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胶质母细胞瘤DNA损伤及修复机制的研究进展

栏目:神外前沿|编辑:INC|发布时间:2022-01-05 17:27 |胶质母细胞瘤

  胶质母细胞瘤(glioblasoma、胶质母细胞瘤、WHO四级)是恶性程度最高的胶质瘤,具有增殖广泛、侵袭性高、易复发的特点。在临床治疗中,通过手术往往很难完全切除,放疗在手术治疗后起辅助作用。术后放疗可以控制胶质母细胞瘤细胞的生长,降低胶质母细胞瘤复发率,延长患者的生存期。但在放疗过程中,由于胶质母细胞瘤细胞对放疗的耐受性,放疗效果往往减弱,容易出现放疗抵抗和肿瘤复发,增加放疗剂量会损害周围正常的脑组织,因此提高放疗敏感性被认为是提高放疗效果的积极途径。因此,系统阐明了胶质母细胞瘤放疗的抵抗机制,对提高胶质母细胞瘤放疗的敏感性、控制胶质母细胞瘤生长、抑制胶质母细胞瘤复发起着重要作用。

  胶质母细胞瘤比其他类型的胶质瘤具有更强的DNA损伤修复能力。胶质母细胞瘤可以通过高度活跃的DNA损伤修复系统修复受损细胞,导致胶质母细胞瘤具有很强的放疗抵抗力。因此,阐述影响DNA损伤修复能力的关键分子和信号通路是了解胶质母细胞瘤放疗抵抗机制的重点之一。放疗可以对细胞中的DNA造成各种形式的损伤,从而达到杀死肿瘤细胞的目的。DNA损伤发生后,一些胶质母细胞瘤细胞会启动DNA修复系统,成功存活,导致胶质母细胞瘤复发。

  肿瘤细胞主要有四种DNA修复方法:双链断裂(doublestrandbreaks、DSBs)、碱基切除修复(base-excisionrepair、ber)、核苷酸切除修复(nucleotidexcisionrepair、NER)和错配修复(mismatchrepair、MMR)。其中,BER和DSBs修复研究在放疗引起的DNA损伤修复中最为重要。放疗可导致活性氧自由基(reactiveoxygenspecies、ROS)的形成,BER与ROS的形成有着重要的联系,ROS的形成伴随着DSB修复,DSB是胶质母细胞瘤细胞中最致命的DNA损伤形式之一。

  本文从BER和DSB修复两个方面总结了放疗引起的胶质母细胞瘤细胞DNA损伤和修复机制的研究进展,探讨了这两种DNA损伤修复方法在放射引起的胶质母细胞瘤细胞中的分子作用机制。

  1.碱基切除修复(BER)抵抗胶质母细胞瘤放疗。

  BER是DNA糖基化酶去除不正确或未修复的DNA碱基后的修复过程。放疗引起的细胞毒性机制是诱导ROS的产生,导致DNA和RNA损伤,降低基因组稳定性。BER通道的下一个激活酶是无嘌呤无嘧啶核酸内切酶/氧化还原因子(Ape1/Ref-1、APEX1),Ape1/Ref-1通过增强DNA修复和去除活性氧。

  当细胞暴露在放射性条件下时,放疗可以增加细胞内的ROS。AP内切酶活性增加导致DNA损伤,而放疗不敏感细胞内Ape1/Ref-1表达增加,使细胞内ROS保持在较低水平,活跃碱基切除修复通道,抵抗放疗引起的DNA损伤,及时修复DNA损伤。

  BER引起的胶质母细胞瘤放疗抵抗机制与ROS、抗氧化剂CoQ、抗坏血酸等分子的作用有关。胶质母细胞瘤放疗抵抗与线粒体病理生理异常和大量ROS被清除有关。胶质母细胞瘤细胞具有很强的糖酵解能力Warburg效应。Warburg效应可以导致细胞含氧量高,产生有毒的H2O2,同时可以导致大量ROS产生并转移到细胞质中,从而协调各种机制导致放疗抵抗。胶质母细胞瘤细胞通过提高自身的抗氧化防御能力,即过氧化氢酶和线粒体超氧化物歧化酶(SOD2)水平,抵抗放疗引起的细胞DNA损伤,成为胶质母细胞瘤细胞的重要生存机制。

