高壓氧增強胰腺癌放射治療敏感性的研究進展

曾福斌 張火俊

1海軍軍醫大學第一附屬醫院放射治療科,上海 200433;2上海理工大學健康科學與工程學院,上海 200093

【提要】 受腫瘤低氧微環境的影響,胰腺癌對放射治療產生一定程度的抵抗,影響其療效。高壓氧可以通過改善腫瘤缺氧微環境,并影響相關細胞信號通路,增強胰腺癌放射治療敏感性。本文就高壓氧增強放射治療敏感性的機制以及高壓氧增強胰腺癌放射治療敏感性的研究進展進行綜述。

胰腺癌是缺氧程度較高的腫瘤之一,癌細胞在嚴重缺氧和營養受限的腫瘤微環境中具有復雜的代謝適應能力[1]。腫瘤缺氧微環境是影響胰腺癌放療敏感性的主要因素。高壓氧作為一種重要的輔助治療手段能夠直接改善瘤內氧分壓,現已被廣泛用于缺氧所致的各種疾病的治療。目前已有研究表明,高壓氧可以通過提高胰腺癌細胞內氧分壓,增強胰腺癌的放療敏感性,進而提高胰腺癌放療療效,但其內在的增敏機制尚不明確。本文基于腫瘤發生和發展與缺氧的關系及高壓氧增強放療敏感性的機制,對近年來高壓氧在胰腺癌放療增敏中的應用研究進行綜述,為高壓氧在胰腺癌放療增敏領域的下一步研究提供線索。

一、腫瘤發生發展與缺氧

腫瘤微環境的研究發端于1889年,Paget[2]認為作為“種子”的腫瘤細胞生長需要相適應的“土壤”生長環境,提出“種子與土壤”假說。1984年Moulder和Rockwell[3]使用電極、外源性標志物表達或上調內源性缺氧相關分子等方法對腫瘤缺氧狀態進行評估,證明缺氧是動物實體瘤、人腫瘤異種移植物和人類癌癥的共同特征。2000年Koong等[4]利用極譜法溶解氧傳感器首次指出胰腺癌屬于典型的缺氧實體腫瘤。2011年Hanahan和Weinberg[5]總結腫瘤的十大惡性特征,缺氧被認為是腫瘤微環境的重要特性之一,明確了缺氧在腫瘤發生和發展中的重要作用。

缺氧誘發腫瘤細胞的適應性反應,與腫瘤的增殖、分化、血管生成、能量代謝、化療耐藥性、輻射抵抗性以及患者預后較差密切相關[6]。研究發現缺氧與腫瘤生物學特性的密切關系促成腫瘤的發生、發展,具體表現在:(1)缺氧與活性氧。缺氧狀態增強活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)釋放,高活性的ROS誘導DNA的損傷和基因組的不穩定,促使正常細胞發生致癌轉化[7-8]。(2)缺氧與代謝重建。在缺氧狀態下癌細胞發生糖酵解移位重建代謝過程,由氧化磷酸化供能轉變為無氧糖酵解供能,促使癌細胞快速增殖,加劇了腫瘤的缺氧狀態[9]。(3)缺氧與血管生成。缺氧促進腫瘤細胞分泌血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和纖維細胞生長因子,誘導生發新血管,使腫瘤擴展性生長[5]。這些快速生成的新生血管網絡往往結構紊亂,功能失調,進一步加劇缺氧狀態[10]。(4)缺氧與癌細胞增殖和凋亡。缺氧導致缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)、紅細胞生成素及VEGF上調,誘導癌細胞增殖,同時促使部分原癌基因激活或抑癌基因缺失,減少細胞凋亡[11]。(5)缺氧與癌細胞干性。缺氧通過活化各腫瘤干細胞(cancer stem cell,CSC)信號通路,促使癌細胞獲得CSC表型。缺氧誘導的自噬通過平衡微環境的ROS水平,維持氧化穩態可以調節胰腺癌細胞干性,對胰腺癌細胞干性的誘導和維持具有潛在作用[12]。

