PI3K/AKT信號通路與腫瘤放療敏感性關系

李 娟 李多杰

(蚌埠醫學院第一附屬醫院放療科，安徽 蚌埠 233000)

由于腫瘤細胞對化療藥物的耐藥性、手術治療的局限性及許多腫瘤患者在確診時已為晚期，已經失去最佳手術時機，因此，放射治療在腫瘤治療中的地位越來越突出。但由于輻射抵抗的存在，部分患者在接受放射治療后出現復發、轉移。盡管目前存在各種提高放射治療效果的方法，例如超分割放療、同步放化療及使用輻射增敏劑等，但是這些療法的治療效果仍較差，因此，既能增加腫瘤放療敏感性且副作用較低的新治療方案正是目前所迫切需求的。多項研究表明磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)路徑與腫瘤輻射抵抗密不可分〔1,2〕，但其與細胞輻射抵抗的確切關系仍處于探索階段，本文將對其研究現狀進行綜述。

1 PI3K/AKT信號轉導通路的組成及其活化

PI3K是一種脂質激酶，屬于磷脂酰肌醇激酶，根據同源序列、校正模式及底物參數的不同，PI3K分為3種亞型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，其中Ⅰ類為目前研究最為廣泛的一種，又可分為ⅠA(PI3Kα、β、δ)及ⅠB(PI3Kγ)兩種亞型〔1,2〕，ⅠA型PI3K在腫瘤中表達較多，是由催化亞基p110和調節亞基p85構成的異二聚體，可與蛋白酪氨酸激酶連接受體和G蛋白連接受體相互作用而被激活；Ras蛋白和催化亞基p110直接結合也可直接活化PI3K。活化后的PI3K可催化PIP2磷酸化產生第二信使PIP3，PIP3可與細胞內的信號蛋白AKT的PH結構域及磷酸肌醇依賴性蛋白激酶(PDK)1相結合，進而激活AKT信號蛋白。激活后的AKT可大量活化下游效應分子，包括結節性硬化復合體(TSC)2、B淋巴細胞瘤-2基因(Bcl)-2、半胱天冬酶(Caspase)-9、p27、p21、160 kD的AKT底物(As160)等，最終參與調節腫瘤細胞的多種生命活動過程。

PI3K信號通路在腫瘤發生及發展的作用被高度重視并研究是由于在人類大多數常見腫瘤中，編碼p110α亞單位的基因突變率較高〔3〕，其在腫瘤的發生發展中的作用也已得到實驗證實。目前也有研究〔4〕發現它與腫瘤細胞的放化療敏感性關系密切。

2 PI3K/AKT信號通路與腫瘤放療敏感性關系

放療作為目前腫瘤治療的主要手段之一，與手術及化療相比，其以局部治療為主，在殺傷腫瘤細胞的同時能減少對正常組織的損傷，對身體功能的影響更小。但由于輻射抵抗的存在，整體治療效果不佳。目前，關于腫瘤輻射抵抗的機制仍不十分清楚，可能是多重因素相互作用而導致的，其中最重要的為固有輻射抵抗、腫瘤細胞增殖和細胞周期阻滯〔5〕。

2.1固有輻射抵抗 電離輻射導致的細胞DNA雙鏈斷裂是一種潛在的致死性損害，DNA雙鏈斷裂后的修復能力與腫瘤細胞輻射敏感性有關。這種斷裂損傷主要通過同源重組及非同源重組兩種方式進行修復，研究發現絕大多數的修復由非同源重組完成〔6〕，參與非同源重組修復機制的DNA依賴蛋白激酶催化亞基(DNA-PKcs)受表皮生長因子受體(EGFR)/PI3K/AKT通路的調控，這表明PI3K/AKT介導的DNA損傷修復可能是抗輻射的重要機制。Freudlsperger等〔7〕選擇了120例行放射治療的晚期頭頸部鱗癌患者來研究AKT的磷酸化狀態與晚期頭頸部鱗癌患者放療預后的關系。結果發現：輻射可以引起pAKT(Ser473)水平增加，且pAKT(Ser473)水平與總生存期和無進展生存期有顯著相關性(P<0.05)。應用PI3K抑制劑LY294002預處理原發、復發腫瘤組織可以抑制基礎和輻射誘導的pAKT(Ser473)水平，減少細胞DNA損傷修復，增加細胞死亡。該研究認為：抑制PI3K/AKT細胞路徑可以增加輻射誘導的細胞凋亡，減弱細胞的固有輻射抵抗起到輻射增敏作用。

