曾福斌 張火俊

1海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射治療科,上海 200433;2上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093

【提要】 受腫瘤低氧微環(huán)境的影響,胰腺癌對放射治療產(chǎn)生一定程度的抵抗,影響其療效。高壓氧可以通過改善腫瘤缺氧微環(huán)境,并影響相關(guān)細(xì)胞信號通路,增強(qiáng)胰腺癌放射治療敏感性。本文就高壓氧增強(qiáng)放射治療敏感性的機(jī)制以及高壓氧增強(qiáng)胰腺癌放射治療敏感性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

胰腺癌是缺氧程度較高的腫瘤之一,癌細(xì)胞在嚴(yán)重缺氧和營養(yǎng)受限的腫瘤微環(huán)境中具有復(fù)雜的代謝適應(yīng)能力[1]。腫瘤缺氧微環(huán)境是影響胰腺癌放療敏感性的主要因素。高壓氧作為一種重要的輔助治療手段能夠直接改善瘤內(nèi)氧分壓,現(xiàn)已被廣泛用于缺氧所致的各種疾病的治療。目前已有研究表明,高壓氧可以通過提高胰腺癌細(xì)胞內(nèi)氧分壓,增強(qiáng)胰腺癌的放療敏感性,進(jìn)而提高胰腺癌放療療效,但其內(nèi)在的增敏機(jī)制尚不明確。本文基于腫瘤發(fā)生和發(fā)展與缺氧的關(guān)系及高壓氧增強(qiáng)放療敏感性的機(jī)制,對近年來高壓氧在胰腺癌放療增敏中的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述,為高壓氧在胰腺癌放療增敏領(lǐng)域的下一步研究提供線索。

一、腫瘤發(fā)生發(fā)展與缺氧

腫瘤微環(huán)境的研究發(fā)端于1889年,Paget[2]認(rèn)為作為“種子”的腫瘤細(xì)胞生長需要相適應(yīng)的“土壤”生長環(huán)境,提出“種子與土壤”假說。1984年Moulder和Rockwell[3]使用電極、外源性標(biāo)志物表達(dá)或上調(diào)內(nèi)源性缺氧相關(guān)分子等方法對腫瘤缺氧狀態(tài)進(jìn)行評估,證明缺氧是動物實(shí)體瘤、人腫瘤異種移植物和人類癌癥的共同特征。2000年Koong等[4]利用極譜法溶解氧傳感器首次指出胰腺癌屬于典型的缺氧實(shí)體腫瘤。2011年Hanahan和Weinberg[5]總結(jié)腫瘤的十大惡性特征,缺氧被認(rèn)為是腫瘤微環(huán)境的重要特性之一,明確了缺氧在腫瘤發(fā)生和發(fā)展中的重要作用。

缺氧誘發(fā)腫瘤細(xì)胞的適應(yīng)性反應(yīng),與腫瘤的增殖、分化、血管生成、能量代謝、化療耐藥性、輻射抵抗性以及患者預(yù)后較差密切相關(guān)[6]。研究發(fā)現(xiàn)缺氧與腫瘤生物學(xué)特性的密切關(guān)系促成腫瘤的發(fā)生、發(fā)展,具體表現(xiàn)在:(1)缺氧與活性氧。缺氧狀態(tài)增強(qiáng)活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)釋放,高活性的ROS誘導(dǎo)DNA的損傷和基因組的不穩(wěn)定,促使正常細(xì)胞發(fā)生致癌轉(zhuǎn)化[7-8]。(2)缺氧與代謝重建。在缺氧狀態(tài)下癌細(xì)胞發(fā)生糖酵解移位重建代謝過程,由氧化磷酸化供能轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧糖酵解供能,促使癌細(xì)胞快速增殖,加劇了腫瘤的缺氧狀態(tài)[9]。(3)缺氧與血管生成。缺氧促進(jìn)腫瘤細(xì)胞分泌血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和纖維細(xì)胞生長因子,誘導(dǎo)生發(fā)新血管,使腫瘤擴(kuò)展性生長[5]。這些快速生成的新生血管網(wǎng)絡(luò)往往結(jié)構(gòu)紊亂,功能失調(diào),進(jìn)一步加劇缺氧狀態(tài)[10]。(4)缺氧與癌細(xì)胞增殖和凋亡。缺氧導(dǎo)致缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)、紅細(xì)胞生成素及VEGF上調(diào),誘導(dǎo)癌細(xì)胞增殖,同時促使部分原癌基因激活或抑癌基因缺失,減少細(xì)胞凋亡[11]。(5)缺氧與癌細(xì)胞干性。缺氧通過活化各腫瘤干細(xì)胞(cancer stem cell,CSC)信號通路,促使癌細(xì)胞獲得CSC表型。缺氧誘導(dǎo)的自噬通過平衡微環(huán)境的ROS水平,維持氧化穩(wěn)態(tài)可以調(diào)節(jié)胰腺癌細(xì)胞干性,對胰腺癌細(xì)胞干性的誘導(dǎo)和維持具有潛在作用[12]。

