基于DNA损伤反应基因的肿瘤放射治疗剂量分割模式的研究进展*

2018-12-03谭明宇综述冯梅黄建鸣郎锦义审校

肿瘤预防与治疗 2018年5期

谭明宇综述 , 冯梅, 黄建鸣, 郎锦义审校

530000南宁，广西医科大学研究生院(谭明宇、冯梅、郎锦义)；610041成都，四川省肿瘤医院·研究所，四川省癌症防治中心, 电子科技大学医学院(冯梅、黄建鸣、郎锦义)

近年来随着影像及计算机等技术快速发展，肿瘤放射治疗模式已经从二维放疗发展到了三维放疗、调强放疗和图像引导调强放疗[1-2]，同时放疗的“物理精准”在过去的30年也取得长足进步。靶区剂量不断提高的同时，肿瘤的局部控制率和疗效得到提高，正常器官也得到最大程度的保护[3]。但由于个体差异性及肿瘤异质性，临床放疗仍面临一些“物理精准”方法无法彻底解决的问题，例如临床上常因正常组织耐受剂量的限制而不能给予肿瘤足够照射剂量、不同的放疗方式或放射径迹和不同的剂量分割模式产生的DNA损伤不同，以及暴露于电离辐射后，肿瘤细胞的许多相关基因的表达会发生变化，促进DNA损伤修复，导致治疗失败[4-5]。因此，在基于特异性基因的剂量调节模式引导下提高肿瘤对射线的敏感性以及改善放射抗拒肿瘤的放射效果是放疗发展新趋势，对放疗从“物理精准”走向“生物精准”具有重要的临床意义[6]。

1 肿瘤的精准放射治疗

2015年，首次提出了基于人类基因组测序的个体化医学概念，即“精准医学”，这是基于应用生物信息学与大数据的整合提出的一个新型的医学概念或治疗模式[7]。肿瘤精准治疗的中心原则是针对个体肿瘤的生物学特征，其目标是在合适的时间将正确的治疗方法施予合适的患者身上。虽然人类基因组测序更进一步地推进了精准医学时代的到来，也促进了肿瘤的化疗和生物靶向制剂的临床应用，但事实上，肿瘤放射治疗还没有真正进入生物精准时代。正如所知，肿瘤放疗的剂量主要由肿瘤组织学和解剖学引导。在放疗技术和剂量计算的支持下实现了相当的物理精准，可获得较好的局控率和治疗增益。目前，放射治疗剂量协议是基于每个患者都有同样的机会受益于物理精准的、一个“一刀切(one-size-fits-all)”模式的放射治疗[8]。尽管有研究提出了基于肿瘤基因表达特征的放射剂量调整的肿瘤精准放射治疗或个体化放射治疗的思路或路径[9]，然而，肿瘤细胞的异质性决定了不同个体肿瘤患者用相同放疗剂量和分割模式所获得的治疗反应存在一定的差异，而基于基因组的肿瘤放射治疗的“生物精准性”和个体肿瘤之间或瘤内生物学差异来调整放射剂量和制定放疗计划还尚未被充分认识，致使肿瘤的精准放射治疗依然存在着一定的障碍。因此，这一基于基因组的、反映不同类型肿瘤放射表型的放射治疗模式的研究引起了广泛关注。