眾所周知，細胞DNA雙鏈斷裂時，細胞內磷酸化組蛋白H2AX(γ-H2AX)的含量明顯增加。Liu 等〔8〕在人肝癌細胞系(Huh7和BNL)中通過評估γ-H2AX水平來探索PI3K/AKT與輻射敏感性的關系，采用免疫熒光法觀察到單獨放療組在照射后30 min內可檢測到腫瘤細胞內γ-H2AX明顯增加，Huh7和BNL細胞系的γ-H2AX分別于放療后8 h和4 h 顯著減少；放療聯合PI3K/AKT抑制劑BKM120組Huh7和BNL細胞系γ-H2AX的含量分別在輻照后6 h和4 h仍存有相當大的百分比。該研究認為：運用 PI3K/AKT 抑制劑可以減少輻射損傷DNA雙鏈的修復，導致細胞死亡，進而降低輻射抵抗。同樣地，Liu 等〔9〕進行了類似的探索，研究了PI3K/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)雙重抑制劑GSK2126458和PKI-587對鼻咽癌細胞輻射敏感性的關系。試驗中亦通過免疫熒光法檢測γ-H2AX數量來評估細胞 DNA損傷效應。結果顯示：單獨應用GSK2126458、 PKI-587對γ-H2AX的影響不大，當GSK2126458或 PKI-587結合放療時較單獨輻照γ-H2AX呈現持續性高表達(P<0.01)。從而得出：抑制PI3K/mTOR可以減少輻射所致細胞DNA損傷的修復，增加了電離所致DNA的損傷、誘導細胞凋亡，從而起到輻射增敏的作用。這與Fokas等〔10〕在人內皮細胞中的研究結果類似。以上研究表明，PI3K/AKT信號通路是腫瘤細胞的存活通路，該通路的激活與腫瘤的固有輻射抗拒有關。

2.2腫瘤細胞增殖 腫瘤細胞的增殖受多種因素影響，包括細胞分化狀態，細胞周期基因調控和細胞所處的微環境等。電離輻射導致腫瘤細胞增殖能力提高的機制是可誘導EGFR酪氨酸磷酸化，與促細胞有絲分裂的幾個關鍵組件及增殖信號通路的激活有關，其中一個主要的途徑是膜受體酪氨酸蛋白激酶信號傳遞途徑〔RAS/RAF/促分裂原活化蛋白激酶通路(MAPK)〕，可通過作用于周期素D依賴蛋白激酶調節細胞周期G1-S期的轉化，參與腫瘤細胞增殖。另外，PI3K/AKT也可以作用于周期素D依賴蛋白激酶，調節細胞增殖。Ettl等〔11〕在人頭頸部腫瘤研究中發現輻射敏感細胞株PCI-9A中 pAKT的表達較弱致輻照后激活的凋亡蛋白caspase-3、caspase-7表達增強，放射抗拒細胞株PCI-15中pAKT的表達較強使輻照后抗凋亡蛋白Survivin mRNA和BCL2A1 mRNA的表達上調。結果顯示：敏感組細胞輻照后96 h仍有大量細胞死亡而不敏感組細胞在輻照后細胞凋亡數明顯減少且72 h后即出現再增殖(P<0.05)。研究認為：AKT通路的上調可減少輻射引起的細胞凋亡，誘導細胞再增殖，阻斷該通路可恢復腫瘤細胞的輻射敏感性，逆轉輻射抵抗。

李萍等〔12〕應用LY294002特異性阻斷PI3K/AKT通路在乳腺癌細胞系(MDA-MB-468、MCF-7)中行進一步研究。試驗將每種細胞均隨機分為兩組，分別為LY294002組(加入LY294002的濃度為10 μmol/L)、單純放療組。LY294002組加藥后與單純放療組同步予4 Gy輻照48 h。結果顯示：MDA-MB-468細胞、MCF-7細胞的凋亡率LY294002組分別為(14.77±2.93)%、(16.65±4.62)%，均顯著高于各自單純輻照組(P值分別為0.024、0.028)。研究認為：阻滯PI3K/AKT通路可增加細胞的凋亡，減弱細胞的增殖活性進而增強乳腺癌細胞輻射敏感性。這與姜新等〔13〕在膠質瘤細胞U251、Liu等〔14〕在宮頸癌HeLa細胞系中的研究結果一致。然而，Luo等〔15〕認為喉癌的輻射抵抗不僅與PI3K/AKT路徑相關，還與葡萄糖轉運蛋白(Glut)-1的過表達密不可分，他們在體外構建人喉癌裸鼠移植瘤模型對不同干預條件下細胞的生長及增殖情況進行評估。結果顯示：Glut-1組、LY294002組、LY294002聯合Glut-1組、單純放療組、LY294002聯合放療組和LY294002聯合Glut-1加放療組腫瘤生長抑制率分別為37.3%、3.4%，50.0%，7.0%，67.7%和57.8%。X線照射后，LY294002組、LY294002聯合Glut-1組與單純放療相比腫瘤生長抑制顯著(P<0.05)。同樣的，wortmannin聯合Glut-1組比單純放療、wortmannin組對腫瘤生長抑制作用強(P<0.05)。LY294002組、LY294002聯合Glut-1組、wortmannin組、 wortmannin聯合Glut-1組預期值與觀測值之比(E/O值)分別為2.7、1.1、1.8、1.8。研究認為GLUT-1的過表達與PI3K/AKT路徑共同參與了喉癌的輻射抵抗，同時抑制二者可以抑制腫瘤細胞增殖，促進細胞凋亡起到輻射增敏的作用。

