《Cell Death Discovery》杂志 2024年12月18日在线发表Stanford University School of Medicine的Paul M Harary , Sanjeeth Rajaram, Maggie S Chen, 等撰写的《放射反应的基因组预测因子：脑转移瘤个体化放疗的最新进展。Genomic predictors of radiation response: recent progress towards personalized radiotherapy for brain metastases》（doi: 10.1038/s41420-024-02270-2.）。
事实
●越来越多地使用立体定向放射治疗等精确方式进行的放射治疗是脑转移瘤的关键治疗方法。
●虽然精确放疗改善了结果，但肿瘤和患者的放射反应仍然存在显著的可变性，而这不能仅由病变类型、组织学、大小或解剖特征来解释。
●分子改变似乎是辐射反应的主要因素，最近在确定辐射治疗结果的特定遗传预测因子方面取得了进展。
●预计基因组图谱在脑转移瘤放射治疗中的应用将越来越多，特别是在治疗计划、反应监测和靶向治疗选择方面。
有待解决的问题
●脑转移瘤的基因组分析能否用于优化放射治疗计划以减少严重的不良反应？
●基因组生物标志物如何用于治疗反应监测以支持自适应性放疗方法？
●靶向治疗可用于致敏放射耐药病变吗？
●临床前模型在确定辐射反应的其他基因组预测因子方面将发挥什么作用？
【摘要】
放疗仍然是原发性和转移性脑肿瘤的主要治疗方式。精准放疗的重大技术进步，如立体定向放射外科和调强放疗，有助于改善临床结果。然而，值得注意的是，分子遗传学尚未广泛应用于脑部放疗治疗。相比之下，特别是对于肺癌、乳腺癌和黑色素瘤的脑转移瘤（BM），基因检测现在在指导靶向治疗和免疫治疗方面发挥着重要作用。鉴于越来越多的证据表明肿瘤遗传学对放射反应的重要性，这可能是目前未充分利用的提高治疗结果的手段。此外，最近的研究表明，BM中存在潜在的可操作突变，而这些突变并不存在于原发肿瘤中。总的来说，这表明有必要进一步研究介导辐射反应变异性的途径。
在这里，我们概述了与脑转移瘤辐射耐药有关的关键机制，包括内在和获得性耐药以及肿瘤内异质性。然后我们讨论了肿瘤采样方法的进展，如无细胞DNA和RNA的收集，以及基因组分析的进展。我们进一步考虑如何应用这些工具为脑转移瘤提供个性化放疗，包括患者分层、放射毒性检测和使用放射增敏剂。此外，我们描述了脑转移瘤临床前模型的最新进展，并考虑了它们与研究辐射反应的相关性。
鉴于评估放射治疗和靶向治疗结合的临床试验的增加，以及脑转移瘤的发病率的上升，有必要开发基因组知情的方法来增强放射反应。
引言
针对实体瘤的靶向全身治疗的最新进展显著提高了转移性肿瘤患者的生存时间。然而，这一进展伴随着更高的脑转移瘤（BM）发生率，估计有10-40%的原发肿瘤发展有颅内累及。值得注意的是，脑转移瘤的发生频率是原发性脑瘤的10倍。鉴于血脑屏障（BBB）排除了许多全身治疗，局部控制方法如手术切除被用于初始治疗，通常与放疗联合使用。特别是，立体定向放射外科（SRS）等高精度放疗技术最近被证明是许多中枢神经系统（CNS）转移瘤的有效一线治疗方法。重要的是，这些方法比常规的全脑放疗（WBRT）具有更少的神经毒性作用，因此导致更少的认知退化。此外，越来越复杂的剂量分割和分期方案现在可以用SRS治疗大体积的脑转移瘤，正在进行的临床试验评估了多达20个病灶的治疗方法。
