腫瘤放射治療生物學(xué)效應(yīng)研究進展

胡樂林 王俊杰

北京大學(xué)第三醫(yī)院腫瘤治療中心，北京100083

腫瘤放射治療生物學(xué)效應(yīng)研究進展

胡樂林 王俊杰#

北京大學(xué)第三醫(yī)院腫瘤治療中心，北京100083

放射治療是一種重要的腫瘤治療方式，傳統(tǒng)觀點認(rèn)為射線主要通過DNA損傷活化損傷感應(yīng)器觸發(fā)細(xì)胞凋亡、壞死、有絲分裂殤折或細(xì)胞衰老而發(fā)揮抗腫瘤的功能。研究證實，射線除了損傷DNA還作用于細(xì)胞質(zhì)膜和亞細(xì)胞器通過細(xì)胞內(nèi)的多條信號途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡，增殖分化和遷移，并且射線照射細(xì)胞也能向鄰近未被照射的腫瘤細(xì)胞傳遞旁觀者應(yīng)答信號殺傷鄰近腫瘤細(xì)胞，保護正常組織免受破壞。本文主要就腫瘤放射治療過程中這些生物學(xué)效應(yīng)展開綜述，為明確腫瘤細(xì)胞對射線的應(yīng)答信號通路打下基礎(chǔ)，并有助于開發(fā)新的放療增敏劑。

放射治療；DNA損傷；神經(jīng)酰胺；旁效應(yīng)

自從1895年射線被發(fā)現(xiàn)以來，放射治療在許多惡性腫瘤一線治療中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展增加了人們對放射治療后細(xì)胞應(yīng)答效應(yīng)的理解。射線一方面對DNA、質(zhì)膜和亞細(xì)胞器靶向損傷通過多種蛋白信號傳遞途徑觸發(fā)被照射的細(xì)胞死亡，另一方面被照射細(xì)胞向鄰近未被照射的腫瘤細(xì)胞傳遞旁觀者應(yīng)答信號殺傷鄰近腫瘤細(xì)胞，保護正常組織免受破壞[1]。

1 DNA的損傷

DNA是射線最重要的生物效應(yīng)靶點，射線引起的DNA永久性損傷程度與細(xì)胞死亡密切相關(guān)。射線直接損傷DNA或者通過活性氧（ROS）/活性氮（RNS）對DNA產(chǎn)生間接損傷。平均每個細(xì)胞接受每Gy的射線能產(chǎn)生105的電離作用，除了其他類型的DNA損傷外能引起2000個單鏈斷裂和40個雙鏈斷裂。射線照射后通過DNA損傷感應(yīng)器和細(xì)胞周期調(diào)節(jié)器傳遞信號[2]。

DNA損傷的感應(yīng)和應(yīng)答對保持腫瘤細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)預(yù)防腫瘤的發(fā)展至關(guān)重要。細(xì)胞對DNA損傷的應(yīng)答分為三部分：DNA損傷的感應(yīng)階段，DNA損傷信號通路的活化階段，DNA損傷的修復(fù)階段。在這三個階段中的相關(guān)蛋白行使DNA損傷的感應(yīng)器，傳導(dǎo)器和效應(yīng)器[3]。如果DNA損傷被有效地修復(fù)，細(xì)胞恢復(fù)正常功能；如果損傷不能被完全修復(fù)，慢性DNA損傷將觸發(fā)細(xì)胞凋亡或細(xì)胞衰老而發(fā)揮抗腫瘤的功能[4]。

2 細(xì)胞膜損傷

以往的研究認(rèn)為細(xì)胞核中DNA雙螺旋是射線直接能量沉積或者間接通過ROS/RNS作用的主要靶點。利用微光束系統(tǒng)選擇照射無核的鞘脂類神經(jīng)酰胺膜證實除DNA外質(zhì)膜是射線誘導(dǎo)的細(xì)胞應(yīng)答另一個目標(biāo)。射線誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的ROS/RNS，ROS/RNS主要是通過脂質(zhì)過氧化物反應(yīng)、鞘脂類神經(jīng)酰胺的產(chǎn)生、細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平的改變影響細(xì)胞內(nèi)的多條信號通路調(diào)節(jié)細(xì)胞多種功能，如凋亡、增殖分化、遷移、細(xì)胞骨架和形態(tài)的改變[2]。

