胰腺癌是臨床腫瘤學(xué)中最致命的癌癥表現(xiàn)之一。盡管僅占所有癌癥病例的3.2%，但它是癌癥相關(guān)死亡的第三大病因。胰腺癌對(duì)常規(guī)療法的耐藥性源于胰腺腫瘤自身的生物學(xué)特性。胰腺腫瘤的微環(huán)境由廣泛、致密的血管性腺皮質(zhì)組成，它們共同為藥物的遞送提供了強(qiáng)大的運(yùn)輸障礙，并抑制了放化療效。
傳統(tǒng)上，局部區(qū)域性胰腺腫瘤通過手術(shù)切除和輔助化療進(jìn)行控制，但是手術(shù)干預(yù)后復(fù)發(fā)率大于50%。當(dāng)體外放射治療（EBRT）被整合到現(xiàn)有治療方案中后，減少了復(fù)發(fā)并增加總生存期。盡管有其臨床收益，但EBRT在胰腺癌的臨床管理方面存在實(shí)質(zhì)性的局限性。目前的EBRT試驗(yàn)側(cè)重于使用超分割方案安全地改善遞送到胰腺腫瘤的有效輻射劑量。即使取得了一定的進(jìn)展，但采用此技術(shù)放療的胰腺腫瘤患者的2年和5年生存率仍為21.7%和 11.5%。因此，胰腺癌的放療仍然需要實(shí)質(zhì)性的臨床改進(jìn)。
近日，美國(guó)杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任Ashutosh Chilkoti教授率領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)在Nature biomedical engineering上發(fā)表了一種可注射的液體生物聚合物，用于提供131I放射性核素進(jìn)行近距離放射治療，進(jìn)而形成與紫杉醇化療聯(lián)合治療的高效治療方案。該生物聚合物依賴于彈性蛋白樣多肽（ELP）的熱響應(yīng)特性，以提供連續(xù)的131I，而紫杉醇（PTX）使用嵌合多肽（CP）作為納米顆粒制劑遞送，PTX與CP偶聯(lián)后觸發(fā)自組裝形成直徑約為60nm的球形納米顆粒 。這種聯(lián)合治療可以有效克服胰腺癌固有的耐藥機(jī)制，并且在各種胰腺腫瘤基因型的動(dòng)物模型中都表現(xiàn)出良好的療效，而這些結(jié)果是體外放療所無法復(fù)制的。
聯(lián)合治療給藥方式：
針對(duì)聯(lián)合治療的效果，首先作者團(tuán)隊(duì)評(píng)估了兩種聯(lián)合用藥方案。第一種是CP-PTX與131I-ELP在腫瘤內(nèi)作為混合物共同輸注。該策略旨在提高腫瘤內(nèi)PTX的生物利用度，以最大限度地提高化療的潛在協(xié)同作用。第二種方法131I -ELP瘤內(nèi)注射，而CP-PTX則靜脈注 射以提供全身化療。
盡管BxPc3-luc2人胰腺腫瘤細(xì)胞系在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)對(duì)化療敏感，但臨床前研究一直表明，BxPc3異種移植瘤對(duì)放療和化療具有極強(qiáng)的抵抗力。作者團(tuán)隊(duì)選擇將BxPc3-luc腫瘤原位接種在無胸腺小鼠的胰腺中來構(gòu)建模型。經(jīng)證實(shí)，在控制腫瘤生長(zhǎng)方面，瘤內(nèi)輸注CP-PTX不如靜脈注射CP-PTX有效，無論是作為單一藥物還是與131I聯(lián)合治療。進(jìn)一步評(píng)價(jià)兩種聯(lián)合治療方案的131I濃度，方案一在9 d后僅保留注射的48%的放射性劑量，而方案二保留了其90%的放射性有效載荷。瘤內(nèi)注射131I -ELP，在輸注后24小時(shí)，腫瘤的初始放射性喪失率為21%。然而，在所有其他時(shí)間點(diǎn)，腫瘤放射性占測(cè)量的全身活性的>95%。這表明輸注的初始階段會(huì)損失一定的131I -ELP，但這種放射性在給藥后48小時(shí)從體內(nèi)清除,同時(shí)血液中的131I含量也被驗(yàn)證一直處于極低水平。在放射性庫(kù)穩(wěn)定性和腫瘤控制效力的基礎(chǔ)上，作者團(tuán)隊(duì)選擇了131I -ELP近距離放射治療與靜脈CP-PTX聯(lián)合用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
