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AME特邀来稿|预测肺癌临床疗效和放射性毒性的分子标志

Published at: 2015年第1卷第S1期

蔡文杰
关键词:

预测肺癌临床疗效和放射性毒性的分子标志

Joshua D. Palmer1, Nicholas G. Zaorsky1,2, Matthew Witek1, Bo Lu1

1Department of Radiation Oncology, Kimmel Cancer Center and Jefferson Medical College of Thomas Jefferson University, Philadelphia, PA, USA; 

2Department of Radiation Oncology, Fox Chase Cancer Center, Philadelphia, PA, USA

摘要 与癌症发病分子机制相关驱动基因突变的明确,促使新型靶向治疗在肺癌中应用的激增。新型肿瘤学指引研究人员继续进行肿瘤个性化特征的研究,而不是在混杂的患者人群中应用靶向治疗。多个驱动基因,特别是表皮生长因子受体(EGFR)和ALK融合,最早已经进入临床试验。在肿瘤学个体化治疗中应用当前的标准治疗时,基因组分析的前驱作用将使临床面临着重要的挑战。这个前沿医学需要确定患者存在毒性危险的新生物标志,以及用以预测和评估临床疗效的新分子标记。至今为止,已有多个可以用于预测疗效的标志基因,以及可以用于预测毒性的炎症相关遗传因素。

关键词 肺癌; 生物标志; 毒性; 新疗法

Correspondence to: Joshua D. Palmer, M.D. Department of Radiation Oncology, Jefferson Medical College of Thomas Jefferson University, Kimmel Cancer Center, 111 South 11th Street, Philadelphia, PA 19107, USA. 

Email: Joshua.palmer@jeffersonhospital.org.

 

Submitted Aug 26, 2013. Accepted for publication Dec 03, 2013.

简介

In 2013年,美国估计将有228,000例新诊断的肺癌患者而将有超过70,000患者死于该病。 美国男性和女性在他们的生命中患肺癌的危险性为 6-7%。伴随着年龄增长、基因易感性和毒物暴露 (如,嗜烟)其危险性也随着增加 (1)。肺癌是一个包含多种组织学亚型的异质性肿瘤群体: 腺癌、鳞癌、大细胞和小细胞神经内分泌肿瘤。绝大多数的分子研究侧重于最常见的组织学亚型: 腺癌、 鳞状细胞癌。

过去十年中自从分子通路研究进展--"六个癌症标志", 预示了生物标志物检测及新型靶向治疗已经进入临床,拓宽了我们对肺癌分子发病机制的认识(2,3)。在临床研究中仍然存在广阔领域,使靶向治疗通过正确地引导进入当前的标准治疗。

目前对正常生理上皮细胞向恶性肺癌转化机制的认识,已经与我们对其他多种类型癌症的认识一起不断增长,进入了多步骤模式 (4,5)。染色体或核苷酸的一系列畸变和驱动基因的表观遗传事件导致肺癌的永生化和恶性表型(6)。理论上认为在这个多步骤的转化过程中,某些驱动基因导致"成瘾",是维持肿瘤所必需的,而针对这些生物标记的靶向治疗将根治这些特定的肿瘤细胞。

已确定了多种肺癌生物标记物,包括表皮生长因子受体 (EGFR) 突变、 EML4/ALK 融合基因,p53 突变、 RAS/ MAP激酶突变,Her-2高表达和 PI3K/mTOR突变。

对肺癌靶区的放射治疗结果也损害了包括肺和心脏在内的周围危及器官。肺癌毒性相关的分子生物标志绝大多数集中在肺损伤或肺炎。研究者们偿试着将肺部放疗的剂量学参数与各种肺部生物标记物相结合,以定义重症肺毒性的极高危患者群。

肺癌分子标志

对癌症生物标记物或可作为靶点的基因畸变的搜索需要多年的体外和 体内临床前研究。目前大约有十几个已证实有临床受益的生物标志,而另十几种目前正在研究中(7)。NCI肺癌突变联盟认定其中多个生物标志是肺癌的驱动基因 。包括EGFR, KRAS, HER2, PI3K, BRAF and ALK (4)。其中EGFR, KRAS, HER2 和ALK融合能预测靶向治疗疗效 (5,8-11)。这些驱动基因在包括改变增殖潜能、 凋亡信号、 血管生成和侵袭/外渗等肺癌发生机制中起着重要作用。临床相关通路如图 1 中所示,包括 RAS/MAP 激酶、 PI3K/AKT/mTOR、 JAK/STAT 通路和细胞周期检查点。目前已经不同程度地了解到这些生物标记物在非小细胞肺癌中存在突变、扩增或高表达。表 1概述了肺癌中每个驱动基因发生的相对频率(5,8,12,13)。