尽管取得了这些重大进展，但目前治疗脑转转移瘤的放疗方法仍存在一些有意义的局限性。估计10-20%的脑转移瘤在SRS治疗后发生局部进展。对于SRS治疗后疾病复发的患者，随着BM发病率的上升，这种情况越来越频繁，仍不清楚理想的治疗方法。未来的研究，包括分子分析，可能需要确定哪些患者可能是多个SRS疗程的最佳候选人。此外，局部放疗策略（如SRS）存在明显的远处失效风险，新的脑转移瘤可能是由于残留的肿瘤细胞簇未被初始放疗消除所致。一项对112例接受SRS治疗的患者的研究报告，1年内远处颅内失效率为54%，肿瘤组织学和脑转移瘤数目是的重要预测指标。此外，辐射的严重副作用虽然罕见，但仍然是一个有意义的风险。放射性坏死（RN）可能在治疗后数月至数年内发生，据报道影响3-24%的患者。值得注意的是，尽管剂量相似，但放射治疗不良事件的患者间差异很大。随着基因测序技术变得更容易获得和可扩展，新出现的证据表明，遗传变异可能是治疗反应中有意义程度的异质性的原因。然而，放疗治疗指南仍然以统一的人群水平辐射反应为基础。这表明有机会进行基因组知情的放射治疗计划，治疗建议反映广泛的疾病。
放疗对于控制“放射抵抗性”原发肿瘤（如黑色素瘤、肾细胞癌和肉瘤）引起的脑转移瘤尤其无效。肿瘤放射抵抗，即暴露于治疗性电离辐射后细胞死亡有限，被认为是由几种不同的机制造成的，包括癌症干细胞（CSCs）的增殖导致治疗后肿瘤再生长。虽然SRS治疗已被证明在治疗放射抵抗性组织学方面优于WBRT，但先前照射的BM的持续性仍然是导致发病率和死亡率的重要因素。目前克服脑转移瘤放射抵抗性的策略主要涉及调整放射治疗的物理参数，例如剂量分割，而不是使用生物靶向方法。然而，基因组知情的药理学治疗最近显示出对放射抵抗性BM 的希望。
此外，目前通过磁共振成像（MRI）的体积和直径测量来评估放射治疗的效果。这些变化的出现相对较慢，往往滞后于生物反应数月。这种低检测速度意味着辐射反应的确定和任何必要的治疗调整，同样被延迟。替代的预测性生物标志物已经成为越来越多研究的主题。值得注意的是，BM组织采样带来了与大脑相对难以接近相关的独特挑战。例如，当不需要手术切除时，就不能使用传统的基于组织的方法收集遗传物质。液体活检领域的最新进展为较少侵入性地获取遗传物质开辟了新的途径。
在这篇综述中，我们讨论了与放射抵抗性有关的关键分子途径，肿瘤基因组采样方法的进展，以及在个性化放疗中的应用。我们特别探讨了基因组检测在三种初始主要放射治疗脑转移瘤中的应用：患者分层、早期放射治疗反应监测和选择与放疗联合使用的全身治疗。最近的报道强调了使用血液生物标志物来确定脑转移的程度并预测生存结果。合理选择免疫疗法以增强脑转移瘤治疗反应的重要性也同样被回顾到。相比之下，我们的目标是描述基因组图谱的最新进展，以指导放射治疗BM，重点是从实验室到临床的实施。为此，我们还考虑了脑转移瘤临床前模型的进展，包括脑类器官的模型和异种移植模型（brain organoid and xenograft models.）。
脑转移瘤放射抵抗性的关键机制
电离辐射通过在暴露的细胞中产生DNA损伤而诱发细胞毒性。足够的损伤可以克服靶细胞的恢复能力，通过间期凋亡或更常见的有丝分裂突变[24]导致细胞死亡。这种DNA损伤通过两种途径发生：直接的DNA链断裂，以及通过自由基的产生间接的DNA修饰。癌细胞耐受并从DNA损伤中恢复的内在能力可能源于几个途径，包括抗凋亡机制、细胞周期阻滞、DNA损伤修复（DDR）和核苷酸代谢、自由基的氧化/亲电应激反应、自噬。此外，肿瘤微环境的特征，如缺氧和免疫耐受，可能分别对自由基的产生和免疫清除有保护作用。
