背景：
随着放疗技术的进步，放疗的物理特性得以优化，从而实现个体化治疗;然而，优化很少基于生物学特性，因此，通常在计划治疗时假设所有肿瘤对辐射的反应相似。辐射影响多种细胞途径，包括DNA损伤、缺氧、增殖、干细胞表型和免疫应答。
简介：
2022年12月7日，来自英国曼彻斯特大学生物医学和健康学院癌症科学部的Catharine M. L. West 教授课题组在Nat Rev Clin Oncol（IF: 66.7）杂志上发表题为“Predicting tumour radiosensitivity to deliver precision radiotherapy”的文章[1]。在这篇文章中，作者总结了这些通路对肿瘤对放疗反应的影响，以及旨在利用这些变化指导治疗决策的基因组分类器的研究现状。作者还讨论了基因组学的进展是否产生了可以改变临床实践的证据，以及基因组学的进展现在是否可以用于指导单独或联合放疗。
主要结果：
放疗的作用机制。
放疗的效应是由一个复杂的信号通路网络介导的。辐射以一种不加区分的方式起作用，它引起组织内原子的激发和电离，而光束的目标是向这些组织注入最大的能量。大多数分子很快恢复到自然状态，但未恢复的电离会产生自由基，损害组织。DNA被认为是辐射最重要的目标，可以通过电离周围的水分子直接或间接地损伤。DNA损伤谱包括碱基损伤、单链断裂(SSBs)、双链断裂(DSBs)和成簇的DNA损伤(SSBs和DSBs的复杂排列)。这些病变激活了相互关联的生物学通路，而这些通路的复杂性与介导大多数其他抗癌药物(例如抗代谢药物5-氟尿嘧啶)效应的线性生物学通路形成了鲜明对比。辐射诱导的损伤启动细胞通路并产生各种下游后果，其中包括减缓细胞周期进程以最大限度地延长修复时间，以及尝试DNA损伤修复(DDR)，两者均导致细胞存活或死亡。
辐射可产生致死和亚致死效应。错误修复的亚致死效应可导致基因组不稳定，并增加进一步辐射诱发恶性肿瘤的风险。当细胞经历有丝分裂时，未修复或修复错误的DNA损伤会产生染色体畸变，这种畸变可能是不对称的(如导致有丝分裂灾难的双着丝粒片段，这是致命的)或对称的(如导致基因组不稳定的易位)。除了直接的DNA损伤，辐射诱导的活性氧(ROS)还可以促进细胞凋亡或衰老(取决于细胞应激的程度)，通过模拟配体与细胞表面受体的结合来刺激增殖，并通过炎性细胞因子(如IL-1和TNF)协调信号传导。细胞增殖对于非恶性组织的再生至关重要;然而，两次放疗之间的肿瘤再生可能是有害的。肿瘤再增殖不会导致对非常短的治疗(例如立体定向放射治疗)产生放射抵抗，但会导致对超过3 ~ 4周的放射治疗计划产生抵抗。
DNA修复。
SSBs被多聚ADP核糖聚合酶(PARP)识别后，随后被DNA聚合酶β、AP核酸内切酶1、DNA修复蛋白XRCC1、双功能聚核苷酸磷酸酶/激酶PNK、Flap核酸内切酶1以及最后的DNA连接酶I和III募集，通过碱基切除修复进行修复。DSBs可通过易出错的非同源末端连接(non-homologous end-joining, NHEJ)或高保真同源重组修复进行广泛修复。NHEJ是DSB修复的主要途径，首先是解解酶XRCC5-XRCC6二聚体与DNA末端结合，然后募集DNA依赖性蛋白激酶催化亚基(DNA-PK)，由artemis和PNK进行末端处理，然后由DNA连接酶ⅳ进行修饰。在θ介导的末端连接(TMEJ)中，作为NHEJ的另一种形式，MRN复合体(涉及核酸酶MRE11、RAD50和nibrin)和DNA内切酶RBBP8(通常称为CtIP)进行末端切除。PARP和FANCD2招募DNA聚合酶θ，而DNA聚合酶θ具有解旋酶和聚合酶结构域。最后，末端连接由DNA连接酶I和III完成。
细胞反应与增殖。
辐射诱导的DNA修复产物可以激活细胞毒性途径，诱导细胞凋亡或永久性细胞周期阻滞等过程。除了在DNA修复中的作用，MRN复合体招募ATM, ATM直接或通过ATM-CHEK2-p53途径逐步磷酸化激活p53。活化的p53诱导BBC3和PMAIP1的转录，从而激活促凋亡蛋白BAX，并在线粒体膜形成复合物，从而导致半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶激活和线粒体依赖性凋亡(也称为内源性凋亡)。p53的激活也有助于细胞周期阻滞，以及ATR-CHK1-细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK) 2和WEE1-CDK1通路的磷酸化。EGFR的表达通过激活RAS-RAF-MEK-ERK通路，促进同源重组修复和逃避细胞凋亡，从而导致放射抵抗。