EGFR

酪氨酸激酶受体家族 (RTKs) 包括EGFR 或 HER1 和 HER2-4 (14)。 他们是一群约75% 同源的RTKs ,一旦结合到胞外配体并形成同二聚体或和异二聚体将传递给他们的胞内信号。(5)。这个家族中的绝大多数突变发生在酪氨酸激酶结构域并与药物敏感性相关(15)。 这个家族的治疗靶点列举在表 1 中,包括小分子抑制剂(吉非替尼和厄罗替尼), 和单克隆抗体(西妥昔单抗和曲妥珠单抗)。有趣的是 EGFR 突变似乎更常见于从不吸烟的、亚裔及腺癌妇女中(5,15)。同时这一群人似乎对分子抑制剂更敏感。已有多个研究发现EGFR扩增及多数突变与改善临床疗效相关 (8)。然而,也有预测 EGFR 抑制剂疗效不佳的突变,包括 T790M 突变,伴随 KRAS 突变或 MET扩增。更多最近的研究表明  19 号外显子的D761Y突变和 20号外显子的插入突变会导致进一步的靶向治疗抵抗(16)。尽管HER2 突变似乎与患者的 EGFR 突变相关,但是HER2 基因突变频率要低得多。然而,在未经选择的病人以及一大群尚未确定是否包含这些突变的病人中,针对 Her2-4的靶向治疗并没有改善疗效 (8,9,17,18)。

RAS/RAF/MAP激酶通道

肺癌患者中 几乎所有临床相关RAS 家族基因突变发生在 KRAS。一旦 RAS 突变被激活并可能导致细胞转化和持续的增殖,从而使这个家族成为靶向治疗的的理想靶点。已经研发出包括 tipifarnib 和 lonafarnib在内的几种以 RAS修饰为靶点被称为法尼基转移酶抑制剂药物。RAS需要法尼基基团的修饰才能执行胞内细胞信号(8)。这样才能完全贴附于细胞膜。没有合适地修饰和细胞膜定位的RAS是无功能。

BRAF是RAS下游的丝氨酸/苏氨酸激酶家族的一部份。肺癌组织中可以有BRAF突变,但是其发生频度远低于黑色素瘤(表1)。因为肺癌和恶性黑色素瘤在BRAF突变存在本质的不同, vemurafenib平移用于治疗肺癌是不太可能的。然而应用索拉非尼等口服的RAF激酶抑制剂正在研究中。索拉非尼是独特的,它是RAF/MAP激酶通道的抑制剂,而且对多个酪氨酸激酶(VEGF和PDGF)有活性,因而可以靶向作用于参与肺癌肿瘤形成的多种通道 (8,11,19)。

一旦 BRAF 信号 活化MEK1/2 通过 ERK1/2持续激活 MAP 激酶通路。已知这些下游效应器人肺肿瘤细胞株中结构性活化。已经开发出Cl-1040和 PD03244901等口服抑制剂并正在积极推行研究(8,20)。

ALK 转位 (ALK/EML4 和ROS1)

棘皮动物微管相关蛋白4-间变淋巴瘤激酶融合基因(EML4/ALK) 是最常见的转位形式。融合蛋白导致酪氨酸激酶的结构性活化(21)。这种融合产物更多见于年轻、 肿瘤小或从不吸烟的伴有印戒特征组织学类型为腺癌的患者。 ALK重排临床采用荧光原位杂交技术检测。克唑替尼是一个双重ALK转位抑制剂可以抑制这种效应。临床前研究和临床研究都证实了EML/ALK阳性肿瘤采用克唑替尼治疗的放射敏感性和显著的有效率 (9,22)。L1152R, L1196M 和C1156Y等多个第二位点突变使患者获得克唑替尼治疗抵抗。 最近ROS1重排也被证实为仍然对克唑替尼敏感 (8)。

P53

P53 蛋白是一种在不同细胞应激条件下可以被修饰的转录因子,它的功能是启动细胞凋亡或阻滞细胞周期。因为它是人类癌症中最频繁的突变基因而众所周知 (4)。P53 基因突变多数都是失活突变或缺失突变,虽然一些错义突变导致预示肺癌预后较差的获得性功能表型 (8)。通常认为吸烟与肺癌的颠换突变有关联。根据临床前工作证实如果野生型P53在细胞内再表达将使包含突变型P53肿瘤出现凋亡,临床应用腺病毒基因置换载体重新导入野生型P53使P53 蛋白失活(4,8,21)。前期临床研究已经确定这个载体在肺癌中是安全而有效的,已计划进行后续的研究(23)。

