靶向抑制头颈部鳞状细胞癌PI3K/AKT/mTOR信号通路增加放射敏感性：单药或联合用药

2023-04-16郭宇周水洪

现代实用医学 2023年1期

郭宇，周水洪

头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）常表现为高耐放疗，主要取决于肿瘤细胞内信号通路的改变及其与肿瘤微环境的动态相互作用。本文综述PI3K/AKT/mTOR信号通路在HNSCC放射抵抗中的作用机制，总结HNSCC中联合放疗的靶向PI3K/AKT/mTOR研究及联合靶向抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路用于HNSCC放射增敏的研究。通过靶向或联合靶向PI3K/AKT/mTOR通路治疗放射抵抗的HNSCC有很好的临床前研究结果，各种单用或联合应用正在研究中，以期用于放射增敏。

1 HNSCC的放疗与PI3K/AKT/mTOR信号通路

1.1 HNSCC的放疗 HNSCC是世界上第六大常见癌症，主要发生在口腔、口咽、喉部和下咽，每年诊断病例约80万例[1]。接触烟草衍生的致癌物和过度饮酒是HNSCC的主要危险因素，而在美国和西欧，与感染人类乳头瘤病毒（HPV）有关的口咽癌正在增加[2]。HNSCC治疗失败的主要原因有15%～50%的病例发生局部复发，即使给予最大限度的综合治疗，其5年生存率约为40%。对肿瘤治疗（化疗、放疗、分子治疗和免疫治疗）的抵抗是治疗失败的原因。放疗是HNSCC局部晚期除手术外最重要的治疗方式，可作为单一或辅助治疗方案，或与具有放射增敏潜力的治疗相结合。虽然HNSCC联合放化疗对肿瘤控制有益，但由于严重的毒副作用，可能会降低患者的生活质量，甚至降低生存期。因此需要新的策略来了解肿瘤细胞的耐药特性，预测对治疗的反应，并通过使用放疗增敏药物来降低毒副反应，改善患者预后。

1.2 HNSCC中PI3K/AKT/mTOR信号通路 HNSCC基因组特征分析显示HNSCC中有50%～90%的EGFR过表达[3]。EGFR参与包括增殖、抗凋亡和分化等关键的细胞过程，其下游通路（PI3K/AKT/mTOR）是HNSCC最常见的突变位置[4-5]。80%的HNSCC常存在EGFR-PI3K/AKT/mTOR途径一个或多个组分的分子改变。EGFR或下游蛋白的过表达可导致肿瘤的恶性行为[6-7]。特别是HPV感染的口咽肿瘤，随着下游靶点mTOR的激活，PI3K通路出现频繁的突变[8-9]。HNSCC的放射抵抗节点大多数都与EGFR-PI3K/AKT/mTOR信号通路有关。因此，了解和针对PI3K/AKT/mTOR通路的分子治疗对放射增敏具有重要意义。

2 HNSCC中PI3K/AKT/mTOR信号通路介导的放射抵抗

放疗是HNSCC除手术外最重要的治疗方式，局部复发仍然是治疗失败的主要形式，而高达60%的局部复发通常与放疗抵抗有关。放疗抵抗与肿瘤细胞增殖、内在机制和微环境相互作用有关。探究晚期HNSCC进展过程及放疗抵抗机制是巨大挑战。

2.1 放疗的DNA损伤放疗是利用电离辐射切断DNA的化学键，以诱导细胞死亡。DNA损伤导致DNA损伤反应（DDR）的激活，减轻这种损伤，有助于防止突变或细胞死亡，促进细胞存活。DNA双链断裂（DSB）是电离辐射最严重的损伤类型[10]，可以通过同源重组（HR）或非同源末端连接（NHEJ）进行修复，在哺乳动物中以NHEJ途径为主[11]。如果修复失败，细胞可能通过凋亡、有丝分裂突变、衰老、坏死或自噬等途径发生死亡。

2.2 EGFR-PI3K/AKT介导的DNA损伤修复HNSCC中EGFR是PI3K/AKT通路激活的主要调节因子。在头颈部肿瘤中PI3K/AKT活性对下咽癌的放射抵抗的影响已在体外报道[12]，电离辐射诱导EGFR及其下游PI3K/AKT通路的激活，调节细胞生长、增殖和存活，从而影响对电离辐射的反应。

