ICAM-1協(xié)調(diào)腫瘤放療的遠隔效應(yīng)

論文發(fā)表 | ICAM-1協(xié)調(diào)腫瘤放療的遠隔效應(yīng)

文獻信息:

2021年3月30日，北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、放射醫(yī)學(xué)系、國家藥監(jiān)局放射性藥物研究與評價重點實驗室，劉昭飛教授團隊在學(xué)術(shù)期刊PNAS（影響因子：9.412）在線發(fā)表題為 ICAM-1 orchestrates the abscopal effect of tumor radiotherapy 的研究論文。Yang Zhao, Ting Zhang為本文的第一作者。其中，北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所，核醫(yī)學(xué)科，惡性腫瘤發(fā)病機制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點實驗室，楊志主任團隊為本文的發(fā)表提供64Cu核素及Micro-PET顯像技術(shù)支持。平生公司的小動物PET/CT設(shè)備（ 型號：Super Nova）在論文中提供了重要的小鼠腫瘤PET/CT圖像和定量分析。

 

《美國科學(xué)院院報》（PNAS）是與Nature、Science齊名，被引用次數(shù)最多的綜合學(xué)科文獻之一。

全文鏈接：

https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2010333118/-/DCSupplemental

 

文章摘要：

有證據(jù)證明放射療法（RT）除了對放射腫瘤的消除外還可以對未照射區(qū)域的病變起到系統(tǒng)性的抑制作用。然而，在臨床實踐中，這種效應(yīng)只發(fā)生在罕見的情況下，而放療的隱性效應(yīng)機制尚未完全了解，也未在治療中得到利用。本研究發(fā)現(xiàn)，細胞間粘附分子-1 (ICAM-1)是免疫球蛋白超家族的一種可誘導(dǎo)糖蛋白，在非放療腫瘤中對放療有反應(yīng)。分別使用作者合成的近紅外熒光染料和64cu標記的成像探針，ICAM-1在臨床前動物模型中的表達可以通過光學(xué)成像和正電子發(fā)射斷層掃描(PET)進行無創(chuàng)檢測。重要的是，定量PET成像測定的ICAM-1表達水平與非放療腫瘤的生長呈強烈的負線性相關(guān)。此外，在動物模型中，通過瘤內(nèi)注射工程重組腺病毒或全身注射Toll樣受體7激動劑包裹的納米藥物，通過基因或藥理學(xué)上調(diào)ICAM-1的表達，可以顯著增加對局部RT的腹腔反應(yīng)。機制研究表明，ICAM-1的表達可以增強CD8+T細胞的活化和腫瘤浸潤，從而提高非放療腫瘤對RT的反應(yīng)。

 

實驗方法：

為建立4T1或CT26荷瘤小鼠模型，BALB/c小鼠右側(cè)皮下注射1×106腫瘤細胞。對雙側(cè)荷瘤小鼠模型，小鼠右側(cè)皮下注射1×106腫瘤細胞，左側(cè)皮下注射2×105細胞。使用卡尺測量腫瘤生長，計算腫瘤體積為體積=長度×寬度2/2。建立雙重皮下和肺轉(zhuǎn)移瘤模型, 將1 × 106個4T1-fLuc腫瘤細胞皮下接種于小鼠右腹，3天后通過尾靜脈注射1 × 105個4T1-fLuc腫瘤細胞于小鼠體內(nèi)形成轉(zhuǎn)移性肺腫瘤模擬體。

 

將右側(cè)腫瘤體積約為100mm3、左側(cè)腫瘤體積約為50mm3的雙側(cè)4T1或CT26荷瘤小鼠隨機分為RT組和對照組。對于RT組，右側(cè)腫瘤用x射線照射器局部照射，使用x射線輻照器的劑量率為4.12 Gy/min。照射范圍包括腫瘤，邊緣為5mm，總劑量為24Gy. 第7天，RT組小鼠分為有反應(yīng)組和無反應(yīng)組. 應(yīng)答組由0 - 7天未照射腫瘤體積變化<50%的小鼠組成[(V7-V0)/V0 × 100% <50%]。在第0天到第7天之間，未照射腫瘤體積>變化50%的小鼠[(V7-V0)/V0 × 100% >50%]被分配到無反應(yīng)組.

 

在活體小動物PET成像中，每只腫瘤小鼠靜脈注射18.5 MBq 64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab或?qū)φ仗结?64Cu-NOTA- IgG /Fab)。在第2、6和24小時，使用Super Nova PET/CT掃描儀(平生醫(yī)療（昆山）科技有限公司)進行10分鐘靜態(tài)PET掃描。

 

結(jié)果:

64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab體內(nèi)特異性靶向

（A）64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab (64Cu-αICAM-1/Fab)或64Cu- NOTA - IgG /Fab (64Cu- IgG /Fab)。腫瘤以紅圈表示。（B）6 h后64Cu-αICAM-1/Fab和64Cu- IgG /Fab的腫瘤攝取定量分析。

 

放射治療對放射腫瘤中ICAM-1表達的影響

在4T1荷瘤小鼠模型中，使用Dye-αICAM-1/Fab或64Cu-NOTAαICAM-1/Fab進行X-RT和體內(nèi)成像。(B) PBS或RT治療后4T1腫瘤生長曲線(每組n = 6-7)。(C)小鼠體內(nèi)代表性的近紅外熒光圖像和6 h p.i.時Dye-αICAM-1/Fab腫瘤攝取的定量分析(每組7例)。(D)小鼠64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab在6小時后的代表性小動物PET圖像。腫瘤以紅圈表示。(E - F) 12天小鼠ICAM-1表達的代表性免疫熒光圖像(E)和定量分析(F)(每組6例)。