PI3K/mTOR通道

由PIK3CA癌基因编码的磷脂酰肌醇酯-3 激酶 (PI3K)属于脂质激酶家族可导致哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR) 活化估计在接近75%的肺癌患者中被活化 (8)。 PI3K 导致凋亡抑制和生长调节。肺癌中的PIK3CA出现突变 (表 1), 从而导致高水平的激酶活性和下游信号。当LY294002 和wortmannin 等PI3K抑制剂 联合放射治疗时能减少阻滞生长潜力和杀伤人类细胞系的下游效应。然而,这些药物因为没有特异性,广泛地抑制这个激酶家族,具有相当大的毒性。最近,各制药公司正试图为各种癌症分离 PI3K 特异性抑制剂异构体,IC486068 和 IC87114 (8,18,21)。

mTOR 是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。这种激酶是细胞生长调节通道的主要下游效应器。mTORC1 和 mTORC2两者形成的复合物,形成允许细胞活性和潜在治疗靶点的催化亚基。已有多个可用的治疗药物,包括西罗莫司及其衍生物如 CCI-779、RAD001和 AP23576。两者都在肺癌中显示出活性并且在当前的临床中进一步研究(8,21,22)。

JAK/STAT

已有关于在肺癌中Janus激酶 (JAK) 和信号传导转录活化 (STAT)通道通过下游的BCL、 Cyclin 和MYC效应加速细胞增殖和抑制凋亡的临床前研究。 JAK定位于配体结合受体酪氨酸激酶并被活化导致被多种STAT通道的SH2结构域识别的位点磷酸化。它们被JAKs磷酸化并形成定位于细胞核的同二聚体或异二聚体,调节基因转录。有趣的是,多个STATs可能被EGFR和其他激酶直接磷酸化。最值得注意的是, 在携带EGFR突变的细胞系中STAT3与肺癌的肿瘤形成有关。 实际上, EGFR突变的细胞中, STAT3活化是细胞生长和生存必需的。STAT3的下游是一个称为survivin凋亡抑制剂,它的功能是通过细胞周期和抑制凋亡级联而促进细胞增殖。这种信号转导通路是个有吸引力的治疗靶点而应用 TG101209 的临床前工作已证实可诱导放射敏感性,其机制可能是通过抑制 STAT3 (8,21,22)。

TGF-B 和血管生成

转化生长因子-b (TGF-b) 是个调节多个细胞进程的细胞因子, 包括细胞生存、生长和免疫调节。 TGF-b活化SMAD家族中的下游效应器。 TGF-b在肺癌中起着双重作用。在肿瘤形成早期,TGF-b诱导凋亡并负责生长抑制作用。并且,下文我们将会讨论到,它在炎症中也有作用。然而,在肺癌 后期阶段,TGF-b诱导血管生成(3,8,22)。

血管密度、血管生成与肺癌分期晚、生存差相关。血管生成的关键介导因素是VEGF家族。VEGF 受体抑制剂包括单克隆抗体贝伐单抗和结合在循环 VEGF上的融合蛋白 aflibercept (阿柏西普),其他目前还在研究中。贝伐单抗治疗后的疗效评估已经成为一种挑战。已有大量抗VEGF研究允许潜在生物标志的评估以衡量疗效。事实上,最近的数据表明预测疗效的潜在候选指标包括,循环短 VEGF-A、神经纤毛蛋白-1受体的修饰表达和 VEGF受体 1 (8,24)。命名为MERiDiAN的前瞻性生物标志研究将按患者短VEGF亚型分层,将验证这个问题。

放射抵抗的生物标志

放射抵抗发展依赖于肿瘤固有的特征。经典理论中,肿瘤和正常组织对放疗反应最重要的特征称为"4 R": 修复 DNA 损伤,细胞周期再分布,加速再增殖和乏氧肿瘤细胞再氧合(25)。在加速再群体化的时相中,肿瘤细胞以明显加快速度开始修复损伤和增殖。在这个时相,多个细胞机制的启动导致放射治疗抵抗: 细胞衰老、DNA修复和细胞周期检查点调控。不幸的是,到目前为止那些途径和抵抗机制复杂而且难以阐释。然而多个研究者已经阐明了可能与原发性和获得性放疗抵抗相关的基因。原发放射抵抗指的是基因表现在治疗性电离辐射暴露之前,而获得性基因指的是它们的表达在电离辐射暴露后发生改变。 应用多种基因表达检测方法研究了人类肺癌细胞系中一系列参与乏氧、DNA修复和凋亡的通道。已经确定了18个与放射敏感性相关的关键基因,但是到目前为止,这些基因中只有 MDM2, Livin a和TP54I3 等3个基因得到验证(18,26)。

MDM2参与原发性放疗抵抗,编码了一个称为泛素激活酶E3的蛋白,它通过泛素化下调和抑制转录活化而成为一个重要的P53负性调节剂(27)。已经证实MDM2的表达上调引起放射抵抗,而应用siRNA的有针对性下调将使肿瘤细胞逆转为放射敏感。其它两个已验证的基因都与获得性放疗抵抗有关, Livin-a是正性调节而 TP53I3是负性调节的。Livin是一种新型的凋亡抑制剂 (IAP) 正常不存在高水平表达。 在2011年就发现辐射暴露后,Livin的表达水平高度上调,从而导致获得性抵抗, 特别是在a型Livin 。分次放疗后肿瘤蛋白 p53 诱导蛋白 3 (TP53I3) 基因几乎关闭,导致P53细胞死亡信号低表达(18)。

