全腦放射治療（WBRT）一直是腦轉移癌的主要治療手段之一，尤其是對那些沒有手術機會的患者[1]。但很遺憾的是，目前的臨床證據顯示 全腦放療並不能顯著改善腦轉移癌患者的預後[2]。
因此，探究腦轉移癌對放療抵抗的分子機制，以及尋找可預測放療敏感性的分子標誌物，將有助於尋找解決放射治療抵抗的方法，以及患者個性化放療方案的制定。
近日，來自 西班牙國家癌症研究中心的Manuel Valiente教授團隊發現了腦轉移癌對全腦放療抵抗的新機制。
他們發現 腦轉移癌細胞可高表達並分泌S100A9蛋白，通過與腫瘤細胞表面的受體RAGE相結合，激活細胞內NF-κB/JunB信號通路而介導放療抵抗作用，這种放療抵抗作用可被RAGE抑制劑FPS-ZM1所逆轉。
此外，他們還發現 S100A9可作為生物標誌物（血液檢測或腫瘤組織檢測均可），用來預測腦轉移瘤患者對全腦放療敏感性，從而對患者進行個性化放射治療。
該研究結果為腦轉移患者進行個性化放射治療提供了理論基礎，同時發現了一種具有潛在臨床應用價值的放射增敏劑，具有十分重要的臨床轉化意義，相關研究結果發表於著名期刊《自然·醫學》上[3]。
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為了研究腦轉移癌（BrM）對全腦放療抵抗的機制，Manuel Valiente教授團隊首先構建了肺癌腦轉移動物模型 （肺腺癌細胞系H2030-BRM心內接種）和乳腺癌腦轉移動物模型 （TNBC細胞系E0771-BRM顱內接種）。
他們發現，與對照組相比， 三種不同方案的全腦放療均未能延長小鼠生存期，而奇怪的是，這兩個細胞系 在體外培養時卻對放療十分敏感。
腦轉移癌動物模型對全腦放療抵抗，但細胞系在體外培養時卻對放療十分敏感
這一有趣的現象使得研究人員猜想，是否是因為腫瘤細胞與腦組織接觸而變得對放療抵抗呢？
於是他們將H2030-BRM或E0771-BRM細胞放置在體外培養的腦組織薄片上，並對它們進行與之前相同的放射處理，結果發現癌細胞果然變得對放療抵抗，這表明腫 瘤生長的腦部微環境中具有改變細胞放療敏感性的物質存在。
此前曾有研究發現，腦轉移癌細胞與神經膠質細胞的相互作用，對腦轉移癌細胞的生長起著重要作用[4]。研究人員將腦轉移癌細胞和膠質細胞共培養後發現， 只有當腦轉移癌細胞與膠質細胞直接接觸（將兩種細胞分隔培養無效），特別是與星形膠質細胞相接觸，才會出現對放療的抵抗。
腦轉移癌細胞與星形膠質細胞相接觸，才對出現放療抵抗
為了研究其中的分子機制，研究人員對對照組細胞和共培養的腦轉移癌細胞進行RNA測序，結果發現 S100A9是上調最顯著的基因，動物模型和人腦轉移癌標本中S100A9也高表達。
而S100A9的高表達是由星形膠質細胞分泌的CXCL1和TGG-α所誘導，向體外培養的細胞中添加以上的兩種細胞因子，可誘導腦轉移癌細胞高表達S100A9，並變得對放療抵抗。
以上研究表明， S100A9可能參與腦轉移癌細胞對放療抵抗的機制中。
為了驗證這一點，研究人員將重組S100A9加入到體外對放射敏感的腦轉移癌細胞系中，結果發現腫瘤細胞對放療的敏感性提高了3倍。而在將細胞S100A9沉默後再與腦組織薄片培養後，腫瘤細胞仍然對放療敏感。這就 坐實了S100A9即是導致腫瘤放療抵抗的「元兇」。
那S100A9是如何導致原本對放療敏感的腦轉移癌細胞變得對放療耐藥呢？
通過轉錄組學分析，研究人員發現在對放療抵抗的腦轉移癌中，S100A9的受體RAGE在受到放射刺激後高表達，且在動物模型及和人腦轉移癌標本中同樣如此，通路富集分析顯示RAGE下游的NF-κB信號通路被明顯激活。
這些數據數據表明， 腦轉移癌細胞可表達和分泌S100A9，並與受放射誘導高表達的RAGE受體結合，激活NF-κB介導放療抵抗。
腦轉移癌細胞通過S100A9介導放療抵抗機制
緊接著，研究人員在體內研究了S100A9對放療敏感性的作用，構建了H2030-BrM細胞S100A9被沉默的肺癌腦轉移模型。
結果顯示， 腫瘤對放療的抵抗消失了，與對照組 （H2030-BrM細胞野生型肺癌腦轉移模型）相比，放療顯著延長了小鼠的生存期。在乳腺癌腦轉移動物模型中也有類似的現象。
然後研究人員在體內證實了 S100A9的確是通過激活NF-κB/JunB信號通路，來介導腫瘤的放療抵抗。
由於S100A9不僅可由腫瘤細胞所表達，中性粒細胞和單核細胞中也可分泌S100A9。為了驗證放療抵抗是否是由腫瘤特異性分泌的S100A9所介導，研究人員構建了S100A9基因敲除小鼠模型，然後將野生型E0771-BRM細胞植入腦內構建腦轉移模型，結果顯示腫瘤對放療依舊抵抗。由此 證實了放療抵抗的確是由腦轉移癌細胞分泌的S100A所介導。
S100A9基因敲除小鼠腦轉移模型對放療抵抗
鑒於S100A9與腦轉移癌放射敏感性的相關性，研究人員在臨床人群中研究了S100A9與腦轉移癌患者 （接受標準治療，其中包括放療）預後的關係。
通過對肺癌（n=22）、乳腺癌（n=42）、和黑色素瘤（n=34）腦轉移癌患者的臨床標本與隨訪數據進行分析，研究人員發現， 肺腦轉移癌標本中S100A9表達水平與全腦放療後腫瘤復發時間相關，乳腺癌和黑色素瘤腦轉移癌標本中S100A9表達水平與生存率顯著相關。這強烈提示了S100A9作為預測放療敏感性標誌物的價值。
