2024年01月11日发布 | 159阅读

【综述】在脑转移瘤临床前模型中放疗的应用:综述及对未来研究的建议

张南

复旦大学附属华山医院

《International Journal of Biological Science》杂志 2024年1月 1日刊载[20(2):765-783.]湖南长沙中南大学湘雅医院的Wen Shi , Guilong Tanzhu , Liu Chen ,等撰写的《在脑转移瘤临床前模型中放疗的应用:综述及对未来研究的建议。Radiotherapy in Preclinical Models of Brain Metastases: A Review and Recommendations for Future Studies》(doi: 10.7150/ijbs.91295.)。

在如肺癌、乳腺癌和黑色素瘤等原发性肿瘤中经常发生脑转移瘤(BMs),并且与明显较短的自然生存期有关。除了手术干预、化疗、靶向治疗和免疫治疗外,放射治疗(RT)是脑转移瘤的关键治疗方法,包括全脑放射治疗(WBRT)和立体定向放射外科(SRS)。通过临床前模型验证治疗方案的有效性和安全性是成功转化为临床应用的必要条件。这不仅推动了基础研究,而且为临床研究奠定了理论基础。本文以脑转移瘤动物模型(AM-BM)为基础,探讨了放疗联合化疗、靶向治疗、免疫治疗以及纳米材料和含氧微泡等新兴技术的理论基础和实际应用。首先,我们提供了建立AM- BM的简明概述。随后,我们总结了关键RT参数(RT模式、剂量、分数、剂量率)及其在AM - BM中的作用。最后,我们对以RT为基础的联合治疗的研究现状和未来发展方向进行了综合分析。总之,目前还没有涉及RT的AM-BM治疗的标准化方案,需要进一步的研究来加深我们对各参数之间的关系及其各自作用的理解。

随着患者生存时间的延长和成像技术的进步,脑转移瘤(BMs)的发病率呈上升趋势。与脑转移瘤相关的常见原发肿瘤包括肺癌、乳腺癌和恶性黑色素瘤。尽管有多种干预措施,如手术、放疗(RT)和化疗,脑转移瘤患者仍面临令人失望的短生存期,2年生存率不到10%。近年来,靶向治疗和免疫治疗的应用提高了生存率。

放疗(RT)是脑转移瘤的基础治疗方法,可提高局部控制率,减少脑转移瘤复发率。脑转移瘤治疗的RT选择包括全脑放疗(WBRT) 和立体定向放射外科治疗(SRS)。预防性颅脑照射(PCI)是一种独特的放射治疗形式,已知可延迟和减少BM的发生。WBRT通常推荐用于多发性脑转移瘤患者(通常为>3个病灶),而SRS可作为低转移性病灶的标准治疗(通常≤4个病灶)。RT除了直接影响基底膜外,还能改变肿瘤微环境和血脑屏障(BBB)的通透性,为联合治疗奠定基础。目前,RT联合免疫治疗、靶向治疗或纳米材料等新疗法的时序和时机是脑转移瘤治疗领域的重点研究领域。

动物实验在临床前研究中起着举足轻重的作用,为临床转化提供理论基础。然而,不同的治疗方案产生不同的效果,从模型建立到治疗交付的参数是不同的。虽然已经在各种肿瘤的皮下模型中探索了放疗参数(如放疗方式、剂量、剂量率、分次等),但这些模型受限于复制血脑屏障的固有结构和基底细胞独特的免疫微环境。因此,对治疗脑转移瘤的RT和药物疗效进行诚实的评估是具有挑战性的。颅内患者源性肿瘤异种移植(PDX)模型比皮下PDX模型更接近于BM患者的表型和基因型,对于评估局部疗效及其机制至关重要。

目前,脑转移瘤动物模型(AM-BMs)的RT参数缺乏标准化,也缺乏相关综述。本文以AM-BM为基础,首次系统总结了BM的放疗方案,涵盖了放疗实施的模型建立,为后续研究提供了可靠的基础。此外,综合治疗是治疗脑转移瘤的主要方法。我们巩固了RT联合其他治疗的方案和分子机制。

