论文发表 | ICAM-1协调肿瘤放疗的远隔效应

文献信息:

2021年3月30日，北京大学基础医学院、放射医学系、国家药监局放射性药物研究与评价重点实验室，刘昭飞教授团队在学术期刊PNAS（影响因子：9.412）在线发表题为 ICAM-1 orchestrates the abscopal effect of tumor radiotherapy 的研究论文。Yang Zhao, Ting Zhang为本文的第一作者。其中，北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所，核医学科，恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室，杨志主任团队为本文的发表提供64Cu核素及Micro-PET显像技术支持。平生公司的小动物PET/CT设备（ 型号：Super Nova）在论文中提供了重要的小鼠肿瘤PET/CT图像和定量分析。

《美国科学院院报》（PNAS）是与Nature、Science齐名，被引用次数最多的综合学科文献之一。

全文链接：

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

文章摘要：

有证据证明放射疗法（RT）除了对放射肿瘤的消除外还可以对未照射区域的病变起到系统性的抑制作用。然而，在临床实践中，这种效应只发生在罕见的情况下，而放疗的隐性效应机制尚未完全了解，也未在治疗中得到利用。本研究发现，细胞间粘附分子-1 (ICAM-1)是免疫球蛋白超家族的一种可诱导糖蛋白，在非放疗肿瘤中对放疗有反应。分别使用作者合成的近红外荧光染料和64cu标记的成像探针，ICAM-1在临床前动物模型中的表达可以通过光学成像和正电子发射断层扫描(PET)进行无创检测。重要的是，定量PET成像测定的ICAM-1表达水平与非放疗肿瘤的生长呈强烈的负线性相关。此外，在动物模型中，通过瘤内注射工程重组腺病毒或全身注射Toll样受体7激动剂包裹的纳米药物，通过基因或药理学上调ICAM-1的表达，可以显著增加对局部RT的腹腔反应。机制研究表明，ICAM-1的表达可以增强CD8+T细胞的活化和肿瘤浸润，从而提高非放疗肿瘤对RT的反应。

实验方法：

为建立4T1或CT26荷瘤小鼠模型，BALB/c小鼠右侧皮下注射1×106肿瘤细胞。对双侧荷瘤小鼠模型，小鼠右侧皮下注射1×106肿瘤细胞，左侧皮下注射2×105细胞。使用卡尺测量肿瘤生长，计算肿瘤体积为体积=长度×宽度2/2。建立双重皮下和肺转移瘤模型, 将1 × 106个4T1-fLuc肿瘤细胞皮下接种于小鼠右腹，3天后通过尾静脉注射1 × 105个4T1-fLuc肿瘤细胞于小鼠体内形成转移性肺肿瘤模拟体。

将右侧肿瘤体积约为100mm3、左侧肿瘤体积约为50mm3的双侧4T1或CT26荷瘤小鼠随机分为RT组和对照组。对于RT组，右侧肿瘤用x射线照射器局部照射，使用x射线辐照器的剂量率为4.12 Gy/min。照射范围包括肿瘤，边缘为5mm，总剂量为24Gy. 第7天，RT组小鼠分为有反应组和无反应组. 应答组由0 - 7天未照射肿瘤体积变化<50%的小鼠组成[(V7-V0)/V0 × 100% <50%]。在第0天到第7天之间，未照射肿瘤体积>变化50%的小鼠[(V7-V0)/V0 × 100% >50%]被分配到无反应组.

在活体小动物PET成像中，每只肿瘤小鼠静脉注射18.5 MBq 64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab或对照探针(64Cu-NOTA- IgG /Fab)。在第2、6和24小时，使用Super Nova PET/CT扫描仪(平生医疗（昆山）科技有限公司)进行10分钟静态PET扫描。

结果:

64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab体内特异性靶向

（A）64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab (64Cu-αICAM-1/Fab)或64Cu- NOTA - IgG /Fab (64Cu- IgG /Fab)。肿瘤以红圈表示。（B）6 h后64Cu-αICAM-1/Fab和64Cu- IgG /Fab的肿瘤摄取定量分析。

放射治疗对放射肿瘤中ICAM-1表达的影响

在4T1荷瘤小鼠模型中，使用Dye-αICAM-1/Fab或64Cu-NOTAαICAM-1/Fab进行X-RT和体内成像。(B) PBS或RT治疗后4T1肿瘤生长曲线(每组n = 6-7)。(C)小鼠体内代表性的近红外荧光图像和6 h p.i.时Dye-αICAM-1/Fab肿瘤摄取的定量分析(每组7例)。(D)小鼠64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab在6小时后的代表性小动物PET图像。肿瘤以红圈表示。(E - F) 12天小鼠ICAM-1表达的代表性免疫荧光图像(E)和定量分析(F)(每组6例)。

