放射治疗诱发体内旁效应的研究进展

张行 潘燕 邵春林

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放射治疗诱发体内旁效应的研究进展

    通讯作者: 邵春林, clshao@shmu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 81273001

    国家自然科学基金 31570850

Research progress on the bystander effect of radiotherapy in vivo

    Corresponding author: Chunlin Shao, clshao@shmu.edu.cn
  • Fund Project: National Natural Science Foundation of China 81273001National Natural Science Foundation of China 31570850

  • 摘要: 随着肿瘤放疗机制的不断深入研究,人们发现肿瘤放疗时引起的体内旁效应对肿瘤治疗及预后起着至关重要的作用。体内旁效应的产生主要与放疗后引起的氧化应激信号的传递、DNA损伤和免疫系统的激活相关,因此,人们可以通过干预旁效应减少放疗对正常组织损伤并提高肿瘤治疗效果。笔者就近年来放疗引起的体内旁效应及其分子机制的研究进展进行综述。
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-03-27
  • 刊出日期:  2017-05-25

放射治疗诱发体内旁效应的研究进展

    通讯作者: 邵春林, clshao@shmu.edu.cn
  • 200032 上海, 复旦大学放射医学研究所
基金项目:  国家自然科学基金 81273001国家自然科学基金 31570850

摘要: 随着肿瘤放疗机制的不断深入研究,人们发现肿瘤放疗时引起的体内旁效应对肿瘤治疗及预后起着至关重要的作用。体内旁效应的产生主要与放疗后引起的氧化应激信号的传递、DNA损伤和免疫系统的激活相关,因此,人们可以通过干预旁效应减少放疗对正常组织损伤并提高肿瘤治疗效果。笔者就近年来放疗引起的体内旁效应及其分子机制的研究进展进行综述。

English Abstract

  • 放疗是肿瘤治疗的主要手段之一,自1992年首次明确发现辐射旁效应以来[1],人们逐渐发现放疗时的体内旁效应是一把“双刃剑”,其一方面可以治疗远处转移瘤,另一方面却造成正常组织的损伤甚至二次致癌。因此了解肿瘤放疗时体内旁效应的机制可以对肿瘤临床放疗计划的制定起指导作用。

    • 辐射旁效应是当细胞或者组织受到辐照后,部分受照射的细胞会将信号传递给周围的细胞,对应的非靶细胞接受信号并且产生相应生物学效应[1]。靶细胞将信号传递给非靶细胞主要有两种方式:① 辐照后的细胞直接通过细胞间隙来传递相关信息,即细胞间隙通讯[2]。② 细胞通过分泌物质来传递信号。一方面通过分泌可溶性的细胞分泌物,如:一氧化氮(nitric oxide,NO)、炎性因子等,其直接通过细胞膜到达非靶细胞内部发挥作用或者与非靶细胞的表面受体相结合,导致非靶细胞产生特定的生物学效应[3-4]。另一方面通过囊泡、外泌体等细胞分泌物来传递旁效应信号[3-5]。非靶细胞和靶细胞会发生相似的生物学改变,主要包括:DNA损伤、基因不稳定、染色体不稳定、炎性反应、细胞凋亡等[6]

    • 放疗是肿瘤治疗的一种重要手段,但在局部照射后,可以观察到非照射区域内具有复杂的系统性反应。例如,在远端正常组织中出现DNA损伤反应、基因组不稳定、细胞凋亡甚至诱发恶性肿瘤;另一方面,也有患者出现非照射部位的肿瘤转移瘤消退的现象。

    • 放疗可通过体内旁效应诱导邻近的甚至远端的非照射正常组织产生DNA损伤、细胞凋亡、细胞衰老和组织纤维化等,并具有潜在的致癌风险[7]。研究发现,在照射大鼠部分肺脏时,未照射肺部发生DNA损伤[8]。临床研究也发现,肿瘤放疗后会造成相应正常组织的损伤,如:肺癌放疗后可能引起放射性肺炎和放射性肺纤维化[9-11]。Siva等[12]研究发现,在非小细胞肺癌患者放疗和放化疗时,未接受照射的毛囊中发现DNA损伤,说明局部放疗会导致未受照射的远端正常组织DNA损伤。此外,对非大脑部位进行放疗时会引起远端未受照部位的脑组织产生旁效应,导致脑内多处基础代谢减退和持续性的神经炎症[13]。上述研究表明,放疗引起的体内辐射旁效应对未受照射正常组织的影响主要表现为损伤效应。

