【前沿精粹 095】放疗反应的基因组预测因子：脑转移个性化放疗的最新进展

引言

引言

•  电离辐射通过在暴露细胞中产生DNA损伤来诱导细胞毒性，导致细胞死亡。DNA损伤主要通过直接DNA链断裂和间接DNA修饰（如自由基生成）两种途径发生。癌细胞的抗凋亡机制、细胞周期阻滞、DNA损伤修复（DDR）、氧化应激反应和自噬等途径，使其能够耐受和恢复这种DNA损伤。

•  肿瘤微环境在BM放疗耐药中起重要作用。研究发现，星形胶质细胞分泌的细胞因子可诱导癌细胞分泌S100A9，激活RAGE途径，导致放疗耐药、液体活检检测S100A9水平可作为放疗反应的预测因子。

•  KEAP1/NFE2L2突变是放疗耐药的重要驱动因素。这些突变导致抗氧化途径持续激活，保护细胞免受电离辐射损伤。 谷氨酰胺酶抑制剂可耗竭谷胱甘肽，使KEAP1突变细胞放疗增敏。

脑转移取样：

•  历史上，脑转移的预后模型如递归分区分析（RPA）和分级预后评估（GPA）已将肿瘤组织学作为因素纳入，通常基于原发性肿瘤的活检。 然而，脑转移的低生存时间限制了这些模型的实用性。

•  虽然手术切除仍是实体脑转移的常见治疗方法，从而为组织学诊断和分子分型提供肿瘤样本，但它通常不能作为选择靶向治疗的基础。 此外，立体定向活检脑转移不是当前实践的一部分，除非在诊断不确定的情况下，如自身免疫性疾病或免疫抑制。

•  对于软脑膜疾病（LMD），实体组织活检不是一个选项. 脑脊液（CSF）细胞学是LMD诊断的金标准，但其敏感性相对较低。 因此，迫切需要替代取样方法来支持脑转移的基因组分型，特别是在未进行手术切除的情况下为放疗治疗提供信息。

•  液体活检是一种通过分析血液、CSF和尿液中的循环肿瘤细胞（CTC）和肿瘤衍生因子来进行癌症诊断和监测的微创方法。 循环肿瘤DNA（ctDNA）的基因组分型可能还会揭示疾病管理中的可操作变异。

•  值得注意的是，液体活检有潜力克服传统组织活检的几个关键限制，这些限制特别与CNS放疗相关。首先，实体活检不太可能捕获肿瘤异质性，无论是在单个脑转移内还是在多个病灶之间。 其次，连续取样可能有助于早期放疗反应监测。第三，当手术不适用且难以获得组织活检时，液体活检可用于非侵入性地对脑转移进行分型。

•  液体活检在基因组信息的敏感性和广度方面可能不如组织活检，尤其是在脑癌中。 尽管如此，液体活检因其微创和可重复的特性，对个性化放疗仍具有吸引力，尤其是对于中等至较大病变，其放疗反应仍然存在变异性。

识别与放疗反应相关的临床相关生物标志物：

•  几种基因突变已被证明会影响辐射后的细胞存活。 这些包括ATM的生殖系突变以及在应用聚（ADP-核糖）聚合酶抑制作为辅助治疗时的BRCA突变。目前，已发现与脑转移放疗耐药相关的突变。

•  MET、TopBP1和Claspin的过表达已被证明可在患者衍生样本和异种移植物生成的放疗耐药细胞中诱导放疗耐药。这些突变对于确定某些患者的治疗方案以限制毒性增敏的严重效应高度相关。

•  DNA损伤修复基因的功能丧失被认为可预测肿瘤放疗敏感性的增加。ATM的体细胞突变与放疗反应良好相关。 类似地，p53的突变已被证明与放疗反应相关。

•  在CNS恶性肿瘤中，p53的缺失已被证明可促进儿童弥漫性内生型桥脑胶质瘤（DIPG）、髓母细胞瘤和神经母细胞瘤的放疗耐受。Chek1/2抑制已被证明可逆转CD133阳性胶质瘤干细胞的放疗耐药。

