PI3K/AKT信号通路与肿瘤放疗敏感性关系

李 娟 李多杰

(蚌埠医学院第一附属医院放疗科，安徽 蚌埠 233000)

由于肿瘤细胞对化疗药物的耐药性、手术治疗的局限性及许多肿瘤患者在确诊时已为晚期，已经失去最佳手术时机，因此，放射治疗在肿瘤治疗中的地位越来越突出。但由于辐射抵抗的存在，部分患者在接受放射治疗后出现复发、转移。尽管目前存在各种提高放射治疗效果的方法，例如超分割放疗、同步放化疗及使用辐射增敏剂等，但是这些疗法的治疗效果仍较差，因此，既能增加肿瘤放疗敏感性且副作用较低的新治疗方案正是目前所迫切需求的。多项研究表明磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)路径与肿瘤辐射抵抗密不可分〔1,2〕，但其与细胞辐射抵抗的确切关系仍处于探索阶段，本文将对其研究现状进行综述。

1 PI3K/AKT信号转导通路的组成及其活化

PI3K是一种脂质激酶，属于磷脂酰肌醇激酶，根据同源序列、校正模式及底物参数的不同，PI3K分为3种亚型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，其中Ⅰ类为目前研究最为广泛的一种，又可分为ⅠA(PI3Kα、β、δ)及ⅠB(PI3Kγ)两种亚型〔1,2〕，ⅠA型PI3K在肿瘤中表达较多，是由催化亚基p110和调节亚基p85构成的异二聚体，可与蛋白酪氨酸激酶连接受体和G蛋白连接受体相互作用而被激活；Ras蛋白和催化亚基p110直接结合也可直接活化PI3K。活化后的PI3K可催化PIP2磷酸化产生第二信使PIP3，PIP3可与细胞内的信号蛋白AKT的PH结构域及磷酸肌醇依赖性蛋白激酶(PDK)1相结合，进而激活AKT信号蛋白。激活后的AKT可大量活化下游效应分子，包括结节性硬化复合体(TSC)2、B淋巴细胞瘤-2基因(Bcl)-2、半胱天冬酶(Caspase)-9、p27、p21、160 kD的AKT底物(As160)等，最终参与调节肿瘤细胞的多种生命活动过程。

PI3K信号通路在肿瘤发生及发展的作用被高度重视并研究是由于在人类大多数常见肿瘤中，编码p110α亚单位的基因突变率较高〔3〕，其在肿瘤的发生发展中的作用也已得到实验证实。目前也有研究〔4〕发现它与肿瘤细胞的放化疗敏感性关系密切。

2 PI3K/AKT信号通路与肿瘤放疗敏感性关系

放疗作为目前肿瘤治疗的主要手段之一，与手术及化疗相比，其以局部治疗为主，在杀伤肿瘤细胞的同时能减少对正常组织的损伤，对身体功能的影响更小。但由于辐射抵抗的存在，整体治疗效果不佳。目前，关于肿瘤辐射抵抗的机制仍不十分清楚，可能是多重因素相互作用而导致的，其中最重要的为固有辐射抵抗、肿瘤细胞增殖和细胞周期阻滞〔5〕。

2.1固有辐射抵抗 电离辐射导致的细胞DNA双链断裂是一种潜在的致死性损害，DNA双链断裂后的修复能力与肿瘤细胞辐射敏感性有关。这种断裂损伤主要通过同源重组及非同源重组两种方式进行修复，研究发现绝大多数的修复由非同源重组完成〔6〕，参与非同源重组修复机制的DNA依赖蛋白激酶催化亚基(DNA-PKcs)受表皮生长因子受体(EGFR)/PI3K/AKT通路的调控，这表明PI3K/AKT介导的DNA损伤修复可能是抗辐射的重要机制。Freudlsperger等〔7〕选择了120例行放射治疗的晚期头颈部鳞癌患者来研究AKT的磷酸化状态与晚期头颈部鳞癌患者放疗预后的关系。结果发现：辐射可以引起pAKT(Ser473)水平增加，且pAKT(Ser473)水平与总生存期和无进展生存期有显著相关性(P<0.05)。应用PI3K抑制剂LY294002预处理原发、复发肿瘤组织可以抑制基础和辐射诱导的pAKT(Ser473)水平，减少细胞DNA损伤修复，增加细胞死亡。该研究认为：抑制PI3K/AKT细胞路径可以增加辐射诱导的细胞凋亡，减弱细胞的固有辐射抵抗起到辐射增敏作用。