    • 放疗引起的体内旁效应对未受照射的转移瘤进行杀伤,这可能成为肿瘤治疗的一种新策略。研究发现,在受到局部放疗的患者中,有14%(4/28)患者的未受照肾癌组织出现损伤退化,且该4例患者之前未接受任何其他治疗,说明肾癌细胞的损伤退化可能是通过放疗的体内旁效应发生的[14]。Konoeda等[15]发现,在以单一放疗为肿瘤治疗手段的乳腺癌患者中,有35.7%(15/42)患者的转移淋巴结中发现旁效应,52.4%(22/42)患者在组织病理学检查中发现远端损伤,同样证明肿瘤放疗中存在体内旁效应,并提示体内旁效应有利于肿瘤治疗。考虑到对患者的干预难以实现,有研究者在C57BL/6小鼠背部及腿部分别植入小鼠肺癌肿瘤,待肿瘤长到一定大小对背部肿瘤进行局部照射并观察远处腿部肿瘤大小是否改变,最终实验结果发现:在野生型小鼠中,辐照组的腿部肿瘤增长速度明显小于对照组[16],进一步证明放疗引起的体内旁效应有利于未照射部位肿瘤的治疗。

    • 肿瘤放疗时,照射后的靶细胞会产生ROS,该自由基分子及其相关信号的传递与体内旁效应有密切的关系。ROS可以直接通过细胞间隙通讯传递到旁效应细胞并导致其DNA损伤[2]。连接蛋白是细胞间隙通讯的主要物质[17]。但在体外实验中发现,一些肿瘤细胞中连接蛋白表达较少,在增加肿瘤细胞中的连接蛋白表达后可以增强旁效应[18-19]。但是,放疗时由细胞间隙通讯产生体内旁效应的具体机制目前仍不明确。

      NO可以通过细胞质和质膜将信号从靶细胞传递到旁效应细胞,是靶细胞将ROS信号传递给旁效应细胞的重要信号分子。靶细胞中产生的NO可诱导某些NO依赖性的蛋白发生翻译后修饰,使其功能改变从而传递细胞信号,最终导致旁效应细胞中DNA损伤和基因组不稳定[20]。同时,有研究者提出NO不仅可以传递旁效应信号,还可以调节炎性反应和影响血管功能[21]。ROS和NO通过细胞间隙通讯多数是短距离的,主要在较短距离的体内旁效应中发挥作用。不过也有研究发现,转化生长因子-β1-miR21-ROS通路在非小细胞肺癌H1299细胞的旁效应中具有重要作用,说明靶细胞可以通过一些miRNA将ROS信号传递到较远的组织[22]

    • 肿瘤放疗的主要途径是通过辐射导致肿瘤细胞内DNA损伤,这种损伤如果未修复或者不完全修复最终会导致细胞损伤甚至死亡[23]。研究发现,靶细胞DNA损伤后也会将这种信号传递给旁效应细胞从而产生旁效应,并且处于DNA复制或转录时期的细胞对辐射旁效应信号因子更敏感[24]

    • 研究发现,细胞凋亡会释放胞外DNA作为全身应激信号。放疗后凋亡的细胞释放的胞外DNA不同于活细胞释放的新合成的双链DNA/RNA脂蛋白复合物,而是富集氧化核苷的损伤DNA片段[25]。氧化DNA片段对旁效应细胞的DNA损伤的影响方式与靶细胞相似。氧化DNA片段会引起旁效应细胞发生氧化应激,进而导致旁效应细胞中线粒体的氧化损伤和DNA损伤,并且激活DNA损伤应答途径,而一些触发细胞级联凋亡而趋向死亡的旁效应细胞会再次通过释放氧化的胞外DNA、IL-6、IL-8、TNF-α等作为应激信号参与诱发二次体内旁效应[26-27]。同时,有研究发现,正常细胞和肿瘤细胞对氧化DNA的反应不同,即肿瘤细胞对氧化DNA依赖性的DNA损伤更敏感,并产生显著的适应性反应[28]。Siva等[12]研究发现,局部放疗时未受到照射的正常组织会产生系统的DNA损伤,这可能是氧化的DNA片段到达各个部位的结果。但氧化DNA片段如何进入旁效应细胞并产生旁效应的具体机制仍不明确。

    • 研究发现,DNA损伤后会通过共济失调毛细血管扩张症突变基因影响核转录因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)通路,导致细胞内IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体、TNF、环氧化酶、诱导型一氧化氮合酶的表达异常,并与旁效应细胞表面受体结合,使旁效应细胞启动特异性信号转导途径:酪氨酸蛋白激酶2-信号转导子和转录激活子3、NF-κB、促分裂原活化蛋白激酶[29]。在正常人成纤维细胞暴露于氦离子后,在靶细胞和旁效应细胞中均观察到NF-κB活化[29]。同时还有其他的应激通路启动,如:由基因毒性剂诱导的旁效应是通过激活促分裂原活化蛋白激酶[30],调节基因转录改变蛋白质合成,进而调控细胞周期,导致细胞凋亡。除了通过促分裂原活化蛋白激酶途径的应激信号外,还有通过在特定细胞区室中积聚的未折叠蛋白质,即细胞质应激、内质网应激和线粒体应激,而且持续激活的未折叠蛋白质应激反应最终会导致细胞凋亡[31]。这些细胞信号通路的激活可能也是放疗后正常组织产生损伤的原因之一。

