，因?yàn)槟[瘤細(xì)胞的增殖性和基因表達(dá)在體內(nèi)和體外存在顯著差異，而且GARD調(diào)整的是RSI線性分量，在細(xì)胞DNA修復(fù)水平上極易產(chǎn)生差異的二次分量GARD的調(diào)整是不可能的[11]；也就是說，盡管RSI涉及可能影響放射表型的基因，但GARD沒有充分考慮到DNA損傷反應(yīng)/修復(fù)，因?yàn)镈NA損傷反應(yīng)/修復(fù)的組織特異性決定了DNA損傷的結(jié)果[12]。值得關(guān)注的是，GARD模型在基于基因表達(dá)的個(gè)體化放射治療方面提示了一個(gè)新的思路和方法，為未來的腫瘤放射治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)方向。

3 基于DNA損傷反應(yīng)/修復(fù)基因的放射劑量模型

正如所知，DNA損傷反應(yīng)(DNA damage response，DDR)是一種復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，可以防止突變和基因組不穩(wěn)定性。DDR的調(diào)節(jié)在整個(gè)組織間是不同的，具有組織特異性；然而，基于人類腫瘤細(xì)胞DDR基因的系統(tǒng)分析尚未見報(bào)道。

腫瘤放射治療的作用依賴于放射線誘導(dǎo)的DNA損傷，其損傷程度取決于不同射線的輻射徑跡和放射劑量[13]。對(duì)于相同的吸收劑量而言，中子和其他類型的致密型電離、高線性能量傳遞(linear energy transfer,LET)粒子，例如低能質(zhì)子或α粒子，以及重離子如氖和氬要比稀疏型電離、低LET輻射，如γ或X光子具有更高的相對(duì)生物效應(yīng)[14-17]。雖然不同類型射線產(chǎn)生的DNA損傷是不同的，但放射誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞DDR作用在一定程度上反映了一個(gè)特征性的腫瘤放射表型，而現(xiàn)在的研究主要以光子誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞DDR作用為主。以光子作用于細(xì)胞DNA為例，一旦細(xì)胞DNA受到損傷，無論是DNA雙鏈斷裂(double strand breaks，DSB)還是單鏈斷裂(single strand breaks，SSB)，都會(huì)促發(fā)DDR基因的表達(dá)或活化，激活DNA損傷修復(fù)通路[18]?；罨腄DR信號(hào)網(wǎng)絡(luò)可誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯和DNA損傷修復(fù)，以保證基因組的精準(zhǔn)復(fù)制。DDR有缺陷的腫瘤細(xì)胞對(duì)放射線誘導(dǎo)的DNA損傷極為敏感[19]，反之，DNA損傷反應(yīng)/修復(fù)能力較強(qiáng)的腫瘤細(xì)胞具有放射抵抗作用，降低放療療效。

DDR基因表達(dá)和活化是放射誘導(dǎo)DNA損傷修復(fù)最重要的機(jī)制。DNA DSB修復(fù)依賴于DNA-PKcs介導(dǎo)的非同源末端連接(non-homologous end joining，NHEJ)和共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因(ataxia-telangiectasia mutated,ATM)介導(dǎo)的同源重組(homologous recombination，HR)[20]，而DNA SSB的修復(fù)是ATR基因交互作用蛋白(ataxia-telangiectasia mutated-and Rad3-related interacting protein,ATRIP)/共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變以及Rad3相關(guān)激酶(ataxia-telangiectasia mutated-and Rad3-related,ATR)依賴的。相比ATM和DNA依賴性蛋白激酶復(fù)合體(DNA-dependent protein kinase catalytic subunit,DNA-PKcs)，ATR是由廣泛基因毒應(yīng)激反應(yīng)所激活的(圖1)[21]。最新報(bào)道提出[22]，ATM, ATR和DNA-PK三位一體作為DNA損傷反應(yīng)的中心，靶向這個(gè)DNA損傷反應(yīng)中心可能使腫瘤患者從放射治療中獲益。常規(guī)劑量放射誘導(dǎo)的DNA損傷主要是DNA雙鏈斷裂，其修復(fù)主要是由NHEJ和HR通路介導(dǎo)的[23](圖2)。DDR作為負(fù)性因素發(fā)揮了放化療抵抗作用。Ho等[24]通過對(duì)接受根治性放化療的宮頸癌DDR相關(guān)基因ATM, DNA-PKcs,聚ADP核糖聚分酶(poly ADP-ribose polymerase,PARP)-1, Ku70和Ku86表達(dá)蛋白進(jìn)行檢測結(jié)果提示，DNA損傷反應(yīng)基因表達(dá)與宮頸癌患者的預(yù)后相關(guān)，打破DDR機(jī)制可能是改善宮頸癌放射治療效果的一種新的策略[25]。

圖1 ATM, ATR和DNA-PK三位一體為中心的DNA損傷反應(yīng)/修復(fù)信號(hào)通路

Figure 1. ATM, ATR, and DNA-PK: The trinity at the heart of DDR signaling pathway

圖2 DNA損傷信號(hào)通路靈敏元件：MRN復(fù)合物(MRE11、RAD50、NBS1組成的基因修復(fù)復(fù)合體)；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子：ATM和ATR ；ATM和ATR信號(hào)介導(dǎo)分子：BRCA1，BRCA2和TP53BP1；效應(yīng)分子：TP53和CHK1/2

