2. 南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科 213000
2. Department of Radiotherapy, Changzhou No. 2 People's Hospital, Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Changzhou 213003, China
放射治疗是肿瘤治疗最重要的手段之一,其主要机制是辐射引起肿瘤细胞DNA单链断裂(single-strand breaks,SSB)和双链断裂(double-strand breaks,DSB),诱导肿瘤细胞的凋亡或死亡,而DNA损伤的成功修复会直接降低放疗的疗效。聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)是一类存在于真核细胞中的酶,在DNA出现SSB后启动的损伤修复中发挥关键作用。PARP抑制剂是一类抑制PARP酶活性的小分子药物,主要通过使PARP丧失酶促作用并阻止PARP蛋白从DNA单链损伤位点上脱落(PARP捕获)两种作用,导致SSB的持续存在及复制叉的崩解,促进肿瘤细胞的死亡。目前,临床上已有4种PARP抑制剂获得美国食品药品管理局(Food and Drug Administration,FDA,USA)和(或)欧洲药品管理局(European Medicines Agency,EMA)批准用于多种肿瘤的治疗,分别为奥拉帕利(Olaparib)、鲁卡帕利(Rucaparib)、尼拉帕利(Niraparib)和他拉唑帕利(Talazoparib),此外,维拉帕利(Veliparib)、帕米帕利(Pamiparib)等也正在临床试验中。
PARP抑制剂通过抑制DNA的损伤修复,可以与放射治疗发挥协同作用,近年来PARP抑制剂联合放射治疗已被用于各种临床前模型和临床试验,取得了显著的成果。本文将阐述PARP抑制剂联合放疗的潜在理论基础,总结近年来PARP抑制剂在肿瘤放射治疗中的临床前和临床研究进展,为临床改善肿瘤辐射抵抗提供一种新的方法。
一、PARP蛋白与PARP抑制剂机体细胞受到各种体内因素和体外环境的影响,导致DNA损伤。为了维护基因组的稳定性,机体形成了复杂的细胞DNA损伤修复机制,不同形式的DNA损伤可通过不同的途径进行修复,这些机制统称为DNA损伤反应(DNA damage response,DDR)。在真核细胞中主要有5种修复途径:碱基切除修复(base excision repair,BER)、同源重组修复(homologous recombination repair,HRR)、非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)、核苷酸切除修复(nucleotide excision repair,NER)和错配修复(mismatch repair,MMR)[1]。BER是SSB修复的主要途径,DSB主要由HRR和NHNJ两个途径修复。HRR和BER是高保真的DNA修复方法,可修复受损的原始DNA序列,是修复DNA损伤的最佳途径。而NHEJ是易错的低保真的修复途径,它会直接切除受损的DNA,导致基因组不稳定。
PARP蛋白是一类广泛参与真核细胞DNA复制、转录、修复和细胞死亡等生命活动的酶。PARP家族有17个成员,其中PARP-1在出现SSB时启动的BER中起重要作用,当DNA出现SSB时,PARP-1可以识别SSB并连接到DNA损伤位点,同时发生构象变化激活催化活性[2],介导招募DNA修复蛋白到DNA损伤处进行修复,随后PARP解离下来并继续介导下一次DNA修复[3-4]。当PARP活性受到抑制时,SSB持续累积,在DNA复制的过程中,SSB转变为DSB。在正常细胞中,DSB可通过HRR途径修复,但对肿瘤细胞,尤其是伴有同源重组功能缺陷(homologous recombination deficiency,HRD)的肿瘤细胞,例如BRCAl/2基因突变的肿瘤细胞,其HRR介导的DSB修复通路受阻,最终导致肿瘤细胞凋亡[5],这一现象被称为“合成致死”效应。