AM-BM的建立与RT的干预时间

建立AM-BMs的方法有脑内注射、心内注射、颈动脉注射、尾静脉注射。有很少的研究探索自发或诱导AM-BM。小鼠是AM-BM 最常用的动物。尽管AM-BM的体积相对较小,但使用体内成像系统(IVIS)或磁共振成像(MRI)监测AM-BM的生长和治疗效果(图2E)。AM-BM的RT疗效评价指标一般包括肿瘤大小、病变大小、总生存期、Ki67、Caspase-3、γ - h2ax表达等(见图2G)。

图2模型构建注意事项及AM-BM检测指标。(A-D)在AM-BM模型发育过程中,几个关键参数显著影响肿瘤形成率。(A) AM-BM研究中常用的物种包括C57BL/6小鼠、SCID小鼠、BALB/c裸鼠和大鼠。(B)各种细胞系,如肺癌(H2030-BrM, PC-9-BrM3),乳腺癌(BT474-BrM3, 4T1Br4)和黑色素瘤细胞系(B16-F10, B78),通常用于AM-BM的建立。(C)注射细胞的数量是成功构建模型和最佳治疗时间窗的关键决定因素。(D)目前BM建模方法包括脑内注射(ICB)、心内注射(ICD)、颈内动脉注射(ICA)、尾静脉注射(IV)和自发或诱导模型(SP)。(E-G)在体内研究中评估的常用参数包括:(E)肿瘤病变、肿瘤数量、肿瘤体积。(F)的生存。(G)肿瘤生物标志物,如Ki67、γ - h2ax等的表达。

建立脑源性细胞(brain-tropic cells)(脑转移细胞)需要在体内和体外筛选(stablishing brain-tropic cells (brain metastasis cells) requires in vivo and in vitro screening.)。选择过程包括用荧光素酶或GFP等报告基因修饰癌细胞,这使得使用IVIS或MRI可以很容易地观察,评估和准备变化。然后进行额外的轮选。然后,通常在体外生长一段时间后,将经过修饰的细胞重新引入小鼠体内(图1)。

图1脑源性细胞的建立过程。建立脑源性细胞(脑转移细胞)需要在体内和体外筛选。选择过程包括用荧光素酶或GFP等报告基因修饰癌细胞,这使得使用IVIS或MRI可以很容易地观察,评估和准备变化。然后进行额外的轮选。经过修饰的细胞通常在体外生长一段时间后,再被重新引入小鼠体内。

建立AM-BM的方法是多方面的,每种方法都有利弊。脑内注射(主要在纹状体或大脑皮层)可以迅速形成单个病变,成功率很高。该方法有效地总结了BM的生长和增殖。然而,这种方法破坏了血脑屏障,忽略了转移和定植过程,从而削弱了治疗效果的预测准确性。动脉接种(颈内动脉和心内注射)复杂,成功率低。由于血液转移,颅内肿瘤的位置或病变是随机的,形成多发颅外转移是不可避免的。静脉(IV)接种(尾静脉注射)是不常见的,因为BM形成的发生率低,不可避免的肺转移。在BM中自发性模型经常形成单个病变,反映了肿瘤发生到转移的实际过程。然而,长期的实验期和全身转移阻碍了广泛使用。考虑到这些因素,我们在AM-BM中强调了模型构建和检测指标的注意事项(图2)。

所选择的建模方法影响RT模式(图3B)。对于脑内接种模型,常用SRS或WBRT 。动脉接种构建的AM-BM通常涉及WBRT 。此外,PCI用于通过尾静脉注射静脉接种建立的AM-BMs。不同的模型构建参数和BM的生长特征导致RT实现时间不同(图3B)。