DNA依赖蛋白激酶（DNA-PK）是DDR中NHEJ过程的一种主要酶。在NHEJ过程中，DNA-PK催化亚基的特定位点（Thr2609和Ser2056）的磷酸化对于高效修复DNA-DSB是必需的。磷酸化位点突变后细胞对放射的敏感性增强，支持DNA-PK磷酸化在DNA-DSB修复中的特定功能。AKT是通过C末端（结构域）与DNA-PK催化亚基相互作用。辐照后，AKT1与DNA-PK催化亚基在细胞核内立即形成功能复合体，促进DNA-PK亚基在DNA-DSB位点的积累并刺激DNA-PK活性，这是DNA-DSB修复进程的必要步骤。AKT被EGFR、PI3K等通路上游突变或过表达激活，导致辐射诱导的DNA-PK活性增加，DNA-DSB的修复增强。PI3K/AKT对不同来源肿瘤细胞DNA-DSB修复和辐射抵抗的影响已被证实。

2.3 肿瘤微环境中缺氧以HIF-1-VEGF介导的放射抵抗肿瘤微环境通过缺氧与细胞增殖、血管生成和代谢的相互作用影响放射抵抗。大量临床研究显示肿瘤缺氧与HNSCC患者放疗后预后不良有关[13]。缺氧状态主要刺激缺氧诱导因子-1亚基（HIF-1）的稳定，导致许多下游靶基因转录，除促进介导Warburg效应的糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白-1（GLUT-1）表达外，还促进一个非常重要的下游靶基因血管内皮生长因子（VEGF）表达，即HIF-VEGF通路。HIF-1和VEGF过表达均与HNSCC局部区域控制恶化和放疗后患者生存期降低相关。HIF-1-VEGF可激活EGFR-PI3K导致AKT/mTOR信号通路活性增加。增加的mTORC1，动员GLUTs、激活糖酵解酶HK2，增强糖酵解，促进肿瘤生长，从而间接增加HIF-1丰度以及HIF-1相关的糖酵解酶和GLUT的表达，促进Warburg效应介导的放射抵抗。

3 HNSCC中的PI3K/AKT/mTOR信号通路及基因突变

PI3K是一类高度保守的酶家族，是由调节亚基p85和催化亚基p110构成的二聚体。当PI3K与EGFR结合后，可改变AKT的蛋白结构，使其活化，并以磷酸化作用激活或抑制下游一系列底物，下游靶点是mTOR。PTEN为具有双重特性磷酸酶活性的肿瘤抑制基因，可使AKT去磷酸化而减少活化，可阻止所有由AKT调控的下游信号传导事件，是PI3K的负向调节因子。

目前，HNSCC患者中已经发现了广泛的PI3K通路中不同基因的突变、扩增和过表达，其中基因突变最多为编码p110的PIK3CA基因。HNSCC中激活PI3K轴的基因改变可以分为四类：激活上游分子（如EGFR）的基因改变（47%），涉及PIK3CA的基因改变（50%），轴效应者的基因改变，以及PTEN的基因改变（10%～15%）[14]。EGFR-PI3K/AKT/mTOR信号通路的高激活状态与HNSCC患者临床预后较差有关，其关键节点在介导HNSCC的放射抵抗中发挥重要作用。

4 放疗中靶向PI3K/AKT/mTOR

4.1 靶向上游EGFR 阻断EGFR包括靶向受体配体结合域的单克隆抗体和小分子酪氨酸激酶抑制剂。研究最多的EBER单克隆抗体是西妥昔单抗（Cetuximab）。2006年FDA批准联合放疗可用于治疗局部或区域晚期的HNSCC[15]，并作为铂难治复发/转移性HNSCC的单药治疗。一项由106名患者参与的随机II期研究[研究了尼妥珠单抗（Nimotuzumab）联合放疗]，结果显示了生存获益的趋势，特别是在EGFR阳性肿瘤中[16]。

4.2 靶向PI3K及负向调控因子PTEN

4.2.1 靶向PI3K 目前靶向PI3K有两大类抑制剂：泛PI3K抑制剂和异构体选择性抑制剂。泛PI3K抑制剂Buparisib、Copanlisib、Pilaralisib、Taselisib、PX-866等在HNSCC患者中的治疗效果较好。而泛PI3K抑制剂如Wortmannin、LY294002，在HNSCC细胞系中具有良好的放射增敏作用，但由于不利的毒副作用，其临床应用受到限制。BYL-719是唯一的p110特异性抑制剂，目前有5个临床试验招募患者来测试BYL-719单独或联合顺铂、紫杉醇、Cetuximab和放疗对HNSCC患者的疗效[17]。

4.2.2 靶向PI3K负向调控因子PTEN 靶向抑制PTEN作为PI3K/AKT信号的负调控是癌症治疗的另一个要点。硼替佐米（Bortezomib）是26S蛋白酶体抑制剂，可阻断蛋白酶体介导PTEN降解，来降低PI3K/AKT活性来增强放射敏感性。正在进行Bortezomib联合放疗的临床试验（NCT01445405、NCT00629226、NCT00011778）将为放疗增敏带来新的研究信息。