二、高壓氧增強(qiáng)放療敏感性的機(jī)制

早在20世紀(jì)50年代已有氧氣對微生物、植物、細(xì)胞和動物輻射反應(yīng)影響的研究[13]。隨后研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧分壓降至約20 mmHg以下時,細(xì)胞對輻射損傷產(chǎn)生抵抗[14]。目前認(rèn)為缺氧是影響腫瘤輻射反應(yīng)的主要負(fù)面因素,射線殺滅缺氧腫瘤細(xì)胞需用比正常氧分壓細(xì)胞高3倍的輻射劑量[15-17]。高壓氧治療直接解決組織缺氧,因此其較早被應(yīng)用于放療增敏領(lǐng)域。早期研究關(guān)注高壓氧是否有促癌作用,后被證實(shí)高壓氧不會刺激腫瘤生長和復(fù)發(fā),反而在某些癌癥中具有腫瘤抑制作用[18]。近年的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,高壓氧可以提高頭頸部腫瘤、膠質(zhì)瘤、宮頸癌的放療療效,但對皮膚癌、膀胱癌卻并不理想[19]。此外,相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)在超過2個絕對大氣壓下,高壓氧可以減少對頭頸部、骨骼、前列腺和膀胱的遲發(fā)性放射損傷,改善患者預(yù)后[20-21]。李茁等[22]也指出放射性腸炎、腦病、皮膚損傷、肺損傷及口干癥等患者均可在高壓氧治療中獲益?？傊?高壓氧在部分腫瘤放射治療中不僅可以增加放療敏感性,還可以減少輻射的不良反應(yīng)。

高壓氧增加放療敏感性的機(jī)制主要包括以下幾個方面:(1)改善腫瘤細(xì)胞缺氧。高壓氧可以提高血氧含量,增強(qiáng)氧彌散半徑,改善腫瘤細(xì)胞缺氧狀態(tài)。Becker等[23]和Kinoshita等[24]分別采用氧電極測量和磁共振成像監(jiān)測高壓氧治療前后的腫瘤組織氧分壓,結(jié)果表明高壓氧可以升高腫瘤內(nèi)氧分壓,并且離開高壓氧環(huán)境仍能維持一定時間。有研究發(fā)現(xiàn)高壓氧通過改善腫瘤缺氧微環(huán)境和基質(zhì)微環(huán)境,能夠部分逆轉(zhuǎn)由缺氧誘導(dǎo)的血管結(jié)構(gòu)異常,減少血管密度和曲率,改善腫瘤缺氧[25]。(2)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞周期阻滯。高壓氧可誘導(dǎo)細(xì)胞周期同步化,使更多腫瘤細(xì)胞處于輻射敏感的G2/M期,增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞輻射敏感性。高壓氧還可以解除CSC在G0/G1期的細(xì)胞阻滯,誘導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)入G2/M期并在該期積累,進(jìn)而促進(jìn)癌細(xì)胞增殖抑制和細(xì)胞凋亡[26]。相比其他細(xì)胞周期,G2/M期細(xì)胞對輻射敏感,可提高腫瘤細(xì)胞輻射損傷。(3)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。高壓氧通過使p53、Bax等凋亡誘導(dǎo)基因過表達(dá)和Bcl-2、Ras等凋亡抑制基因低表達(dá),誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。Wei等[27]發(fā)現(xiàn)高壓氧使Bcl-2/Bax比值降低,增加細(xì)胞凋亡。Wang等[28]還發(fā)現(xiàn)高壓氧可顯著降低缺氧導(dǎo)致的乳酸脫氫酶活性升高,恢復(fù)缺氧導(dǎo)致的E-cadherin/N-cadherin比值降低和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化表型,抑制GRP78蛋白的表達(dá),具有抗增殖和促凋亡作用。