作者假设ICAM-1靶向成像可能是预测RT诱导的远端效应的一种无创策略。为了验证假设，作者在肿瘤大小分化前的原发和继发肿瘤小鼠中进行了成像研究，以确定ICAM -1靶向成像对RT诱导的远端效应的预测价值。对小鼠(n = 14)的原发肿瘤进行放射治疗，而对继发肿瘤不进行放射治疗(图2A)。作者首先在注射后6小时(hpi)对14只荷瘤小鼠进了NIRF成像，以无创检测非放射肿瘤中ICAM-1的表达水平。NIRF成像发现14例肿瘤中ICAM-1表达存在差异(图2B)，其中ICAM-1高表达的肿瘤也通过小动物PET成像得到证实研究(图2 C)。根据ICAM-1表达水平，作者将小鼠分为高表达组(高ICAM-1;n = 6)和ICAM-1低表达组(ICAM-1低;n = 8)，并进一步监测两组的肿瘤生长情况。ICAM-1高组肿瘤生长明显慢于ICAM-1低组(P < 0.01;图2D)，表明ICAM-1的无创成像定量可以预测RT诱导的4T1肿瘤模型未来的远隔效应。相比之下，与未放疗的对照组相比，放疗对原发肿瘤(放疗)有有效的抑制作用，而非放疗的肿瘤在无创成像检测ICAM-1水平时观察到不同的肿瘤生长曲线(图2E)。

CT26结肠癌模型的进一步验证明显显示，在相同的照射计划治疗下，放疗对辐照和非辐照肿瘤的抑制作用比4T1肿瘤模型更强(图2F)。进行NIRF成像，根据非照射肿瘤中Dye-αICAM-1/Fab的荧光强度将小鼠分为ICAM-1高组和ICAM-1低组(P < 0.01;代表性的PET图像如图2G所示。与4T1肿瘤模型的结果一致，放疗后ICAM-1的高表达可以反映非放疗肿瘤的抑制程度(P < 0.05;图2 H)。综上所述，这些结果支持了这一假设，即非放疗后肿瘤ICAM-1表达的增加可以预测抗肿瘤的远隔反应对放疗的敏感性。

图2

作者接下来研究IMQ治疗中ICAM-1表达的变化是否可以通过ICAM-1靶向的NIRF和PET成像进行无创观察。在IQM治疗的肿瘤中，Dye-αICAM-1/Fab的摄取明显增加(P < 0.05;图5 F)。RT +IQM治疗组小鼠64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab的摄取也显著高于单纯放疗组(P < 0.01;图5G)。重要的是，相关分析显示，第12天64Cu - NOTA -αICAM-1/Fab的肿瘤摄取与第8天肿瘤相对体积变化(V20/V0)呈强烈的负线性相关(Pearson r =−0.875,P < 0.001;图5 H)。因此，IMQ治疗后ICAM-1表达的上调可通过ICAM-1靶向成像进行无创检测，而64Cu - NOTA αICAM-1/Fab PET成像可预测IMQ + RT联合治疗对非放疗肿瘤的生长抑制作用。

图5

结论：

转移及其相关并发症占多种癌症死亡率的90%(33,34)。虽然放疗是许多恶性肿瘤的主要治疗方法，但其对转移性病变的疗效有限。据报道，在极少数情况下，放疗可以诱导抑制转移性病变的脱靶效应，这表明了一种潜在的治疗方向。因此，研究和利用RT与有效的联合策略(如免疫治疗)的远隔效应可能为处理播散性转移提供强有力的工具。然而，寻找合适的放疗组合疗法以及优化放疗方案(如:由于对隔离效应的机制理解有限，且缺乏可靠的无创成像方法来预测其早期预后，因此难以实现有效的隔离反应。
 

对RT的远隔效应发生率较低，研究具有挑战性。为了解决这个问题，在本研究中，作者降低了小鼠肿瘤模型的远隔效应的阈值标准。这被证明是有利于作者的研究，因为作者能够获得更大的洞察力，协调抽象效应的早期机制。作者的研究结果表明，ICAM-1是预测局部x线放疗(X-RT)下腹部反应有效性的潜在生物标志物。作者发现，ICAM-1的高表达与放疗后非放疗肿瘤的生长抑制密切相关，并且ICAM-1靶向的PET成像在非放疗肿瘤对放疗或放疗联合治疗的反应的无创预测方面具有临床前景。此外，通过基因或药理学途径上调ICAM-1的表达可以增强放疗的体外效果，从而有效消融原发肿瘤并消除远处转移。

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