相似地，Pang等〔16〕在體外建立食管癌細胞系EC109模型，隨機分為四組，分別為對照組(N)、單純放療組(R:10 Gy的單次劑量照射一次)、單純藥物組(TM:0.5 μg/ml的TM預處理)、放療聯合藥物組(R+TM)，24 h后將細胞固定、染色，用FACSort進行分析發現以上4組G1、G2、S期所占比例分別為(59%、18%、28%)、(70%、11%、20%)、(47%、50%、5%)、(23%、65%、18%)。另外，TM+R組相對R組，AKT的磷酸化水平明顯減低。由此認為：TM通過抑制AKT的磷酸化，改變細胞周期所占比，增強了輻射敏感性。盧曉旭等〔17〕通過雙向調控環氧合酶(Cox)-2特異性siRNA載體對食管癌EC9706細胞的轉染，檢測不同條件下AKT蛋白和磷酸化AKT(pAKT)蛋白的表達及細胞的生長、凋亡來研究其與食管癌細胞放射敏感性的關系。結果顯示：下調組較上調組AKT蛋白、pAKT蛋白的表達明顯減少(P<0.05)，G0～G1期細胞所占比升高，而S和G2～M期所占比減低且細胞增殖抑制顯著。研究認為：細胞Cox-2 mRNA的表達降低可改變細胞分化狀態，抑制AKT和pAKT的表達，進而影響PI3K/AKT路徑起到輻射增敏作用。Yu等〔18〕發現特異性阻滯PI3K/AKT下游主要靶點mTOR亦可導致G2期阻滯，增加細胞放射敏感性。當然，這是否與PI3K/AKT路徑有關，仍需進一步的研究加以證實。

2.3乏氧 Sato〔19〕研究認為氧氣是一種有效的放射增敏劑，可促進活性氧和自由基的產生，對輻射誘發的DNA損傷具有重要意義。然而，腫瘤細胞由于增殖迅速、血管功能異常、血流分布不均等常常引起組織內部缺氧。腫瘤乏氧細胞的產生和存在不僅使腫瘤對放化療的抗拒性增加，而且使腫瘤更具有侵襲性，容易發生轉移。另外，腫瘤細胞可通過低氧誘導轉錄因子(HIF)-1應對氧濃度的降低而繼續生存及增殖。從而導致腫瘤整體治療效果不佳的臨床現狀。許多研究表明PI3K/AKT信號通路在腫瘤細胞乏氧應答中起著重要作用，有學者提出 PI3K/AKT 是 HIF-1α 的主要調控通路〔20〕。

Miyasaka等〔21〕證實PI3K細胞路徑與子宮內膜癌輻射抵抗相關。研究者選用8種子宮內膜癌細胞系，以克隆形成實驗在細胞水平評價細胞的輻射敏感性，用D10(腫瘤細胞數減少90%所需的輻射劑量)作為評價指標。結果顯示：PI3K通路抑制劑 (NVP-BEZ235)對子宮內膜癌細胞具有輻射增敏效應，且隨著NVP-BEZ235劑量的增加，增敏效應也隨之增強。即使對于放療抗拒的細胞系，以NVP-BEZ235處理后D10亦小于2 Gy，較未處理時顯著降低(P<0.05)。同時，NVP-BEZ235亦明顯減少了輻射誘導的HIF-1α的表達。研究認為：PI3K信號通路的激活可以增強子宮內膜癌的輻射抵抗，其可能機制為抑制PI3K/mTOR通路可減少HIF-1α的表達，改善腫瘤細胞乏氧狀態，進而提高子宮內膜癌細胞輻射敏感性。

可見，PI3K/AKT信號通路可通過激活HIF參與腫瘤細胞生命活動的基因調控，阻斷該通路，可以增加腫瘤細胞的氧合，起到輻射增敏的作用。

3 展 望

PI3K/AKT信號傳導通路在腫瘤的發生、發展過程中起著十分重要的作用，并且與腫瘤細胞的治療抵抗、抗血管生成等有密切的關系。檢測PI3K蛋白在腫瘤細胞中的活化狀態，可能有助于評價放療的治療效果，并為腫瘤患者個體化治療方案的選擇提供依據。但是由于腫瘤細胞的生長、增殖是由許多信號通路共同完成的，是極其復雜的過程，且受體內外多種因素的影響。因此，進一步的臨床實驗研究來評估PI3K蛋白在腫瘤組織的表達及活化狀態及它能否作為評價腫瘤放療敏感性的分子標記，是今后研究的主要方向。