图3。动物种类、照射方式选择及RT对AM-BM的影响。(A)目前用于AM-BM RT研究的动物种类包括小鼠、鸡胚胎、猴子、大鼠、狗和兔子。(B)根据建模方式不同,采用不同的照射方式,局部接种建模常用SRS或WBRT,心内和颈内动脉注射常用WBRT,尾静脉注射常用PCI。(C- D)影响生存的预后因素如下:(C)放疗对脑组织的副作用,如放射性水肿、坏死、神经毒性和海马损伤。(D)抗辐射基因(TopBP1和Claspin)、S100A9的分泌和RAGE的过表达等因素限制了RT的生存益处。(E)体内研究揭示了不同小鼠品系对RT的血脑屏障/血肿瘤屏障的不同反应。值得注意的是,3 Gy/1F、12 Gy/3F、15 Gy/1F、15.5 Gy/1F和或20 Gy/2F剂量均未显著改变BALB/c裸鼠血脑屏障/血肿瘤屏障的通透性。然而,15.5 Gy/1F和30 Gy/5F剂量可引起C57BL/6小鼠血脑屏障/血肿瘤屏障通透性的改变。RT诱导AM-BMs血脑屏障/BTB打开的时间窗尚未确定。

AM_BM的照射时间因接种方式(脑内早于全身)和动物种类(小鼠早于大鼠)而异。在同基因模型中,脑转移瘤比异种移植模型增殖更快,这表明治疗窗口更短。对于肺/乳腺癌AM-BM脑内注射,照射时间与注射细胞数密切相关,一般来说,起始在2周内照射106细胞,在2-3周内照射104细胞。在黑色素瘤AM-BM中,通常在1-2周内照射102-104细胞。特别是,在细胞接种后一周内进行PCI。植入细胞计数与RT干预时间的关系见表1。

表1脑内注射(第一部分)和其他注射(第二部分)(包括颈内动脉和心内注射)的细胞计数和RT干预计划。

在AM-BM中RT的剂量和分

RT是BM的常规治疗方法。然而,在多个研究中,AM-BM的放疗方案的多样性强调了标准化的必要性。目前,WBRT广泛应用于AM-BM ,其次是SRS 。影响放疗疗效的参数包括放疗方法、剂量、分次、剂量率、干预时间等。从现有的AM-BM放射治疗研究中获得了这些参数的综合总结(表2- 表6)。此外,表7给出了一个全面、科学的AM-BM和RT实验报告模板。

表2 AM-BM放疗研究相关参数(WBRT联合CTR、IT、TT等)。

表6 AM-BM中RT/IMRT相关参数(RT、IMRT等)。

表7综合科学的脑转移放疗动物模型实验报告模板。

线性二次(L-Q)模型通常用于计算不同分割方案的生物效应剂量(BED),其公式为BED = D [1 + D /(α/β)]。α/β比(α/β)、总剂量(D)和分割剂量(D)是不可或缺的部分[The linear-quadratic (L-Q) model, typically used to calculate the biologically effective dose (BED) of different fractionation schemes employs the formula BED = D [1 + d/(α/β)] 80. The alpha/beta ratio(α/β), total dose (D), and fractional dose (d) are integral components]。AM-BM的放疗方案标准包括(1)临床方案;(2)BED等效方案;(3)基于不同研究对象的既往经验;(4)正常组织保护[The criteria for RT schemes in AM-BM include (1) clinical regimens, (2) BED equivalent schemes , (3) previous experience based on different research objects , and (4) protection of normal tissues ]。前两个标准通常适用。

WBRT

WBRT在AM  -BM 中得到广泛应用。30 Gy/10F或20 Gy/5F方案被国家综合癌症网络(NCCN)推荐用于BM患者,而临床前研究通常以单次或分次高剂量照射形式给予总剂量为15 Gy至20 Gy的WBRT 。

正如以前的报告所指出的,由于WBRT具有抑制肿瘤和延长生存的能力,已探索较低的剂量(<15 Gy)WBRT。值得注意的是,一项实施WBRT (12 Gy/3F)的研究显著限制了肿瘤体积,但未能减少BM病变数目。在乳腺癌的AM-BM中,Choi等证明10 Gy/1F比5 Gy/1F表现出更强的抑制作用,与20 Gy/1F 无显著差异。与5 Gy/1F、15 Gy/1F或20 Gy/1F治疗的动物相比,10 Gy/1F治疗的动物存活时间最长。在联合治疗中,使用WBRT (7 Gy/1F)和纳米颗粒治疗黑色素瘤的AM-BM显示出RT剂量降低和生存期延长。