  此外,谷胱甘肽是细胞中最丰富的非酶抗氧化分子,能使细胞免受氧气和H2O2氧化,对细胞存活和细胞内氧化还原平衡起到特定作用。增加还原谷胱甘肽(GSH)水平可以保护细胞中的ROS,从而参与放疗抵抗。因此,在胶质母细胞瘤中,谷胱甘肽水平与放疗的敏感性呈负相关。此外,乳酸盐是一种抗氧化剂,氧糖酵解产生的高乳酸水平也与放疗抵抗有关,乳酸水平与放疗抵抗呈正相关。

  研究发现,在长期和短期的克隆实验中,CoQ都能使细胞对放疗引起的DNA损伤和凋亡敏感。CoQ是一种抗氧化剂,能降低细胞的总抗氧化能力,从而使细胞的抗氧化机制失去活性。CoQ通过不影响正常星形胶质细胞的情况下,同时调节细胞中乳酸和HIF-1α的过氧化氢酶活性以及SOD2和谷胱甘肽的水平,从而打破氧化平衡,趋于氧化,从而导致胶质母细胞瘤细胞凋亡。CoQ能降低过氧化氢酶和SOD2的活性,这与细胞内乳酸水平的降低和放射增敏有关,因此CoQ可以作为有效的分子联合放疗和替莫唑胺(temozolomide、TMZ),改善患者的预后。因此,放疗抵抗不是由单一因素引起的,而是由多种酶和小分子调节的,这些酶和小分子的活性与ROS的水平有关。因此,CoQ可以通过调节相关的酶和小分子,改善胶质母细胞瘤患者的预后。

  此外,研究发现,在小鼠胶质瘤模型的放疗过程中,大剂量抗坏血酸可以增强胶质母细胞瘤细胞的放疗敏感性。抗坏血酸可产生细胞外H2O2,H2O2扩散到细胞中,导致DNA损伤。然而,胶质瘤细胞可以快速摄入细胞外抗坏血酸,防止细胞外抗坏血酸转化为H2O2,降低DNA损伤的可能性。此外,细胞内的抗坏血酸具有抗氧化活性,也可以保护细胞免受放疗引起的氧化损伤。肿瘤微环境决定了抗坏血酸作为细胞外的促氧化剂和细胞内的抗氧化剂。

  在胶质母细胞瘤中,脑微环境促进抗坏血酸的积累。大剂量抗坏血酸可促进细胞外H2O2的产生和H2O2的扩散进入细胞,使氧化水平超过细胞内抗氧化防御能力,并与胶质母细胞瘤放疗合作,抑制碱基切除修复,造成DNA损伤。同时,抗坏血酸还可以去除ROS,使细胞通过羟基化HIF-1α诱导缺氧反应,促进胶原合成和神经元去除。

  2.DNA双链断裂(DSBS)修复抗胶质母细胞瘤放疗。

  MRN复合体(Mre11-Rad50-Nbs1)作为DSB最初也是最重要的传感器,由Mre11.Rad50和Nbs1组成。MRN复合物可以结合并稳定断裂的DNA末端。DNA损伤并伴随DSBS后,ATM(ataxiatelangic-mutatedgene)只能在MRN复合物存在时激活。ATM和MRN复合物之间的相互关系是改变细胞对放疗敏感性的潜在原因。ATM-MRN复合物中各种复合物的失活增强了细胞对放疗的敏感性。

  2.1信号通路对DSB修复的影响。

  EGFR级联反应。PI3K级联反应。泛素化信号通路。CGMP信号通路的四个通路及其部分关键靶向蛋白与DSB修复密切相关。放疗引起的信号通路的变化可以对DSB修复和胶质母细胞瘤放疗抵抗产生许多影响。对EGFR信号通路的研究发现,在转染EGFR的胶质母细胞瘤细胞株中,EGFR不仅能促进肿瘤的生长,还能促进放射诱导的DSB修复,从而增强肿瘤的放疗抵抗力。因此,抑制EGFR可以减弱DSB修复,,无论EGFR是否靶向,胶质母细胞瘤细胞内源性EGFR都不影响放射敏感性。

  在胶质母细胞瘤细胞的级联反应中,PI3K生存级联是一种级联反应,可以不断改变信号通路。不断变化的信号通路包括表皮生长因子受体(EGFR)的放大(45%)、PI3K催化亚基α功能的获取(15%)、磷酸酶和tensin同一族体的损失(PTEN)(36%)。此外,大约88%。

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