腦腫瘤標本S100A9水平可作為預測放療敏感性標誌物
考慮到有些腦轉移癌患者已喪失手術機會，無法取到顱內腫瘤標本來評價S100A9的表達水平，研究人員還研究了血液中S100A9水平與患者放療敏感性的關係。
他們通過分析71名腦轉移癌患者的血液樣本和臨床數據發現， 血液中的S100A9水平同樣可以用來預測接受標準治療（包括放療）患者的預後，不過這還需要進行更大規模的臨床研究來驗證。
為了讓那些S100A9水平高的患者同樣享受到放射治療的益處，研究人員不禁想到，這种放療抵抗能否被逆轉呢？
非常幸運的是，現有的 RAGE抑制劑FPS-ZM1對血腦屏障的穿透性非常好[5]。研究人員通過對肺癌腦轉移小鼠和乳腺癌腦轉移小鼠使用FPS-ZM1後，果然發現原本應對放療抵抗的腫瘤變得對治療敏感了。
RAGE抑制劑FPS-ZM1可逆轉腫瘤的放療抵抗
總的來說，Valiente團隊 發現了S100A9介導了腦轉移癌的放療抵抗，且可作為潛在的生物標誌物預測患者對放療的敏感性，從而達到個性化治療的目的。據了解，研究人員已啟動一項前瞻性多中心研究，以評估S100A9對放療敏感性的預測價值。
更為重要的是，這种放療抵抗可被RAGE抑制劑所逆轉，且RAGE抑制劑用於治療阿爾茨海默病已進入臨床試驗階段[6]。在不久的未來，該藥物或真的可以作為放療增敏劑進入臨床使用，改善腦轉移癌患者預後。
參考文獻
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2.Mulvenna P, Nankivell M, Barton R, Faivre-Finn C, Wilson P, McColl E, Moore B, Brisbane I, Ardron D, Holt T et al: Dexamethasone and supportive care with or without whole brain radiotherapy in treating patients with non-small cell lung cancer with brain metastases unsuitable for resection or stereotactic radiotherapy (QUARTZ): results from a phase 3, non-inferiority, randomised trial. Lancet 2016, 388(10055):2004-2014.
3.Monteiro C, Miarka L, Perea-García M, Priego N, García-Gómez P, Álvaro-Espinosa L, de Pablos-Aragoneses A, Yebra N, Retana D, Baena P et al: Stratification of radiosensitive brain metastases based on an actionable S100A9/RAGE resistance mechanism. Nature Medicine 2022.
4.Chen Q, Boire A, Jin X, Valiente M, Er EE, Lopez-Soto A, Jacob L, Patwa R, Shah H, Xu K et al: Carcinoma-astrocyte gap junctions promote brain metastasis by cGAMP transfer. Nature 2016, 533(7604):493-498.
5.Deane R, Singh I, Sagare AP, Bell RD, Ross NT, LaRue B, Love R, Perry S, Paquette N, Deane RJ et al: A multimodal RAGE-specific inhibitor reduces amyloid beta-mediated brain disorder in a mouse model of Alzheimer disease. J Clin Invest 2012, 122(4):1377-1392.
6.Burstein AH, Sabbagh M, Andrews R, Valcarce C, Dunn I, Altstiel L: Development of Azeliragon, an Oral Small Molecule Antagonist of the Receptor for Advanced Glycation Endproducts, for the Potential Slowing of Loss of Cognition in Mild Alzheimer's Disease. J Prev Alzheimers Dis 2018, 5(2):149-154.