Hedgehog信号通路与肿瘤放疗敏感性关系的研究进展

胡明斌，顾伟国，刘运炜，陈少卿

(南昌大学第一附属医院肿瘤科，南昌330006)

根据国家癌症中心2020年统计[1]，我国癌症发病率及死亡率分别约占全球的22%及27%，5年生存率仅为40.5%，而据美国癌症协会(ACS)发布的《2021年癌症统计年度报告》数据[2]显示，美国所有已诊断癌症5年总体生存率约为67%，两者仍存在差距。恶性肿瘤已成为我国居民的主要死亡原因之一，寻找积极有效的治疗手段，仍是肿瘤治疗的首要方向。放射治疗作为重要的治疗方式之一，主要是利用电离辐射诱导产生的DNA损伤如DNA单、双链断裂以及DNA-DNA及蛋白质交联等，达到治疗肿瘤的目的[3]。但是许多恶性肿瘤存在放疗敏感性低、放疗抵抗及放疗不良反应等，限制了放疗的临床广泛应用。

近年来,有关肿瘤放疗抵抗的研究不断增加，PI3K/Akt、Wnt/β-catenin、ATM、NF-κB、MAPK、hedgehog(Hh)等信号通路异常均被报道与放疗抵抗相关。深入研究这些信号通路，将为提高放疗疗效提供新的策略[4]。目前认为利用放射增敏剂或者相关信号通路的靶向抑制剂增强肿瘤细胞的放射敏感性是提高放疗疗效的重要手段，而Hh信号通路抑制剂的出现无疑为肿瘤的治疗提供了更多选择。2012年美国食品药品管理局批准上市的Hh通路抑制剂vismodegib主要用于治疗成人转移性或晚期局限性皮肤基底细胞癌(BCC)、术后复发或不能手术和放疗的BCC患者，并取得了良好的临床疗效[5]。目前有研究[6]发现，Hh信号通路抑制剂联合放疗可增加放疗的敏感性，改善放疗疗效。本文就Hh信号通路的组成、激活机制及其在肿瘤放疗敏感性中的作用及意义等方面进展进行综述，旨在为临床肿瘤治疗提供参考。

1 Hh信号通路的组成与激活机制

1980年在研究果蝇基因突变时Hh基因被发现，其在进化中相对保守。在脊椎动物及哺乳动物体内已发现3种Hh同源基因即SHh、IHh及DHh及其跨膜蛋白受体复合物Ptch和Smo。

经典的Hh信号通路通过SHh配体结合细胞膜表面受体Ptch1发挥作用。但近来发现SHh的膜相关受体可能存在其他的细胞膜蛋白，如GAS1、CDO和BOC[7]，而其下游核内转录因子包括Ci/Gli、SuFu、Kif7、PKA和cAMP等[8]。当有活性的Hh蛋白存在时，Hh与Ptch结合，从而解除对Smo的抑制作用，信号下传使得Cos2和Fu过度磷酸化，转录因子Gli家族(Gli1，Gli2，Gli3)等被激活，随后Gli以全长形式进入细胞核，激活下游靶基因的转录，进而调节细胞的生物学特性。例如，有研究[9]发现Glil可通过改变细胞周期蛋白、诱导抗凋亡因子表达而促进细胞增殖、抑制细胞凋亡，进而促进肿瘤上皮细胞-间充质转化(EMT)，增强肿瘤的侵袭性。

2 Hh信号通路与肿瘤

有研究[10]证实，Hh信号通路的异常激活参与皮肤癌、乳腺癌、肺癌、脑胶质瘤、结直肠癌和胃癌等多种恶性肿瘤的发生。例如，CHEN等[11]发现Hh信号通路相关蛋白SHh、Smo、Gli1等在肺癌组织中表达明显升高，且与患者预后相关，提示Hh信号通路与肺癌的发生密切相关。XU等[12]发现Hh通路的异常活化与大肠癌的发生密切相关。

3 Hh信号通路与肿瘤放疗敏感性

许多研究[13-15]显示肿瘤的放疗抵抗与Hh信号的过表达有密切的关系。该信号通路活性降低有利于増加某些肿瘤细胞的放射敏感性。2011年CHEN等[16]研究发现，放疗可诱导SHh通路的激活，并通过影响DNA损伤修复反应、细胞周期再分布而调控细胞增殖、凋亡，从而诱导放疗抵抗。

