高压氧增强胰腺癌放射治疗敏感性的研究进展

曾福斌 张火俊

1海军军医大学第一附属医院放射治疗科,上海 200433;2上海理工大学健康科学与工程学院,上海 200093

【提要】 受肿瘤低氧微环境的影响,胰腺癌对放射治疗产生一定程度的抵抗,影响其疗效。高压氧可以通过改善肿瘤缺氧微环境,并影响相关细胞信号通路,增强胰腺癌放射治疗敏感性。本文就高压氧增强放射治疗敏感性的机制以及高压氧增强胰腺癌放射治疗敏感性的研究进展进行综述。

胰腺癌是缺氧程度较高的肿瘤之一,癌细胞在严重缺氧和营养受限的肿瘤微环境中具有复杂的代谢适应能力[1]。肿瘤缺氧微环境是影响胰腺癌放疗敏感性的主要因素。高压氧作为一种重要的辅助治疗手段能够直接改善瘤内氧分压,现已被广泛用于缺氧所致的各种疾病的治疗。目前已有研究表明,高压氧可以通过提高胰腺癌细胞内氧分压,增强胰腺癌的放疗敏感性,进而提高胰腺癌放疗疗效,但其内在的增敏机制尚不明确。本文基于肿瘤发生和发展与缺氧的关系及高压氧增强放疗敏感性的机制,对近年来高压氧在胰腺癌放疗增敏中的应用研究进行综述,为高压氧在胰腺癌放疗增敏领域的下一步研究提供线索。

一、肿瘤发生发展与缺氧

肿瘤微环境的研究发端于1889年,Paget[2]认为作为“种子”的肿瘤细胞生长需要相适应的“土壤”生长环境,提出“种子与土壤”假说。1984年Moulder和Rockwell[3]使用电极、外源性标志物表达或上调内源性缺氧相关分子等方法对肿瘤缺氧状态进行评估,证明缺氧是动物实体瘤、人肿瘤异种移植物和人类癌症的共同特征。2000年Koong等[4]利用极谱法溶解氧传感器首次指出胰腺癌属于典型的缺氧实体肿瘤。2011年Hanahan和Weinberg[5]总结肿瘤的十大恶性特征,缺氧被认为是肿瘤微环境的重要特性之一,明确了缺氧在肿瘤发生和发展中的重要作用。

缺氧诱发肿瘤细胞的适应性反应,与肿瘤的增殖、分化、血管生成、能量代谢、化疗耐药性、辐射抵抗性以及患者预后较差密切相关[6]。研究发现缺氧与肿瘤生物学特性的密切关系促成肿瘤的发生、发展,具体表现在:(1)缺氧与活性氧。缺氧状态增强活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)释放,高活性的ROS诱导DNA的损伤和基因组的不稳定,促使正常细胞发生致癌转化[7-8]。(2)缺氧与代谢重建。在缺氧状态下癌细胞发生糖酵解移位重建代谢过程,由氧化磷酸化供能转变为无氧糖酵解供能,促使癌细胞快速增殖,加剧了肿瘤的缺氧状态[9]。(3)缺氧与血管生成。缺氧促进肿瘤细胞分泌血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和纤维细胞生长因子,诱导生发新血管,使肿瘤扩展性生长[5]。这些快速生成的新生血管网络往往结构紊乱,功能失调,进一步加剧缺氧状态[10]。(4)缺氧与癌细胞增殖和凋亡。缺氧导致缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)、红细胞生成素及VEGF上调,诱导癌细胞增殖,同时促使部分原癌基因激活或抑癌基因缺失,减少细胞凋亡[11]。(5)缺氧与癌细胞干性。缺氧通过活化各肿瘤干细胞(cancer stem cell,CSC)信号通路,促使癌细胞获得CSC表型。缺氧诱导的自噬通过平衡微环境的ROS水平,维持氧化稳态可以调节胰腺癌细胞干性,对胰腺癌细胞干性的诱导和维持具有潜在作用[12]。

