放射生物学角度重新审视靶向α疗法

法国卫生与医学研究所于2021年7月在Frontiers in Medicine发表了一篇关于靶向α治疗（Targeted alpha therapy，TAT）机制的文章。该文章从放射生物学角度，提出了两条易被忽视的TAT的治疗机制：一、除了作用于细胞核，TAT还可以通过细胞膜和细胞质等亚细胞的α辐射杀伤肿瘤细胞；二、TAT不仅可以通过直接作用杀伤接受到α辐射的肿瘤细胞，还可以通过细胞间通讯介导的旁观者效应杀伤临近细胞，并且激活系统免疫通过远端效应杀伤更远处的肿瘤细胞。

在批准²²³RaCl₂用于治疗转移去势抵抗性前列腺癌患者以及开发了几种基于α-发射体的放射性药物之后，TAT成为了关注焦点。阿尔法粒子具有高度的细胞毒性，因为它们能够产生复杂的DNA损伤。因此，细胞核被认为是TAT的关键目标，许多研究没有报告在其他亚细胞区间的作用。此外，它们的物理特征，包括它们在组织中的传播范围（<100 μm）和它们的线性能量传递（50-230 keV/ μm），都具有良好性能。从理论上讲，TAT适用于体积小的扩散性肿瘤（如微转移、循环肿瘤细胞）。此外，在克服辐射抗性方面，由于其高细胞毒性，α粒子要优于β粒子和X射线。然而，临床研究表明，TAT在大体积肿瘤中也可能是有效的，而且在远离辐照细胞的地方也观察到生物效应。这些远处的效应在短距离（<1mm）发生时被称为旁观者效应（bystander responses），而在更远的距离发生时被称为系统效应（systemic responses）。系统效应牵涉到全身免疫系统。这些发现表明，细胞可以在没有接受任何辐射剂量的情况下死亡，因此需要对放射生物学有一个更复杂和综合的看法。

除了以DNA为中心的方法，许多研究促进了对TAT辐射生物学的更综合的看法，其他亚细胞目标，包括细胞膜、线粒体和溶酶体也被证明参与了对辐射的反应。因为α粒子必须穿过细胞膜、细胞质（包括细胞器）和核膜才能到达细胞核。因此，它们可能会在这些区间产生一些影响，而这些核外影响对细胞死亡的贡献需要准确评估。有趣的是，剂量测定方法证实了核外目标在α粒子辐照期间的作用。

辐射诱导的膜修饰导致细胞死亡，而抑制细胞膜上脂质筏的形成可以恢复细胞的生存。细胞膜是由脂质、蛋白质和碳水化合物构成的10nm厚、定向和动态的双层膜。由于分子可以在膜的平面上移动，任何流动性变化都可能产生生物后果。脂质含有多不饱和脂肪酸，因此它们可以被HO·氧化，产生脂质氢过氧化物，然后降解为活性醛产品，包括丙二醛和羟基烯烃（如4-HNE），对DNA、蛋白质和脂质具有很大的反应性。脂质过氧化破坏了细胞膜的构象和生物功能。细胞膜上的脂质筏可以通过添加神经酰胺扩展成大的结构域。这一过程可能受到辐射的青睐，因为它可以激活酸性鞘磷脂酶，催化鞘磷脂水解成神经酰胺。然后，神经酰胺聚集成富含神经酰胺的大平台（脂质筏），其中包含离子通道、NADPH氧化酶、受体和酶，但它也可能是细胞凋亡的第二信使。神经酰胺产生于细胞膜的外侧，但也可以渗入细胞膜一侧，激活细胞膜磷脂酶A2、蛋白磷酸酶2和蛋白磷酸酶1。这些丝氨酸/苏氨酸磷酸酶反过来激活MAP激酶，包括细胞外信号相关激酶（ERK）1和2、ERK5、c-Jun N-末端激酶（JNK）1和2、p38、蛋白激酶C异构体、视黄素瘤蛋白和BCL-2（34）。最后，富含神经酰胺的大结构参与了许多细胞信号传导途径，涉及钾和钙通道的调节、细胞死亡、细胞生存和炎症反应。研究人员使用放射性标记的抗体证明，细胞膜是Auger（¹²⁵I）和α（²¹³Bi，²¹²Pb/²¹²Bi）粒子照射的敏感目标（如图1）。

有针对性的细胞质辐照会诱发氧化性DNA损伤，也会诱发脂质过氧化，如4-羟基壬烯醛的形成增加所示。细胞质中的线粒体占细胞体积的25%，构成一个突出的辐射目标。线粒体的数量和生物生成能够被α-粒子辐照改变，通过上调编码线粒体生物标志物的基因（LONP1，TFAM）和线粒体DNA编码基因（MT-CYB，MT-RNR1）。事实上，在辐照线粒体中检测到的信号可以通过可逆的Ca²⁺依赖性线粒体通透性转换传递给邻近的线粒体，导致ROS/活性氮物种（RNS）的生成增强。另一方面，受α-粒子照射的细胞中线粒体功能受损与旁观细胞中DNA突变的减少有关。此外，在细胞质辐照期间，直接被击中的细胞和旁观者细胞中的53BP1焦点的形成需要功能性线粒体，与细胞核的剂量无关。

