頭頸鱗狀細(xì)胞癌乏氧微環(huán)境與放療抵抗相關(guān)性的研究進(jìn)展

牛愷文，周昕，張鑫婷，曾子融，方潔瑩，鄧澤義，曹萍

(南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院 1.耳鼻咽喉頭頸外科中心；2.質(zhì)量管理科，廣東 廣州 510282)

頭頸鱗狀細(xì)胞癌(head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC)位列全球惡性腫瘤發(fā)病人數(shù)排名中的第7位[1]，手術(shù)及放化療仍然是主要的治療手段。在很長的一段時(shí)間內(nèi)，術(shù)后5年生存率并沒有得到明顯提高，其中治療后HNSCC的高復(fù)發(fā)率及其顯著的轉(zhuǎn)移能力是影響HNSCC患者預(yù)后的主要因素。乏氧微環(huán)境的存在使腫瘤細(xì)胞發(fā)生改變以適應(yīng)乏氧狀態(tài)，細(xì)胞侵襲力增加，對放化療抵抗性也增強(qiáng)，發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的機(jī)會(huì)隨之升高，嚴(yán)重影響腫瘤患者的治療效果和預(yù)后。因此，持續(xù)性地改善腫瘤乏氧微環(huán)境對于改變HNSCC放化療抵抗及提高治療效果具有重要作用[2]。

1 HNSCC治療的現(xiàn)況

HNSCC的治療方式有手術(shù)、放射治療和化學(xué)藥物治療，但手術(shù)本身徹底根除腫瘤有一定局限性，而隨著放療技術(shù)及化療藥物等綜合治療的進(jìn)步，許多人傾向于選擇保留器官的非手術(shù)治療，這可以使患者在5年生存率和器官功能保留方面同時(shí)獲益，一旦局部復(fù)發(fā)可再行挽救性手術(shù)。術(shù)后放療能改善局部晚期HNSCC患者的療效，減少局部區(qū)域復(fù)發(fā)的概率[3]。有研究表明放療后晚期不良反應(yīng)(如潰瘍、軟組織壞死、纖維化、吞咽困難、瘺和骨頭壞死等)發(fā)生率較高[4]。因此，術(shù)后放療應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膭┝?，術(shù)后放療高危區(qū)域照射劑量根據(jù)手術(shù)切緣的病理結(jié)果，推薦60～66 Gy/30～33次，照射6～7周。調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT) 在保證腫瘤靶區(qū)得到高劑量照射的同時(shí)，可以使原發(fā)灶周圍危及器官組織得到有效的保護(hù)，是目前較常使用的放療方式[5]。

2 乏氧微環(huán)境誘導(dǎo)腫瘤放療抵抗的機(jī)制

許多研究表明腫瘤細(xì)胞對DNA損傷的修復(fù)能力、耐受能力是放療抵抗的直接原因，而乏氧微環(huán)境為放療抵抗提供了最重要的環(huán)境。細(xì)胞對電離輻射的效應(yīng)依賴于氧，氧在電離輻射和生物體之間相互作用，產(chǎn)生氧效應(yīng)。迅速增大的實(shí)體瘤中，血管增生與腫瘤體積的增大常常是不匹配的，而且腫瘤內(nèi)部的血管形態(tài)是異常的，這導(dǎo)致腫瘤內(nèi)部出現(xiàn)一部分乏氧區(qū)，位于這部分的腫瘤細(xì)胞，隨著乏氧微環(huán)境的產(chǎn)生，細(xì)胞內(nèi)部分子表達(dá)亦發(fā)生改變，逐漸適應(yīng)乏氧環(huán)境及對DNA損傷的耐受能力[6]。

