論文發表 | ICAM-1協調腫瘤放療的遠隔效應

文獻信息:

2021年3月30日，北京大學基礎醫學院、放射醫學系、國家藥監局放射性藥物研究與評價重點實驗室，劉昭飛教授團隊在學術期刊PNAS（影響因子：9.412）在線發表題為 ICAM-1 orchestrates the abscopal effect of tumor radiotherapy 的研究論文。Yang Zhao, Ting Zhang為本文的第一作者。其中，北京大學腫瘤醫院暨北京市腫瘤防治研究所，核醫學科，惡性腫瘤發病機制及轉化研究教育部重點實驗室，楊志主任團隊為本文的發表提供64Cu核素及Micro-PET顯像技術支持。平生公司的小動物PET/CT設備（ 型號：Super Nova）在論文中提供了重要的小鼠腫瘤PET/CT圖像和定量分析。

《美國科學院院報》（PNAS）是與Nature、Science齊名，被引用次數最多的綜合學科文獻之一。

全文鏈接：

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

文章摘要：

有證據證明放射療法（RT）除了對放射腫瘤的消除外還可以對未照射區域的病變起到系統性的抑制作用。然而，在臨床實踐中，這種效應只發生在罕見的情況下，而放療的隱性效應機制尚未完全了解，也未在治療中得到利用。本研究發現，細胞間粘附分子-1 (ICAM-1)是免疫球蛋白超家族的一種可誘導糖蛋白，在非放療腫瘤中對放療有反應。分別使用作者合成的近紅外熒光染料和64cu標記的成像探針，ICAM-1在臨床前動物模型中的表達可以通過光學成像和正電子發射斷層掃描(PET)進行無創檢測。重要的是，定量PET成像測定的ICAM-1表達水平與非放療腫瘤的生長呈強烈的負線性相關。此外，在動物模型中，通過瘤內注射工程重組腺病毒或全身注射Toll樣受體7激動劑包裹的納米藥物，通過基因或藥理學上調ICAM-1的表達，可以顯著增加對局部RT的腹腔反應。機制研究表明，ICAM-1的表達可以增強CD8+T細胞的活化和腫瘤浸潤，從而提高非放療腫瘤對RT的反應。

實驗方法：

為建立4T1或CT26荷瘤小鼠模型，BALB/c小鼠右側皮下注射1×106腫瘤細胞。對雙側荷瘤小鼠模型，小鼠右側皮下注射1×106腫瘤細胞，左側皮下注射2×105細胞。使用卡尺測量腫瘤生長，計算腫瘤體積為體積=長度×寬度2/2。建立雙重皮下和肺轉移瘤模型, 將1 × 106個4T1-fLuc腫瘤細胞皮下接種于小鼠右腹，3天后通過尾靜脈注射1 × 105個4T1-fLuc腫瘤細胞于小鼠體內形成轉移性肺腫瘤模擬體。

將右側腫瘤體積約為100mm3、左側腫瘤體積約為50mm3的雙側4T1或CT26荷瘤小鼠隨機分為RT組和對照組。對于RT組，右側腫瘤用x射線照射器局部照射，使用x射線輻照器的劑量率為4.12 Gy/min。照射范圍包括腫瘤，邊緣為5mm，總劑量為24Gy. 第7天，RT組小鼠分為有反應組和無反應組. 應答組由0 - 7天未照射腫瘤體積變化<50%的小鼠組成[(V7-V0)/V0 × 100% <50%]。在第0天到第7天之間，未照射腫瘤體積>變化50%的小鼠[(V7-V0)/V0 × 100% >50%]被分配到無反應組.

在活體小動物PET成像中，每只腫瘤小鼠靜脈注射18.5 MBq 64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab或對照探針(64Cu-NOTA- IgG /Fab)。在第2、6和24小時，使用Super Nova PET/CT掃描儀(平生醫療（昆山）科技有限公司)進行10分鐘靜態PET掃描。

結果:

64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab體內特異性靶向

（A）64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab (64Cu-αICAM-1/Fab)或64Cu- NOTA - IgG /Fab (64Cu- IgG /Fab)。腫瘤以紅圈表示。（B）6 h后64Cu-αICAM-1/Fab和64Cu- IgG /Fab的腫瘤攝取定量分析。

放射治療對放射腫瘤中ICAM-1表達的影響

在4T1荷瘤小鼠模型中，使用Dye-αICAM-1/Fab或64Cu-NOTAαICAM-1/Fab進行X-RT和體內成像。(B) PBS或RT治療后4T1腫瘤生長曲線(每組n = 6-7)。(C)小鼠體內代表性的近紅外熒光圖像和6 h p.i.時Dye-αICAM-1/Fab腫瘤攝取的定量分析(每組7例)。(D)小鼠64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab在6小時后的代表性小動物PET圖像。腫瘤以紅圈表示。(E - F) 12天小鼠ICAM-1表達的代表性免疫熒光圖像(E)和定量分析(F)(每組6例)。