Monteiro等人进一步研究了肿瘤微环境对BM放射抵抗的贡献。通过体内实验模型，他们发现星形胶质细胞衍生的细胞因子可能诱导癌细胞分泌S100A9，从而激活RAGE通路，并以NF-kB/ junb依赖的方式导致辐射耐药。此外，研究发现，液体活检确定的S100A9水平是脑转移性NSCLC、乳腺癌和黑色素瘤患者放疗反应的重要预测指标。值得注意的是，S100A9的药理学抑制剂可渗透至血脑屏障。虽然进一步的研究可能会揭示S100A9分泌异质性的遗传基础，但该报告提供了液体活检在个体化放疗中的潜力的有力例子。
原发癌症的内在因素也被认为是导致放射抵抗的因素。Binkley等人分析了232例遗传谱NSCLC患者的突变，发现大约一半的局部放疗后复发发生在KEAP1/NFE2L2突变的肿瘤中，这表明这些突变是临床放射抵抗的主要驱动因素。NFE2L2，也被称为NRF2，是一种参与细胞氧化应激反应的转录因子。KEAP1是NFE2L2的泛素适配器，通常靶向蛋白质进行组成性降解。电离辐射引起氧化应激，氧化KEAP1，引起构象变化，释放出NFE2L2。值得注意的是，所有报道的NFE2L2突变都是功能获得，而40%的KEAP1突变是功能丧失，这表明组成性抗氧化途径刺激对电离辐射具有保护作用。关键的是，该研究还表明，谷氨酰胺酶抑制可能通过耗尽谷胱甘肽（一种关键的内源性抗氧化剂）优先使keap1突变细胞放射增敏。KEAP1/NFE2L2突变在预测放射敏感性方面的应用证明了基因组谱对原发性和转移性肺癌的重要性。此外，KEAP1突变与多种癌症类型的放射抵抗有关，包括前列腺癌、头颈部鳞状细胞癌和脑膜瘤。
目前针对所有适应证的个性化放射基因组学方法包括10个基因的放射敏感性标记，包括AR、JUN、STAT1、PKCB、RELA、ABL1、SUMO1、PAK2、HDAC1和IRF1的表达评分。这些基因具有不同的功能，反映了与辐射抵抗有关的生物学机制的广度，从NF-kB信号传导到蛋白质修饰、表观遗传DNA改变和干扰素反应等。
肿瘤取样方法和基因组分析的进展
BM基因组图谱的进展得到了两个关键领域的进展的支持。首先，越来越经济和复杂的方法已经开发用于肿瘤遗传物质取样，包括基于组织和液体活检方法。特别是液体活检，由于其微创性，相对速度，以及从原发肿瘤和BM中捕获复合信息的潜力，具有很大的前景。其次，用于解释基因组结果可操作性的分析工具和框架正在迅速发展。在这里，我们讨论这两个领域的进展，重点是BM的液体活检和变异的合理解释。
脑转移瘤取样
从历史上看，BM的预后模型，如递归划分分析（RPA）和分级预后评估（GPA），都将肿瘤组织学作为一个因素，通常基于原发肿瘤的活检。同样，组织学分级已被用于BM的全身药物治疗，并结合其他患者特征，如神经系统状态、影像学表现和合并症。然而，BM诊断后较低的生存时间限制了这些模型的应用。虽然手术切除仍然是实体BM的常用治疗方法，从而为组织学诊断和分子谱分析提供肿瘤样本，但它通常不被用作选择靶向治疗的基础。此外，除了诊断不确定的情况，例如自身免疫性疾病或免疫抑制，特别是当不存在其他转移性疾病时，脑转移瘤的立体定向活检并不是目前实践的一部分。此外，柔脑膜病（LMD）的实体组织活检不是一种选项。脑脊液（CSF）细胞学是LMD诊断的金标准，单次取样的敏感性相对较低，为44-67%。因此，非常需要替代的采样方法来支持脑转移瘤的基因组谱分析，特别是在没有进行手术切除时为放射治疗提供信息。