L?ck 等[7]證實(shí)，放化療期間殘留的腫瘤存在乏氧狀態(tài)是導(dǎo)致HNSCC治療產(chǎn)生耐藥性的主要驅(qū)動(dòng)力。乏氧微環(huán)境為HNSCC細(xì)胞產(chǎn)生放療抵抗提供了重要的條件[8]，可刺激細(xì)胞產(chǎn)生乏氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor，HIF)。HIF-1、HIF-2在HNSCC組織中高表達(dá)[9]，若給與小干擾RNA或反義寡核苷酸，細(xì)胞自噬水平和凋亡顯著升高，但抑制自噬后，細(xì)胞凋亡并沒有減少，即HIF的存在使得腫瘤細(xì)胞一定程度上躲避了放療后的凋亡，這說明細(xì)胞在乏氧微環(huán)境中主要通過HIF實(shí)現(xiàn)放化療抵抗。HIF可降低細(xì)胞增殖，減少活性氧的產(chǎn)生及DNA損傷，使細(xì)胞代謝維持較低水平，使細(xì)胞長期具有活性，且能促進(jìn)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移[6]。

乏氧對腫瘤細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelia-mesenchymal transition，EMT)的調(diào)節(jié)作用也是乏氧微環(huán)境誘導(dǎo)腫瘤放療抵抗的一個(gè)重要機(jī)制。乏氧環(huán)境下腫瘤細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，侵襲和移動(dòng)的能力增強(qiáng)，表面黏附因子丟失，上皮標(biāo)志物表達(dá)降低，而間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物增加，即產(chǎn)生了EMT。EMT可使腫瘤細(xì)胞獲得移動(dòng)性，離開原始部位，向遠(yuǎn)處遷移擴(kuò)散，是腫瘤細(xì)胞浸潤轉(zhuǎn)移的一個(gè)途徑[10]。在乏氧環(huán)境中參與EMT過程的信號(hào)通路被直接或間接激活，例如轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor β,TGF-β)信號(hào)通路、Notch(因基因功能缺失導(dǎo)致果蠅翅膀的邊緣形成缺刻而命名為Notch)信號(hào)通路、Wnt(由小鼠integration基因和果蠅wingless基因合成為Wnt)信號(hào)通路、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylin ositol 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，又稱AKT)信號(hào)通路等，這些通路共同促進(jìn)乏氧下EMT的發(fā)生和進(jìn)行[11]。在一系列的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，這些通路得到了驗(yàn)證。在鼻咽癌細(xì)胞中，小檗堿可通過阻斷TGF-β通路來抑制EMT，從而增強(qiáng)細(xì)胞的放射敏感性[12]；在5種HNSCC細(xì)胞株中，抑制Notch通路可以使腫瘤細(xì)胞侵襲能力減弱[13]；在口腔鱗癌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，敲除同源框基因10可通過抑制Wnt通路來抑制細(xì)胞的EMT，降低細(xì)胞侵襲和遷移的能力[14]；微小RNA-155過表達(dá)可以導(dǎo)致PI3K/AKT通路的激活，進(jìn)而調(diào)節(jié)EMT，促進(jìn)鼻咽癌細(xì)胞的放療抵抗[15]?？偠灾?，乏氧導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞中HIF-1的穩(wěn)定存在，誘導(dǎo)了EMT的發(fā)生，增加了腫瘤放療抵抗。