3.1 Hh信号通路与头颈部鳞状细胞癌的放疗敏感性

SCHULZE等[17]首次临床应用Hh信号通路抑制剂Vismodegib联合放疗治疗4例晚期头颈部基底细胞癌，其放疗剂量范围在50.4～66 Gy，共放疗20～33次，Vismodegib剂量150 mg·d-1，Vismodegib的反应率为45%～60%，所有患者的中位随访时间为12.5个月，4例中有3例患者观察期内在临床和组织学表现上显示持续的完全缓解，其中1例病情稳定维持至少6个月；Vismodegib与放疗联合未观察到明显的不良反应，所有病例均耐受良好。GAN等[14]研究也发现，Hh信号通路抑制剂环靶明通过抑制转录因子Gli1活化能增加头颈部鳞癌的放疗敏感性。ENZENHOFER等[18]研究发现，Gli1和Gli2基因高表达的HPV阴性头颈部鳞癌患者的放疗后的总生存率较好，特别是Gli2基因的高表达可显著延长患者无病生存率，增加总生存率。HEHLGANS等[6]通过研究头颈部鳞癌相关肿瘤细胞SCC-25也发现，Hh信号通路抑制剂Vismodegib联合放疗处理后，细胞DNA损伤显著增加，细胞活力降低，凋亡增加，表明Hh信号通路抑制剂可以增加头颈部鳞癌细胞的放疗敏感性。有体外实验[14,19]显示，Hh信号通路可能在头颈部鳞癌细胞放疗的肿瘤微环境中通过上调旁分泌信号，如导致基质重塑及细胞因子释放，在肿瘤生长、生存、血管生成和肿瘤转移中发挥重要作用。同时GAN等[14]通过构建头颈鳞癌细胞的裸鼠异种移植瘤模型，观察到SHh通路抑制剂环巴胺与放疗联合使用时肿瘤基质的促进作用较弱，肿瘤抑制效果明显，而单独放疗时对异种移植体生长的抑制作用最弱，这可能是由于Hh信号通路上调肿瘤微环境中的旁分泌信号，使肿瘤基质重塑，细胞因子释放增加导致。这与MA等[20]在消化道肿瘤细胞中观察到的旁分泌效应相似。

3.2 Hh信号通路与消化道肿瘤的放疗敏感性

杨成梁[21]研究发现，抑制Smo基因表达或者增加miR-135的表达，可大大增加G0/G1期食管癌细胞，显著降低S期细胞比例，使细胞阻滞于放疗敏感的G2/M期。进一步检测凋亡相关基因Caspase-3的活性显示，抑制Smo基因表达可促进凋亡，增加食管癌鳞癌细胞对放疗的敏感性。贺昱霖等[22]发现食管癌放射抵抗细胞株Eca109R较亲本细胞Eca109中Gli1蛋白与SHh蛋白的表达更高。在分别接受不同剂量照射后，Eca109R细胞存活数明显高于亲本细胞Eca109，提示高表达Gli1的Eca109R产生明显的放射抵抗。YAO等[23]也证实，敲除Gli1的放疗抵抗细胞株Eca109R在经不同剂量放疗后，与亲本细胞Eca109细胞相比存活率明显降低。TEICHMAN等[24]通过研究小鼠人源肿瘤异种移植模型(PDX)评估加或不加Hh信号通路抑制剂对食管肿瘤常规放疗/放化疗的反应发现，SHh抑制剂使表达Hh的食管癌PDX模型放疗敏感性增加，而未表达Hh信号通路蛋白的PDX模型，未见放疗敏感性增加现象。这些研究表明Hh信号通路对食管癌的放疗敏感性具有重要的影响。

另有研究[25]发现，胰腺癌细胞使用Hh通路阻断剂环靶明后，该通路效应蛋白Gli1的表达水平明显降低，细胞的放射敏感性明显增加。ZHAO等[26]的研究也显示，环靶明作用后，Gli1表达明显降低，经照射后胰腺癌细胞的凋亡明显增加，放射敏感性增强。CHEN等[16]研究显示，放疗可诱使肝癌细胞自分泌SHh配体，并激活Hh信号通路产生放疗抵抗。用SHh肽预处理肝癌细胞系更能抵抗电离辐射，与未被照射的肿瘤细胞共培养可以保护该细胞不受放疗的影响，同时在该培养基中发现SHh蛋白，中和抗体逆转了该培养基的保护作用。在HT29(结肠癌起源)和Panc1(胰腺起源)癌细胞中，X射线照射不仅在蛋白水平上增加了SHh和Gli1的表达，而且还诱导了Gli1的转录活性[20]。本研究采用了一种独特的方法，即将未接受放疗的细胞接种于已接受放疗细胞顶部，然后检测未接受放疗细胞的生长情况。结果显示放疗处理的细胞在X射线剂量下可以刺激未放疗的细胞生长，从而诱导SHh/Gli表达。照射细胞中SHh通路的抑制降低了未照射细胞的生长。上述研究支持SHh对放疗的反应可能来自于旁分泌的效应。