放疗抵抗的其他潜在机制包括EGFR 和 RAS突变。临床前研究表明,KRAS第 12 密码子(12V)突变的人类细胞系细胞凋亡水平低。据推测这种低水平的细胞凋亡是通过修饰 ERK介导的。这样可能解释了放疗抵抗。多位研究者证实了survivin高水平表达与放射抵抗之间的联系 (28,29)。已有关于通过 EGFR 突变导致放疗抵抗的研究,并揭示其与各种机制未明确的胞内通道之间的联系。

肺癌的免疫治疗

过去的几年中,癌症免疫反应的重要性源于"癌症的标志"的更新,其中包括肿瘤细胞增殖和逃避身体固有免疫监视功能等几种重要的新机制(30)。值得注意的是癌细胞需要能够在慢性炎症环境中成长的能力以及逃避并抑制免疫系统的能力。因为这些知识,研究人员已经开始寻求有效激活免疫反应的机制, 消除免疫抑制和存在于整个细胞系的癌症特异性抗原。

免疫疗法的基础在于对癌症特定抗原给予与其相适应的反应。这依赖于肿瘤的微环境、T调控(Treg)细胞等髓源性抑制细胞和保守癌症细胞抗原的发现(30-33)。

事实上, Suzuki等已经开始阐述肿瘤微环境在复发危险中的重要性 (33)。肿瘤微环境的研究是通过在近 1000 名早期肺癌患者中,从肿瘤及其周围基质中分离8种肿瘤浸润性免疫细胞并对多种细胞因子表达进行的研究。 已发现多种标志是5年复发的强烈预测因素。 这些标志包括叉头蛋白 P3 (FOXP3): CD3比例的升高和高水平白细胞介素-7 受体。白细胞介素-7 受体与最差的总生存相关。 同时值得注意的是高水平的白细胞介素-12受体b2与较低的复发危险相关。 结果证明 FOXP3 是Treg细胞的标志。同时也注意到肿瘤间质中FOXP3的 表达强调了肿瘤微环境在复发潜能中的必要性。IL-12及其相关受体扮演着肿瘤抑制因子的角色,与肿瘤侵袭性差相关。另一方面, IL-7R通过VEGF-D的正性调节,并通过JAK/STAT通道起作用而增强血管生成作用。在早期肺癌细胞中已建议采用多个治疗靶点来抵消这些新发现预后因素,其中包括环磷酰胺,它可以耗竭Treg 细胞,并改变 FOXP3:CD3 比率,重新导入IL-12 或刺激IL-12R 及阻断血管生成和 STAT 家族 (33-35)。

为了利用免疫环境,已对其他多个机制进行彻底研究,包括细胞毒性 T 淋巴细胞抗原-4 (CTLA-4),程序性死亡-1 (PD-1),程序性死亡-1 配体以及损伤相关分子模式 (DAMPs) 分子(33)。 CTLA-4在CD4细胞中表达,能抑制细胞毒性T淋巴细胞。 Ipilimumab是以CTLA-4为靶点的抗体。其临床疗效依赖于改变总淋巴细胞数和树突状细胞以及改变吲哚胺双加氧酶的表达等非特异免疫原性改变。Ipilimumab联合化疗已证实可改善晚期转移性肺癌的无进展生存。 其他T细胞的抑制剂,包括由PD配体-1和2(PD-L1和 PD-L2)活化的PD-1受体,也是T细胞表达的共抑制因子。在临床中PD-1和 PD-L1都已经应用于转移性肺癌的靶向治疗,并证实在鳞状细胞癌患者中客观有效率10-33%。 并注意到在腺癌患者中其有效率要低得多(34,36)。热休克蛋白(HSP)和高迁移率族蛋白B-1 (HMGB1) 等DAMPS可增强自噬,属于癌细胞的负调节。 据推测这可能在远隔效应和DAMPS 治疗中起作用,并可能增加系统控制疾病的机会 (34,35,37)。