作者假設ICAM-1靶向成像可能是預測RT誘導的遠端效應的一種無創策略。為了驗證假設，作者在腫瘤大小分化前的原發和繼發腫瘤小鼠中進行了成像研究，以確定ICAM -1靶向成像對RT誘導的遠端效應的預測價值。對小鼠(n = 14)的原發腫瘤進行放射治療，而對繼發腫瘤不進行放射治療(圖2A)。作者首先在注射后6小時(hpi)對14只荷瘤小鼠進了NIRF成像，以無創檢測非放射腫瘤中ICAM-1的表達水平。NIRF成像發現14例腫瘤中ICAM-1表達存在差異(圖2B)，其中ICAM-1高表達的腫瘤也通過小動物PET成像得到證實研究(圖2 C)。根據ICAM-1表達水平，作者將小鼠分為高表達組(高ICAM-1;n = 6)和ICAM-1低表達組(ICAM-1低;n = 8)，并進一步監測兩組的腫瘤生長情況。ICAM-1高組腫瘤生長明顯慢于ICAM-1低組(P < 0.01;圖2D)，表明ICAM-1的無創成像定量可以預測RT誘導的4T1腫瘤模型未來的遠隔效應。相比之下，與未放療的對照組相比，放療對原發腫瘤(放療)有有效的抑制作用，而非放療的腫瘤在無創成像檢測ICAM-1水平時觀察到不同的腫瘤生長曲線(圖2E)。

CT26結腸癌模型的進一步驗證明顯顯示，在相同的照射計劃治療下，放療對輻照和非輻照腫瘤的抑制作用比4T1腫瘤模型更強(圖2F)。進行NIRF成像，根據非照射腫瘤中Dye-αICAM-1/Fab的熒光強度將小鼠分為ICAM-1高組和ICAM-1低組(P < 0.01;代表性的PET圖像如圖2G所示。與4T1腫瘤模型的結果一致，放療后ICAM-1的高表達可以反映非放療腫瘤的抑制程度(P < 0.05;圖2 H)。綜上所述，這些結果支持了這一假設，即非放療后腫瘤ICAM-1表達的增加可以預測抗腫瘤的遠隔反應對放療的敏感性。

圖2

作者接下來研究IMQ治療中ICAM-1表達的變化是否可以通過ICAM-1靶向的NIRF和PET成像進行無創觀察。在IQM治療的腫瘤中，Dye-αICAM-1/Fab的攝取明顯增加(P < 0.05;圖5 F)。RT +IQM治療組小鼠64Cu-NOTA-αICAM-1/Fab的攝取也顯著高于單純放療組(P < 0.01;圖5G)。重要的是，相關分析顯示，第12天64Cu - NOTA -αICAM-1/Fab的腫瘤攝取與第8天腫瘤相對體積變化(V20/V0)呈強烈的負線性相關(Pearson r =−0.875,P < 0.001;圖5 H)。因此，IMQ治療后ICAM-1表達的上調可通過ICAM-1靶向成像進行無創檢測，而64Cu - NOTA αICAM-1/Fab PET成像可預測IMQ + RT聯合治療對非放療腫瘤的生長抑制作用。

圖5

結論：

轉移及其相關并發癥占多種癌癥死亡率的90%(33,34)。雖然放療是許多惡性腫瘤的主要治療方法，但其對轉移性病變的療效有限。據報道，在極少數情況下，放療可以誘導抑制轉移性病變的脫靶效應，這表明了一種潛在的治療方向。因此，研究和利用RT與有效的聯合策略(如免疫治療)的遠隔效應可能為處理播散性轉移提供強有力的工具。然而，尋找合適的放療組合療法以及優化放療方案(如:由于對隔離效應的機制理解有限，且缺乏可靠的無創成像方法來預測其早期預后，因此難以實現有效的隔離反應。
 

對RT的遠隔效應發生率較低，研究具有挑戰性。為了解決這個問題，在本研究中，作者降低了小鼠腫瘤模型的遠隔效應的閾值標準。這被證明是有利于作者的研究，因為作者能夠獲得更大的洞察力，協調抽象效應的早期機制。作者的研究結果表明，ICAM-1是預測局部x線放療(X-RT)下腹部反應有效性的潛在生物標志物。作者發現，ICAM-1的高表達與放療后非放療腫瘤的生長抑制密切相關，并且ICAM-1靶向的PET成像在非放療腫瘤對放療或放療聯合治療的反應的無創預測方面具有臨床前景。此外，通過基因或藥理學途徑上調ICAM-1的表達可以增強放療的體外效果，從而有效消融原發腫瘤并消除遠處轉移。

使用設備：

Super Nova^® Micro PET/CT（III 代外觀圖）