圖 評(píng)估131I-ELP近距離放射治療與紫杉醇納米顆粒（CP-PTX）聯(lián)合治療胰腺腫瘤
聯(lián)合治療劑量評(píng)估：
進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同劑量聯(lián)合治療的治療效果，在皮下 BxPc3-luc2 腫瘤無胸腺小鼠模型中進(jìn)行控制劑量的研究。與所有單藥治療對(duì)照組相比，131I-ELP聯(lián)合CP-PTX實(shí)現(xiàn)了顯著的腫瘤消退。隨著放射劑量的遞增，腫瘤的治療與控制效果也是遞增的。最令人鼓舞的是，10.0 μCi mm?3聯(lián)合治療組顯示100%緩解，治療后所有腫瘤在14-21 d消失。而CP-PTX劑量實(shí)驗(yàn)，選擇依次12.5，25和50mg kg?1的 PTX 等效劑量。雖然 CP-PTX 與131I-ELP的聯(lián)合治療展現(xiàn)出了抑制腫瘤生長(zhǎng)的效力，但改變CP-PTX劑量并沒有產(chǎn)生顯著變化。單獨(dú)使用任何劑量的CP-PTX化療對(duì)減緩腫瘤生長(zhǎng)沒有影響。在初始的聯(lián)合治療一周后第二次給藥CP-PTX，與接受單次CP-PTX注射的聯(lián)合治療相比，腫瘤生長(zhǎng)得到了顯著控制。然而，存活率僅從36 d略微提高到41 d。這表明重復(fù)CP-PTX注射可以延長(zhǎng)治療效果的持續(xù)時(shí)間，即使治療效果不展現(xiàn)出PTX劑量依從性。
從這些實(shí)驗(yàn)中，確定了聯(lián)合治療的優(yōu)化劑量方案：10.0 μCi mm?3的131I-ELP被選為最有效的放射性劑量。對(duì)于CP-PTX，決定將總劑量保持在50mg kg?1，這是先前研究中確定的最大耐受劑量。同時(shí)重復(fù)PTX給藥改善腫瘤反應(yīng)，將CP-PTX總劑量分為4次每周一次的CP-PTX注射。
圖 聯(lián)合治療的不同用藥劑量在BxPc3-luc2 胰腺癌模型中的治療效果
與當(dāng)前臨床治療用藥的療效對(duì)比：
由于劑量遞增的研究表明聯(lián)合治療可能對(duì)胰腺腫瘤有效，因此接下來將聯(lián)合治療與當(dāng)前臨床護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較。用FDA批準(zhǔn)的紫杉醇制劑替代CP-PTX，而131I-ELP近距離放射治療被EBRT取代。單獨(dú)的Nab-PTX制劑治療只有一只小鼠表現(xiàn)出部分反應(yīng)。而131I-ELP單藥治療將生存率略微提高到38.5 d，僅實(shí)現(xiàn)了腫瘤生長(zhǎng)的抑制。當(dāng)Nab-PTX與131I-ELP近距離放射治療在BxPc3-luc2腫瘤表現(xiàn)出顯著的消退。根據(jù)實(shí)體瘤反應(yīng)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（RECIST）標(biāo)準(zhǔn)，獲得了83.3%的ORR效果。與先前的實(shí)驗(yàn)中的CP-PTX相比，Nab-PTX聯(lián)合治療表現(xiàn)出的最佳腫瘤反應(yīng)與CP-PTX相比沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，清楚地表明PTX的納米制劑的形式對(duì)治療效果并不重要。