3 檢測腫瘤乏氧程度的方法

避免腫瘤內(nèi)部低氧區(qū)的細(xì)胞存活的一類方法是加大放療的輻射劑量，但輻射劑量加大的同時(shí)帶來了更大的副作用，風(fēng)險(xiǎn)隨之增大，因此，如何選擇腫瘤乏氧程度高的患者也非常重要，然而目前還沒有測量腫瘤乏氧程度的金標(biāo)準(zhǔn)。由于硝基咪唑類化合物在低氧條件下無法被氧化為硝基擴(kuò)散出細(xì)胞外，因此目前已研發(fā)出多種應(yīng)用于正電子發(fā)射顯像(positron emission tomography，PET)的基于硝基咪唑的低氧特異性示蹤劑。使用18F-氟硝基咪唑 PET來測量治療第2周后的腫瘤乏氧程度，可能是選擇具有局部區(qū)域高復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)患者的一種方法[7]。18F-FAZA(1-α-D-[5’-脫氧-5’-氟阿拉伯呋喃糖基]-2-硝基咪唑)也是一種基于硝基咪唑的低氧特異性示蹤劑，使用18F-FAZA PET/CT掃描，可以篩選出腫瘤乏氧水平高、需要加強(qiáng)治療的患者[16]。有研究證實(shí)改善低氧微環(huán)境能夠?qū)θ巳轭^瘤病毒陰性的HNSCC腫瘤產(chǎn)生放射增敏的效益[17]。一項(xiàng)影像學(xué)臨床實(shí)驗(yàn)表明，對于淋巴細(xì)胞浸潤程度高的腫瘤患者，改善其乏氧狀態(tài)能夠獲得更好的預(yù)后[18]。內(nèi)源性代謝和乏氧相關(guān)標(biāo)志物作為預(yù)后和預(yù)測標(biāo)志物也具有重要意義，可以用于測定腫瘤乏氧程度[19]。由于不同的標(biāo)志物對乏氧和其他環(huán)境因素的反應(yīng)不同，這些標(biāo)志物的組合可用于預(yù)測治療結(jié)果和選擇合適的患者進(jìn)行新的靶向治療。還有學(xué)者設(shè)置了一種體外模型，使用哌莫硝唑和其他乏氧相關(guān)蛋白(骨橋蛋白，hif1α和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1)染色，繪制了前列腺癌的供氧圖，用于精確檢測腫瘤組織中的氧氣供應(yīng)[20]。

4 改善乏氧微環(huán)境及實(shí)現(xiàn)放療增敏的方法

改善腫瘤乏氧微環(huán)境，即增加腫瘤乏氧區(qū)的氧供應(yīng)，是放療增敏的一種有效手段。近年來，有學(xué)者制備納米復(fù)合物來增加腫瘤的氧供應(yīng)，比如混合半導(dǎo)體有機(jī)硅基納米節(jié)氧劑pHPFON-NO/O2。首先，這種納米材料與酸性腫瘤微環(huán)境相互作用，釋放NO以保護(hù)內(nèi)源性O(shè)2；其次，它同時(shí)釋放O2從而實(shí)現(xiàn)外源性O(shè)2輸注[21]。通過氧基微泡(oxygen microbubbles，O2-MBs)及超聲技術(shù)向腫瘤部位輸送氧氣也被證實(shí)能克服放療前腫瘤部位的乏氧[22]，通過靜脈或局部注射一種由脂質(zhì)殼包裹氧氣和全氟丙烷的O2-MBs，結(jié)合超聲靶向破壞微泡技術(shù)，能顯著增強(qiáng)放療的效果[23- 24]。有臨床研究證明高壓氧艙可提供高壓氧環(huán)境，直接增加腫瘤組織的含氧量，對改善腫瘤乏氧微環(huán)境有效[25]。ARCON(放療、混合氧、尼克酰胺)臨床試驗(yàn)證實(shí)了結(jié)合尼克酰胺(針對急性乏氧)與慢性乏氧改良劑(如卡泊金，一種O2和CO2氣體的混合物)的治療方法可明顯改善腫瘤組織的急慢性乏氧環(huán)境，增強(qiáng)放療的效果[26]。氧的供應(yīng)依靠紅細(xì)胞中的血紅蛋白，因此提高血液中氧的運(yùn)輸能力也被看做是改善腫瘤乏氧微環(huán)境的一種方法[27]。然而，根治性放化療期間，輸血對改善頭頸腫瘤乏氧狀態(tài)沒有作用[28]。使用人造血液替代品來提高血液氧分壓也被視為一種可能有效的方法[29]。還有研究提出了降糖藥二甲雙胍可以抑制細(xì)胞內(nèi)的氧消耗，增加氧擴(kuò)散距離，可能和糖尿病患者某些腫瘤發(fā)病率較低有關(guān)[30-31]。高度親電子的硝基芳香族化合物可以使低氧細(xì)胞放射增敏。其中，在丹麥頭頸癌(DAHANCA2)的放療增敏研究中證實(shí)米索硝唑具有放療增敏作用[32]，尼莫拉唑也已被納入丹麥標(biāo)準(zhǔn)放療的指南中，用于頭頸部癌放療[33]。

