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肿瘤光动力疗法的研究进展

2015-11-04 21:06 阅读次数:3748

【关键词】光动力疗法;细胞凋亡;抗肿瘤免疫

 

Advances in Anti-tumor Photodynamictherapy 

Ling Qin and Rongcheng Luo 

Cancer Centre, Southern MedicalUniversity,Guangzhou510315, P.R.China

【Abstract】As a minimally-invasive technique combining medicines and devices, photodynamic therapy uses photosensitizers located at tumors which can be stimulated by lights with specific wavelength. After the photochemical reaction, there are lots of reactive oxygen substance which can destroy tumor cells directly. PDT can also induce tumor cells death by apoptosis and raise the anti-tumor immunity. With the development of anti-tumor mechanisms of PDT, it has become a new trend of tumor treatments. 

【Key words】Photodynamic therapy, cell apoptosis, anti-tumor immunity

    光动力疗法(Photodynamic therapy, PDT)是肿瘤治疗的一个新兴领域,是继手术、放化疗等传统抗肿瘤手段外的一种新的抗肿瘤模式,其作用机理是将光敏剂注入人体后,其在恶性肿瘤内特异积聚和储留,经过一段时间后使用特定波长光照激发瘤体内的光敏剂,使光敏剂产生活性氧物质(reactive oxygen substance, ROS)包括单线态氧或其他活性氧,通过非细胞凋亡途径或直接高效诱导凋亡或导致肿瘤组织坏死杀伤肿瘤细胞,而此时正常组织吸收的光敏剂已被代谢,光照无化学反应,因此光动力疗法具有选择性杀伤肿瘤细胞的特征,光敏剂属于特殊抗肿瘤药物,必须经光照激发才发挥疗效[1, 2]。

    由于光动力疗法在肿瘤治疗方面独特的安全性、有效性和可重复性,随着新型光敏剂的研发,研究光动力疗法作用机制及其在多种恶性肿瘤治疗中的应用已经成为热点[3]。目前已知其治疗恶性肿瘤的机制包括以下几种:(1)直接引起肿瘤细胞坏死与凋亡;(2)损伤肿瘤组织血管内皮细胞,使肿瘤细胞缺血坏死:(3)刺激机体免疫系统,提高对肿瘤细胞的识别及杀伤效应[4]。随着光动力疗法的发展,目前其已逐步应用在多种恶性肿瘤的治疗中,如:皮肤癌、喉癌、食管癌、鼻咽癌、肺癌、胃肠道恶性肿瘤以及胆管癌等[3, 5]。 

1  PDT诱导肿瘤细胞凋亡

    哺乳动物细胞内肿瘤细胞凋亡途径包括:①死亡受体途径介导的细胞凋亡途径;②线粒体途径介导的细胞凋亡途径;③内质网途径介导的细胞凋亡途径;④粒酶途径介导的细胞凋亡途径;⑤Anoiki介导的细胞凋亡途径[6]。目前研究证实PDT主要通过前两条途径引起肿瘤细胞凋亡,研究也表明PDT作用后可以导致肿瘤细胞内钙离子浓度上升,但钙离子浓度上升后是否引起内质网应激从而激发内质网途径介导的细胞凋亡则尚在研究之中[4, 7]。 

1.1  PDT中死亡受体途径介导的细胞凋亡 

    死亡受体途径介导的细胞凋亡又称为细胞凋亡的外部途径,是死亡受体在受到外部刺激后引起下游一系列级联反应从而诱导细胞的凋亡,PDT中主要是以Fas受体为代表的信号转导途径,活化的Fas募集Fas相关死亡结构域蛋白(fas-associated death domain protein, FADD),通过C端DD结合Fas,也可通过其N端具有致凋亡能力的死亡效应结构域(death effector domain, DED)募集procaspase-8,受体-FADD-procaspase-8在细胞浆局部浓度增高使caspase-8发生同源活化。活化的Caspase-8可以剪切并活caspase-3、-7、-4、-9和-10,活化的caspase-3和-7是细胞凋亡的执行者[8]。除了Fas受体信号转导途径之外,以肿瘤坏死因子受体-1 (tumor necrosis factorreceptor-1, TNFR-1)为代表的信号转导途径也在PDT后介导细胞凋亡,该途径中最重要的分子是TNFR-1相关死亡域结合蛋白(TNFR-l Associated death domain protein, TRADD)[9]。 

1.2  PDT中线粒体途径介导的细胞凋亡

    线粒体是与细胞死亡最为密切的亚细胞结构之一,许多亲脂性的光敏剂定位在线粒体膜上发挥其基本作用,如苯并卟啉衍生物(benzoporphyrin derivative, BPD)、酞青(phthalocyanine, Pc4)及卟啉类等。因此线粒体是光动力作用的重要靶点之一[10]。 