液体活检是一种通过分析血液、脑脊液和尿液中的循环肿瘤细胞（CTC）和肿瘤衍生因子来进行癌症诊断和监测的微创方法。循环肿瘤DNA （ctDNA）的基因组谱分析也可能揭示可操作的变异，为疾病管理提供信息。值得注意的是，液体活检有可能克服传统组织活检的几个关键限制，这些限制与中枢神经系统放疗特别相关。首先，实体活检不太可能捕捉到肿瘤的异质性，无论是在单个BM内还是跨多个病变。这尤其与放射耐药克隆扩大可能导致的治疗失败有关，放射抵抗性克隆可能会在放射肿瘤中再生。其次，连续采样可以实现早期辐射响应监测。在早期复发或进展的情况下，可以相应地调整治疗计划。第三，在不需要手术的情况下，液体活检可用于无创地描绘BM，而组织活检不容易获得。虽然组织活检仍然是标准的治疗方法，但考虑到脑活检相关的风险增加以及更频繁地单独使用放疗来治疗中枢神经系统恶性肿瘤，上述优势尤为突出。
目前的液体活检方法可能无法提供与组织活检相同的灵敏度或基因组信息的广度，特别是在脑癌中。虽然最近的几份报告显示，血浆和组织活检中推荐的生物标志物高度一致，但在ctDNA肿瘤比例较大的血浆样本中，这种一致性似乎最高。然而，脑脊液中cfDNA的比例已被证明高于血浆，这是由于非肿瘤DNA的总含量较低。CSF衍生的cfDNA最近已应用于临床实践，用于分析脑转移瘤，包括用于指导治疗决策。然而，脑脊液活检可能无法捕获相关改变的全谱，特别是对于丰度较低的分子标记。此外，对于脑转移瘤体积小且总体积低的病例，腰椎穿刺获取脑脊液可能不适用，因此基因谱不太可能改变治疗方法。例如，SRS已被证明对小于0.5 cm3的基底膜瘤可达到85%的1年局部控制率，因此，传统上推荐用于最大直径达3cm的病变。尽管存在这些局限性，由于其微创和可重复性，液体活检对于个性化放疗仍然具有吸引力。对于中等到较大的病变尤其如此，对于这些病变，放疗反应仍然是可变的。
此外，脑脊液取样可以为通常不适合组织活检的疾病提供替代方法，例如柔脑膜脑病（LMD）。
放射影像组学，其中医学图像的特征被用来推断肿瘤特征和预测结果，也显示了早期识别BM突变状态的潜力。例如，放射影像组学方法已被用于确定NSCLC BM中的EGFR突变状态，以及黑色素瘤BM中的BRAF突变状态。虽然这一领域仍处于新兴阶段，但进展迅速，特别是考虑到人工智能的使用越来越多。因此，放射影像组学可能是个体化放疗的另一种方法，可以补充液体活检。
鉴别放射反应的临床相关生物标志物
一些基因突变已被证明会影响辐射后的细胞存活。这些包括当多聚（ADP-核糖）聚合酶抑制作为辅助时，ATM和BRCA的种系突变。同样，已经确定了与BM放射抵抗性相关的突变。MET、TopBP1和Claspin的过表达已被证明在患者来源的样本和异种移植物产生的放射抵抗性细胞中诱导放射耐药。这些突变与确定某些患者的治疗过程高度相关，以限制致敏毒性的严重影响。
DNA损伤修复基因的功能丧失被认为是肿瘤放射敏感性增加的预测因素。ATM的体细胞突变编码一种蛋白激酶，该蛋白激酶是双链断裂的DNA损伤反应的关键激活因子，与对放射治疗的有利反应有关。与此相关的是，p53的突变已被证明与辐射反应有关。特别是在中枢神经系统恶性肿瘤中，p53的缺失已被证明可促进弥漫性内生性脑桥胶质瘤（DIPG）、髓母细胞瘤和神经母细胞瘤的儿童细胞系的放射抵抗性。这些发现与DIPG和头颈癌患者的回顾性分析一致。同样，据报道，在ATM/Chk2/p53通路中编码ATM下游激酶的Chk2突变有助于胶质瘤的放射抵抗性。此外，研究表明，抑制Chek1/2可逆转cd133阳性胶质瘤干细胞的放射抵抗性。值得注意的是，最近有报道称肺腺癌的DNA甲基化特征可以预测脑转移瘤的发展，这表明需要更频繁的监测成像和可能更强的原发肿瘤照射。