•  此外，肺腺癌中的DNA甲基化特征最近被报道可预测脑转移的发展，提示需要更频繁的影像学监测，可能还需要对原发肿瘤进行更强烈的照射。

基因组指导的患者分层：

•  脑转移的治疗反应存在显著的个体差异，因此迫切需要临床相关的生物标志物来前瞻性地分层患者，以选择最适合的治疗策略。目前，精准放疗主要依据肿瘤的形态、大小和数量，很少考虑分子分型。

•  然而，某些基因改变已被证实是放疗敏感性的高度预测因子。例如，携带某些生殖系突变的患者可能面临更高的放射性坏死（RN）风险，因此可能不适合立体定向放射外科（SRS）治疗。

•  此外，如果脑转移对已知的放疗耐受基因呈阳性，那么这些患者可能有更高的局部复发风险，这就需要更频繁的随访和再治疗。液体活检基础的基因组分型的一个显著优势在于，它能够识别脑转移特异性的基因改变，这些改变在相应的原发性肿瘤中可能并不存在，从而为精准治疗提供更多信息。

早期检测和管理放疗毒性和疾病进展：

•  尽管放疗技术和剂量计划不断进步，但放疗相关的毒性仍是常见问题. 特别是放射性坏死（RN），它是立体定向放射外科（SRS）的晚期效应，往往在治疗已经完成之后才显现出来。

•  此外，RN在影像学上很难与假进展和真正的疾病进展区分开来，这给临床诊断和治疗决策带来了挑战。在这种情况下，基因组生物标志物可能比传统的影像学方法提供更快速和特异的毒性指示，有助于更早地发现和处理放疗相关的并发症。

•  同时，通过监测脑转移的基因组变化，可以更及时地发现疾病的进展。例如，脑脊液（CSF）中循环肿瘤DNA（ctDNA）比例的增加可以作为癌症进展的一个重要信号。由于液体活检具有可重复性和副作用较小的优点，与具有累积风险的影像学检查相比，对于需要长期监测的患者，如具有遗传性癌症易感性的患者，可能更具优势。

放疗增敏剂—分子靶向：

•  放疗敏感性的生物标志物不仅有助于预测治疗反应，还可能成为药物靶向的靶点，通过联合治疗来增强放疗的效果。放疗增敏剂的目标是提高肿瘤细胞对辐射的敏感性，同时尽量减少对周围正常组织的影响，从而改善放疗的治疗指数。

•  虽然许多化合物在临床前研究中显示出潜力，但目前真正能在临床上为患者带来益处的放疗增敏剂数量还很有限。

•  不过，随着对肿瘤放疗敏感性机制的深入理解，这一领域的前景正在逐渐改善。特别是靶向治疗，它在放疗增敏方面展现出巨大的潜力。以KEAP1/NRF2突变的非小细胞肺癌为例，研究发现，使用CB-839抑制谷氨酰胺酶可以显著提高这些肿瘤细胞对放疗的敏感性，这为开发新的放疗增敏策略提供了重要依据。

•  电离辐射通过在暴露细胞中产生DNA损伤来诱导细胞毒性，导致细胞死亡. 这种DNA损伤可以通过两种途径发生：直接DNA链断裂和间接DNA修饰，后者主要通过自由基生成。

•  癌细胞固有的耐受和从这种DNA损伤中恢复的能力可以来自几条途径，包括抗凋亡机制、细胞周期阻滞、DNA损伤修复（DDR）、氧化应激反应和自噬。此外，肿瘤微环境的特征，如缺氧和免疫耐受，可能分别对抗自由基的生成和免疫清除，从而保护肿瘤细胞免受辐射损伤。

•  肿瘤微环境在脑转移的放疗耐受中起着重要作用。研究表明，星形胶质细胞分泌的细胞因子可以诱导癌细胞分泌S100A9，进而激活RAGE途径，导致放疗耐药，这一过程依赖于NF-kB和JunB信号通路。

•  液体活检检测S100A9水平已被证明是预测脑转移性非小细胞肺癌、乳腺癌和黑色素瘤患者放疗反应的显著生物标志物。此外，药理学抑制S100A9可以逆转放疗耐药，提高肿瘤对辐射的敏感性，且相关抑制剂能够穿透血脑屏障，为临床应用提供了可能。