 

作者假設(shè)ICAM-1靶向成像可能是預(yù)測RT誘導(dǎo)的遠端效應(yīng)的一種無創(chuàng)策略。為了驗證假設(shè)，作者在腫瘤大小分化前的原發(fā)和繼發(fā)腫瘤小鼠中進行了成像研究，以確定ICAM -1靶向成像對RT誘導(dǎo)的遠端效應(yīng)的預(yù)測價值。對小鼠(n = 14)的原發(fā)腫瘤進行放射治療，而對繼發(fā)腫瘤不進行放射治療(圖2A)。作者首先在注射后6小時(hpi)對14只荷瘤小鼠進了NIRF成像，以無創(chuàng)檢測非放射腫瘤中ICAM-1的表達水平。NIRF成像發(fā)現(xiàn)14例腫瘤中ICAM-1表達存在差異(圖2B)，其中ICAM-1高表達的腫瘤也通過小動物PET成像得到證實研究(圖2 C)。根據(jù)ICAM-1表達水平，作者將小鼠分為高表達組(高ICAM-1;n = 6)和ICAM-1低表達組(ICAM-1低;n = 8)，并進一步監(jiān)測兩組的腫瘤生長情況。ICAM-1高組腫瘤生長明顯慢于ICAM-1低組(P < 0.01;圖2D)，表明ICAM-1的無創(chuàng)成像定量可以預(yù)測RT誘導(dǎo)的4T1腫瘤模型未來的遠隔效應(yīng)。相比之下，與未放療的對照組相比，放療對原發(fā)腫瘤(放療)有有效的抑制作用，而非放療的腫瘤在無創(chuàng)成像檢測ICAM-1水平時觀察到不同的腫瘤生長曲線(圖2E)。

 

CT26結(jié)腸癌模型的進一步驗證明顯顯示，在相同的照射計劃治療下，放療對輻照和非輻照腫瘤的抑制作用比4T1腫瘤模型更強(圖2F)。進行NIRF成像，根據(jù)非照射腫瘤中Dye-αICAM-1/Fab的熒光強度將小鼠分為ICAM-1高組和ICAM-1低組(P < 0.01;代表性的PET圖像如圖2G所示。與4T1腫瘤模型的結(jié)果一致，放療后ICAM-1的高表達可以反映非放療腫瘤的抑制程度(P < 0.05;圖2 H)。綜上所述，這些結(jié)果支持了這一假設(shè)，即非放療后腫瘤ICAM-1表達的增加可以預(yù)測抗腫瘤的遠隔反應(yīng)對放療的敏感性。

圖2

 

作者接下來研究IMQ治療中ICAM-1表達的變化是否可以通過ICAM-1靶向的NIRF和PET成像進行無創(chuàng)觀察。在IQM治療的腫瘤中，Dye-αICAM-1/Fab的攝取明顯增加(P < 0.05;圖5 F)。RT +IQM治療組小鼠64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab的攝取也顯著高于單純放療組(P < 0.01;圖5G)。重要的是，相關(guān)分析顯示，第12天64Cu - NOTA -αICAM-1/Fab的腫瘤攝取與第8天腫瘤相對體積變化(V20/V0)呈強烈的負線性相關(guān)(Pearson r =−0.875,P < 0.001;圖5 H)。因此，IMQ治療后ICAM-1表達的上調(diào)可通過ICAM-1靶向成像進行無創(chuàng)檢測，而64Cu - NOTA αICAM-1/Fab PET成像可預(yù)測IMQ + RT聯(lián)合治療對非放療腫瘤的生長抑制作用。

 

圖5

結(jié)論：

轉(zhuǎn)移及其相關(guān)并發(fā)癥占多種癌癥死亡率的90%(33,34)。雖然放療是許多惡性腫瘤的主要治療方法，但其對轉(zhuǎn)移性病變的療效有限。據(jù)報道，在極少數(shù)情況下，放療可以誘導(dǎo)抑制轉(zhuǎn)移性病變的脫靶效應(yīng)，這表明了一種潛在的治療方向。因此，研究和利用RT與有效的聯(lián)合策略(如免疫治療)的遠隔效應(yīng)可能為處理播散性轉(zhuǎn)移提供強有力的工具。然而，尋找合適的放療組合療法以及優(yōu)化放療方案(如:由于對隔離效應(yīng)的機制理解有限，且缺乏可靠的無創(chuàng)成像方法來預(yù)測其早期預(yù)后，因此難以實現(xiàn)有效的隔離反應(yīng)。
 

對RT的遠隔效應(yīng)發(fā)生率較低，研究具有挑戰(zhàn)性。為了解決這個問題，在本研究中，作者降低了小鼠腫瘤模型的遠隔效應(yīng)的閾值標準。這被證明是有利于作者的研究，因為作者能夠獲得更大的洞察力，協(xié)調(diào)抽象效應(yīng)的早期機制。作者的研究結(jié)果表明，ICAM-1是預(yù)測局部x線放療(X-RT)下腹部反應(yīng)有效性的潛在生物標志物。作者發(fā)現(xiàn)，ICAM-1的高表達與放療后非放療腫瘤的生長抑制密切相關(guān)，并且ICAM-1靶向的PET成像在非放療腫瘤對放療或放療聯(lián)合治療的反應(yīng)的無創(chuàng)預(yù)測方面具有臨床前景。此外，通過基因或藥理學(xué)途徑上調(diào)ICAM-1的表達可以增強放療的體外效果，從而有效消融原發(fā)腫瘤并消除遠處轉(zhuǎn)移。

 

使用設(shè)備：

Super Nova^® Micro PET/CT（III 代外觀圖）