采用L-Q模型,假设α/β值为10,AM-BM中放疗方案(15-16 Gy/1F、20 Gy/2F)的BED与临床方案(30 Gy/10F)相当。Zarghami等和Murrell等分别采用16 Gy/1F和20 Gy/2F,结果显示BM病变和肿瘤体积显著减少。由于获得同步辐射源的途径有限,一些研究采用了单剂量分割RT ,这节省了时间,但可能增加水肿和坏死的风险。

为了减轻副作用,某些研究对正常组织采用了较低BED的方案。Martínez-Aranda等人证明16.5 Gy/3F方案,其中BED低于30 Gy/10F,可显著减轻脑毒性,减少腹腔内麻醉的频率,部分避免意外死亡。同样,Prociss等证实,10 Gy/5F方案可有效避免AM-BM 的神经毒性。为了克服黑素瘤的辐射耐药,同时防止辐射坏死,Wall等提高了单次剂量,评估RT (12 Gy/3F)的效果。

辐射暴露后肿瘤微环境的改变也导致对根除肿瘤的不同影响。相同剂量的不同RT组分导致免疫细胞的不同反应。Schulz等报道,与10 Gy/1F相比,10 Gy/5F增加了单核细胞源性巨噬细胞(TAM-MDM)的浸润。然而,前一种治疗方案减少了TAM-MDMs,更重要的是,改变了外周髓细胞中与促炎宿主防御反应相关的基因的表达。具有相同BED的不同RT组分产生不同的抑制效果。例如,30 Gy/10F显著减少颅内转移,而15 Gy/1F更有利于中位生存。

在多项研究中发现,放疗可以延缓脑转移的进展,延长生存期。Hofland等研究表明,在Ehrlich腹水癌的AM-BM中,放疗可显著延长生存期,其中10Gy /1F方案的效果更为明显。在乳腺癌的AM-BM中,RT可能实现长期生存。然而,个别研究报告了相互矛盾的结论。例如,Chae等发现WBRT (10 Gy/1F)减少了肿瘤体积,但对生存没有显著影响53。同样,30 Gy/10F、16.5 Gy/3F和9 Gy/3F等治疗方案由于放射抵抗,并没有改善肿瘤进展和生存。

AM-BM中WBRT研究结果矛盾的原因:

(1)建立模型对生存的影响。一些研究表明,建立模型的方式可能影响生存。动脉接种可导致广泛的肿瘤转移,这引起了人们的关注,即动物死亡可能不仅仅归因于BM。

(2)放疗引起的副作用。放疗的副作用如放射性水肿、坏死、神经损伤和海马损伤等可能会有所不同,并影响研究结果。WBRT (10-15 Gy)通过诱导DNA双链断裂(DSBs)和细胞凋亡来抑制神经生长。此外,单次高剂量放疗可能导致海马毒性(图3C)。

(3)不同肿瘤和细胞亚型的放射敏感性不一致。特别是在标准化各种肿瘤的经验规则α/β=10之后,用线性二次(L-Q)模型计算生物有效剂量(BED)可能不准确。此外,L-Q模型不适用于较高剂量(>13 Gy)。

(4)抗辐射基因。NSCLC AM-BM中存在抗辐射基因,如TopBP1、Claspin和Caveolin 1,可能会影响RT的有效性(图3D)。这些基因减轻了抑制,导致RT后生存率提高。此外,BM细胞中S100A9的表达和分泌与RT诱导的RAGE受体结合,激活NF-κB介导的RT抗性(图4K)。