4.3 靶向PI3K轴下游效应因子

4.3.1 靶向AKT 与PI3K抑制剂不同，尽管AKT抑制剂如Perifosine和Tricribine在临床前研究中具有良好的抗癌效果，但在II期临床试验中未能成功治疗HNSCC患者。体外培养中发现，用Tricribine抑制AKT可提高与LY294002相似的放射敏感性，但作为单一药物时对细胞增殖没有影响。目前为止，只有一项临床研究将AKT抑制剂（MK-2206）应用于HNSCC的II期治疗（NCT01349933），但由于出现一些不良反应，其应用受到限制[18]。

4.3.2 靶向mTOR Ekshyyan等[19]证明mTOR1抑制剂坦西莫司（Torisel）在体外、体内对HNSCC细胞有放射增敏效果。放疗联合Torisel在抑制肿瘤生长方面明显强于联合顺铂。另一种mTOR1抑制剂依维莫司联合放疗在HNSCC中的治疗效果正在临床试验阶段（NCT01058408、NCT00858663、NCT01057277），还未批准用于临床。

Cerniglia等[20]研究了选择性双PI3K和mTOR激酶抑制剂NVP-BEZ235在HNSCC中的作用。NVPBEZ235在体外和异种移植中显著提高了HNSCC细胞的放射敏感性，可通过减弱辐射诱导的DNA-PK磷酸化，来减少DDR过程。

5 联合抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路用于HNSCC放射增敏

5.1 联合HIF-1 HIF-1现被认为是一种重要的抗癌药物靶点。大量研究采用各不相同的策略抑制HIF-1表达以提高肿瘤细胞的放射敏感性[21]。PI3K/AKT/mTOR可调节人70%以上来源癌细胞中的HIF-1翻译，目前正在研究的mTOR抑制剂可以抑制HIF-1的翻译，如坦西莫司由于其抗血管生成活性，被用于治疗乳腺癌的临床开发研究。在PI3K/AKT/mTOR通路的抑制剂中，只有Torisel因为其抑制HIF-1翻译的抗血管活性而获得了临床上的成功。

前期在裸鼠中通过ASO HIF-1质粒能降低HIF-1的mRNA水平及蛋白的表达水平，从而增加移植瘤放射敏感性。Wang等[22]发现人结肠癌细胞中Wogonin通过PI3K/AKT信号通路抑制HIF-1表达和糖酵解相关蛋白，对荷瘤裸鼠具有显著的肿瘤生长抑制作用，可用来增加结直肠癌放射敏感性。丹酚酸B在口腔鳞状细胞癌中通过抑制PI3K/AKT/HIF-1信号通路来增加其抗癌活性。课题组前期通过基于CRISPR/Cas9系统靶向敲除HIF-1来降低其mRNA和蛋白表达水平，可能通过PI3K/AKT/mTOR通路来抑制喉癌的生长、增殖和转移[23]。

如前述肿瘤缺氧以HIF-1-VEGF表达增加可激活EGFR-PI3K导致AKT/mTOR信号通路活性增加，促进Warburg效应介导的放射抵抗，因此HIF-1-VEGF与PI3K/AKT/mTOR之间相互调控。Torisel具有HIF-1-VEGF与PI3K/AKT/mTOR双重抑制的作用，在放射增敏中取得成功。因此提出靶向抑制HIF-1及联合抑制PI3K/AKT/mTOR通路可以增加肿瘤的放射敏感性，新的联合放射增敏方案值得探索。

5.2 联合自噬 HNSCC中PI3K信号通路除控制细胞增殖外，还是自噬的主要调节因子，其抑制剂可能会增加HNSCC的自噬，并间接支持癌细胞存活。HNSCC的体外研究和动物模型表明，自噬支持肿瘤细胞生长和治疗耐药性。目前仅有两种自噬抑制剂被批准用于临床使用：氯喹（CQ）和羟氯喹（HCQ）。

Bernard等[24]研究了PI3K联合自噬对HNSCC的作用，氯喹可有效抑制PI3K抑制剂诱导的自噬，联合使用可以协同减少癌细胞增殖，而不依赖于细胞系的PIK3CA状态。Cerniglia等[20]发现NVPBEZ235使HNSCC细胞（SQ20B）及异种移植瘤放射增敏，加用氯喹，可增加对癌细胞的杀伤作用。为未来临床试验中联合自噬与靶向PI3K/AKT/mTOR抑制策略提供了理论依据。