隨后研究了用三種不同的EBRT方案代替131I-ELP的治療效果。EBRT標(biāo)準(zhǔn)治療研究的結(jié)果再次強(qiáng)調(diào)了輻射劑量對(duì)胰腺腫瘤治療的影響。模擬臨床37.5 Gy的“標(biāo)準(zhǔn)”5 Gy×5 BED方案對(duì)腫瘤生長(zhǎng)幾乎沒有影響。同時(shí)，最高劑量的50Gy方案作為單一療法顯示出最大的腫瘤清除能力，但產(chǎn)生了致命的副作用。與預(yù)期不同的是，3 Gy ×15 EBRT 方案與 CP-PTX 聯(lián)合使用時(shí)產(chǎn)生了最佳的腫瘤治療效果。然而，它只是實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的腫瘤控制，沒有完全緩解。這些結(jié)果與131I-ELP近距離放射治療的腫瘤反應(yīng)形成鮮明對(duì)比，證明了近距離放射治療的價(jià)值。
圖 當(dāng)前臨床臨床標(biāo)準(zhǔn)方案替代聯(lián)合放化療對(duì)BxPc3-luc2胰腺腫瘤療效的影響
聯(lián)合治療協(xié)同作用機(jī)制：
接下來，聯(lián)合治療有效協(xié)同機(jī)制進(jìn)行探討。首先研究了PTX對(duì)細(xì)胞周期進(jìn)展的影響。BxPc3-luc2細(xì)胞在體外用不同的PTX處理，并通過流式細(xì)胞術(shù)分析以評(píng)估細(xì)胞周期隨時(shí)間的分布。所有PTX制劑都使得進(jìn)入輻射敏感G2 / M階段的細(xì)胞比例隨逐漸增加。對(duì)于不同的放射療法方式，EBRT每劑僅應(yīng)用0.5-2分鐘，此時(shí)許多處于細(xì)胞周期耐輻射階段的腫瘤細(xì)胞存活并逃逸。相反，131I-ELP近距離放射使得腫瘤持續(xù)暴露于輻射中，確保所有腫瘤細(xì)胞在最終進(jìn)展到G2 / M階段時(shí)都暴露于治療中。同時(shí)，131I-ELP近距離放射治療還可以確保腫瘤細(xì)胞不會(huì)暫時(shí)緩解以休息，恢復(fù)和修復(fù)自己。
為了驗(yàn)證這一假設(shè)，使用TUNEL染色劑對(duì)腫瘤切片以評(píng)估腫瘤細(xì)胞凋亡。CP-PTX與EBRT治療表現(xiàn)出有限的TUNEL染色面積，或局限于注射部位或分布均勻但效果不佳。與所有其他治療組形成鮮明對(duì)比的是，131I-ELP與CP-PTX在腫瘤標(biāo)本中表現(xiàn)出大面積的強(qiáng)烈TUNEL染色。這比任何一種單一療法都要強(qiáng)得多，并且表明聯(lián)合療法的細(xì)胞凋亡增加。
這些結(jié)果可能有多種原因。首先，PTX介導(dǎo)的腫瘤致敏增加了131I-ELP的有效治療時(shí)間窗口和強(qiáng)度；其次，連續(xù)照射方式由131I-ELP在防止腫瘤細(xì)胞休息、修復(fù)和恢復(fù)方面可能比間歇性EBRT照射更有效；最后，可能是131I-ELP近距離放射治療還可以增強(qiáng)腫瘤內(nèi)PTX的積累，并使其達(dá)到細(xì)胞毒性水平。
圖 放射劑量時(shí)間分布與PTX致敏作用對(duì)于聯(lián)合治療協(xié)同作用非常重要
近距離持續(xù)性放射治療對(duì)腫瘤微環(huán)境的影響：
除了放大胰腺癌細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞毒性反應(yīng)外，作者團(tuán)隊(duì)還推測(cè)，持續(xù)暴露于131I-ELP也可能會(huì)誘導(dǎo)腫瘤微環(huán)境的實(shí)質(zhì)性變化。胰腺癌擁有獨(dú)特的腫瘤微環(huán)境，除了血管不足和密集基質(zhì)，其也上調(diào)了許多連接蛋白的表達(dá)，這些連接蛋白充當(dāng)生物屏障，抑制化療藥物的滲透和保留。