多个临床研究中已开发出肺癌疫苗并证实有令人印象深刻结果。 其靶点涉及的范围从保守蛋白、分子生物学标志到非特异性靶点等。 粘蛋白 1 (MUC1) 是一种上皮细胞广泛表达的细胞粘附分子而且在恶性肺癌细胞中高度保守。包括BLP-25 和TG4010的MUC1靶向疫苗已在早期阶段的研究中证实可以改善临床疗效。 BLP-25是迄今为止唯一被证实可明显改善总生存的MUC1疫苗。IIB 期研究证实该疫苗与最佳支持治疗的3年总生存分别是31%和17% (34,38)。但是在转移性疾病中证实无生存获益。重要的是, BLP-25与环磷酰胺联合以限制T细胞抑制。 目前包括START和 INSPIRE研究在内的多个III 期研究正在评估BLP-25。TG4010疫苗通过转染基因工程疫苗病毒诱导MUC1和 IL-2表达而起作用。 早阶段研究是有希望的,但是临床疗效没有明显改善。该技术的临床疗效依赖于转染靶点的表达和识别,目前的III 期研究排除了NK细胞活性增加的患者,因为这些患者有疗效和毒性都最差的倾向。CIMAvax EGF疫苗以EGFR受体为靶点,已证实改善中位生存,但这个效应只局限于对这种疫苗产生良好抗体反应的患者中。 MAGE-A3是另一种被作为靶点的保守蛋白,该疫苗的研发处于II期研究阶段,倾向于改善总生存。也因此设计了MAGRIT III期研究。 Belagenpumatucel-L是一种以TGF-b为靶点的疫苗。高剂量组中位生存时间显著延长了近一年而无明显毒 性。因此设计了II 期试验 (NCT00676507) (34,38)。

假设免疫治疗联合放疗可以改善临床疗效。 一般而言,常规分割放疗后绝大多数细胞的细胞死亡机制是非免疫源性机制,因而出现凋亡。但是,理论上认为大分割治疗联合免疫调节剂可能使肿瘤细胞更有免疫原性。现实中, Shaue 等在恶性黑色素鼠模型中证实免疫剌激剂量阈值是7.5 Gy (39)。增强先天免疫系统和后天免疫系统的确切机制并不明确,但已有多个报导证实局部放疗后全身疾病明显缩小 (39,40)。

肺癌个体化治疗现状

借助遗传测试成本的降低和 每年大量新证实的分子生物标志研究,个体化医学已成为热门话题。个体化肿瘤学的最终目标是确定分子肿瘤类型的亚群,而不是根据分期和解剖位置治疗肿瘤,这将改进治疗策略和预后。

生物标志促使人们利用第一代 EGFR 酪氨酸激酶抑制剂 (厄洛替尼和吉非替尼),以及克唑替尼等ALK 抑制剂进行的临床试验已经证实可改善临床疗效,其有效率在 50-75%之间(16,41,42)。事实上,最近这些研究已导致非小细胞肺癌国家综合癌症网络指南(NCCN) 2013版的修改,推荐在转移性肺癌患者工作流程中进行分子检测。目前,许多临床医生及多个多学科肿瘤讨论组建议在临床病程中进行分子检测的时间点越来越早。

肺癌的诊疗中,虽然分子检测正成为临床洞察力的一部份,但是当前我们可以作为靶点的生物标志存在一系列的限制。在人群中应用这些数据最大的限制是现实中美国人群只有 10-30%含有ALK 和EGFR突变,所有肺癌患者中约80-90%根本就不含有这些突变 (8,16,43)。 包含突变靶点的患者中约25-50%对治疗无反应。确定突变患者耐药机制的努力以及新的ALK抑制剂和二代EGFR抑制剂有望确定这些关键问题。

对于驱动突变的分子通道和耐药机制的理解将不断发展。因为肿瘤个体化治疗的战斗仍在进行,前文提到的多个分子生物标志亚型将可能会不断成为临床工具的一部份,

分子标志:临床应用和疗效

应用新型治疗干预驱动基因通道得到了混杂的结果。在肺癌发病过程中更早应用这些分子生物学标志的尝试是研究热点。

厄罗替尼、克唑替尼和贝伐珠单抗在转移性肺癌中起着改善临床疗效的作用 (11,44-47)。然而,与目前标准治疗相比应用同步或辅助 EGFR 抑制剂获得较差或相似的结果 (47)。同样地,应用贝伐珠单抗同步仍然是一种冒险。许多临床学家相信这些未选择对象的试验导致了不可预计的结果。从逻辑上讲,包含这些突变的患者可能获得较好的临床疗效 (45,46,48)。在包含融合基因的转移性患者中添加克唑替尼就注意到这些问题了 (49)。研究者们期待着来自RTOG0617研究西妥昔单抗的结果,以确定添加靶向治疗的联合模式是否可以改善临床疗效。令人兴奋的是, 一个即将结束的 RTOG研究正在评估诱导靶向治疗后标准治疗的有效性,探索个体化靶向治疗。当然,这个设计的缺点在于诱导治疗推迟了局部治疗。但是联合这些治疗的联合治疗模式的安全性仍不明确,而辅助治疗的疗效差已得到证实。