    PDT后线粒体功能损伤表现之一是线粒体膜上通透性改变孔道(mitochondria permeability transition pore, MPTP)的开放[10]。光动力作用过程中产生的单态氧诱发PTP开放的方式约为两种: 一是直接与PTP作用,包括作为凋亡因子直接诱发PTP的开放或通过氧化PTP上的相应位点引起蛋白质构象改变引起孔道开放;二是单态氧可以通过与PTP密切相关的中介物质间接作用于PTP, 如Bcl-2家族的抗凋亡蛋白。分布在细胞内膜系统的Bcl-2家族抗凋亡蛋白以线粒体膜上最多, 而且该部位Bcl-2多位于PTP处,具有抑制线粒体通透性变化的能力, 并通过此途径抑制细胞凋亡。研究证实Bcl-2直接受到PDT的作用, 因发生裂解和交联而被破坏, 使Bcl-2明显减少而诱导肿瘤细胞发生凋亡[10, 11]。 

1.3 光动力作用下内质网应激介导的细胞凋亡 

    内质网是细胞内钙储备和钙信号转导的主要部位,细胞内钙稳态是由内质网维持的,许多光敏剂与细胞温育后定位于内质网,部分光敏剂经过合成后转运最终定位于内质网,因此内质网是PDT的一个重要靶点[12]。光动力作用产生的单态氧可以激活内质网上的IP3-Ca2+ 通道,使Ca2+从内质网中释放,导致胞浆中Ca2+浓度升高,进而介导肿瘤细胞发生凋亡。细胞受损后将会导致内质网应激(endoplasmic riticulumstress, ERS),使得内质网内未折叠蛋白或错误折叠蛋白的堆积及Ca2+的释放。随着内质网应激时间的延长,造成内质网凋亡相关蛋白的激活,如PERK、ATF6以及IRE-l[13-15]。有研究证实内质网应激的发生将促进细胞凋亡及自溶[16]。内质网应激可造成Caspase-12的活化,Caspase-12只定位在内质网外膜,是介导内质网应激所介导的细胞凋亡的关键分子,并且在死亡受体或线粒体凋亡途径中不被活化。Caspase-12可直接激活Caspase-9,而不依赖与线粒体凋亡途径相关成分[17]。 

2  PDT损伤肿瘤血管内皮细胞 

    PDT后肿瘤血管的损伤主要与光敏剂的类型及剂量、光敏剂的注入方式及光照的时间有关。一定时间的光动力治疗明显减少肿瘤组织血管血流量,而肿瘤组织血管是肿瘤组织营养供应,与外界进行物质交换与代谢的重要通道。研究表明PDT介导的血管损伤可长期影响肿瘤组织,包括阻碍肿瘤组织新生血管的生成[18], PDT可能是通过降低血清血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)的浓度影响肿瘤新生血管形成[19]。 

3  PDT抗肿瘤的免疫机制 

PDT对机体免疫系统的影响效应与光敏剂类型及剂量、光照的强度及波长、光斑的面积以及给药途径和照光的时间间隔等相关[20]。PDT不存在放化疗所引起的机体免疫功能抑制,相反,PDT可能诱导机体的抗肿瘤免疫效应,增强机体各种免疫细胞的抗肿瘤作用,引起局部炎症反应、趋化多种细胞因子、活化补体等多种免疫分子,从而增强机体清除肿瘤细胞的效应[21]。也就是说,PDT抗肿瘤的免疫机制是从细胞水平和分子水平两个途径发挥效应的。 

3.1  PDT后细胞水平抗肿瘤免疫  

    机体参与抗肿瘤免疫的细胞主要包括T细胞、NK细胞、树突状细胞、巨噬细胞和中性粒细胞等。 

在引起细胞凋亡的剂量条件下,PDT作用能使肿瘤细胞产生抗原性物质,并有抗原递呈细胞(antigen presenting cells,APC)递呈给肿瘤特异性T细胞。研究证实PDT后淋巴细胞转化率提高,肿瘤组织内细胞毒性T淋巴细胞密度明显增加[22]。NK细胞杀伤肿瘤细胞的效应无特异性和MHC限制性,研究表明在NK细胞可能通过分泌细胞因子(IFN-γ、IL-1、IL-2及TNF-α)和抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用(antibody-dependent cell-mediated cytotoxcity, ADCC)间接参与PDT的抗肿瘤效应[23]。而巨噬细胞在PDT抗肿瘤免疫中发挥抗原提呈功能[24]。中性粒细胞是PDT后最早到达肿瘤局部的免疫细胞,其可能作为抗原提呈细胞参与PDT抗肿瘤免疫。Henderson等[25]还发现PDT的长期抑制肿瘤细胞生长的效应与中性粒细胞相关。树突状细胞作为抗原提呈细胞将被光化学反应杀死的肿瘤细胞提呈给初始T细胞使之激活,并分泌大量的IL-12使初始T细胞发生Th1型免疫应答,且同时能激活CTL细胞及NK细胞增强PDT后的抗肿瘤效应[26]。 