近年来随着对PARP功能的深入了解,对PARP抑制剂的研究也越来越受到重视。目前认为PARP抑制剂的作用主要包括两方面:一是直接抑制PARP活性,阻断SSB修复,不断累积导致DSB损伤,在HRD的肿瘤细胞中,可以引起合成致死效应;另一个作用机制是PARP捕获[6],PARP抑制剂可以与PARP-1结合,阻止PARP与DNA的分离,无法进行后续的DNA损伤修复。PARP捕获也是PARP抑制剂在HRR正常细胞中发挥其细胞毒性效应的可能机制[7],且与直接抑制PARP酶活性相比,PARP捕获具有更大的细胞毒性[8]。目前已有多项临床研究报道了PARP抑制剂与其他治疗联合应用在无HRD肿瘤的治疗中,且取得了成功。例如,在一项PARP抑制剂(BGB-290)与抗PD-1抗体(BGB-A317)联合应用于实体肿瘤患者的IB期研究中[9],共34例患者接受治疗,有7例患者获得了部分缓解(partial response, PR),2例患者完全缓解(complete response,CR),且BRCA1/2野生型和BRCA1/2突变型患者之间的获益比例相似。
二、PARP抑制剂联合放疗的潜在理论基础PARP抑制剂对化疗的增敏作用在临床实践中已初步得到了验证,并获得了较好的临床疗效。此外,有研究表明,PARP抑制剂对放疗也有一定的增敏作用,其机制尚不明确,主要有以下几个观点。
1、分子水平——DSB的积累DNA是引起一系列放射生物学效应(包括细胞死亡、突变和致癌作用)的关键靶点,完整的DNA出现SSB后,很容易以对侧的互补链为模板进行损伤修复;而DSB可使染色体折成两段,无法继续复制,因此,DSB被认为是电离辐射在染色体上的最关键损伤[10]。DNA的损伤修复是导致肿瘤细胞辐射抵抗的最主要原因之一,PARP抑制剂会抑制辐射引起的SSB修复,导致肿瘤细胞中未修复的SSB转变为DSB,致使DNA的DSB损伤进一步累积,难以成功修复,促进肿瘤细胞死亡,这是PARP抑制剂的第一个也是最主要的放射增敏作用[11]。
2、细胞水平——对细胞周期的影响细胞周期中不同时象细胞的辐射敏感性是不同的,M期细胞或接近M期的细胞是辐射最敏感的细胞,G2期细胞通常较敏感,其敏感性与M期的细胞相似,晚S期细胞通常具有较大的放射抗拒性。PARP抑制剂可以将肿瘤细胞阻滞在放射敏感的G2/M期,与放疗发挥协同作用[12]。此外,PARP抑制剂也在S期中发挥放射增敏作用,在Dungey等[13]对胶质母细胞瘤细胞的放射敏感性的研究中发现,与G1(SER50=1.27)或G2(SER50=1.33)期富集细胞群体相比,PARP抑制剂对S期(SER50=1.60)的胶质母细胞瘤放射增敏作用最为显著。
3、组织水平——对肿瘤微环境的影响细胞对电离辐射的效应强烈地依赖于氧的存在,大多数实体瘤会产生乏氧区域,局部乏氧作为一个重要的肿瘤微环境特征,被认为是导致肿瘤放疗抵抗的主要因素。PARP抑制剂联合放疗有助于改善缺氧诱导的辐射抵抗。一方面,如奥拉帕利等PARP抑制剂可以使血管扩张,增加肿瘤灌注,这有效地改善了肿瘤中缺氧、抗辐射的部分,使肿瘤对辐射更加敏感[14]。另一方面,即使没有任何脉管系统的改善,PARP抑制剂在低氧细胞中也表现出放射增敏作用[15],可能是由于缺氧通过突变表型效应产生遗传不稳定性,突变表型效应与HRR所涉及的蛋白质转录减少有关,使“合成致死”可能与辐射发挥协同作用[16]。
三、PARP抑制剂联合放疗的临床研究进展PARP抑制剂已在多个大型Ⅲ期临床试验中展示出了其独特的抗肿瘤作用,已被FDA批准临床用于BRCA突变的卵巢癌、乳腺癌和前列腺癌等的治疗。此外,许多临床前数据表明,PARP抑制剂可增加肿瘤细胞的放射敏感性,且PARP抑制剂联合放疗的临床试验目前也陆续报道。
