全腦放射治療（WBRT）一直是腦轉移癌的主要治療手段之一，尤其是對那些沒有手術機會的患者[1]。但很遺憾的是，目前的臨床證據顯示全腦放療并不能顯著改善腦轉移癌患者的預後[2]。
是以，探究腦轉移癌對放療抵抗的分子機制，以及尋找可預測放療敏感性的分子标志物，将有助于尋找解決放射治療抵抗的方法，以及患者個性化放療方案的制定。
近日，來自西班牙國家癌症研究中心的Manuel Valiente教授團隊發現了腦轉移癌對全腦放療抵抗的新機制。
他們發現腦轉移癌細胞可高表達并分泌S100A9蛋白，通過與惡性良性腫瘤細胞表面的受體RAGE相結合，激活細胞内NF-κB/JunB信号通路而介導放療抵抗作用，這種放療抵抗作用可被RAGE抑制劑FPS-ZM1所逆轉。
此外，他們還發現S100A9可作為生物标志物（血液檢測或惡性良性腫瘤組織檢測均可），用來預測腦轉移瘤患者對全腦放療敏感性，進而對患者進行個性化放射治療。
該研究結果為腦轉移患者進行個性化放射治療提供了理論基礎，同時發現了一種具有潛在臨床應用價值的放射增敏劑，具有十分重要的臨床轉化意義，相關研究結果發表于著名期刊《自然·醫學》上[3]。
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為了研究腦轉移癌（BrM）對全腦放療抵抗的機制，Manuel Valiente教授團隊首先建構了肺癌腦轉移動物模型（肺腺癌細胞系H2030-BRM心内接種）和乳腺癌腦轉移動物模型（TNBC細胞系E0771-BRM顱内接種）。
他們發現，與對照組相比，三種不同方案的全腦放療均未能延長小鼠生存期，而奇怪的是，這兩個細胞系在體外培養時卻對放療十分敏感。
腦轉移癌動物模型對全腦放療抵抗，但細胞系在體外培養時卻對放療十分敏感
這一有趣的現象使得研究人員猜想，是否是因為惡性良性腫瘤細胞與腦組織接觸而變得對放療抵抗呢？
于是他們将H2030-BRM或E0771-BRM細胞放置在體外培養的腦組織薄片上，并對它們進行與之前相同的放射處理，結果發現癌細胞果然變得對放療抵抗，這表明惡性良性腫瘤生長的腦部微環境中具有改變細胞放療敏感性的物質存在。
此前曾有研究發現，腦轉移癌細胞與神經膠質細胞的互相作用，對腦轉移癌細胞的生長起着重要作用[4]。研究人員将腦轉移癌細胞和膠質細胞共培養後發現，隻有當腦轉移癌細胞與膠質細胞直接接觸（将兩種細胞分隔培養無效），特别是與星形膠質細胞相接觸，才會出現對放療的抵抗。
腦轉移癌細胞與星形膠質細胞相接觸，才對出現放療抵抗
為了研究其中的分子機制，研究人員對對照組細胞和共培養的腦轉移癌細胞進行RNA測序，結果發現S100A9是上調最顯著的基因，動物模型和人腦轉移癌标本中S100A9也高表達。
而S100A9的高表達是由星形膠質細胞分泌的CXCL1和TGG-α所誘導，向體外培養的細胞中添加以上的兩種細胞因子，可誘導腦轉移癌細胞高表達S100A9，并變得對放療抵抗。
以上研究表明，S100A9可能參與腦轉移癌細胞對放療抵抗的機制中。
為了驗證這一點，研究人員将重組S100A9加入到體外對放射敏感的腦轉移癌細胞系中，結果發現惡性良性腫瘤細胞對放療的敏感性提高了3倍。而在将細胞S100A9沉默後再與腦組織薄片培養後，惡性良性腫瘤細胞仍然對放療敏感。這就坐實了S100A9即是導緻惡性良性腫瘤放療抵抗的“元兇”。
那S100A9是如何導緻原本對放療敏感的腦轉移癌細胞變得對放療耐藥呢？
通過轉錄組學分析，研究人員發現在對放療抵抗的腦轉移癌中，S100A9的受體RAGE在受到放射刺激後高表達，且在動物模型及和人腦轉移癌标本中同樣如此，通路富集分析顯示RAGE下遊的NF-κB信号通路被明顯激活。
這些資料資料表明，腦轉移癌細胞可表達和分泌S100A9，并與受放射誘導高表達的RAGE受體結合，激活NF-κB介導放療抵抗。
腦轉移癌細胞通過S100A9介導放療抵抗機制
緊接着，研究人員在體内研究了S100A9對放療敏感性的作用，建構了H2030-BrM細胞S100A9被沉默的肺癌腦轉移模型。
結果顯示，惡性良性腫瘤對放療的抵抗消失了，與對照組（H2030-BrM細胞野生型肺癌腦轉移模型）相比，放療顯著延長了小鼠的生存期。在乳腺癌腦轉移動物模型中也有類似的現象。
然後研究人員在體内證明了S100A9的确是通過激活NF-κB/JunB信号通路，來介導惡性良性腫瘤的放療抵抗。
由于S100A9不僅可由惡性良性腫瘤細胞所表達，中性粒細胞和單核細胞中也可分泌S100A9。為了驗證放療抵抗是否是由惡性良性腫瘤特異性分泌的S100A9所介導，研究人員建構了S100A9基因敲除小鼠模型，然後将野生型E0771-BRM細胞植入腦内建構腦轉移模型，結果顯示惡性良性腫瘤對放療依舊抵抗。由此證明了放療抵抗的确是由腦轉移癌細胞分泌的S100A所介導。
S100A9基因敲除小鼠腦轉移模型對放療抵抗
鑒于S100A9與腦轉移癌放射敏感性的相關性，研究人員在臨床人群中研究了S100A9與腦轉移癌患者（接受标準治療，其中包括放療）預後的關系。
通過對肺癌（n=22）、乳腺癌（n=42）、和黑色素瘤（n=34）腦轉移癌患者的臨床标本與随訪資料進行分析，研究人員發現，肺腦轉移癌标本中S100A9表達水準與全腦放療後惡性良性腫瘤複發時間相關，乳腺癌和黑色素瘤腦轉移癌标本中S100A9表達水準與生存率顯著相關。這強烈提示了S100A9作為預測放療敏感性标志物的價值。