2.1 射線對質(zhì)膜的損傷

在暴露于射線情況下氧化損傷是射線誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的重要機制，射線刺激ROS/RNS的產(chǎn)生，ROS/RNS是胞質(zhì)信號傳導(dǎo)中的重要活化劑。一方面，射線直接或通過ROS/RNS間接活化質(zhì)膜的鞘磷脂酶，脂質(zhì)降解直接影響質(zhì)膜的流動性和滲透性。這種降解影響大多數(shù)多不飽和脂肪酸，導(dǎo)致他們的極性組件破碎，隨之缺少膜屏障的功能，而這種膜屏障功能對腫瘤細(xì)胞的完整性至關(guān)重要[5]。另一方面，射線和氧化應(yīng)激情況下膜鞘磷脂被鞘磷脂酶水解導(dǎo)致神經(jīng)酰胺在原位產(chǎn)生，神經(jīng)酰胺誘導(dǎo)膜微域聚集形成富含神經(jīng)酰胺的平臺，死亡受體(Trail,CD95,TNF)，Toll樣受體(TLR2,4,5)，細(xì)胞因子受體IL-1R能夠聚集于這些神經(jīng)酰胺富集的平臺在膜的小區(qū)域形成高密度受體，受體聚集限制橫向擴散穩(wěn)定受體和配體的相互作用[6]。

2.2 質(zhì)膜相關(guān)信號分子和第二信使

在射線誘導(dǎo)的膜信號通路中神經(jīng)酰胺途徑至關(guān)重要。神經(jīng)酰胺如同磷酸二醇和甘油三酯一樣在凋亡信號中作為第二信使在質(zhì)膜外側(cè)重組并緩慢向脂質(zhì)雙層內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)，從而能與細(xì)胞內(nèi)的分子相互作用。研究顯示，絲氨酸和蘇氨酸磷酸化酶是神經(jīng)酰胺的效應(yīng)分子，能與神經(jīng)酰胺的特異結(jié)合。這些磷酸酶能活化不同的信號蛋白，如Rb，Bcl-2，c-jun，蛋白激酶Cα(PKCα)，PKCζ等[7]。研究證實質(zhì)膜通道是神經(jīng)酰胺的新靶點。例如在T淋巴細(xì)胞神經(jīng)酰胺抑制鈣流入的鈣通道和電壓門控的鉀通道，引起鉀流出[8-9]。最近的研究還證實。鈣和Rho蛋白有可能也在射線誘導(dǎo)的膜信號通路中起重要作用[10-11]。

3 亞細(xì)胞器的損傷

射線照射后引起亞細(xì)胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體的靶向損傷可能在射線引起的效應(yīng)中也起著重要的作用。射線引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)多種細(xì)胞的非折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）。非折疊蛋白反應(yīng)有利于恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)并降解錯誤折疊的蛋白從而增加細(xì)胞的蛋白折疊能力。非折疊蛋白反應(yīng)轉(zhuǎn)錄活化Grp78。它包括三部分IRE1(inositol-requiring enzyme 1)，PERK(protein kinase RNA-like ER kinase)，ATF6(activating transcription factor 6)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激應(yīng)答中IRE1，PERK和ATF6促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)重建基因的表達(dá)從而始動內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號傳導(dǎo)。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激延長或過度時，這些非折疊蛋白反應(yīng)將引起應(yīng)激細(xì)胞的死亡。最近的研究顯示，射線應(yīng)答中非折疊蛋白反應(yīng)中PERK/eIF2α（eukaryotic translation initiation factor 2α）能夠調(diào)節(jié)乳腺癌的放射敏感性[12]。除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)外線粒體也在射線作用的重要靶點，射線通過釋放ROS的直接應(yīng)答或改變線粒體膜通透性間接觸發(fā)的細(xì)胞色素C的釋放而啟動凋亡[13]。

有研究顯示，射線照射細(xì)胞的胞質(zhì)提取物能夠誘導(dǎo)正常核的DNA片段化，并且直接照射細(xì)胞胞質(zhì)也能引起細(xì)胞死亡和基因突變。因此，胞質(zhì)也是射線基因毒效應(yīng)的重要靶標(biāo)[14]。Shao等認(rèn)為低劑量射線照射后不僅直接DNA損傷來啟動重要的細(xì)胞信號，整個細(xì)胞被認(rèn)為射線照射的感應(yīng)器[15]。

4 細(xì)胞旁效應(yīng)