旁观者效应的特点是位于被照射细胞附近的细胞发生细胞毒性和基因毒性改变（DNA损伤、染色体畸变），但这些细胞没有被粒子穿过。1992年，Nagasawa和Little率先显示，在用²³⁸Pu产生的低浓度α粒子照射CHO细胞时，旁观者效应参与了α粒子照射。他们的发现被许多其他研究人员证实和扩展。他们观察到，虽然只有1%的细胞核被粒子穿过，但30%的细胞中姐妹染色体交换增加。这表明，细胞不需要被粒子穿过（剂量等于零）就会被杀死，细胞间的通讯起了作用，因为旁观者效应被阻断间隙连接的药物所抑制。反过来，旁观者的细胞也能与被照射的细胞交流。其中细胞膜在细胞间通讯中起着核心作用，因此它在旁观者效应中扮演了重要的角色。用TAT治疗的小鼠肿瘤中放射性（²¹²Pb标记的单克隆抗体）的强异质性分布，意外地伴随着DNA损伤的同质性分布（图2-1），证明了旁观者效应。另一个例子来自于对²²³RaCl2的研究，由于骨骼大小不一（从几毫米到几厘米的厚度），骨骼内的癌细胞不能接受均匀的剂量，也可能没有被照射到（图2-2）。Suominen等人在单次静脉注射²²³Ra后，检测到²²³Ra主要沉积在骨基质内，特别是在成骨细胞附近，而与前列腺癌细胞共存的情况较少。Abou等人发现，²²³Ra并不直接在肿瘤细胞中定位，而是在病变周围的骨表面和活跃的骨建模/重塑部位积累）。这些研究表明²²³Ra诱导的抗增殖/细胞毒性旁观者效应参与了延迟肿瘤细胞异种移植的生长。

辐照细胞与微环境的沟通还包括长距离的影响，也就是“远端效应”。理论上，受辐射的细胞可以在肿瘤细胞表面释放损伤相关分子模式（DAMPs），包括ATP、HMGB1、钙调蛋白。在正常情况下，抗原呈递细胞（APC）存在于血液或周围组织中。根据精确的时空模式，辐照和随后释放的DAMPs可以产生一个局部的炎症微环境，通过巨噬细胞和未成熟的树突状细胞分泌的细胞因子，有利于招募免疫细胞。随后招募的APC（尤其是树突状细胞）在toll样受体的介导下促进其吞噬活动，导致其成熟。成熟的APCs表达免疫反应的共刺激分子（CD40、CD80、CD86、MHC I和II）和趋化因子受体（CCR7），驱使成熟的APCs到淋巴结，在那里它们通过向CD8⁺和CD4⁺T细胞交叉呈现肿瘤衍生的抗原来激发特定的细胞毒T淋巴细胞依赖性免疫反应。一项研究报告称，一名皮肤鳞状细胞癌患者在用²²⁴Ra负载的种子进行瘤内治疗76天后完全缓解。另外两个未经治疗的远处病灶也消失了，可能是由于免疫介导的脓毒症。治疗一年后，治疗后的病灶完全缓解，未治疗的远处病灶也自发消退（图2-3）。

放射生物学的新概念有以下几种影响：首先，所有的亚细胞区域都存在交流，在细胞膜或细胞质中产生的信号可以在细胞核中产生影响，反之亦然。例如，在辐照细胞的细胞质中释放的受损DNA可以激活免疫细胞。被辐照的细胞也会与相邻细胞进行短距离的交流（旁观者的影响）或通过激活的免疫细胞进行长距离的交流（远端效应）。这些非靶向效应可能对TAT效应（即癌细胞死亡率增加）和健康组织产生直接影响，还可能影响剂量-效应关系。长期以来，人们认为受辐照的哺乳动物细胞的生存曲线可以用未修复的DSBs（DNA双链断裂）来解释。低LET的β辐射需要两次命中才能导致DNA双链断裂，而根据同时在DNA中产生两个命中所需的剂量来看，这几乎是不可能发生的，因此β辐射更有可能产生单链断裂；而高LET的α粒子一次命中就足以产生DSBs。

因此，TAT在高LET的α粒子造成不可修复的肿瘤细胞损伤后，细胞通过间隙连接或释放可溶性因子与邻近的细胞进行交流而产生的旁观者效应和系统免疫介导的远端效应又进一步全方位杀伤残存的肿瘤细胞。

 

 

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