3.3 Hh信号通路与肺癌的放疗敏感性

ZENG等[27]评估了Hh通路抑制剂(HhAntag)和放疗对体外和体内非小细胞肺癌模型的影响。虽然体外实验显示HhAntag对放疗的影响较弱，但在异种移植和转基因小鼠模型中，HhAntag增强了辐射效应，而且该效应的产生可能与肿瘤间质中相关的信号通路被抑制有关。GOMEZ CASAL等[28]研究发现，放疗可体外诱导非小细胞肺癌细胞的肿瘤干细胞和上皮-间质转化表型，而这些表型与实体肿瘤的耐药和耐辐射机制相关。

3.4 Hh信号通路与其他肿瘤的放疗敏感性

在儿童髓母细胞中，DOS SANTOS等[29]研究发现，在单独使用三氧化二砷或联合照射处理后，儿童髓母细胞出现SHh通路一个或多个基因(即PTCH1、SUFU或SMO)的突变，同时髓母细胞细胞的活性下降，凋亡增加，放射敏感性增强。在乳腺癌中，车俊[30]研究显示，经环巴胺衍生物SCJ处理的乳腺癌细胞联合照射后，其凋亡蛋白Bax表达明显上调，而周期蛋白cyclinD1表达明显下调，同时放射相关蛋白Ku-70蛋白、FEN-1蛋白等表达下调。使用Hh通路抑制剂可显著增加乳腺癌细胞MCF-7和MDA-MB-231的辐射敏感性，且该增敏作用可能与促凋亡的Bax蛋白表达上调，细胞周期调节蛋白cyclinB1的表达下调相关，促使细胞阻滞于对辐射敏感的G2/M期，进而增加辐射诱导的细胞凋亡，同时抑制辐射后的乳腺癌细胞的损伤修复，从而增加其放疗的敏感性。KONINGS等[15]研究比较了Hh通路抑制剂GANT61与碳离子照射或X射线照射联合处理的疗效，发现GANT61与X射线或碳离子(能量：95 mev·n-1；线性能量转移：73 kev·μm-1)联合处理更能有效减少乳腺癌MCF-7细胞的迁移，提示GANT61具有增加MCF-7乳腺癌细胞放射敏感性及降低细胞迁移的能力。在宫颈癌中，CHAUDARY等[31]研究显示，癌组织中Hh通路相关蛋白的表达较正常宫颈组织显著上调，同时证实抑制Hh信号通路可影响宫颈癌细胞放化疗后的再增殖作用。CHAUDARY等[32]通过建立宫颈癌原位异种移植模型OCICx发现，与单纯放疗组和放疗+顺铂组比较，Hh通路抑制剂5E1+放疗加顺铂组的肿瘤生长明显延缓。此外，SMO蛋白抑制剂联合放化疗也显著延缓了OCICx的肿瘤生长及转移，延长OCICx的总生存期。谢晓飞等[33]研究不同放疗剂量分割方式对宫颈癌细胞HeLa-229中Hh通路相关分子SMO、Gli-1表达的影响时发现，多次分割剂量放疗可增加HeLa-229细胞株中SMO与Gli-1的表达，而且在放疗总剂量均为24 Gy的情况下，小剂量多次分割放疗激活SMO与Gli-1表达的效果要优于较大剂量较少次放疗的效果，但其相关机制尚未明确，且目前亦无梯度放疗与Hh通路分子表达关系的类似报道，这可能是未来探讨放疗抵抗机制的的重要方向之一。在骨肉瘤中，MA等[20]发现，耐辐射的骨肉瘤细胞系中Hh通路相关蛋白的表达升高，SHh抑制剂的使用不仅削弱了细胞的增殖和侵袭能力，而且增加了该细胞的放疗敏感性。在前列腺癌中，GONNISSEN等[34]的体外试验证实，Hh信号抑制剂GANT61可增加前列腺癌细胞系22Rv1的放射敏感性，但不增加PC3和DU145前列腺癌细胞的放射敏感性，其原因可能是因为GANT61主要通过抑制细胞周期和诱导凋亡来提高22Rv1细胞的放射敏感性，且该作用可能是P53信号介导的。体内实验[34]证实，在前列腺癌异种移植模型中GANT61与放疗具有协同效应，可增加放疗的疗效。

4 结语

Hh信号通路与多种肿瘤的放疗敏感性相关，通过调控Hh信号通路，可改善肿瘤的放疗敏感性，但其具体作用机制仍不明了，且目前大多数研究仍为实验性探索，缺乏更多前瞻性的临床研究来评估SHh通路靶向治疗在放疗期间的协同增效作用，这可能未来研究的方向之一。但不管怎样，随着对Hh信号通路了解的不断深入，该通路相关分子应用在肿瘤的早期诊断、靶向治疗及提高肿瘤放疗敏感性等方面均具有较大潜能。