二、高壓氧增強放療敏感性的機制

早在20世紀50年代已有氧氣對微生物、植物、細胞和動物輻射反應影響的研究[13]。隨后研究發現當氧分壓降至約20 mmHg以下時,細胞對輻射損傷產生抵抗[14]。目前認為缺氧是影響腫瘤輻射反應的主要負面因素,射線殺滅缺氧腫瘤細胞需用比正常氧分壓細胞高3倍的輻射劑量[15-17]。高壓氧治療直接解決組織缺氧,因此其較早被應用于放療增敏領域。早期研究關注高壓氧是否有促癌作用,后被證實高壓氧不會刺激腫瘤生長和復發,反而在某些癌癥中具有腫瘤抑制作用[18]。近年的臨床試驗數據顯示,高壓氧可以提高頭頸部腫瘤、膠質瘤、宮頸癌的放療療效,但對皮膚癌、膀胱癌卻并不理想[19]。此外,相關研究還發現在超過2個絕對大氣壓下,高壓氧可以減少對頭頸部、骨骼、前列腺和膀胱的遲發性放射損傷,改善患者預后[20-21]。李茁等[22]也指出放射性腸炎、腦病、皮膚損傷、肺損傷及口干癥等患者均可在高壓氧治療中獲益。總之,高壓氧在部分腫瘤放射治療中不僅可以增加放療敏感性,還可以減少輻射的不良反應。

高壓氧增加放療敏感性的機制主要包括以下幾個方面:(1)改善腫瘤細胞缺氧。高壓氧可以提高血氧含量,增強氧彌散半徑,改善腫瘤細胞缺氧狀態。Becker等[23]和Kinoshita等[24]分別采用氧電極測量和磁共振成像監測高壓氧治療前后的腫瘤組織氧分壓,結果表明高壓氧可以升高腫瘤內氧分壓,并且離開高壓氧環境仍能維持一定時間。有研究發現高壓氧通過改善腫瘤缺氧微環境和基質微環境,能夠部分逆轉由缺氧誘導的血管結構異常,減少血管密度和曲率,改善腫瘤缺氧[25]。(2)誘導腫瘤細胞周期阻滯。高壓氧可誘導細胞周期同步化,使更多腫瘤細胞處于輻射敏感的G2/M期,增強腫瘤細胞輻射敏感性。高壓氧還可以解除CSC在G0/G1期的細胞阻滯,誘導細胞進入G2/M期并在該期積累,進而促進癌細胞增殖抑制和細胞凋亡[26]。相比其他細胞周期,G2/M期細胞對輻射敏感,可提高腫瘤細胞輻射損傷。(3)誘導腫瘤細胞凋亡。高壓氧通過使p53、Bax等凋亡誘導基因過表達和Bcl-2、Ras等凋亡抑制基因低表達,誘導腫瘤細胞凋亡。Wei等[27]發現高壓氧使Bcl-2/Bax比值降低,增加細胞凋亡。Wang等[28]還發現高壓氧可顯著降低缺氧導致的乳酸脫氫酶活性升高,恢復缺氧導致的E-cadherin/N-cadherin比值降低和上皮間質轉化表型,抑制GRP78蛋白的表達,具有抗增殖和促凋亡作用。

三、高壓氧增強胰腺癌放療敏感性

既往相關研究表明,高壓氧聯合放療能夠改善部分腫瘤的缺氧微環境,增加其放療敏感性,減少輻射不良反應,但能否使胰腺癌放療患者獲益仍然是目前爭論的焦點。

早期的相關研究主要關注高壓氧與胰腺癌放療聯合的不良反應率、臨床受益反應率和近期療效。2005年任延剛等[29]將56例晚期胰腺癌患者分成治療組與對照組,治療組患者每次放療前先進入2個絕對大氣壓的醫用高壓氧艙吸氧1 h,出艙后立即進行全身伽瑪刀治療,對照組單純進行全身伽瑪刀治療。兩組均取50%～90%的等劑量線覆蓋病灶,計劃靶體積覆蓋95%以上臨床靶體積,單次劑量3～6 Gy,重復治療6～12次,總劑量30～42 Gy,隔日治療。結果顯示,治療組臨床受益反應率、治療后3個月客觀緩解率分別為85.7%、78.6%,對照組為60.7%、53.6%, 兩組血常規、肝腎功能、消化道反應等方面的不良反應未見明顯差異。表明高壓氧和全身伽瑪刀聯合治療不增加放射治療的不良反應,可提高臨床受益反應率和近期療效,改善患者的生活質量。