3.2  PDT后分子水平抗肿瘤免疫

   参与PDT后分子水平抗肿瘤免疫的体液分子主要包括细胞因子、热休克蛋白和补体。

   PDT所引起的急性炎症反应可以趋化多种免疫细胞向炎症部位聚集并促进它们释放多种炎性介质从而促进机体的抗肿瘤免疫效应。研究表明,PDT后IL-1β、TNF-A、G-CSF和IL-6等细胞因子的表达增加,而使用中和抗体作用于肿瘤组织则发现PDT的疗效降低,由此可见,这些细胞因子对PDT的抗肿瘤效应起到重要的调节作用[27]。

    PDT引起细胞内的热休克蛋白( heat shock prote ins, HSPs)表达于肿瘤细胞和血管内皮细胞表面,形成危险信号,而识别模式受体( pattern- recognition recepto rs, PRR ) ,主要包括Toll样受体( Toll like receptors, TLR ) 和补体受体,可以识别这些信号[28]。研究表明HSP70作为PDT产生的主要危险信号, 当HSP70与免疫细胞表面的TLR2、TLR4结合即可触发信号途径, 激活核转录因子NF-κB, 进而表达多种宿主应答基因, 参与免疫、炎症、应激等多种反应,从而增强PDT的抗肿瘤免疫效应[29]。 

补体激活后可产生具有炎症介质作用的活性片段, 并形成膜攻击复合体( membrane attack complex, MAC )。研究表明肿瘤组织经PDT处理后,免疫组化检测显示肿瘤细胞和血管内皮细胞表面及胞质中有大量MAC沉积,说明PDT可激活补体系统参与抗肿瘤免疫。补体激活剂可增加PDT的抗肿瘤效应。而抑制补体的功能可完全阻断PDT诱导的中性粒细胞增多, 降低PDT的抗肿瘤效应[30]。

4  PDT治疗肿瘤的新进展 

    随着新型光敏剂的研发、内镜和光纤技术的不断发展以及对PDT抗肿瘤机制的深入研究,PDT已经逐步应用于多种肿瘤的治疗。 

    口腔内的恶性肿瘤如舌癌虽首选手术治疗和放疗,但常常导致舌功能障碍或功能缺失,严重影响患者的生存质量。而PDT则很适合治疗口腔内的恶性肿瘤、癌前病变,同时可保留组织结构和功能。脑胶质瘤是神经系统最常见的原发肿瘤,由于常呈浸润性生长,手术难以完全切除,术后复发率高,术后常规放化疗难以取得理想疗效,手术联合PDT可能是治疗脑胶质瘤行之有效的新方法,且由于光敏剂的亲肿瘤性和发射荧光的双重性质,还可用以明确脑胶质瘤的边界和指导手术。在消化道恶性肿瘤、女性外阴和宫颈癌前病变、肺癌等恶性肿瘤的治疗中PDT也逐渐显示出其疗效确切、副作用小的优势[3, 5, 31]。 

    近年来,PDT瘤苗研发也成为PDT发展的新趋势。PDT处理后的肿瘤细胞裂解物的抗原性明显增强, 能有效激发机体的的抗肿瘤免疫。Gollnick等[32]发现PDT处理后的肿瘤细胞本身就有很强的免疫原性, 可激发特异性免疫反应,他们在实验中发现PDT产生的肿瘤细胞溶解产物是潜在的疫苗, 且不需要使用佐剂就能起作用, 将其接种于小鼠体内, 可抑制同一种肿瘤细胞株的生长。PDT 产生的瘤苗较紫外线或放射线作用产生的瘤苗具有更强的抗原性, 能够诱发特异的IFN分泌型细胞毒性T细胞并激活树突状细胞,能明显地提高接种瘤苗的荷瘤小鼠的生存率。Korbelik等[33]用PDT 处理后的鳞状上皮细胞癌SCCV II的细胞制备瘤苗治疗在同基因型有免疫功能的小鼠中生长的SCCVII肿瘤, 研究结果表明所获得的PDT瘤苗是很有效的。 

5  小结 

PDT作为一种新兴的肿瘤治疗手段,它主要是通过光化学反应生成活性氧物质尤其是单线态氧来直接杀伤肿瘤细胞,也可通过直接或间接诱导肿瘤细胞凋亡取得疗效,但更为重要的是PDT激活的机体免疫反应对于肿瘤细胞的长期影响,这对于彻底治愈肿瘤以及防止肿瘤复发和转移有着很深远的意义。虽然对于PDT治疗肿瘤的机制尚不完全明确,但国内外针对其抗肿瘤效应的研发结果是可喜的,其发展前景是光明的。 

*通讯作者:罗荣城,教授、博士生导师,E-mail:luorc01@163.com

 

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