通過H&E染色評(píng)估腫瘤組織學(xué)。與EBRT的聯(lián)合治療方案相比，131I-ELP的聯(lián)合療法具有更大的大面積壞死和具有核多態(tài)性的腫瘤細(xì)胞。進(jìn)一步檢查基質(zhì)膠原的完整性，EBRT似乎誘導(dǎo)了相反的效果，腫瘤表現(xiàn)出致密的基質(zhì)膠原。用Claudin-4，CD-31和CD-144進(jìn)一步染色。Claudin-4是一種調(diào)節(jié)細(xì)胞旁擴(kuò)散的緊密連接蛋白，其表達(dá)在EBRT聯(lián)合治療后未改變。然而，131I-ELP的注射位點(diǎn)E附近的腫瘤細(xì)胞中顯示出表達(dá)減少。這種效應(yīng)對(duì)Claudin-4是特異性的，并且沒有擴(kuò)展到另外兩個(gè)連接蛋白CD-31和CD-144。腫瘤微環(huán)境中的這些病理變化表明，131I-ELP使得調(diào)節(jié)腫瘤通透性的生物屏障被削弱了。
直接檢查放射治療是否誘導(dǎo)腫瘤攝取和化療藥物滯留的變化。CP-PTX用近紅外熒光團(tuán)進(jìn)行熒光標(biāo)記，以使用IVIS光度XR進(jìn)行體內(nèi)成像。分析顯示，EBRT沒有誘導(dǎo)載藥納米顆粒的積累。而131I-ELP治療的腫瘤中熒光強(qiáng)度超過EBRT，比未經(jīng)放療的腫瘤增加198.5%。這些結(jié)果最終表明，近距離連續(xù)性的131I-ELP照射增強(qiáng)了腫瘤內(nèi)PTX的穿透和保留。
圖 原位BxPc3-luc2腫瘤在12 d治療后顯示放療對(duì)腫瘤微環(huán)境的影響差異
在多種不同基因型胰腺腫瘤的療效：
研究聯(lián)合治療在不同遺傳和表型胰腺腫瘤中的治療潛力。首先，評(píng)估了聯(lián)合治療方案是否能成功對(duì)抗MIA PaCa-2皮下腫瘤模型。與 BxPc3-luc2 不同，MIA PaCa-2 人類腫瘤細(xì)胞系具有常見于患者的 K-ras 突變。結(jié)果顯示所有治療小鼠的100%ORR與完全腫瘤消退。中位生存期從未經(jīng)治療的小鼠的33 d增加到接受治療的小鼠的92 d。
隨后在AsPc-1皮下腫瘤模型中再次檢查抗腫瘤療效。它具有K-ras和TP5344的基因突變，以及CDKN2A/P16、SMAD4、MAP2K4和FBXW776的缺失。與MIA PaCa-2的表型不同，AsPc-1腫瘤是低血管的，具有高基質(zhì)密度。聯(lián)合治療在AsPc-1模型中誘導(dǎo)了100%的ORR腫瘤反應(yīng)，7只動(dòng)物中有2只獲得了完全緩解。
圖 優(yōu)化的聯(lián)合治療方案在多種基因型胰腺癌中的治療效果
原位胰腺腫瘤的療效與安全性：
最后，評(píng)估了聯(lián)合治療在原位 BxPc3-luc2 腫瘤模型的治療效果。由于胰腺的解剖學(xué)位置和較高的基質(zhì)含量，原位瘤比皮下瘤對(duì)治療的抵抗力更強(qiáng)。將腫瘤通過手術(shù)植入胰腺造模成功后，通過手術(shù)切除腫瘤并注射10μCi mm-3 131I-ELP，隨后每周一次以12.5mg kg-1的PTX等效劑量靜脈注射CP-PTX持續(xù)4周。與未經(jīng)治療的腫瘤相比，單一療法顯示出最小的生長(zhǎng)抑制。但是，聯(lián)合治療實(shí)現(xiàn)了100%的ORR，其中83.3%實(shí)現(xiàn)了完全緩解，其中沒有檢測(cè)到腫瘤信號(hào)。