•  原发性癌症的某些基因突变也是导致脑转移放疗耐药的重要因素。例如，KEAP1/NFE2L2突变在非小细胞肺癌患者中与放疗耐药密切相关。这些突变导致抗氧化途径持续激活，使癌细胞能够耐药电离辐射引起的氧化应激。

•  研究还发现，谷氨酰胺酶抑制剂CB-839可以通过耗竭谷胱甘肽这一关键内源性抗氧化剂，使KEAP1/NFE2L2突变细胞对放疗更加敏感。此外，KEAP1/NFE2L2突变在多种癌症类型中均与放疗耐药相关，包括前列腺癌、头颈鳞状细胞癌和脑膜瘤，这进一步强调了基因组分型在预测放疗反应中的重要性。

•  基因工程小鼠模型（GEMM）是通过转基因敲入或敲除目标基因来诱导新发肿瘤的模型，常用于研究癌症的起始和进展。通过CRISPR/Cas9或TALEN进行生殖系基因编辑，将DNA构建体显微注射到合子原核中，或将编辑过的胚胎干细胞引入囊胚中。

•  此外，可诱导系统如Cre/loxP和四环素调控表达可用于建立组织特异性和时间控制的肿瘤形成。例如，Dickins等人使用四环素响应元件控制体内针对Trp53的短发夹RNA表达，研究了TP53抑制在放疗反应中的作用。

•  GEMM的一个显著优势是，这些模型中发生的新发肿瘤暴露于功能性免疫系统和生理肿瘤微环境中，随后的脑转移是自发发生的。GEMM不存在异种移植模型中需要考虑的物种间不兼容性问题。

•  然而，GEMM中使用的转基因方法存在显著局限性。最显著的是，GEMM的转移扩散率低，动物通常会在看到颅内疾病之前死于原发性肿瘤或颅外转移。因此，可用于研究脑转移的此类模型相对较少，关键原发性肿瘤类型如乳腺癌仍不可用。

•  尽管GEMM有许多理论优势，但这限制了它们的更广泛应用，使同种异体移植和异种移植方法成为主要的体内脑转移模型。因此，GEMM可能是目前讨论的模型中与个性化脑转移放疗相关性最小的。

•  癌细胞系衍生的同种异体移植和异种移植模型，通过心内、颈动脉、皮下、尾静脉或脂肪垫注射将啮齿动物或人类细胞系引入体内，仍是基础肿瘤学研究中的常见平台。

•  这些方法相对快速且广泛可用. 特别是，颈动脉注射被认为是更可靠的脑转移模型，因为肿瘤形成的发生率较高。为了提高此类系统中脑转移的产量，已建立了几种具有增加脑亲和力的癌细胞变体。

•  最近，Monteiro等人通过心内注射乳腺癌细胞系在小鼠模型中建立脑转移，研究了S100A9RAGE-NF-kB-JunB途径。他们发现，通过遗传或药理学靶向该途径足以逆转放疗耐药，从而提高对较低剂量辐射的反应。细胞系异种移植还被用于模拟乳腺癌和肺癌的软脑膜转移，这在软脑膜微环境复杂且放疗在软脑膜转移管理中发挥重要作用的情况下是值得注意的。

•  此外，细胞系衍生的异种移植模型中产生的肿瘤显示出相对较低的突变负担，这代表了无偏基因组分型的一个显著局限性。细胞系衍生异种移植的遗传异质性缺乏，特别是，已被认为是这些模型对人类反应预测价值较低的一个重要贡献因素。为了克服这些局限性，患者衍生异种移植（PDX）获得了发展势头。然而，癌细胞系移植模型仍然适合于某些研究，特别是当需要大量脑转移时。

•  PDX模型是通过将人类肿瘤活检样本直接移植到免疫缺陷的小动物体内建立的，能够相对保留肿瘤的遗传和组织学特征。这为包括放疗在内的多种治疗方式的个性化疗法开发提供了显著优势。