三、高壓氧增強(qiáng)胰腺癌放療敏感性

既往相關(guān)研究表明,高壓氧聯(lián)合放療能夠改善部分腫瘤的缺氧微環(huán)境,增加其放療敏感性,減少輻射不良反應(yīng),但能否使胰腺癌放療患者獲益仍然是目前爭論的焦點(diǎn)。

早期的相關(guān)研究主要關(guān)注高壓氧與胰腺癌放療聯(lián)合的不良反應(yīng)率、臨床受益反應(yīng)率和近期療效。2005年任延剛等[29]將56例晚期胰腺癌患者分成治療組與對照組,治療組患者每次放療前先進(jìn)入2個絕對大氣壓的醫(yī)用高壓氧艙吸氧1 h,出艙后立即進(jìn)行全身伽瑪?shù)吨委?對照組單純進(jìn)行全身伽瑪?shù)吨委?。兩組均取50%～90%的等劑量線覆蓋病灶,計(jì)劃靶體積覆蓋95%以上臨床靶體積,單次劑量3～6 Gy,重復(fù)治療6～12次,總劑量30～42 Gy,隔日治療。結(jié)果顯示,治療組臨床受益反應(yīng)率、治療后3個月客觀緩解率分別為85.7%、78.6%,對照組為60.7%、53.6%, 兩組血常規(guī)、肝腎功能、消化道反應(yīng)等方面的不良反應(yīng)未見明顯差異。表明高壓氧和全身伽瑪?shù)堵?lián)合治療不增加放射治療的不良反應(yīng),可提高臨床受益反應(yīng)率和近期療效,改善患者的生活質(zhì)量。

隨著研究逐步深入,相關(guān)研究開始關(guān)注高壓氧對胰腺腫瘤組織缺氧的改善以及對相關(guān)腫瘤標(biāo)志物的影響。2015年蘆蘭和師幸偉[30]選取68例Ⅱ～Ⅳ期胰腺癌患者,分為觀察組(35例)和對照組(33例),兩組均以50%～60%劑量線包裹靶區(qū),周邊處方劑量35～42 Gy,中位處方劑量38 Gy,3.5 Gy/次,5次/周,共10～12次。觀察組患者每次放療前先進(jìn)入醫(yī)用高壓氧艙以2個絕對大氣壓下吸氧1 h,艙內(nèi)平均純氧濃度65%～95%,出艙后20 min內(nèi)進(jìn)行陀螺刀治療,對照組直接進(jìn)行陀螺刀治療。結(jié)果顯示,觀察組在高壓氧艙給氧后動脈血氧分壓和血氧飽和度顯著升高;根據(jù)放療前及放療后3個月腫瘤大小改變情況評估近期療效,觀察組與對照組客觀緩解率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(65.71%比45.45%);放療前兩組腫瘤標(biāo)志物CA125、CEA、CA19-9水平差異不明顯,放療后兩組水平均下降,且觀察組低于對照組;消化系統(tǒng)急性放射反應(yīng)總發(fā)生率觀察組為42.86%,對照組為63.64%,二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。提示放療前行高壓氧治療可改善腫瘤細(xì)胞缺氧,提高胰腺癌放療近期療效,減輕急性放射損傷。