已经在探索应用更多遗传学检测鉴别可以获得疗效改善的患者亚群。 台湾学者已经确定并验证了一个5基因标志(50)。应用基因表达检测、危险评分和决策树分析,研究者们发现 DUSP6、MMD、STAT1、 ERBB3 和 LCK是无复发生存和总生存的独立预后因素。他们对125 例患者进行了 16 基因微阵列分析,并将病人分成高风险组和低风险组。 应用他们的5基因标志,低危组的中位总生存时间是40个月,而高危组只有30个月(P<0.001)。无复发生存的差别也有显著性,低危组与高危组分别是29个月和13个月。重要的是,在肿瘤生成的多个领域都能发现这些基因的功能,包括凋亡、细胞分化和转移潜能。

临床前研究发现了其他生物学预测标志,包括DNA结合抑制子ID1 和 ID3。接受联合模式治疗的17例III期肺癌患者进行ID1/3免疫组化染色。有趣的是,可以证实无进展生存和总生存都出现戏剧性的改善。无 ID1/ID3共表达与有 ID1/ID3共表达的患者比较,中位无进展生存时间分别是30个月与1个月。中位总生存时间分别是45个月与6个月 (51)。 理论上认为这些基因可能与导致放疗抵抗的乏氧范围有关 (52)。

最近,应用针对疾病发病机制较早阶段靶向治疗的临床研究出现明显上升的趋势 (53)。重要的是,这些新疗法的应用正在细化到肿瘤患者个体,这将有希望改善临床疗效。类似5基因标志和ID1/3表达的驱动基因特征和预测生物标志是肺癌领域激动人心的发现,但是我们仍然需要在大型随机研究中进一步研究和验证,以确定这些生物标志是否与临床相关。

放射性肺炎与新型毒性生物标志

放射性肺炎特征是胸部给予放射治疗剂量后的肺部炎症。临床意义的肺炎是任何需要医学干预的毒性。临床意义上的放射性肺炎在肺癌患者中的发生率约5-50%,是最常见的临床毒副反应。也是最危险的反应之一 (54)。有临床意义的肺炎约 80% 发生在治疗后的前10个月。放射性肺炎的发生率因不同临床终点而不同:20-80%出现影像学异常, 5-50%出现呼吸急促, <3%发展到气管狭窄。

临床中正常组织效应定量分析 (QUANTEC) 是放射肿瘤学家用于解释剂量体积直方图的指南。临床实践中常用的剂量体积限制(存在很多条件)建议包括: 受到超过20 Gy (V20)照射的肺体积小于30-35% 而肺部平均剂量小于20-23 Gy (55)。这些参数限制预测肺炎的危险小于20%。肺叶切除术后的患者,采用更严格的限制,包括V5<60%, V20<10%和平均肺受量 <8 Gy。同时还有其他影响肺炎危险性的因素。通常,年轻人群(<60-70 岁)和主动吸烟者出现肺炎的危险性低。同步化疗的应用增加了放射性肺炎的危险性。

急性放射性肺炎(放疗后12周内) 及随后的前1-2年内出现的肺部纤维化,是由炎症因子级联和血管改变引起的。下文将描述多个肺炎纤维化形成过程中的关键标志(图2)。 肺泡上皮由I型 (>90%)和II 型肺泡细胞组成,一旦暴露于放疗,I型肺泡细胞因为凋亡而大量丢失。 II 型肺泡细胞开始增殖并产生表面活性物质脱辅基蛋白以修复周围损伤。细胞个基质中的细胞包括巨噬细胞、成纤维细胞以及循环T辅助细胞开始分泌包括IL-6 和 TGF-b等细胞因子以招募其他炎症细胞并开始导致胶原沉积的级联反应和肺实质的纤维化(56)。

最近,生物学标志和器官相互作用已经成为放射性肺炎的重要预测因子。已知炎性细胞因子参与急性放射性肺损伤的发病机制,它们构成可能的毒性血清标志物。肺毒性相关血清标志物的早期研究是ROTG 91-03研究,II 期和 III期不适合手术治疗的肺癌患者接受60-66 Gy放射治疗 (57)。 这个研究中的一些患者可以接受同步或序贯化疗,但是研究的初始阶段患者接受的是单纯放疗。他们发现10 Gy后血清IL-6 升高(>0)预示着急性2级或2级以上放射性肺炎。 同时20 Gy 后表面活性脱辅基蛋白水平升高(>797)与放射性肺炎晚反应相关。他们还注意到,弥散能力 < 54 和年龄 > 60岁 预示着较高的放射性肺炎风险。研究中的其余血清标志物,包括肿瘤坏死因子、TGF-b,与肺炎不存在明显的相关性。

TGF-b 是肺毒性的炎症生物学标志中研究量最大且研究最彻底的,这是因为它在预测放射性肺炎的能力方面存在相矛盾的数据(58,59)。多数研究认为TGF-b水平升高与放射性肺炎相关。他们报道放疗期间TGF-b水平差异显著,并且取样时间决定了血清浓度水平。其他研究发现化验血样相关的技术因素可以解释TGF-b水平的升高。还有其他研究发现正常组织在放疗期间产生的TGF-b受肿瘤和患者遗传学背景的影响。(52,59)。