2 基于基因组表达谱调整放射剂量的模型

近年来，利用基因测序预测谁将受益于或不受益于放射治疗受到了肿瘤放疗专家的广泛重视。2016年，Scott等[10]报道了一个基于基因组调整放射剂量的模型(genomic-adjusted radiation dose, GARD)。利用48 NCI-60细胞系经2Gy体外照射后的细胞存活分数(survival fraction at 2Gy，SF2)筛出了10个基因AR、c-Jun、STAT-1、PKC-beta、RelA、cABL、SUMO1、PAK2、HDAC1和IRF1的差异表达谱作为SF2敏感性指数(Radio-Sensitivity Index，RSISF2)，将其与线性二次模型拟合，建立了一个GARD数学模型，计算GARD评分。评分高的具有较好的放射反应，反之亦然，并以此来预测放射治疗的临床预后及其相关性。然而，不同类型肿瘤的GARD评分并非完全一致，比如放射抵抗的神经胶质瘤的GARD评分就高于对于放射敏感的宫颈癌和头颈部肿瘤。临床验证的结果显示，GARD评分对20个不同类型的8 271例原发肿瘤进行的5个多中心队列研究(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)中仅有乳腺癌的GARD评分基本符合临床结果。鉴于此结果，有专家评论认为，这种源于体外RSISF2的线性二次模型的GARD模型仍存在一定的缺陷。有研究证明，用这种体外GARD模型预测体内肿瘤RSI和放疗局部控制率是极不可靠的，因为肿瘤细胞的增殖性和基因表达在体内和体外存在显著差异，而且GARD调整的是RSI线性分量，在细胞DNA修复水平上极易产生差异的二次分量GARD的调整是不可能的[11]；也就是说，尽管RSI涉及可能影响放射表型的基因，但GARD没有充分考虑到DNA损伤反应/修复，因为DNA损伤反应/修复的组织特异性决定了DNA损伤的结果[12]。值得关注的是，GARD模型在基于基因表达的个体化放射治疗方面提示了一个新的思路和方法，为未来的肿瘤放射治疗计划的设计提供了一个方向。

3 基于DNA损伤反应/修复基因的放射剂量模型

正如所知，DNA损伤反应(DNA damage response，DDR)是一种复杂的信号网络，可以防止突变和基因组不稳定性。DDR的调节在整个组织间是不同的，具有组织特异性；然而，基于人类肿瘤细胞DDR基因的系统分析尚未见报道。

肿瘤放射治疗的作用依赖于放射线诱导的DNA损伤，其损伤程度取决于不同射线的辐射径迹和放射剂量[13]。对于相同的吸收剂量而言，中子和其他类型的致密型电离、高线性能量传递(linear energy transfer,LET)粒子，例如低能质子或α粒子，以及重离子如氖和氩要比稀疏型电离、低LET辐射，如γ或X光子具有更高的相对生物效应[14-17]。虽然不同类型射线产生的DNA损伤是不同的，但放射诱导肿瘤细胞DDR作用在一定程度上反映了一个特征性的肿瘤放射表型，而现在的研究主要以光子诱导肿瘤细胞DDR作用为主。以光子作用于细胞DNA为例，一旦细胞DNA受到损伤，无论是DNA双链断裂(double strand breaks，DSB)还是单链断裂(single strand breaks，SSB)，都会促发DDR基因的表达或活化，激活DNA损伤修复通路[18]。活化的DDR信号网络可诱导细胞周期阻滞和DNA损伤修复，以保证基因组的精准复制。DDR有缺陷的肿瘤细胞对放射线诱导的DNA损伤极为敏感[19]，反之，DNA损伤反应/修复能力较强的肿瘤细胞具有放射抵抗作用，降低放疗疗效。

DDR基因表达和活化是放射诱导DNA损伤修复最重要的机制。DNA DSB修复依赖于DNA-PKcs介导的非同源末端连接(non-homologous end joining，NHEJ)和共济失调毛细血管扩张突变基因(ataxia-telangiectasia mutated,ATM)介导的同源重组(homologous recombination，HR)[20]，而DNA SSB的修复是ATR基因交互作用蛋白(ataxia-telangiectasia mutated-and Rad3-related interacting protein,ATRIP)/共济失调毛细血管扩张突变以及Rad3相关激酶(ataxia-telangiectasia mutated-and Rad3-related,ATR)依赖的。相比ATM和DNA依赖性蛋白激酶复合体(DNA-dependent protein kinase catalytic subunit,DNA-PKcs)，ATR是由广泛基因毒应激反应所激活的(图1)[21]。最新报道提出[22]，ATM, ATR和DNA-PK三位一体作为DNA损伤反应的中心，靶向这个DNA损伤反应中心可能使肿瘤患者从放射治疗中获益。常规剂量放射诱导的DNA损伤主要是DNA双链断裂，其修复主要是由NHEJ和HR通路介导的[23](图2)。DDR作为负性因素发挥了放化疗抵抗作用。Ho等[24]通过对接受根治性放化疗的宫颈癌DDR相关基因ATM, DNA-PKcs,聚ADP核糖聚分酶(poly ADP-ribose polymerase,PARP)-1, Ku70和Ku86表达蛋白进行检测结果提示，DNA损伤反应基因表达与宫颈癌患者的预后相关，打破DDR机制可能是改善宫颈癌放射治疗效果的一种新的策略[25]。