近年來相關(guān)研究則進(jìn)一步關(guān)注高壓氧增加胰腺癌放療敏感性的內(nèi)在機(jī)制。2019年安安等[31]選取84例中晚期胰腺癌患者,分為觀察組和對照組,兩組均進(jìn)行立體定向放療,通過劑量體積直方圖給予50%～70%的等劑量曲線覆蓋計(jì)劃靶體積,劑量為2～3.5 Gy/次,總劑量為35～45 Gy,1次/d,連續(xù)治療5 d,間隔2 d;觀察組患者在放療前先行高壓氧治療。比較兩組患者治療前后CA19-9、HIF-1α、VEGF水平及臨床總有效率、不良反應(yīng)發(fā)生情況。結(jié)果顯示,兩組患者CA19-9、HIF-1α、VEGF水平均下降,且觀察組CA19-9下降程度高于對照組;觀察組臨床總有效率為64.28%,顯著高于對照組的40.48%;觀察組骨髓抑制、肝功能損害、胃腸道反應(yīng)發(fā)生率均明顯低于對照組。提示高壓氧輔助放療可通過下調(diào)CA19-9、HIF-1α及VEGF水平增加胰腺癌細(xì)胞對放療的敏感性,提高臨床療效,減少不良反應(yīng),有助于提高患者生活質(zhì)量。

目前,關(guān)于CSC與胰腺癌放療敏感性相關(guān)信號通路的研究已成為胰腺癌研究新領(lǐng)域。CSC具有自我更新、多向分化、致瘤性強(qiáng)、耐受腫瘤治療的特性,往往導(dǎo)致癌癥的轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā)、放療失敗和預(yù)后不良,被認(rèn)為是影響腫瘤輻射抵抗性的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)胰腺癌CSC輻射抵抗性相關(guān)信號通路主要有NF-κB信號通路、Wnt/β-catenin信號通路、PI3K/AKT/mTOR信號通路、Notch信號通路、Hedgehog信號通路、TGF-β信號通路等。有研究指出NF-κB通路在腫瘤細(xì)胞應(yīng)對電離輻射時發(fā)揮關(guān)鍵作用,是DNA損傷修復(fù)機(jī)制之一,與腫瘤侵襲性生長、抗凋亡和輻射抵抗性相關(guān)。You等[32]研究表明STAT3/NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的失活可能在誘導(dǎo)胰腺癌細(xì)胞放射敏感性中起重要作用。Wnt/β-catenin信號通路在細(xì)胞增殖轉(zhuǎn)移、凋亡抑制、去分化等調(diào)控過程中發(fā)揮作用,在胰腺癌放療增敏中備受關(guān)注。牛思等[33]發(fā)現(xiàn)通過靶向抑制FAM83A影響Wnt/β-catenin信號通路的活性,可增強(qiáng)胰腺癌細(xì)胞的放療敏感性。此外,有研究表明PI3K/AKT/mTOR信號通路參與癌癥關(guān)鍵標(biāo)志物的調(diào)控,對胰腺導(dǎo)管腺癌患者全基因組分析顯示PI3K/AKT/mTOR途徑組分異常激活[34]。有研究表明抑癌基因ARID1A表達(dá)的喪失也會通過激活PI3K/AKT途徑增強(qiáng)胰腺癌的放射抵抗性[35]。

綜上所述,目前關(guān)于高壓氧增強(qiáng)胰腺癌放療敏感性的研究仍然處于探索階段。在實(shí)際應(yīng)用中雖然高壓氧能有效改善腫瘤細(xì)胞缺氧微環(huán)境,在胰腺癌放療增敏中具有很高的應(yīng)用價(jià)值和前景,但缺乏高級別循證醫(yī)學(xué)證據(jù)是其廣泛應(yīng)用的主要障礙。另一方面高壓氧治療在放療應(yīng)用中并不方便、高效,且可能增加并發(fā)癥的發(fā)生[36],故提高胰腺癌高壓氧放療增敏的便捷性和安全性仍需進(jìn)一步研究。相信深入理解高壓氧增強(qiáng)胰腺癌放療敏感性的分子機(jī)制,將促進(jìn)高壓氧胰腺癌放療增敏在臨床中的應(yīng)用。

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