来自密歇根州和中国的联合分析发现 放疗期间(在第四个星期)血清TGF-b1水平比治疗前的TGF-b升高预测肺炎。 加入肺平均受量有助于最危险患者的分层。应用TGF-b比值>1 和肺平均受量>20 Gy作为危险因素,他们把患者分成3组:无危险因素(低危),一个危险因素 (中度危险)和两个危险因素(高危组)。 三组的肺炎危险性分别为: <5%, 50% 和66%。 相似的研究应用治疗结束的TGF-b 水平和V30 (58)。 根据这两个因素他们也能对病人群进行充分地分层。多位研究者发现炎症标志联合剂量体积特征可能是肺炎最好的预测因素,而不是单独应用任何一个因素。不幸的是,这些研究发现这个标志必需在治疗过程中获得,在某种情况上来说这已经太迟了,无法对结果产生任何明显改变。

近期TGFb1基因的 单核苷酸多态性(SNPs)先进研究发现了放射性肺炎低危基因型。该研究随机获取来自164例肺癌患者术后标本的DNA并对每个样本进行基因分型以区分TGF-b基因的SNP。rs1982073中CT/CC基因型中: TGFb1 等位基因T869C 放疗后出现放射性肺炎的危险性较低,不依赖于平均肺受量和V20等剂量参数 (41)。这将允许治疗前评估肺炎危险并可以使放射治疗计划个体化。

引人注目的是,有数据显示心脏受到的照射剂量与肺毒性有关。一个单中心的回顾性研究,分析了数百个剂量体积参数发现多个变量,心脏的D10、肺的D35和肺的最大受量,在他们的患者队列中都是放射性肺炎的显著预测因素(60)。由于这种类型的分析中存在混杂变量,在日常实践中使用这些变量之前,需要进一步评估并在其他病人群中推广。此外,心脏毒性与pro-BNP和肌钙蛋白等多个生物标志相关 (61)。虽然,尚没有研究将这些放疗后的心脏毒性生物学标志与肺相关联。

已经开发出基于其他机制的生物学标志,用于确定靶向治疗患者疗效的改善。建立在这些机制基础上的生物标志物是众所周知的副作用,如EGFR 抑制剂的痤疮样皮疹、VEGR抑制剂的高血压、多靶点酪氨酸激酶抑制剂的甲状腺机能减退症和mTOR或PI3K抑制剂引起的高血糖。虽然近期多数肺癌靶向治疗研究的分析,与其他解剖部位的分析一样,都倾向于认为患者临床疗效的改善与经历那些机制相关毒性之间存在联系 (62)。相反地,假设没有机制为基础的毒副反应意味着缺乏有效的肿瘤反应。这些数据是有趣的,但仍然处于初级阶段。

最近的研究者开始将肺癌的靶向治疗与标准化放疗联合。这产生了一个问题:靶向治疗的加入将如何改变治疗窗?

多个早期临床研究评估了肺癌患者在标准化放疗中加入贝伐单抗的安全性和有效性,出现令人担心的食管气管瘘。通常食管气管瘘在肺癌的治疗中是非常罕见的。然而,一个小样本分析中,调查者发现超过 10%的气管食管瘘发生率,导致这些调查提前终止 (44,63,64)。另一个早期研究评估了有临床意义的肺炎发生率。研究者发现,晚期肺癌中与化放疗联合时,有临床意义的肺炎发生率 67% (44,63)。虽然这些研究的样本量相对较小,但是它们证实标准放化疗中加入贝伐单抗后,肺和食管毒性明显高得令人担忧。这一发现促使许多研究者放弃把当前这一代 VEGF 抑制剂加入肺癌的联合治疗模式中。应用新一代抗血管生成因子需要确定其安全性和有效性的进一步研究。

RTOG  0617多中心研究是有争议的,也评价了联合模式治疗加入靶向治疗是否可以改善疗效。应用2×2因子设计比较了标准剂量(60 Gy)与高剂量放疗(74 Gy),联合或不联合额外的西妥昔单抗。奇怪的是,高剂量组的局部失败明显比标准剂量组, 34% VS. 25%。同时注意到生存方面的差别令人吃惊,标准剂量组与高剂量组的中位生存分别是28.7个月和 19.5个月。毒性方面唯一有显著性差异的是食管炎相差3倍(65)。 这些结果的原因仍然没法回答。有人假设与总治疗时间有关。没有采用4DCT扫描来确定肿瘤运动却应用了更小的治疗边界或等待额外的剂量数据。

联合模式的治疗中靶向治疗的合适时机仍不明确。为了明确这个问题,RTOG 1306的预实验阶段将加入一个研究,将靶向治疗作为晚期肺癌的诱导治疗。入组III期非鳞癌、非小细胞癌N2或N3患者。所有患者将进行手术分期而且标本进行EGFR突变和ALK转位等分子检测。患者将按照突变分析随机分组接受标准化放疗或根据他们的突变状态接受厄罗替尼或克唑替尼诱导治疗。