图4.在肺癌、黑色素瘤和乳腺癌脑转移动物模型中,放疗加或不加额外治疗诱导的分子通路变化。(A-C)肺癌BM。(A) AZD-3759通过抑制EGFR和JAK1增强NSCLC放射敏感性;(B) AZD7762通过抑制CHK1促进NSCLC放射敏感性;(C) RT抑制JAK2和STAT3的磷酸化,诱导细胞凋亡。(D-F)黑色素瘤BM。(D)百里醌(TQ)通过抑制JAK2磷酸化增加辐射诱导的细胞凋亡;(E)利鲁唑通过驻留GRM1增强黑色素瘤BM细胞的放射敏感性;(F) 5-ALA通过增加卟啉含量增加黑色素瘤BM放射敏感性。(G-K)乳腺癌BM。(G) l -精氨酸通过NO依赖性抑制GAPDH和PARP激活介导放射敏感性;(H)二甲双胍作为辅助治疗在RT中增强肿瘤抑制作用;(1)通过纳米材料导入LRRC31抑制乳腺癌基底细胞DNA修复和放射敏感性;(J) Vorinostat,一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂,通过抑制HDAC增加辐射敏感性;(K) BM分泌S100A9,与RT诱导的RAGE受体结合,激活NF-κ b介导的RT抵抗性。

总之,这些因素突出了解释和比较不同研究结果的复杂性。表2和表3总结了AM-BM中WBRT的相关参数。

表2 AM-BM放疗研究相关参数(WBRT联合CTR、IT、TT等)。

表3 AM-BM中WBRT研究的相关参数。

SRS

SRS通常用于AM-BM的单个病灶,但研究关注有限。SRS与其他治疗联合使用时,其剂量有减少的趋势。大量研究表明,SRS有助于延长生存。值得注意的是,Nakahara等最近报道,当SRS (32 Gy/1F)与免疫疗法联合使用时,生存率显著提高。此外,他们观察到SRS治疗后JAK2和STAT3磷酸化的抑制(15 Gy/1F)。这种抑制反过来通过调节凋亡相关蛋白,如增加Caspase-3和BAX,减少BCL-2和Survivin ,引发细胞死亡(图4c)。表4列出了AM-BM中SRS研究的相关参数。

表4 AM-BM中SRS研究的相关参数。

PCI

与放射治疗相比,PCI的主要目的是减少BM的发生率。这一观点得到了各种临床前研究和计算机模型的支持。在针对乳腺癌的临床前研究中,4 Gy/1F (3.2 Gy/min)和20 Gy/2F可显著降低乳腺癌的发生率。然而,清除BM中的休眠细胞已被证明是PCI的挑战,而这解释了随后的肿瘤发生。一个关键的考虑因素是确定AM-BM患者PCI干预的最佳时机。研究表明,在肿瘤细胞注射后1-5天内行PCI治疗,可以一致降低脑转移的发生率。相比之下,在全身接种前或接种后3-6周实施PCI会带来挑战,可能无法获得最佳结果。过早的PCI干预甚至可能通过诱导脑微环境的改变来促进肿瘤的进展和转移形成。例如,注射前7天给予RT (10 Gy/1F)会导致正常脑组织损伤,使其更容易受到BM生长的影响。PCI研究的相关参数详见表5。未指定具体放疗方法的,具体参数见表6。

表5 AM-BM中PCI研究相关参数

RT和BBB/BTB

临床和临床前研究一致表明,RT诱导血脑屏障或血肿瘤屏障(BTB)的通透性增加,导致颅内药物浓度升高。这些发现构成了联合治疗的理论基础。此外,RT (30 Gy/5F)联合聚焦超声(FUS)破坏血脑屏障完整性。有趣的是,一部分体内研究报告了相互矛盾的结论。值得注意的是,在某些情况下,高剂量照射无论是单次照射还是分次照射,对血脑屏障/BTB通透性的影响有限。在肺癌/乳腺癌AM-BM(裸鼠模型)中,3 Gy/1F 74、12 Gy/3F 52、15 Gy/1F 74、15.5 Gy/1F 100或20 Gy/2F 54照射后,血脑屏障通透性没有明显改变,在某些情况下,甚至导致短期(24小时内)降低。BM模型的免疫功能可能有助于这种观察到的现象。例如,在15.5 Gy/1F照射12小时后,免疫正常小鼠血脑屏障的完整性和外排转运体的活性发生了变化,而免疫功能低下小鼠没有观察到这种差异。这一发现暗示了RT 100后免疫反应与血脑屏障损伤之间的潜在关联。必须考虑RT诱导血脑屏障打开的时间间隔,并考虑不同检测方法灵敏度的差异(图3E)。