缺氧信号。
乏氧的重要性及其对放射敏感性的影响已在许多综述中得到充分描述。缺氧诱导因子(hypoxia -inducible factors, HIFs)、未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR)和mTOR都以一种综合的方式发挥作用，相互影响，也影响共同的下游信号通路，影响参与缺氧反应的多个过程。低氧还会引起复制应激(例如，复制叉停止)和激活DDR通路的单链DNA积累。此外，乏氧可诱导基因组不稳定，而基因组不稳定可驱动癌症进展和放射抵抗，并且不能使用乏氧特异性放射增敏剂进行靶向治疗。
图1：电离辐射的作用机制
免疫反应。
肿瘤与宿主免疫系统的相互作用是复杂的，避免抗肿瘤免疫是癌症的标志之一。由于存在肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和调节性T (Treg)细胞等免疫细胞类型，TME通常具有免疫抑制作用，并通过某些细胞因子的存在维持持续性促炎特征。与TME中其他免疫细胞相比，TAMs和Treg细胞具有更高的放射抵抗性，放疗后其比例有升高趋势。放疗对TME同时具有免疫抑制和免疫刺激作用(图2)，免疫途径在其作用机制中的作用已在其他文章中进行了详细综述。
辐射诱导DNA损伤后的免疫原性细胞死亡刺激了几个过程，包括循环免疫细胞的募集，炎症细胞因子信号的激活(通过cGAS-STING通路)，产生一系列损伤相关的分子模式(DAMPs;包括钙视网膜蛋白、ATP和HMGB1蛋白)和模式识别受体(包括Toll样受体和c型凝集素受体)的激活。该反应通过抗原提呈细胞(例如树突状细胞)导致抗原生成和呈递，并随后激活CD8+细胞毒性T细胞和抗原特异性细胞毒性。
检测辐射敏感度。
许多生物因素影响肿瘤的放射敏感性，包括细胞内在的放射敏感性、乏氧、CSC数量的加速再生和富集能力;免疫反应是另一个重要因素。细胞内在的放射敏感性是由遗传决定的，其基础是参与DDR的基因改变。例如，ATM纯合突变的个体在细胞、组织和生物体水平的放射敏感性大约是平均水平的3倍。这种细胞内在的极端放射敏感性也转化为肿瘤放射敏感性的增加。TP53突变可增加细胞放射抗性，但有生殖细胞系纯合TP53突变的个体应避免放疗，原因是放射敏感性(对辐射诱发癌症的易感性高)和由此导致的第二癌症风险增加。
一些传统的病理学技术仍然是测量肿瘤放射敏感性的有效方法。例如，苏木精-伊红染色可用于识别辐射敏感性(如精原细胞瘤)或辐射抗性(如胶质瘤)肿瘤，肿瘤p16的免疫组织化学(IHC)可作为HPV阳性(从而判断辐射敏感性)的替代生物标志物。更先进的病理学技术(如DNA甲基化组分析)目前用于肿瘤分类，但尚未用于指导临床的放疗剂量处方。
图2：受电离辐射影响的免疫通路
结论和展望：
在这篇综述中，我们假设基因组学的进展现在已经准备好指导放疗的实施，而基因组学工具的商业化对于推动放疗的实施非常重要。过去20年的发展使RNA和DNA水平的高通量分析成为可能。从常规临床活检样本中提取核酸的能力不断提高，快速RNA和DNA分析的技术已经嵌入临床实验室。
我们需要从过去的失败中吸取教训，将放射生物标志物应用于临床。多年来开发的乏氧测定方法由于无法在各实验室之间协作转移方法、标准化和开展所需的验证工作而受到影响。我们需要设计良好的生物标志物驱动的个体化放疗试验来证明益处。将基因组工具用于指导临床决策被证明是困难的，而且迄今为止，大多数放疗技术创新都是经验性应用，没有可靠的治疗获益证据。
基于DNA的特征的开发滞后于基于RNA的特征，但分析工具的可负担性日益提高意味着可以取得更多进展。目前的证据表明，与DDR相关的关键基因的体细胞突变可导致对放疗的敏感性。在这篇综述中，我们强调了基因组学指导放疗的潜力，并呼吁所有利益攸关方将这一领域作为研究重点。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41571-022-00709-y
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