遗传定位BM的一个困难是来自不同地点的患者样本的异质性。对BM与原发肿瘤和正常组织匹配的全外显子组测序显示，超过一半的BM保持了原发肿瘤的临床相关遗传改变。驱动突变被发现大多是克隆的，导致形成与原发位点基因组成显著不同的位点特异性转移瘤。这种转移进化的一个假设是，脑转移瘤的异质性促进了免疫压力下的免疫重塑。此外，这种机制可能有助于细胞群的形成，如癌症干细胞，它们具有表观遗传可塑性，能够转换为迁移的间充质样状态。这些细胞的迁移能力，以及它们对不同神经龛的倾向，可能导致BM患者的基因组异质性。此外，在几种类型的癌症中，脑转移瘤似乎比相应的原发肿瘤具有更高的突变负荷。最近有报道称，在53%的BM患者中，存在相应原发病例中不存在的临床可操作突变。相比之下，个体患者中空间分离的BM通常具有统一的遗传谱。这就强调了在可行的情况下，与单纯依赖原发肿瘤的分析相比，对脑转移瘤进行直接分子表征的重要性。
脑转移瘤的个性化放疗
基因组谱分析有可能在几个不同的管理水平上改变脑转移瘤的放射治疗。虽然肿瘤和生殖系基因组分析已被广泛研究用于其他癌症治疗方式，但其在放射治疗中的临床应用尚未得到广泛探索。然而，脑肿瘤放疗作为许多脑恶性肿瘤的主要治疗方式，非常适合从固体和液体活检中获益。此外，手术切除通常与放疗联合进行，从而为BM突变谱提供实体组织。虽然切除脑脊膜瘤的分子表征仍处于早期阶段，但它已经提供了实质性的见解。如上所述，非侵袭性取样方法，如液体活检，作为固体活检的补充或替代方法也在迅速发展。我们认为，基因组谱分析可以通过患者分层、治疗反应监测和确定可药物靶点来调节放射反应，从而支持BM的个性化放疗（图1A-C）。
图1：放射治疗脑转移瘤的基因组信息。
脑转移瘤患者的基因组谱分析可能使患者分层到基于影响放射反应的基因组改变的最佳放疗计划。基因组改变还可以用作预后生物标志物，以及用于确定治疗反应，液体活检作为放射影像学评估的替代方法具有很大的潜力。途径导向治疗也可以与放疗联合给予，以增强患者的反应。例如，介导对活性氧（ROS）防御的KEAP1/NRF2通路的突变已被证明可预测放射治疗后局部复发，并可能成为恢复放射敏感性的目标。CSF,脑脊液，RO,S活性氧，Nrf2,核因子红系2相关因子2，Keap1 ,Kelch样ECH相关蛋白，sMaf，小Maf蛋白；ARE,抗氧化反应元素。
基因信息患者分层
鉴于脑转移瘤治疗反应的巨大可变性，仍然需要临床相关的生物标志物来前瞻性地对患者进行分层，以获得最佳治疗策略。目前，精确放疗主要基于肿瘤形态、大小和数量，很少依赖于分子谱。这与其他肿瘤学领域使用生物标志物状态进行免疫治疗和靶向治疗形成对比。
某些基因改变已被证明对放射敏感性具有高度预测性。种系改变表明RN风险增加的患者可能不适合SRS治疗。个体不同组织间辐射反应的一致性进一步支持了这一点。这种方法已经通过基于单核苷酸多态性的模型被纳入放射性毒性预测。此外，已知放射抵抗基因阳性的BM可能有较高的局部复发风险，提示需要更频繁的随访和可能的再治疗。虽然预防性WBRT仍然是一个持续争论的领域，但肿瘤辐射反应的分子表征可能会使更精确的风险-收益分析成为可能。