AM-BM的联合治疗

放疗联合化疗

化疗已被证明可增加BM的放射敏感性。替莫唑胺(TMZ) 、依托泊苷和右雷佐生( dexrazoxane)联合RT可有效抑制AM-BM的进展。TMZ因其穿透血脑屏障的能力而被认可,被推荐作为颅内肿瘤的化疗药物。此外,TMZ通过抑制RT后DNA损伤修复和放大有丝分裂突变来增强脑转移肿瘤细胞的放射敏感性。放疗联合TMZ已被证明可延长乳腺癌AM-BM患者的生存期。同时,在NSCLC的AM - BM中,非消融辐射(2 Gy)通过抑制MGMT 43增强抗MGMT morpholino oligonucleotides (吗啉环寡核苷酸)(AMONs)的递送,从而提高TMZ的疗效。依托泊苷加dexrazoxane联合WBRT (10 Gy/1F)可使中位生存期提高60%,且无额外毒性。同样,BR96-DOX等抗体-药物偶联物联合RT可显著延长SCLC 77 AM-BM患者的生存期。此外,与同步放化疗相比,在放疗前使用抗体-药物结合物可提高生存率。

RT联合靶向治疗

RT和靶向治疗的联合通常具有协同效应。WBRT通过增加血管通透性来增强单域抗体片段(Anti-HER2 VHH 5F7)对人表皮生长因子受体2型(HER2)阳性BM的治疗效果。总体而言,靶向c-Met和RT抑制肿瘤,延长荷瘤小鼠的总生存期。

同样,靶向药物可以提高放射治疗的疗效。靶向EGFR、CHK1、HDAC、CXCR4 、ATR和GRM1可显著提高RT疗效。例如,AZD3759 (佐利替尼zorifertinib)通过干扰EGFR和JAK1来增强RT的抗肿瘤作用(图4A)。AZD7762通过抑制CHK1增强体外和体内的放射敏感性(图4b)。伏立诺他(Vorinostat)通过阻断组蛋白去乙酰化酶(HDAC)提高AM-BMs的中位生存期,导致DSB修复抑制和有丝分裂灾难(图4J)。利鲁唑(Riluzole)(谷氨酸信号阻断剂)使细胞对RT敏感(图4E)。在机制上,抑制谷氨酸信号传导导致黑色素瘤细胞G2/M期阻滞82。

此外,靶向药物调节肿瘤微环境。恩度(Endostar)通过阻断RT诱导的CXCR4增强RT疗效。随后,TAM浸润和巨噬细胞M2极化被抑制,CD4+T/CD3+T细胞百分比增加。

RT联合免疫治疗

免疫治疗策略,包括免疫检查点抑制(ICI)、过继细胞(adoptive cells)、肿瘤疫苗、溶瘤病毒和细胞因子治疗,是AM-BM治疗的组成部分。目前,AM-BM的免疫治疗与RT的结合主要包括ICI和原位疫苗接种(ISV),两者都能提高RT的疗效。值得注意的是,肿瘤疫苗与RT (15Gy)联合使用可显著减少肿瘤体积并延缓肿瘤进展。

RT通过调节肿瘤微环境促进免疫治疗疗效。WBRT招募骨髓细胞并增强其促炎反应。同时,WBRT显著提高免疫功能正常和免疫功能低下小鼠血清中TNF-α和CXCL1的含量。免疫能力小鼠在接受WBRT后,促炎细胞因子(TNF-α、IL-2和IL-12p70)水平升高,而裸鼠则没有升高。此外,增加放射剂量(从15 Gy增加到18.5 Gy)可以提高AM-BM的免疫治疗效果,从而延长生存期和肿瘤休眠期。相对低剂量的WBRT (4Gy)或靶向放射性核素治疗增加了T细胞(CD4+和CD8+)和单核细胞/大细胞吞噬细胞(F4/80+)的数量,增强了黑色素瘤BM的免疫治疗反应。

免疫治疗与RT的排序有待进一步探索。转录组分析显示,ICI治疗后的RT参与黑色素瘤BM的细胞死亡和炎症信号传导。临床前研究表明,RT后抗PD -L1治疗更可取,这也在临床试验中得到证实。