腦惡性良性腫瘤标本S100A9水準可作為預測放療敏感性标志物
考慮到有些腦轉移癌患者已喪失手術機會，無法取到顱内惡性良性腫瘤标本來評價S100A9的表達水準，研究人員還研究了血液中S100A9水準與患者放療敏感性的關系。
他們通過分析71名腦轉移癌患者的血液樣本和臨床資料發現，血液中的S100A9水準同樣可以用來預測接受标準治療（包括放療）患者的預後，不過這還需要進行更大規模的臨床研究來驗證。
為了讓那些S100A9水準高的患者同樣享受到放射治療的益處，研究人員不禁想到，這種放療抵抗能否被逆轉呢？
非常幸運的是，現有的RAGE抑制劑FPS-ZM1對血腦屏障的穿透性非常好[5]。研究人員通過對肺癌腦轉移小鼠和乳腺癌腦轉移小鼠使用FPS-ZM1後，果然發現原本應對放療抵抗的惡性良性腫瘤變得對治療敏感了。
RAGE抑制劑FPS-ZM1可逆轉惡性良性腫瘤的放療抵抗
總的來說，Valiente團隊發現了S100A9介導了腦轉移癌的放療抵抗，且可作為潛在的生物标志物預測患者對放療的敏感性，進而達到個性化治療的目的。據了解，研究人員已啟動一項前瞻性多中心研究，以評估S100A9對放療敏感性的預測價值。
更為重要的是，這種放療抵抗可被RAGE抑制劑所逆轉，且RAGE抑制劑用于治療阿爾茨海默病已進入臨床試驗階段[6]。在不久的未來，該藥物或真的可以作為放療增敏劑進入臨床使用，改善腦轉移癌患者預後。
參考文獻
1.Suh JH, Kotecha R, Chao ST, Ahluwalia MS, Sahgal A, Chang EL: Current approaches to the management of brain metastases. Nat Rev Clin Oncol 2020, 17(5):279-299.
2.Mulvenna P, Nankivell M, Barton R, Faivre-Finn C, Wilson P, McColl E, Moore B, Brisbane I, Ardron D, Holt T et al: Dexamethasone and supportive care with or without whole brain radiotherapy in treating patients with non-small cell lung cancer with brain metastases unsuitable for resection or stereotactic radiotherapy (QUARTZ): results from a phase 3, non-inferiority, randomised trial. Lancet 2016, 388(10055):2004-2014.
3.Monteiro C, Miarka L, Perea-García M, Priego N, García-Gómez P, lvaro-Espinosa L, de Pablos-Aragoneses A, Yebra N, Retana D, Baena P et al: Stratification of radiosensitive brain metastases based on an actionable S100A9/RAGE resistance mechanism. Nature Medicine 2022.
4.Chen Q, Boire A, Jin X, Valiente M, Er EE, Lopez-Soto A, Jacob L, Patwa R, Shah H, Xu K et al: Carcinoma-astrocyte gap junctions promote brain metastasis by cGAMP transfer. Nature 2016, 533(7604):493-498.
5.Deane R, Singh I, Sagare AP, Bell RD, Ross NT, LaRue B, Love R, Perry S, Paquette N, Deane RJ et al: A multimodal RAGE-specific inhibitor reduces amyloid beta-mediated brain disorder in a mouse model of Alzheimer disease. J Clin Invest 2012, 122(4):1377-1392.
6.Burstein AH, Sabbagh M, Andrews R, Valcarce C, Dunn I, Altstiel L: Development of Azeliragon, an Oral Small Molecule Antagonist of the Receptor for Advanced Glycation Endproducts, for the Potential Slowing of Loss of Cognition in Mild Alzheimer's Disease. J Prev Alzheimers Dis 2018, 5(2):149-154.
責任編輯丨BioTalker