中华放射医学与防护杂志  2021, Vol. 41 Issue (10): 796-800   PDF    
聚腺苷二磷酸核糖聚合酶抑制剂在肿瘤放射治疗中的应用研究进展
赵福臻1 , 胡莉钧2 , 于静萍2     
1. 大连医科大学研究生院 116000;
2. 南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科 213000
[摘要] 聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)是一类在真核细胞中高表达的核酶,在DNA损伤修复中起关键作用。近年来,PARP抑制剂在肿瘤治疗中显示出巨大的潜力,几种小分子PARP抑制剂已被美国食品药品管理局(FDA)批准用于多种肿瘤的维持治疗。PARP抑制剂主要通过抑制PARP酶促作用和PARP捕获作用,导致DNA单链断裂的持续存在,在DNA复制的过程中,转变为双链断裂。研究证明,PARP抑制剂不仅具有显著的抗肿瘤效应,而且与放射治疗联合具有一定的协同作用。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,梳理该领域目前亟待解决的问题,并对其在抗肿瘤治疗中的应用前景进行展望。
[关键词] PARP抑制剂    放射治疗    恶性肿瘤    
Progress in the application of poly ADP-ribose polymerase inhibitors in tumor radiotherapy
Zhao Fuzhen1 , Hu Lijun2 , Yu Jingping2     
1. Graduate School of Dalian Medical University, Dalian 116000, China;
2. Department of Radiotherapy, Changzhou No. 2 People's Hospital, Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Changzhou 213003, China
[Abstract] The poly ADP-ribose polymerase (PARP) is a class of nuclear enzymes highly expressed in eukaryotic cells and plays a key role in DNA damage repair. In recent years, PARP inhibitors have shown great potential in tumor therapy, and several PARP inhibitors have been approved by the FDA for maintenance therapy of a variety of cancers. PARP inhibitors mainly inhibit PARP enzymes and PARP trapping, resulting in the persistence of DNA single strand breaks, which are converted to double strand breaks during DNA replication. Studies have shown that PARP inhibitors not only have a significant anti-tumor effect, but also have a synergistic effect with radiotherapy. This paper reviewed the potential theoretical basis of PARP inhibitor combined with radiotherapy, summarized the recent progress of preclinical and clinical research on PARP inhibitors in tumor radiotherapy, sorted out the urgent problems in this field, and looked into the application prospect of PARP inhibitors in anti-tumor therapy.
[Key words] PARP inhibitors    Radiation therapy    Malignant tumors    

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。

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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