RT与新技术的结合

辐射生物学家正在进行的探索导致了新技术在AM-BM中的应用。与常规放射治疗相比,FLASH放射治疗(FLASH-RT)和重离子放射治疗具有更好的疗效,不良事件相对较少,有望治疗脑转移瘤。

药物载体的优化也推动了脑转移瘤治疗领域的发展。在乳腺癌AM-BM中,RT联合超声介导的携带氧微泡破裂(MBs)可延缓肿瘤进展并提高生存率。此外,纳米颗粒通过调节放射敏感性或增加RT的剂量吸收来增强RT对BM的治疗效果(图图4I)。

新药的开发对研究人员来说同样具有吸引力。5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)是一种新型光动力药物,通过上调原卟啉IX (PpIX) 来增强黑色素瘤BM的放射敏感性(图4F)。百里醌(Thymoquinone,TQ)通过调控JAK2/STAT3通路促进细胞凋亡,提高伽玛刀治疗黑色素瘤脑转移的疗效。此外,TQ诱导炎症生长因子的分泌(图图4D)。二甲双胍通过抑制MCT4蛋白增加MDA-MB‐231-Br细胞中乳酸浓度,从而增强RT 65的抗肿瘤作用(图4H)。在乳腺癌AM-BM中,l -精氨酸通过调节一氧化氮代谢来增强RT的疗效(图4G)。此外,磁场治疗(非热射频电磁场)联合RT可显著驻留抗辐射细胞并延长AM-BMs的存活时间。

未来与展望

脑转移瘤(BM)患者的两年生存率通常低于10%。包括WBRT和SRS的RT,是脑转移瘤的基本治疗方法之一。脑转移瘤是2023年肿瘤学会议(如ASCO、ASTRO、WCLC)关注的焦点。剂量探索仍然是一个关键话题,特别是在脑转移瘤放射治疗领域。本文以各种肿瘤的AM-BM为基础,首次对BM和RT的临床前研究进行了全面总结。我们重点关注放疗参数,包括方式、总剂量、分次、剂量率及其相应的效应。此外,我们重点介绍了BM联合RT的最新研究进展,强调了与化疗、靶向治疗、免疫治疗和新技术的结合。

BM的动物模型涵盖多种物种,包括小鼠,大鼠,猴子,狗,兔子,鸡胚胎,其中小鼠是主要使用的动物模型(图3A)。最近发现,鸡胚胎中肿瘤细胞的器官趋向性与小鼠一致。在大多数研究中,脑转移瘤的位置仅限于大脑皮层或纹状体。在特定的解剖位置,如柔脑膜和小脑建立AM-BM,需要进一步的探索。肿瘤转移过程中的“种子”和“土壤”相互作用赋予原发肿瘤和转移瘤不同的特征,脑源性细胞的选择和建立值得关注。抗辐射模型也得到了有限的研究关注。近年来,人源化小鼠、模拟、PDX模型和类器官的微流控芯片的应用不断涌现,增强了BM领域研究的可翻译性。应用新兴的模型、诊断方法和治疗技术来研究脑转移瘤可能会促进其临床转变和治疗范式的改变,值得进一步关注。单细胞序列和空间转录组学为获得脑转移瘤的更多真实信息提供了有希望的途径。同时,原发肿瘤转移至脑组织的器官亲和性差异有待进一步探讨。由于脑转移瘤细胞的罕见性,某些研究采用来自原发肿瘤的细胞系来研究相关机制。尽管在动物模型中得到了验证,但对脑微环境外脑转移机制的探索在一定程度上削弱了结论的说服力。这个问题是目前脑转移瘤研究领域的一个热点。动物模型构建的不断优化和新兴模型的开发可能提供一个潜在的解决方案。

对于临床转化,临床前研究多采用小鼠,小鼠在遗传、辐射敏感性等方面与人类存在一定差异。与化疗和免疫治疗参数一样,临床前放射剂量学参数难以转换并应用于人体。在剂量上,临床前模型只能提供阳性(有效抑瘤)或阴性(抑瘤失败)的结果,这是临床转化中不可避免的问题。利用和优化具有个性化患者信息的模型,如PDX模型和类器官,更有说服力,更容易用于实现临床转化。