个体化医学领域持续发展,可以在标准治疗基础上加入个体化治疗。然而,因为我们还无法完全确定各种治疗比,所以在其他细胞毒治疗的基础上加入新治疗时,还有很多未知变量需要考虑。我们已经开始界定更新的毒性标志。这些最新的发现将有助于下一代研究评估并使肺癌患者免于毒副反应。

大分割放疗和肺炎

大分割放疗可以作为一种早期及晚期肺癌增加剂量或缩短总治疗时间的方式 (66)。然而,最佳剂量、分次和方案仍在研究中。多个早期临床研究得出大分割放疗联合靶向药物包括厄罗替尼(NCT00983307) 和 ZD1839 (NCT00328562)的成熟数据。截至 2013 年 11 月,注册到clinicaltrials.gov的临床试验,没有评估靶向治疗与大分割放疗的研究正在进行,凸显了继续研究的必要性。大分割放疗背景下与肺炎相关的患者因素和剂量学信息衍生自早期临床试验和大型回顾性分析。最近的I期研究评估了大分割,对所有分期的病人,尝试把生物等效剂量(BED)提高到超过100 Gy,结果2级放射性肺炎发生率16%,无2级放射性肺炎出现。然而6例患者出现4或5级放射性毒副反应,包括咯血、肺脓肿和气管瘘。 单变量分析证实高级别毒性与总照射剂量超过75 Gy显著相关,2年毒副反应发生率31% vs. 1.8%。这个研究的最大耐受剂量是63.25 Gy/ 25 次。能显著预测2年5%毒性的剂量参数是D3cc =75 Gy和 Dmax= 83 Gy (66)。研究者将高级别毒性归结为,上文提过的,对近端气管树等中央结构的高剂量。立体定向体部放疗(SBRT),一种采用影像引导及较小治疗边界的极度大分割治疗形式,的放射性肺炎发生率为5-21% (67)。

随着这些技术应用的增加,对治疗的肿瘤体积和未受侵肺部的剂量更注意了。多个研究显示较大的原发肿瘤体积、平均肺受量和肿瘤最大剂量预示着较高的肺炎发生率 (67,68)。合理的剂量指南包括平均肺受量小于6 Gy、对侧肺平均受量小于3.6 Gy和 V20 <10%。可能预示着肺炎危险性增加的因素包括同步系统治疗、主动吸烟、年龄较大(>65), 病灶位于中央和治疗体积大小(>145 cc) (66-69)。因为现有单纯大分割或SBRT条件下的毒性数据更可信,而已知的剂量学和患者因素可能低估了高级别毒副反应的发生率,所在需要在慎重的前瞻性临床研究中详细地评估靶向治疗联合大分割或SBRT的毒性。

结论

肺癌是一个包含肿瘤亚群的异质性群体。 每个类型携带了多驱动基因通道的个体化突变。通常,人们基于解剖部位、分期和其他有限的预后信息应用相应的癌症治疗。随着证实癌症中可靶向生物标志数据的爆发,我们面对的是平衡毒性和临床疗效的新挑战

已经发现了影响疗效的遗传学信号,总有一天我们可以确定一些从更强烈治疗中获益的患者群。新型组织特异性毒性相关生物标志在联合放疗中衍生出的参数将改进治疗决策,而且允许对治疗的实时改进以阻止长期毒性。

需要基于肿瘤和正常组织特征的新方法以持续改善临床疗效。应该建立以肿瘤遗传学特征而不是以肿瘤部位为基础的新肿瘤多学科小组。需要不断提高医学的成熟水平以解释研究和设计临床试验。在影响我们预测和改变临床疗效的能力之前,技术、数据管理和分析以及新型治疗将比以前发展得更快。

Acknowledgements

Disclosure: The authors declare no conflict of interest.

表 1.肺癌的遗传变异和相关靶向治疗。

图 1.胞内信号通道概要,包括肺癌促进细胞增殖、生存、血管生成和转移潜能的关键性驱动基因

图 2.肺毒性机制。针对右下肺肿物放射治疗(图左上方)。放疗中对正常组织的照射(黑框插图)导致某些患者出现放射性肺炎, 与以下因素有关:中性粒细胞的IL-6、成纤维细胞的TGF-b、来自II型肺泡细胞的表面活性物质中的脱辅基蛋白 (黑框插图,放大)。出现右肺放射性肺炎的患者,显示治疗前和放疗后1年的轴位CT层面 (分别是左下及右下两图)。Nicholas G. Zaorsky, M.D.插图   图 1.胞内信号通道概要,包括肺癌促进细胞增殖、生存、血管生成和转移潜能的关键性驱动基因

Doi:

10.3978/kysj.2014.1.905
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