隨著研究逐步深入,相關研究開始關注高壓氧對胰腺腫瘤組織缺氧的改善以及對相關腫瘤標志物的影響。2015年蘆蘭和師幸偉[30]選取68例Ⅱ～Ⅳ期胰腺癌患者,分為觀察組(35例)和對照組(33例),兩組均以50%～60%劑量線包裹靶區,周邊處方劑量35～42 Gy,中位處方劑量38 Gy,3.5 Gy/次,5次/周,共10～12次。觀察組患者每次放療前先進入醫用高壓氧艙以2個絕對大氣壓下吸氧1 h,艙內平均純氧濃度65%～95%,出艙后20 min內進行陀螺刀治療,對照組直接進行陀螺刀治療。結果顯示,觀察組在高壓氧艙給氧后動脈血氧分壓和血氧飽和度顯著升高;根據放療前及放療后3個月腫瘤大小改變情況評估近期療效,觀察組與對照組客觀緩解率差異有統計學意義(65.71%比45.45%);放療前兩組腫瘤標志物CA125、CEA、CA19-9水平差異不明顯,放療后兩組水平均下降,且觀察組低于對照組;消化系統急性放射反應總發生率觀察組為42.86%,對照組為63.64%,二者差異有統計學意義。提示放療前行高壓氧治療可改善腫瘤細胞缺氧,提高胰腺癌放療近期療效,減輕急性放射損傷。

近年來相關研究則進一步關注高壓氧增加胰腺癌放療敏感性的內在機制。2019年安安等[31]選取84例中晚期胰腺癌患者,分為觀察組和對照組,兩組均進行立體定向放療,通過劑量體積直方圖給予50%～70%的等劑量曲線覆蓋計劃靶體積,劑量為2～3.5 Gy/次,總劑量為35～45 Gy,1次/d,連續治療5 d,間隔2 d;觀察組患者在放療前先行高壓氧治療。比較兩組患者治療前后CA19-9、HIF-1α、VEGF水平及臨床總有效率、不良反應發生情況。結果顯示,兩組患者CA19-9、HIF-1α、VEGF水平均下降,且觀察組CA19-9下降程度高于對照組;觀察組臨床總有效率為64.28%,顯著高于對照組的40.48%;觀察組骨髓抑制、肝功能損害、胃腸道反應發生率均明顯低于對照組。提示高壓氧輔助放療可通過下調CA19-9、HIF-1α及VEGF水平增加胰腺癌細胞對放療的敏感性,提高臨床療效,減少不良反應,有助于提高患者生活質量。

目前,關于CSC與胰腺癌放療敏感性相關信號通路的研究已成為胰腺癌研究新領域。CSC具有自我更新、多向分化、致瘤性強、耐受腫瘤治療的特性,往往導致癌癥的轉移復發、放療失敗和預后不良,被認為是影響腫瘤輻射抵抗性的主要因素。研究發現胰腺癌CSC輻射抵抗性相關信號通路主要有NF-κB信號通路、Wnt/β-catenin信號通路、PI3K/AKT/mTOR信號通路、Notch信號通路、Hedgehog信號通路、TGF-β信號通路等。有研究指出NF-κB通路在腫瘤細胞應對電離輻射時發揮關鍵作用,是DNA損傷修復機制之一,與腫瘤侵襲性生長、抗凋亡和輻射抵抗性相關。You等[32]研究表明STAT3/NF-κB信號轉導的失活可能在誘導胰腺癌細胞放射敏感性中起重要作用。Wnt/β-catenin信號通路在細胞增殖轉移、凋亡抑制、去分化等調控過程中發揮作用,在胰腺癌放療增敏中備受關注。牛思等[33]發現通過靶向抑制FAM83A影響Wnt/β-catenin信號通路的活性,可增強胰腺癌細胞的放療敏感性。此外,有研究表明PI3K/AKT/mTOR信號通路參與癌癥關鍵標志物的調控,對胰腺導管腺癌患者全基因組分析顯示PI3K/AKT/mTOR途徑組分異常激活[34]。有研究表明抑癌基因ARID1A表達的喪失也會通過激活PI3K/AKT途徑增強胰腺癌的放射抵抗性[35]。

綜上所述,目前關于高壓氧增強胰腺癌放療敏感性的研究仍然處于探索階段。在實際應用中雖然高壓氧能有效改善腫瘤細胞缺氧微環境,在胰腺癌放療增敏中具有很高的應用價值和前景,但缺乏高級別循證醫學證據是其廣泛應用的主要障礙。另一方面高壓氧治療在放療應用中并不方便、高效,且可能增加并發癥的發生[36],故提高胰腺癌高壓氧放療增敏的便捷性和安全性仍需進一步研究。相信深入理解高壓氧增強胰腺癌放療敏感性的分子機制,將促進高壓氧胰腺癌放療增敏在臨床中的應用。

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