RT方法的选择受动物模型建立的影响。脑内接种形成的脑转移通常采用WBRT或SRS治疗,而心内和颈动脉注射(全身注射)可能产生多发颅内转移,AM-BM常采用WBRT治疗。此外,静脉注射在PCI研究中使用的频率相对较高。然而,颈动脉或心内注射是否适合PCI研究仍需要令人信服的证据。

RT干预的时机也值得关注。脑内注射构建的乳腺癌/肺癌(106个肿瘤细胞)或黑色素瘤(104个肿瘤细胞)AM-BMs一般在两周内给予RT。同时,对于全身接种,心脏内注射造模的照射时间普遍晚于脑内移植。值得注意的是,放射治疗干预的时机和AM-BM与临床应用之间辐照场的定义存在挑战,但动物成像技术和放射治疗的进步可能提供解决方案。

目前AM-BM的放疗方案包括四个标准:(1)临床方案;(2)BED等效应方案;(3)基于经验的方案;(4)保护正常组织。剂量和分割成为关键因素。目前主要采用基于L-Q模型的BED等效应格式。大多数研究采用单次高剂量照射或分割高剂量照射(15-16 Gy/1F)。然而,一些研究者认为L-Q模型不适用于高剂量照射,在高剂量照射中,肿瘤细胞的剂量-生存曲线明显移位,导致预测精度下降。同时,在BED计算中,在不同肿瘤和细胞亚型中α/β并不完全一致。虽然放疗单独或联合其他治疗可有效抑制脑转移,但也会发生,包括放射性坏死、脑水肿和神经元损伤等不可避免的不良事件。由于各种研究之间存在很大的异质性,对于最佳的放疗方案或联合治疗获得最大收益的明确结论是具有挑战性的。

由于BM在动物体内的体积有限,只有少数临床前研究报道了AM-BM的IMRT。大鼠适形磁共振成像(MRI)在一定程度上有助于精确RT。目前,小动物辐射研究平台(SARRP) (Xstrahl, Camberley, UK), X-RAD SmART (Precision x射线,North Branford, Connecticut, USA) 和SAIGRT系统已经被验证可以在AM-BM中实现小体积精确放疗。此外,Delaney等使用SARRP结合锥形束计算机断层扫描引导对小鼠脑转移进行了IMRT 。有趣的是,他们证明了临床直线加速器Novalis TX (Brainlab AG, Feldkirchen, Germany)也可以在AM-BM 中实现IMRT。

创新的放疗方法,如HA-WBRT、FLASH-RT 和重铁治疗( heavy iron therapy),可能会改善脑转移瘤的治疗效果。最近的研究探索了肿瘤治疗电场和非热射频电磁场(tumor-treating fields and athermal radiofrequency electromagnetic field)。靶向治疗、免疫治疗以及纳米颗粒和含氧微泡等新技术在原发肿瘤中的研究已经非常广泛,但在转移性肿瘤中的研究还很有限(图5)。肿瘤细胞在转移期发生进化,转移灶的特征与原发肿瘤不一致。此外,血脑屏障建立了一个特殊的颅内免疫环境。因此,应用新的治疗方法和技术治疗脑脊髓炎值得进一步研究。RT调节血脑屏障和调节脑屏障微环境的机制有待深入探讨。

图5目前AM-BM研究中联合RT治疗。目前对AM-BMs的研究探索了多种与RT联合治疗的方法,包括免疫治疗、新药应用、靶向治疗、手术、化疗、纳米材料应用、超声(介导含氧微泡破裂)、磁场治疗和电场治疗。这些综合的方法表明,为了优化RT治疗AM-BM的疗效,正在研究多方面的策略。

综上所述,BM治疗方案的选择取决于模型的建立。重点完善AM-BM的放疗或综合治疗方案,努力规范放疗的临床前研究,促进其临床应用。然而,如何优化RT治疗BM的疗效还需要进一步的研究。


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