《科学》子刊：放疗，在“精”不在多！

恶性肿瘤最难以治愈的原因在于其全身转移特性，尤其是脑转移会造成神经功能障碍，降低病人生活质量及生存率。

针对发生脑转移的患者，临床最主要的治疗手段是放射疗法。为减少对神经功能带来的副作用，放射治疗应尽可能限定于局部病变位置，因此需要辅助用药增强局部放疗效果，提高病人对放射治疗敏感性。

但是由于脑部特殊的解剖结构，血脑屏障的存在阻碍了绝大多数药物向脑内的渗透，限制了它们对放射治疗的辅助疗效。

因此发现可穿透血脑屏障、副作用低的放射增敏药物在恶性肿瘤脑转移治疗中尤为关键。

近日，美国康奈尔大学医学院的Leandro Cerchietti团队与阿根廷布宜诺斯艾利斯大学Angel Roffo癌症研究所的Alfredo Navigante团队合作，共同在Science Advances期刊发表了一项研究成果。

他们发现，L-精氨酸有作为脑转移放射辅助治疗药物的可能性。放疗前，给予脑转移病人口服L-精氨酸，可显着增强他们对放射治疗的敏感性，抑制脑部转移瘤生长。

此外，他们还揭示了L-精氨酸增强肿瘤放疗敏感性的分子机制依赖于NOS2酶活，补充L-精氨酸可在NOS2作用下产生更多NO，引起肿瘤细胞过氧亚硝基水平升高，导致糖酵解和TCA过程下调，同时导致肿瘤细胞DNA损伤加重，抑制DNA损伤修复过程，导致细胞死亡[3]。

一氧化氮（NO）作为一种调节血管功能的小分子，也被证明在肿瘤细胞生存中发挥不可或缺的作用[4]。

基于这一特征，研究人员希望使用药物限制肿瘤NO的产生，提高脑转移病人放射治疗的敏感性，但实际上该方法治疗效果并不明显，因为药物难以透过血脑屏障，且伴随较大的副作用[2]。

既然限制肿瘤的NO效果不理想，那给予肿瘤过量的NO，超过其耐受水平，是否增强放射治疗的效果呢？

多种肿瘤动物模型研究和临床实验发现，高水平的NO的确会增加肿瘤细胞对放射治疗的敏感性，可能是因为NO增加了肿瘤血流并限制了缺氧环境下的耗氧量[5]。

此外，有研究表明，L-精氨酸可依赖NOS2酶活增加NO产生[6，7]，缓解内皮功能障碍及遗传性线粒体疾病的症状，且避免了NO还原供体药物的副作用，同时，L-精氨酸也可穿过血脑屏障发挥作用。

因此，Leandro Cerchietti团队认为，L-精氨酸在脑转移瘤治疗中具备极大的潜在临床应用价值。

在由42名NSCLC（40%）、TNBC（19%）和其他实体肿瘤（41%）的脑转移瘤患者组成的队列中，Leandro Cerchietti团队检测到原发部位和脑转移部位肿瘤细胞均存在NOS2高表达。

研究人员让其中五名患者采用口服单剂量10克L-精氨酸的治疗方案，发现患者耐受良好，血液L-精氨酸水平显着提高。随后，研究人员以脑部乳酸浓度作为患者对放射治疗抵抗的生物指标，发现口服L-精氨酸可显着降低脑转移瘤部位乳酸合成水平。

之后研究人员将63名准备接受放射治疗的脑转移灶不可切除患者随机分为两组，一组服用安慰剂作为对照组，另一组口服10克L-精氨酸。

在为期四年的随访中，研究人员发现：L-精氨酸显着提高了脑转移灶对放射治疗的敏感程度和治疗效果，患者脑转移部位肿瘤进展明显被抑制，体积明显减小。这表明口服L-精氨酸可以在临床治疗上有效提高BM病人对放射治疗的敏感性。

随后，在小鼠TNBC肿瘤模型、TNBC细胞系和TNBC-BM来源的肿瘤细胞系中，研究人员探究了L-精氨酸影响脑转移部位肿瘤细胞代谢和生长的机制。

Cerchietti团队对接受L-精氨酸治疗的小鼠肿瘤进行非靶向代谢组学分析发现，肿瘤细胞的糖酵解过程中，甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）下游代谢产物含量显着降低，糖酵解过程和TCA循环被抑制，乳酸合成减少，最终限制了ATP相关能量的产生。

并且该过程依赖于NOS2酶活，将L-精氨酸转化为NO。L-精氨酸对糖酵解和TCA循环的能量代谢调控可被NOS2抑制剂逆转。

Cerchietti和他的同事认为，L-精氨酸对能量代谢的影响是由于NO增加了细胞中过氧亚硝基水平，促进GAPDH硝基化修饰，从而抑制其酶活性和代谢过程。

但他们发现，随着L-精氨酸处理时间增加，肿瘤细胞内ATP水平在早期被抑制，后期可逐渐恢复，虽然最终仍低于未处理组，但L-精氨酸处理并未造成细胞死亡。

那么导致肿瘤细胞死亡的关键原因是什么呢？

代谢组学分析中，Cerchietti团队发现细胞经过L-精氨酸处理后NAD+水平显着被抑制，这可能进一步造成GAPDH的硝基化，但也预示着DNA损伤修复酶PARP的激活，以NAD+作为底物进行损伤修复。

于是他们进行了评估DNA损伤的“彗星实验”，发现L-精氨酸处理TNBC细胞系及其BM来源细胞系均增加了它们的DNA损伤，且氧化应激损伤增加尤为显着。抑制PARP活化可在一定程度恢复细胞NAD+水平。

L-精氨酸处理的肿瘤细胞表现出更多的DNA损伤，那DNA修复能力是否会被影响呢？

研究人员用L-精氨酸预处理肿瘤细胞系再经辐射处理后，肿瘤细胞表现出更低的DNA损伤修复能力和DNA合成能力，且该过程均可以被NOS2抑制剂逆转。

在动物模型中，研究人员也看到了相同的效果。L-精氨酸喂养4T1 TNBC肿瘤小鼠，可显着降低肿瘤环境乳酸水平。经过辐射后，L-精氨酸组肿瘤细胞表现出更多未修复的DNA损伤。不过令人意外的是，L-精氨酸并不影响肿瘤浸润免疫细胞的DNA损伤修复。

总的来说，这个研究发现L-精氨酸有作为BM放射辅助治疗的潜在可能性，相比于NO供体药物具有更大的优势，最大限度减少副作用，增强病人放疗敏感性。通过代谢组学分析和分子机制探索发现，L-精氨酸以限制肿瘤糖酵解的方式降低了肿瘤微环境的乳酸水平，这一指标与病人对放射治疗敏感性直接相关，或许可用作筛选响应该疗法病人的无创伤药效学生物标志物。

除此以外，L-精氨酸特异性增加了肿瘤细胞的DNA损伤，抑制了DNA修复过程，但并未表现出对辐射后肿瘤浸润淋巴细胞DNA损伤的影响。有研究认为L-精氨酸能增强T细胞抗肿瘤能力，因此L-精氨酸在抗肿瘤免疫治疗中的应用也值得进一步探索。(生物谷Bioon.com）