原位BxPc3-luc2模型還提供了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪Ｐ?，這有助于更加合理的評(píng)估聯(lián)合治療方案的安全性。在131I-ELP單藥治療或聯(lián)合治療組，治療小鼠中沒有觀察到嚴(yán)重炎癥或痛苦的跡象，這與高BED劑量的EBRT治療研究不同。所有治療組的血清α-淀粉酶水平均與健康小鼠相似這些結(jié)果證實(shí)了131I-ELP近距離放射治療胰腺腫瘤的靜脈導(dǎo)管治療。
圖 聯(lián)合治療在原位胰腺移植瘤小鼠模型中的療效與安全性
小結(jié)：
作者團(tuán)隊(duì)的研究表明，不僅131I-ELP近距離放射治療與全身PTX化療會(huì)形成協(xié)同治療作用，而且其療效在多種胰腺癌模型中都是存在的。在相同的臨床前腫瘤模型中，其治療效果超過了EBRT治療所達(dá)到的生長(zhǎng)抑制作用。這些結(jié)果與胰腺癌治療的臨床前文獻(xiàn)綜述形成鮮明對(duì)比，目前沒有單一或聯(lián)合治療方案，在這些腫瘤模型中達(dá)到100%的ORR，或在原位胰腺腫瘤模型中達(dá)到100%完全緩解。
觀察到的協(xié)同作用的起源似乎是多方面的。輻射劑量是誘導(dǎo)腫瘤消退的關(guān)鍵因素,但劑量并不是最大化PTX致敏效果的關(guān)鍵因素。相反，關(guān)鍵因素是連續(xù)性131I-ELP近距離放射治療，確保所有腫瘤細(xì)胞在達(dá)到輻射敏感的晚期G2 / M階段都可以受到放射治療。這也阻止了腫瘤細(xì)胞在輻射劑量之間休息，修復(fù)和恢復(fù)。相比之下，EBRT的短暴露時(shí)間間隔允許大量高度耐輻射性腫瘤細(xì)胞逃逸。更有趣的是發(fā)現(xiàn)131I-ELP可以打破微環(huán)境屏障，改善腫瘤通透性。長(zhǎng)期以來，微環(huán)境屏障一直是胰腺癌耐藥性的來源，克服這一障礙一直是臨床研究的一個(gè)主要焦點(diǎn)。PTX化療與131I-ELP近距離放射治療在腫瘤內(nèi)產(chǎn)生局部正反饋回路。首先，131I-ELP輻射可降低腫瘤內(nèi)的分子通透性屏障，以增加紫杉醇的積累。然后，藥物使腫瘤組織對(duì)輻射的細(xì)胞毒性作用敏感。最后，輻射使降低微環(huán)境和基質(zhì)內(nèi)連接蛋白的水平導(dǎo)致隨后化療時(shí)紫杉醇攝取增加，從而導(dǎo)致協(xié)同治療的良性循環(huán)。這種滲透率增強(qiáng)表明131I-ELP可以成功地與其他化療藥物聯(lián)合使用，以驅(qū)動(dòng)放射致敏，調(diào)節(jié)微環(huán)境并直接促進(jìn)細(xì)胞毒性。
目前臨床上，無論分期如何的胰腺癌治療的預(yù)后都不容樂觀。因?yàn)楦邚?fù)發(fā)率和低生存率的持續(xù)存在，臨床證據(jù)繼續(xù)強(qiáng)調(diào)需要改進(jìn)局部疾病的治療方式。隨著胰腺癌成為美國(guó)癌癥死亡的第二大原因，可以預(yù)見的是對(duì)于胰腺癌更加有效的治療方案的臨床訴求將會(huì)越來越多。通過利用材料科學(xué)和藥物輸送方面的進(jìn)步，作者團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明了放射治療醫(yī)學(xué)治療胰腺癌的巨大潛力。
參考文獻(xiàn)：
Jeffrey L Schaal, Jayanta Bhattacharyya, Jeremy Brownstein, et al. Brachytherapy via a depot of biopolymer-bound 131I synergizes with nanoparticle paclitaxel in therapy-resistant pancreatic tumours. Nat Biomed Eng. 2022 Oct;6(10):1148-1166.
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00949-4