Figure 2. Sensitive elements of DNA damage signaling pathway: MRN complex; Signal transducer: ATM and ATR; Signal mediated molecules of ATM and ATR: BRCA1, BRCA2 and TP53BP1; Effector molecules: TP53 and CHK1/2

最近有研究發(fā)現(xiàn)，靶向DNA損傷反應(yīng)/修復(fù)通路可顯著提高腫瘤的放射治療作用，如ATM、ATR和DNA-PK及其磷酸化的抑制劑，以及靶向野生型BRCA2的PARP抑制劑和細(xì)胞周期檢測點(diǎn)激酶1/2(cheekpoint kinase 1/2,CHK1/2)抑制劑[26-29]；ATM、ATR的抑制劑在體內(nèi)和體外的實(shí)驗(yàn)中都證明了其不僅能夠增加放射敏感性，同時(shí)也能增加細(xì)胞毒藥物的敏感性[30-31]。CHK1抑制劑則是只有協(xié)同放療才能夠增加放射敏感性而并沒有增加細(xì)胞毒藥物的敏感性[32-33]。

4 光子照射后不同分割劑量下DDR基因的表達(dá)情況

DDR基因和蛋白的改變被認(rèn)為是一個(gè)重要的腫瘤放射治療靶點(diǎn)或途徑，盡管目前還尚未充分利用[34]。研究DDR三維腫瘤組織或體內(nèi)模型的分子動(dòng)力學(xué)對(duì)于理解體內(nèi)DDR及評(píng)價(jià)DDR作為一種腫瘤放射生物標(biāo)志物是不可或缺的[35]。正如所知，不同的放射分割劑量誘導(dǎo)不同類型腫瘤的DNA損傷反應(yīng)基因的差異表達(dá)與腫瘤的放射敏感性有關(guān)。在不斷增加的放射誘導(dǎo)的DNA損傷過程中，DDR是放射劑量依賴性的。雖然現(xiàn)在相關(guān)的研究較少，但是有證據(jù)表明在某些細(xì)胞系中在單次高劑量照射后DSB修復(fù)可能效果減弱[36]。Saini等[37]通過研究發(fā)現(xiàn)CyclinE、CDK2、MDM2和TP53等DNA損傷修復(fù)基因在外周血單個(gè)核細(xì)胞暴露于起始劑量0.1Gy，0.3Gy，或0.6Gy和2Gy單次照射時(shí)的表達(dá)上調(diào)，而ATM、ATR卻沒有明顯的改變。又比如劑量小于0.3Gy僅誘導(dǎo)ATM低水平活化，而劑量>0.5Gy可產(chǎn)生最大ATM激活；在ATM存在的細(xì)胞中，DNA-PKcs通路是無活性的。有研究證實(shí)，與下游TP53、CHK1和CHK2分子相關(guān)的ATM依賴的信號(hào)事件僅發(fā)生于低劑量(0.2Gy)照射后，且促進(jìn)了一個(gè)有效的DNA損傷修復(fù)；而對(duì)于低劑量(1Gy)照射超敏感腫瘤細(xì)胞，抑制DNA-PKcs依賴的NHEJ也僅產(chǎn)生很小的DNA損傷作用，但是，基于高水平的RAD51/BRCA2，低劑量對(duì)RAD51介導(dǎo)的修復(fù)事件可能會(huì)增加[38-39]。Stankevicius等[40]研究人結(jié)腸癌細(xì)胞接受不同分割劑量照射后基因表達(dá)情況發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)結(jié)腸癌細(xì)胞系在接受2Gy、10Gy、以及2Gy×5f的照射后DDR相關(guān)基因DNA-PKcs和RAD51呈現(xiàn)升高的趨勢。這些研究提示，0.1～2Gy可顯著誘導(dǎo)DDR和DNA損傷修復(fù)。然而，高劑量或大分割劑量，以及累積劑量誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞和體內(nèi)腫瘤模型的DDR基因及其蛋白表達(dá)的研究鮮有報(bào)道。最近，我們利用人腫瘤移植瘤模型對(duì)12個(gè)DDR基因Pannel的分析結(jié)果顯示，不同分割劑量(1.5Gy/Bid、2.0Gy/Qd和6Gy/Qod)照射后不同時(shí)間12個(gè)DDR相關(guān)基因表達(dá)水平存在明顯的差異，提示不同分割劑量的多次照射導(dǎo)致DNA損傷可能與DDR基因差異表達(dá)有關(guān)(該研究已被美國放射腫瘤學(xué)會(huì)American Society for Radiation Oncology, ASTRO選為2018年會(huì)壁報(bào)交流，將另文報(bào)道)[41]。

5 結(jié) 語

綜上所述，基于放射誘導(dǎo)DDR基因表達(dá)譜，探索不同分割劑量中DDR基因的動(dòng)態(tài)變化，以探索不同放療方式和不同劑量分割模式的體內(nèi)模型對(duì)促進(jìn)腫瘤個(gè)體化或生物精準(zhǔn)的放射治療策略具有極其重要的潛在臨床應(yīng)用價(jià)值。

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