二、高压氧增强放疗敏感性的机制

早在20世纪50年代已有氧气对微生物、植物、细胞和动物辐射反应影响的研究[13]。随后研究发现当氧分压降至约20 mmHg以下时,细胞对辐射损伤产生抵抗[14]。目前认为缺氧是影响肿瘤辐射反应的主要负面因素,射线杀灭缺氧肿瘤细胞需用比正常氧分压细胞高3倍的辐射剂量[15-17]。高压氧治疗直接解决组织缺氧,因此其较早被应用于放疗增敏领域。早期研究关注高压氧是否有促癌作用,后被证实高压氧不会刺激肿瘤生长和复发,反而在某些癌症中具有肿瘤抑制作用[18]。近年的临床试验数据显示,高压氧可以提高头颈部肿瘤、胶质瘤、宫颈癌的放疗疗效,但对皮肤癌、膀胱癌却并不理想[19]。此外,相关研究还发现在超过2个绝对大气压下,高压氧可以减少对头颈部、骨骼、前列腺和膀胱的迟发性放射损伤,改善患者预后[20-21]。李茁等[22]也指出放射性肠炎、脑病、皮肤损伤、肺损伤及口干症等患者均可在高压氧治疗中获益。总之,高压氧在部分肿瘤放射治疗中不仅可以增加放疗敏感性,还可以减少辐射的不良反应。

高压氧增加放疗敏感性的机制主要包括以下几个方面:(1)改善肿瘤细胞缺氧。高压氧可以提高血氧含量,增强氧弥散半径,改善肿瘤细胞缺氧状态。Becker等[23]和Kinoshita等[24]分别采用氧电极测量和磁共振成像监测高压氧治疗前后的肿瘤组织氧分压,结果表明高压氧可以升高肿瘤内氧分压,并且离开高压氧环境仍能维持一定时间。有研究发现高压氧通过改善肿瘤缺氧微环境和基质微环境,能够部分逆转由缺氧诱导的血管结构异常,减少血管密度和曲率,改善肿瘤缺氧[25]。(2)诱导肿瘤细胞周期阻滞。高压氧可诱导细胞周期同步化,使更多肿瘤细胞处于辐射敏感的G2/M期,增强肿瘤细胞辐射敏感性。高压氧还可以解除CSC在G0/G1期的细胞阻滞,诱导细胞进入G2/M期并在该期积累,进而促进癌细胞增殖抑制和细胞凋亡[26]。相比其他细胞周期,G2/M期细胞对辐射敏感,可提高肿瘤细胞辐射损伤。(3)诱导肿瘤细胞凋亡。高压氧通过使p53、Bax等凋亡诱导基因过表达和Bcl-2、Ras等凋亡抑制基因低表达,诱导肿瘤细胞凋亡。Wei等[27]发现高压氧使Bcl-2/Bax比值降低,增加细胞凋亡。Wang等[28]还发现高压氧可显著降低缺氧导致的乳酸脱氢酶活性升高,恢复缺氧导致的E-cadherin/N-cadherin比值降低和上皮间质转化表型,抑制GRP78蛋白的表达,具有抗增殖和促凋亡作用。

三、高压氧增强胰腺癌放疗敏感性

既往相关研究表明,高压氧联合放疗能够改善部分肿瘤的缺氧微环境,增加其放疗敏感性,减少辐射不良反应,但能否使胰腺癌放疗患者获益仍然是目前争论的焦点。

早期的相关研究主要关注高压氧与胰腺癌放疗联合的不良反应率、临床受益反应率和近期疗效。2005年任延刚等[29]将56例晚期胰腺癌患者分成治疗组与对照组,治疗组患者每次放疗前先进入2个绝对大气压的医用高压氧舱吸氧1 h,出舱后立即进行全身伽玛刀治疗,对照组单纯进行全身伽玛刀治疗。两组均取50%～90%的等剂量线覆盖病灶,计划靶体积覆盖95%以上临床靶体积,单次剂量3～6 Gy,重复治疗6～12次,总剂量30～42 Gy,隔日治疗。结果显示,治疗组临床受益反应率、治疗后3个月客观缓解率分别为85.7%、78.6%,对照组为60.7%、53.6%, 两组血常规、肝肾功能、消化道反应等方面的不良反应未见明显差异。表明高压氧和全身伽玛刀联合治疗不增加放射治疗的不良反应,可提高临床受益反应率和近期疗效,改善患者的生活质量。