1、临床前研究早在2004年,Chalmers等[17]的研究就证实了PARP抑制剂可增强胶质瘤细胞的放射敏感性,该团队还发现PARP抑制剂的放射增敏程度可能取决于照射时肿瘤细胞周期的分布。同年,Calabrese等[18]发现辐射联合PARP抑制剂可显著降低结直肠癌细胞的存活率,在裸鼠移植瘤模型中,与注射生理盐水的对照组相比,单独使用PARP抑制剂(AG14361)腹腔注射不会影响肿瘤生长,但在注射PARP抑制剂30 min后进行2 Gy的X射线局部照射,小鼠的肿瘤生长延迟了37 d,而单独局部照射的肿瘤生长延迟仅为19 d,且联合治疗的小鼠并没有出现明显的不良反应。
此后,针对PARP抑制剂放射增敏作用的研究也越来越受到重视。Zhan等[19]比较了PARP抑制剂(AZD2281)在常氧和乏氧条件下对于食管癌细胞放射敏感性的影响,结果表明,相比于常氧,在乏氧条件下,AZD2281可大大增加放疗引起的细胞凋亡,其机制可能是乏氧条件下HRR途径受阻,辐射联合PARP抑制剂可造成合成致死。Tuli等[20]利用小鼠前列腺原位移植瘤模型,证实了PARP抑制剂(ABT-888)联合放疗可使肿瘤生长延迟39 d,而ABT-888单独处理组和单放疗组分别使肿瘤生长延迟了8和30 d,并且联合组小鼠60 d存活率为40%,ABT-888单独处理组和单放疗组小鼠60 d存活率均为0;且放疗后PARP活性大大增加,联合应用PARP抑制剂后PARP失活,DNA损伤增加。
随着对PARP抑制剂放射增敏研究的不断深入,有研究发现即便在HRR正常的肿瘤中,PARP抑制剂也具有放射增敏作用。Feng等[21]的研究表明,PARP抑制剂提高了乳腺癌细胞的放射敏感性,且与BRCA1突变状态无关。Bi等[22]在高级别浆液性卵巢癌(high-grade serous ovarian carcinomas,HGSOC)的体外研究发现,PARP抑制剂(奥拉帕利)对BRCA1正常和BRCA1突变的HGSOC细胞株均有放射增敏作用,但与BRCA1正常细胞相比,奥拉帕利对BRCA1突变的HGSOC细胞放射增敏作用更强。在胆管细胞癌、黑色素瘤、头颈鳞癌、软组织肉瘤等的基础研究也同样发现,PARP抑制剂作为放射增敏剂具有潜在的应用价值,且不局限于HRD肿瘤。其作用包括抑制肿瘤细胞增殖,降低细胞克隆的形成,增加细胞G2 / M期的阻滞,增加DNA双链断裂,改善乏氧细胞的辐射抵抗,延缓肿瘤生长和提高小鼠存活率等[23-26]。
目前,PARP抑制剂在HRR正常的肿瘤中发挥放射增敏作用的机制尚不明确,多项研究正在积极探索中。Laird等[27]使用两种不同的PARP抑制剂,发现在具有相同酶抑制作用的浓度下,维利帕尼没有放射增敏作用,相反,他拉唑帕尼有明显的放射增敏作用,进一步的研究表明,PARP捕获能力强的抑制剂可以诱导更多DNA双链断裂,以增强肿瘤细胞的放射敏感性。
2、临床研究基于临床前研究取得的显著研究成果,PARP抑制剂联合放疗的临床探究也在逐步开展,相关研究报道虽较少见,但结果展现出一个良好的趋势。2018年由科罗拉多大学为主的多中心团队发表了一项Ⅰ期临床研究结果,该研究评估了PARP抑制剂(奥拉帕利)与西妥昔单抗联合放疗应用于头颈鳞癌患者(NCT01758731)[28],共有16例患者纳入研究,每日口服奥拉帕利(25~ 200 mg,2次/d),服药后第3天给予西妥昔单抗(初始剂量400 mg/m2),随后(5~7 d后)接受放射治疗(69.3 Gy/ 33次)。研究结果显示患者两年总生存(overall survival,OS)率、无进展生存(Progression-Free Survival, PFS)率和局部控制率分别为72%、63%和72%;最常见的与治疗相关的3~4级不良反应是放射性皮炎和黏膜炎,发生率分别为38%和69%。最大耐受剂量(maximum tolerated dose,MTD)被确定为50 mg 2次/d,该研究结果提示联合治疗可使总生存获益,证明PARP抑制剂联合放疗的有效性和安全性。