图1 ATM, ATR和DNA-PK三位一体为中心的DNA损伤反应/修复信号通路

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

图2 DNA损伤信号通路灵敏元件：MRN复合物(MRE11、RAD50、NBS1组成的基因修复复合体)；信号转导分子：ATM和ATR ；ATM和ATR信号介导分子：BRCA1，BRCA2和TP53BP1；效应分子：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

最近有研究发现，靶向DNA损伤反应/修复通路可显著提高肿瘤的放射治疗作用，如ATM、ATR和DNA-PK及其磷酸化的抑制剂，以及靶向野生型BRCA2的PARP抑制剂和细胞周期检测点激酶1/2(cheekpoint kinase 1/2,CHK1/2)抑制剂[26-29]；ATM、ATR的抑制剂在体内和体外的实验中都证明了其不仅能够增加放射敏感性，同时也能增加细胞毒药物的敏感性[30-31]。CHK1抑制剂则是只有协同放疗才能够增加放射敏感性而并没有增加细胞毒药物的敏感性[32-33]。

4 光子照射后不同分割剂量下DDR基因的表达情况

DDR基因和蛋白的改变被认为是一个重要的肿瘤放射治疗靶点或途径，尽管目前还尚未充分利用[34]。研究DDR三维肿瘤组织或体内模型的分子动力学对于理解体内DDR及评价DDR作为一种肿瘤放射生物标志物是不可或缺的[35]。正如所知，不同的放射分割剂量诱导不同类型肿瘤的DNA损伤反应基因的差异表达与肿瘤的放射敏感性有关。在不断增加的放射诱导的DNA损伤过程中，DDR是放射剂量依赖性的。虽然现在相关的研究较少，但是有证据表明在某些细胞系中在单次高剂量照射后DSB修复可能效果减弱[36]。Saini等[37]通过研究发现CyclinE、CDK2、MDM2和TP53等DNA损伤修复基因在外周血单个核细胞暴露于起始剂量0.1Gy，0.3Gy，或0.6Gy和2Gy单次照射时的表达上调，而ATM、ATR却没有明显的改变。又比如剂量小于0.3Gy仅诱导ATM低水平活化，而剂量>0.5Gy可产生最大ATM激活；在ATM存在的细胞中，DNA-PKcs通路是无活性的。有研究证实，与下游TP53、CHK1和CHK2分子相关的ATM依赖的信号事件仅发生于低剂量(0.2Gy)照射后，且促进了一个有效的DNA损伤修复；而对于低剂量(1Gy)照射超敏感肿瘤细胞，抑制DNA-PKcs依赖的NHEJ也仅产生很小的DNA损伤作用，但是，基于高水平的RAD51/BRCA2，低剂量对RAD51介导的修复事件可能会增加[38-39]。Stankevicius等[40]研究人结肠癌细胞接受不同分割剂量照射后基因表达情况发现，两个结肠癌细胞系在接受2Gy、10Gy、以及2Gy×5f的照射后DDR相关基因DNA-PKcs和RAD51呈现升高的趋势。这些研究提示，0.1～2Gy可显著诱导DDR和DNA损伤修复。然而，高剂量或大分割剂量，以及累积剂量诱导的肿瘤细胞和体内肿瘤模型的DDR基因及其蛋白表达的研究鲜有报道。最近，我们利用人肿瘤移植瘤模型对12个DDR基因Pannel的分析结果显示，不同分割剂量(1.5Gy/Bid、2.0Gy/Qd和6Gy/Qod)照射后不同时间12个DDR相关基因表达水平存在明显的差异，提示不同分割剂量的多次照射导致DNA损伤可能与DDR基因差异表达有关(该研究已被美国放射肿瘤学会American Society for Radiation Oncology, ASTRO选为2018年会壁报交流，将另文报道)[41]。