众所周知，细胞DNA双链断裂时，细胞内磷酸化组蛋白H2AX(γ-H2AX)的含量明显增加。Liu 等〔8〕在人肝癌细胞系(Huh7和BNL)中通过评估γ-H2AX水平来探索PI3K/AKT与辐射敏感性的关系，采用免疫荧光法观察到单独放疗组在照射后30 min内可检测到肿瘤细胞内γ-H2AX明显增加，Huh7和BNL细胞系的γ-H2AX分别于放疗后8 h和4 h 显著减少；放疗联合PI3K/AKT抑制剂BKM120组Huh7和BNL细胞系γ-H2AX的含量分别在辐照后6 h和4 h仍存有相当大的百分比。该研究认为：运用 PI3K/AKT 抑制剂可以减少辐射损伤DNA双链的修复，导致细胞死亡，进而降低辐射抵抗。同样地，Liu 等〔9〕进行了类似的探索，研究了PI3K/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)双重抑制剂GSK2126458和PKI-587对鼻咽癌细胞辐射敏感性的关系。试验中亦通过免疫荧光法检测γ-H2AX数量来评估细胞 DNA损伤效应。结果显示：单独应用GSK2126458、 PKI-587对γ-H2AX的影响不大，当GSK2126458或 PKI-587结合放疗时较单独辐照γ-H2AX呈现持续性高表达(P<0.01)。从而得出：抑制PI3K/mTOR可以减少辐射所致细胞DNA损伤的修复，增加了电离所致DNA的损伤、诱导细胞凋亡，从而起到辐射增敏的作用。这与Fokas等〔10〕在人内皮细胞中的研究结果类似。以上研究表明，PI3K/AKT信号通路是肿瘤细胞的存活通路，该通路的激活与肿瘤的固有辐射抗拒有关。

2.2肿瘤细胞增殖 肿瘤细胞的增殖受多种因素影响，包括细胞分化状态，细胞周期基因调控和细胞所处的微环境等。电离辐射导致肿瘤细胞增殖能力提高的机制是可诱导EGFR酪氨酸磷酸化，与促细胞有丝分裂的几个关键组件及增殖信号通路的激活有关，其中一个主要的途径是膜受体酪氨酸蛋白激酶信号传递途径〔RAS/RAF/促分裂原活化蛋白激酶通路(MAPK)〕，可通过作用于周期素D依赖蛋白激酶调节细胞周期G1-S期的转化，参与肿瘤细胞增殖。另外，PI3K/AKT也可以作用于周期素D依赖蛋白激酶，调节细胞增殖。Ettl等〔11〕在人头颈部肿瘤研究中发现辐射敏感细胞株PCI-9A中 pAKT的表达较弱致辐照后激活的凋亡蛋白caspase-3、caspase-7表达增强，放射抗拒细胞株PCI-15中pAKT的表达较强使辐照后抗凋亡蛋白Survivin mRNA和BCL2A1 mRNA的表达上调。结果显示：敏感组细胞辐照后96 h仍有大量细胞死亡而不敏感组细胞在辐照后细胞凋亡数明显减少且72 h后即出现再增殖(P<0.05)。研究认为：AKT通路的上调可减少辐射引起的细胞凋亡，诱导细胞再增殖，阻断该通路可恢复肿瘤细胞的辐射敏感性，逆转辐射抵抗。

李萍等〔12〕应用LY294002特异性阻断PI3K/AKT通路在乳腺癌细胞系(MDA-MB-468、MCF-7)中行进一步研究。试验将每种细胞均随机分为两组，分别为LY294002组(加入LY294002的浓度为10 μmol/L)、单纯放疗组。LY294002组加药后与单纯放疗组同步予4 Gy辐照48 h。结果显示：MDA-MB-468细胞、MCF-7细胞的凋亡率LY294002组分别为(14.77±2.93)%、(16.65±4.62)%，均显著高于各自单纯辐照组(P值分别为0.024、0.028)。研究认为：阻滞PI3K/AKT通路可增加细胞的凋亡，减弱细胞的增殖活性进而增强乳腺癌细胞辐射敏感性。这与姜新等〔13〕在胶质瘤细胞U251、Liu等〔14〕在宫颈癌HeLa细胞系中的研究结果一致。然而，Luo等〔15〕认为喉癌的辐射抵抗不仅与PI3K/AKT路径相关，还与葡萄糖转运蛋白(Glut)-1的过表达密不可分，他们在体外构建人喉癌裸鼠移植瘤模型对不同干预条件下细胞的生长及增殖情况进行评估。结果显示：Glut-1组、LY294002组、LY294002联合Glut-1组、单纯放疗组、LY294002联合放疗组和LY294002联合Glut-1加放疗组肿瘤生长抑制率分别为37.3%、3.4%，50.0%，7.0%，67.7%和57.8%。X线照射后，LY294002组、LY294002联合Glut-1组与单纯放疗相比肿瘤生长抑制显著(P<0.05)。同样的，wortmannin联合Glut-1组比单纯放疗、wortmannin组对肿瘤生长抑制作用强(P<0.05)。LY294002组、LY294002联合Glut-1组、wortmannin组、 wortmannin联合Glut-1组预期值与观测值之比(E/O值)分别为2.7、1.1、1.8、1.8。研究认为GLUT-1的过表达与PI3K/AKT路径共同参与了喉癌的辐射抵抗，同时抑制二者可以抑制肿瘤细胞增殖，促进细胞凋亡起到辐射增敏的作用。