随着研究逐步深入,相关研究开始关注高压氧对胰腺肿瘤组织缺氧的改善以及对相关肿瘤标志物的影响。2015年芦兰和师幸伟[30]选取68例Ⅱ～Ⅳ期胰腺癌患者,分为观察组(35例)和对照组(33例),两组均以50%～60%剂量线包裹靶区,周边处方剂量35～42 Gy,中位处方剂量38 Gy,3.5 Gy/次,5次/周,共10～12次。观察组患者每次放疗前先进入医用高压氧舱以2个绝对大气压下吸氧1 h,舱内平均纯氧浓度65%～95%,出舱后20 min内进行陀螺刀治疗,对照组直接进行陀螺刀治疗。结果显示,观察组在高压氧舱给氧后动脉血氧分压和血氧饱和度显著升高;根据放疗前及放疗后3个月肿瘤大小改变情况评估近期疗效,观察组与对照组客观缓解率差异有统计学意义(65.71%比45.45%);放疗前两组肿瘤标志物CA125、CEA、CA19-9水平差异不明显,放疗后两组水平均下降,且观察组低于对照组;消化系统急性放射反应总发生率观察组为42.86%,对照组为63.64%,二者差异有统计学意义。提示放疗前行高压氧治疗可改善肿瘤细胞缺氧,提高胰腺癌放疗近期疗效,减轻急性放射损伤。

近年来相关研究则进一步关注高压氧增加胰腺癌放疗敏感性的内在机制。2019年安安等[31]选取84例中晚期胰腺癌患者,分为观察组和对照组,两组均进行立体定向放疗,通过剂量体积直方图给予50%～70%的等剂量曲线覆盖计划靶体积,剂量为2～3.5 Gy/次,总剂量为35～45 Gy,1次/d,连续治疗5 d,间隔2 d;观察组患者在放疗前先行高压氧治疗。比较两组患者治疗前后CA19-9、HIF-1α、VEGF水平及临床总有效率、不良反应发生情况。结果显示,两组患者CA19-9、HIF-1α、VEGF水平均下降,且观察组CA19-9下降程度高于对照组;观察组临床总有效率为64.28%,显著高于对照组的40.48%;观察组骨髓抑制、肝功能损害、胃肠道反应发生率均明显低于对照组。提示高压氧辅助放疗可通过下调CA19-9、HIF-1α及VEGF水平增加胰腺癌细胞对放疗的敏感性,提高临床疗效,减少不良反应,有助于提高患者生活质量。

目前,关于CSC与胰腺癌放疗敏感性相关信号通路的研究已成为胰腺癌研究新领域。CSC具有自我更新、多向分化、致瘤性强、耐受肿瘤治疗的特性,往往导致癌症的转移复发、放疗失败和预后不良,被认为是影响肿瘤辐射抵抗性的主要因素。研究发现胰腺癌CSC辐射抵抗性相关信号通路主要有NF-κB信号通路、Wnt/β-catenin信号通路、PI3K/AKT/mTOR信号通路、Notch信号通路、Hedgehog信号通路、TGF-β信号通路等。有研究指出NF-κB通路在肿瘤细胞应对电离辐射时发挥关键作用,是DNA损伤修复机制之一,与肿瘤侵袭性生长、抗凋亡和辐射抵抗性相关。You等[32]研究表明STAT3/NF-κB信号转导的失活可能在诱导胰腺癌细胞放射敏感性中起重要作用。Wnt/β-catenin信号通路在细胞增殖转移、凋亡抑制、去分化等调控过程中发挥作用,在胰腺癌放疗增敏中备受关注。牛思等[33]发现通过靶向抑制FAM83A影响Wnt/β-catenin信号通路的活性,可增强胰腺癌细胞的放疗敏感性。此外,有研究表明PI3K/AKT/mTOR信号通路参与癌症关键标志物的调控,对胰腺导管腺癌患者全基因组分析显示PI3K/AKT/mTOR途径组分异常激活[34]。有研究表明抑癌基因ARID1A表达的丧失也会通过激活PI3K/AKT途径增强胰腺癌的放射抵抗性[35]。

综上所述,目前关于高压氧增强胰腺癌放疗敏感性的研究仍然处于探索阶段。在实际应用中虽然高压氧能有效改善肿瘤细胞缺氧微环境,在胰腺癌放疗增敏中具有很高的应用价值和前景,但缺乏高级别循证医学证据是其广泛应用的主要障碍。另一方面高压氧治疗在放疗应用中并不方便、高效,且可能增加并发症的发生[36],故提高胰腺癌高压氧放疗增敏的便捷性和安全性仍需进一步研究。相信深入理解高压氧增强胰腺癌放疗敏感性的分子机制,将促进高压氧胰腺癌放疗增敏在临床中的应用。

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