    • 放疗可以改变肿瘤内部的微环境。在肿瘤组织中由于免疫抑制细胞因子、免疫抑制细胞及抑制宿主抗肿瘤免疫配体的过表达使肿瘤具有免疫逃逸的现象[32-33]。但是放疗不仅引起肿瘤组织微环境发生巨大变化,而且使肿瘤细胞内抗原性物质释放,使机体免疫系统被激活,从而引发体内旁效应,这种体内旁效应可以对较远距离的肿瘤转移灶产生影响,也称为远位效应[34]

    • 目前的研究发现,放疗后的炎性反应可能导致组织炎症、纤维化甚至再次发生肿瘤[34]。放疗时,被照射部位的免疫细胞产生的细胞因子将移动并激活远端未受照组织中的巨噬细胞,激活的巨噬细胞产生促炎分子,如:环氧化酶、一氧化氮合酶、IL6、TNFα、超氧化物、ROS和NO[35-37]等。这些分子的释放可导致细胞中的氧化性DNA损伤,以至远端未受照的组织产生远端旁效应[37]。有研究发现,当照射大鼠部分肺脏时,在未照射肺部发生DNA损伤,并且整个肺组织的IL-1α、IL-1、转化生成因子β、TNF-α都发生改变[8]。经过照射的人小细胞肺癌细胞H446可以诱导巨噬细胞U937细胞对未直接与靶细胞共培养的人支气管上皮细胞BEAS-2B产生次级旁效应,靶细胞产生细胞因子可以通过巨噬细胞传递旁效应[38]。同时,靶细胞是肺成纤维细胞时,巨噬细胞也具有传递旁效应信号的作用[39]

    • 肿瘤放疗后会产生免疫应答。首先,放疗会导致肿瘤细胞表面抗原的暴露和抗原递呈细胞的活化。另外,肿瘤放疗后会产生大量的细胞因子,如:NF-κB、高迁移率族蛋白1等,这些因子会促进树突状细胞(dendritic cells, DC)成熟,同时,也会促进DC向引流淋巴结转移[34, 40-43]。当DC迁移到淋巴结后,DC表面蛋白会与T细胞表面蛋白相互作用使T细胞被激活[34]。最后效应T细胞离开淋巴结并到达被照射和一些未被照射的肿瘤组织,这些具有抗原识别的T细胞对所在部位肿瘤发挥作用,从而引起远端肿瘤的消退[34]

    • 目前报道的放疗体内旁效应,主要是对正常组织的损伤和对远端转移瘤的消减。在放疗中,正常组织的损伤主要有组织炎症、器官纤维化、二次肿瘤。通过对放疗体内旁效应的研究,可以发现各种损伤产生的机制,从而达到预防和治疗的目的。如对患者的损伤最为严重的是再次发生恶性肿瘤,可以由ROS、DNA损伤片段等旁效应信号因子引起,因此可以使用抑制氧化应激信号传递的药物预防二次恶性肿瘤的发生[44]。此外研究发现,当放疗时采用的剂量方案不同时,患者免疫系统被激活的程度也有区别,从而产生的体内旁效应也不同[45]。另有研究发现,在肺癌和纤维肉瘤的小鼠模型中剂量分割方案不同,未照射部位肿瘤生长抑制效果也有差别[16]。放疗联合免疫药物(免疫检测点抑制剂、肿瘤疫苗、适应性T细胞转移、细胞因子)可以更好地发挥放疗的远位效应,达到对远端肿瘤的治疗效果[46]。临床治疗中发现,局部放疗联合粒-巨噬细胞集落刺激因子治疗转移性实体瘤对远端未照射组织也能达到良好的治疗效果[47]

    • 放疗引起的体内旁效应已经在临床研究中被广泛报道。目前发现放疗引起的体内旁效应主要包括:对远端肿瘤和转移瘤的杀伤作用、对正常组织的损伤作用。目前,放疗产生体内旁效应的机制还存在许多未知之处,因此,对正常组织具有保护作用、同时可放大对远端肿瘤旁效应治疗效果的药物研究还有待开展。在后续研究中,可重点关注放疗引起的体内旁效应对正常组织损伤和远处转移瘤消减作用的分子机制差异,根据分子机制的差异来设计对应策略,降低放疗不良反应,增强放疗疗效。相信对放疗引起体内旁效应机制的研究将会为肿瘤放疗提供新的思路。

参考文献 (47)

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