相似地，Pang等〔16〕在体外建立食管癌细胞系EC109模型，随机分为四组，分别为对照组(N)、单纯放疗组(R:10 Gy的单次剂量照射一次)、单纯药物组(TM:0.5 μg/ml的TM预处理)、放疗联合药物组(R+TM)，24 h后将细胞固定、染色，用FACSort进行分析发现以上4组G1、G2、S期所占比例分别为(59%、18%、28%)、(70%、11%、20%)、(47%、50%、5%)、(23%、65%、18%)。另外，TM+R组相对R组，AKT的磷酸化水平明显减低。由此认为：TM通过抑制AKT的磷酸化，改变细胞周期所占比，增强了辐射敏感性。卢晓旭等〔17〕通过双向调控环氧合酶(Cox)-2特异性siRNA载体对食管癌EC9706细胞的转染，检测不同条件下AKT蛋白和磷酸化AKT(pAKT)蛋白的表达及细胞的生长、凋亡来研究其与食管癌细胞放射敏感性的关系。结果显示：下调组较上调组AKT蛋白、pAKT蛋白的表达明显减少(P<0.05)，G0～G1期细胞所占比升高，而S和G2～M期所占比减低且细胞增殖抑制显著。研究认为：细胞Cox-2 mRNA的表达降低可改变细胞分化状态，抑制AKT和pAKT的表达，进而影响PI3K/AKT路径起到辐射增敏作用。Yu等〔18〕发现特异性阻滞PI3K/AKT下游主要靶点mTOR亦可导致G2期阻滞，增加细胞放射敏感性。当然，这是否与PI3K/AKT路径有关，仍需进一步的研究加以证实。

2.3乏氧 Sato〔19〕研究认为氧气是一种有效的放射增敏剂，可促进活性氧和自由基的产生，对辐射诱发的DNA损伤具有重要意义。然而，肿瘤细胞由于增殖迅速、血管功能异常、血流分布不均等常常引起组织内部缺氧。肿瘤乏氧细胞的产生和存在不仅使肿瘤对放化疗的抗拒性增加，而且使肿瘤更具有侵袭性，容易发生转移。另外，肿瘤细胞可通过低氧诱导转录因子(HIF)-1应对氧浓度的降低而继续生存及增殖。从而导致肿瘤整体治疗效果不佳的临床现状。许多研究表明PI3K/AKT信号通路在肿瘤细胞乏氧应答中起着重要作用，有学者提出 PI3K/AKT 是 HIF-1α 的主要调控通路〔20〕。

Miyasaka等〔21〕证实PI3K细胞路径与子宫内膜癌辐射抵抗相关。研究者选用8种子宫内膜癌细胞系，以克隆形成实验在细胞水平评价细胞的辐射敏感性，用D10(肿瘤细胞数减少90%所需的辐射剂量)作为评价指标。结果显示：PI3K通路抑制剂 (NVP-BEZ235)对子宫内膜癌细胞具有辐射增敏效应，且随着NVP-BEZ235剂量的增加，增敏效应也随之增强。即使对于放疗抗拒的细胞系，以NVP-BEZ235处理后D10亦小于2 Gy，较未处理时显著降低(P<0.05)。同时，NVP-BEZ235亦明显减少了辐射诱导的HIF-1α的表达。研究认为：PI3K信号通路的激活可以增强子宫内膜癌的辐射抵抗，其可能机制为抑制PI3K/mTOR通路可减少HIF-1α的表达，改善肿瘤细胞乏氧状态，进而提高子宫内膜癌细胞辐射敏感性。

可见，PI3K/AKT信号通路可通过激活HIF参与肿瘤细胞生命活动的基因调控，阻断该通路，可以增加肿瘤细胞的氧合，起到辐射增敏的作用。

3 展 望

PI3K/AKT信号传导通路在肿瘤的发生、发展过程中起着十分重要的作用，并且与肿瘤细胞的治疗抵抗、抗血管生成等有密切的关系。检测PI3K蛋白在肿瘤细胞中的活化状态，可能有助于评价放疗的治疗效果，并为肿瘤患者个体化治疗方案的选择提供依据。但是由于肿瘤细胞的生长、增殖是由许多信号通路共同完成的，是极其复杂的过程，且受体内外多种因素的影响。因此，进一步的临床实验研究来评估PI3K蛋白在肿瘤组织的表达及活化状态及它能否作为评价肿瘤放疗敏感性的分子标记，是今后研究的主要方向。