早在1953年Mole提出射線誘導(dǎo)的遠(yuǎn)位效應(yīng)，他將這種效應(yīng)定義為放射對機體遠(yuǎn)離射線照射區(qū)的作用效應(yīng)[16]。40年后Nagasawa和Little等[17]在體外描述射線照射后射線直接照射的細(xì)胞對鄰近非照射細(xì)胞的基因毒效應(yīng)。研究證實，當(dāng)單層培養(yǎng)中國倉鼠卵巢癌細(xì)胞暴露于低劑量α粒子，不到1%的細(xì)胞核被單α粒子穿透，但是有30%的細(xì)胞姐妹染色單體交叉，這種效應(yīng)被定義為射線引起的旁效應(yīng)，它主要由非照射細(xì)胞對直接照射細(xì)胞釋放信號的應(yīng)答，這些非照射細(xì)胞將射線對直接照射細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)擴大[18]，在體外使用培養(yǎng)的多種細(xì)胞，組織外移植，組織模型的3D重建以及在體內(nèi)使用魚和齲齒動物模型證實旁效應(yīng)的存在。旁效應(yīng)包括一系列生物程序，如DNA損傷、惡性轉(zhuǎn)化、染色體畸變、細(xì)胞死亡、凋亡和放射適應(yīng)性應(yīng)答。在這個程序中多種致染色體畸變因子和信號傳導(dǎo)分子參與其中[19]。

4.1 細(xì)胞間縫隙連接傳遞信號

當(dāng)細(xì)胞或組織暴露于射線時除了對DNA損傷的直接應(yīng)答，細(xì)胞通過細(xì)胞間縫隙連接和炎癥應(yīng)答傳遞信號?？p隙連接是一種細(xì)胞間多亞基蛋白組成的通道，這種通道允許1000～1500 Da的信號分子通過，從而使直接接觸的細(xì)胞間的效應(yīng)信號得以傳導(dǎo)。一些重要的和代謝分子通過細(xì)胞縫隙連接功能（gap junctional intercellular communication，GJIC）傳送，包括Ca2+、核苷酸、肽和第二信使[20]。

4.2 釋放炎癥介質(zhì)傳遞信號

旁效應(yīng)應(yīng)答的第二條途徑是受照射的細(xì)胞通過釋放可溶性因子介導(dǎo)。這些因子能通過培養(yǎng)基從照射細(xì)胞向非照射細(xì)胞傳遞[21]。這些因子被廣泛研究，它們的分子量大小從1000到10000 kDa，包括脂類過氧化物、肌酐和細(xì)胞因子，如腫瘤壞死因子α（TNFα）。1922年第一篇有關(guān)射線照射后引起可溶性因子釋放的研究被報道。用射線照射動物的血清刺激懸浮淋巴細(xì)胞生長，這種效應(yīng)在射線照射后1～2 h比較明顯，而在17 h后觀察不到[22]。在1950～1960年的進一步研究證實放射治療患者的血液標(biāo)本中含有致染色體斷裂的因子。多種因子在切爾諾貝利核電事故后暴露于射線的人的血標(biāo)本中被報道[23]。一系列研究證實細(xì)胞因子包括IL-6，IL-8，TGFβ1，TNFα，ROS和RNS在放射引起的旁效應(yīng)中起重要作用[24]。旁效應(yīng)介導(dǎo)的信號應(yīng)答與炎癥應(yīng)答有許多相似之處。例如：最近的研究顯示，射線照射也能引起體內(nèi)巨噬細(xì)胞發(fā)生持續(xù)性高水平的氧化應(yīng)激[25]。

5 結(jié)語

過去幾十年腫瘤分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展為其在臨床中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。以信號傳導(dǎo)途徑為靶點的藥物治療有希望與放療聯(lián)合增強放療的療效。這些靶向藥物通過特異的活化或者抑制某些分子靶點來調(diào)控放射應(yīng)答。但是，在臨床實踐中放射治療與分子治療相結(jié)合才起步。如果要發(fā)展?jié)撛诘闹委煱悬c就必須深入研究腫瘤放射治療的效應(yīng)機制。射線主要通過損傷DNA，細(xì)胞質(zhì)膜，亞細(xì)胞器或者通過旁效應(yīng)應(yīng)答作用活化多條信號途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、增殖分化、遷移等多種功能。腫瘤細(xì)胞對射線的應(yīng)答機制以及這些細(xì)胞中的信號通路的闡明，有助于開發(fā)新藥增加放射殺傷腫瘤細(xì)胞的能力，并保護正常組織免受更多的破壞。

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R730.55

A

10.11877/j.isn.1672-1535.2015.05.05

#通信作者（corresponding author），e-mail：junjiewang_edu@sina.cn

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