改變乏氧微環(huán)境導(dǎo)致的腫瘤細(xì)胞內(nèi)部信號(hào)傳遞及分子表達(dá)情況也是實(shí)現(xiàn)放療增敏的一種有前景的手段。在乳腺癌的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，飽和乳鐵蛋白(holo-lactoferrin, Holo-Lf)可改善乏氧微環(huán)境，促進(jìn)乏氧細(xì)胞和腫瘤中HIF-1α的降解，Holo-Lf誘導(dǎo)活性氧增加，影響HIF-1α表達(dá)和ROS生成，提高了體內(nèi)腫瘤的放射敏感性[34]。有研究者開發(fā)了D-精氨酸負(fù)載金屬有機(jī)骨架納米顆粒，用于增強(qiáng)骨肉瘤的放射敏感性，納米顆粒上的D-精氨酸可產(chǎn)生一氧化氮并下調(diào)HIF-1α，以減輕腫瘤細(xì)胞的乏氧；此外，金屬有機(jī)骨架還可以產(chǎn)生自由基來殺傷腫瘤細(xì)胞[35]。也有團(tuán)隊(duì)以HIF-lα為靶基因，通過導(dǎo)入siRNA或反義寡核苷酸從而抑制HIF-lα的活性，達(dá)到削弱腫瘤細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移及逆轉(zhuǎn)腫瘤細(xì)胞放化療抵抗的目的[36]。表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)在多數(shù)頭頸腫瘤中高表達(dá)，EGFR抑制劑可通過減少HIF-1α的表達(dá)，來降低血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)和抑制腫瘤血管生成，從而改善乏氧微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)放療增敏[37-38]。有研究表明，EGFR單抗與放療聯(lián)合使用，可以增強(qiáng)放療敏感性，從而提高療效[39-40]。西妥昔單抗已成為第一個(gè)被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)常規(guī)用于HNSCC的靶向藥物[41]。但是一項(xiàng)Ⅲ期隨機(jī)對照研究比較了放療聯(lián)合順鉑和西妥昔單抗治療局部晚期頭頸部鱗癌(Ⅲ、Ⅳ期)的效果，在局部晚期頭頸部鱗癌患者中，放療聯(lián)合西妥昔單抗的腫瘤控制能力不如放療聯(lián)合順鉑[42]。

5 對HNSCC治療的展望

放療抵抗和腫瘤的乏氧微環(huán)境密切相關(guān)，目前已有許多基礎(chǔ)研究證實(shí)通過改變腫瘤的乏氧微環(huán)境，增加對腫瘤干細(xì)胞的損傷，可以達(dá)到放療增敏的目的[43]。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，在改善腫瘤乏氧微環(huán)境中納米材料將得到更多應(yīng)用。乏氧腫瘤細(xì)胞中多種DNA損傷信號(hào)通路可引起輻射抗性，聯(lián)合抑制細(xì)胞周期檢查點(diǎn)和DNA修復(fù)靶點(diǎn)，也對改善放化療抵抗有所幫助。深度學(xué)習(xí)技術(shù)及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也有望提升放射治療的水平，保護(hù)頭頸器官功能的同時(shí)減少腫瘤乏氧區(qū)的產(chǎn)生[44]。隨著人們對于生存率及生活質(zhì)量的期望的提高，手術(shù)方式將更加傾向于選擇保留頭頸器官功能的術(shù)式，這也就意味著個(gè)體化的放化療、靶向治療和生物治療需要更進(jìn)一步的研究。