2019年西达赛奈医疗中心发表了一项临床研究结果,该研究以局部晚期胰腺癌患者为研究对象,进行了维利帕尼与吉西他滨联合放疗的Ⅰ期临床试验(NCT01908478)[29],共30例患者纳入研究。患者每周接受吉西他滨(1 000 mg/m2)静脉注射,同时进行IMRT(36 Gy/15次)和维利帕尼(起始剂量20 mg,2次/d)的治疗,持续3周。30例患者中位无进展生存期(median progression-free survival,mPFS)和中位总生存期(median overall survival,mOS)分别为9.8个月(95% CI: 8.4~18.6)和14.6个月(95% CI: 11.6~21.8)。DDR通路基因突变和DDR正常患者的中位OS分别为19个月(95% CI: 6.2~27.2)和14个月(95% CI: 10.0~21.8)。另外,结果显示较高的PARP3水平(P=0.048)和较低水平的RBX1(P=0.030)与改善患者OS相关。治疗过程中≥3级的不良反应主要包括淋巴细胞减少和贫血,最常见的不良反应为胃肠道反应、血液学毒性和疲劳。在该研究中,维利帕尼与放疗的联合治疗显示出临床获益,且没有增加药物毒性,同时初步探索了可能预测患者预后的生物学标志物。
马里兰大学医学院进行了一项评价维利帕尼联合全脑放疗(whole brain radiation therapy,WBRT)治疗脑转移患者的Ⅰ期研究(NCT00649207)[30],该研究共入组81例患者(中位年龄58岁)。其中,原发肿瘤类型主要为非小细胞肺癌34例和乳腺癌25例。所有的患者均接受WBRT(30.0 Gy/10次或37.5 Gy/15次),维利帕尼剂量从10~300 mg,2次/d递增,以评估MTD和RPTD。研究中观察到的与维利帕尼可能相关的3级或4级不良反应主要为疲劳(30%)、恶心(22%)、食欲下降(15%)和呕吐(14%)等。初步疗效结果显示患者中位生存时间NSCLC组和乳腺癌组分别为10.0个月(95% CI:3.9~13.5)和7.7个月(2.8~15.0)。基于以上结果,该团队正在进行一项随机对照的ⅡB期研究。
PARP抑制剂联合放疗的初步研究结果显示这种联合治疗模式安全有效,不但可以提高患者PFS,OS也有显著获益,且没有增加新的不良反应。目前,这种联合治疗的临床研究越来越深入广泛(表 1)。相信未来2~3年,这些研究会为临床提供更多数据。
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表 1 PARP抑制剂与放射治疗联合的临床研究a Table 1 Clinical study of PARP inhibitor combined with radiotherapya |
综上所述,PARP抑制剂在BRCA突变及铂类敏感复发的卵巢癌的治疗中取得了巨大成功,而PARP抑制剂与放疗的联合应用正刚刚起步,尽管初步的临床试验数据令人鼓舞,但仍存在许多问题需要进一步研究。首先,药物长期使用的安全性及疗效问题尚未完全明确。Alotaibi等[31]研究发现,联合治疗仅促进了肿瘤组织的生长停滞,而没有促进肿瘤细胞的死亡,因此需要进一步观察这种联合治疗方案是否对改善长期生存有效。另外,对高度增殖的非肿瘤组织,如黏膜或骨髓,PARP抑制剂的作用尚不清楚。有研究发现PARP抑制剂增加了骨髓异常增生或急性髓系白血病发生的风险[32]。其次,未来仍需更多的临床试验在PARP抑制剂联合放疗的最佳剂量、最佳用药时间窗以及不良反应防治等方面进行深入研究。最后,为了筛选出这种联合治疗模式的获益患者,迫切需要寻找出可靠的可预测患者疗效的生物标志物,以施行个体化的精准治疗。例如,在参与同源重组修复通路的众多基因中,除了BRCA1/ 2突变,其他如ATM、ATR、PALB和FANC等基因的状态是否可以预测PARP抑制剂的疗效,等,相信随着研究的不断深入,这种联合治疗模式能够展现出更加突出的治疗效果。
利益冲突 所有作者宣称没有任何利益冲突,未接受任何不当的职务或财务利益
志谢 本研究还接受常州市高层次卫生人才项目(2016C2BJ007)和2020常州市卫健委重大科技项目(ZD202017)的资助
作者贡献声明 赵福臻负责撰写文章;胡莉钧负责文献收集;于静萍负责最终修改
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