鉴定相应原发基因中不存在的BM特异性遗传改变的潜力是基于液体活检的基因组谱分析的一个显著优势。最近对非小细胞肺癌（NSCLC） BM进行了大规模平行基因组分析，使用原发肿瘤组织、BM组织、血浆和脑脊液样本。Tsakonas等人通过将液体活检结果与BM和NSCLC原发病变的实体活检结果进行比较，能够识别出仅存在于中枢神经系统隔室的特异性变异。类似地，Wu等人检测了血浆和脑脊液ctDNA检测NSCLC BM突变的效率。血浆和脑脊液样本分别含有83.33%和27.78%的实体组织活检中发现的BM突变，这表明脑脊液可能是液体活检的首选方法。此外，尿液生物标志物已被证明可预测脑肿瘤疾病负担，无论是原发性胶质肿瘤还是其他原发性中枢神经系统恶性肿瘤，包括脑膜瘤、室管膜瘤、成神经管细胞瘤和血管母细胞瘤。然而，总的来说，CSF可能具有区分原发肿瘤和相应BM突变的最高潜力。
在过去的十年中，个性化放疗计划在转译方面取得了重大进展。例如，基因组调整辐射剂量（GARD）评分被设计为基于组织样本中10个基因的表达来生成患者特异性的辐射剂量和分离时间表。更具体地说，GARD模型旨在将遗传放射敏感性指数与放射治疗的线性二次模型相结合。这一单一值旨在为辐射剂量调整和预后提供信息，GARD评分越高表明治疗效果越好。GARD模型随后在不同癌症类型的其他研究中得到验证，包括三阴性乳腺癌。
重要的是，GARD的临床相关性正在通过临床试验得到越来越多的探索。例如，Chiang等最近报道了他们使用GARD评分进行鼻咽癌个体化治疗的3期试验方案。此外，一项正在进行的2期试验正在研究这种方法在高级别软组织肉瘤中的应用。值得注意的是，软组织肉瘤被认为是一种放射抵抗性的癌症，据报道，接受常规新辅助放疗的患者中只有8%出现完全缓解。
鉴于在识别辐射反应基因方面的持续进展，扩大这些模型的靶板可能会增加它们的临床效用。虽然肿瘤微环境的其他方面可能会影响放射反应，如缺氧和神经解剖位置，但分子谱分析可能为支持个体化放疗计划提供重要的见解。然而，考虑到对回顾性研究的依赖，需要进一步的临床验证，特别是对于单个基因预测因子。
放射毒性和疾病进展的早期发现和管理
尽管辐射技术和剂量计划取得了重大进展，但毒性仍然是常见现象。值得注意的是，RN是SRS治疗的晚期效应，因此在放射有效学改变出现时已经进行了治疗。此外，在影像学上，RN通常与假性进展和进展难以区分。最近的一项系统综述报道了18-氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描和钆磁共振成像的特异性分别为72%和82%的汇总估计，强调了常见诊断方法对RN的局限性。基因组生物标志物可能比放射影像学方法提供更快速和更具体的毒性指示。贝伐单抗常用于通过降低非血管通透性和相关脑水肿来缓解RN症状。然而，早期诊断RN仍然是改善长期预后的关键。此外，考虑到贝伐单抗的显著副作用，需要特异性的RN生物标志物来避免不必要的贝伐单抗治疗。
治疗后的疾病进展同样可以通过BM基因组分析来监测。例如，脑脊液中ctDNA含量的增加可用于识别癌症进展。由于液体活检是可重复的，副作用最小，与放射检测相反，放射检测存在累积风险，它可能对由于遗传癌症易感性而需要长期监测的患者特别有益。特别是，有人提出，如果LMD对其他治疗无反应，脑脊液活检可用于自适应放疗[95]。例如，如果从脑脊液中获得的ctDNA浓度没有下降，则可以提前进行放疗剂量递增。此外，最近，血浆和脑脊液活检被用于比较接受质子颅脊髓照射（CSI）的患者LMD与全身性疾病的演变。据报道，CSI导致局限于脑脊液的变异等位基因频率的改变，表明放射治疗可能导致其他组织中不存在的LMD体细胞突变。此外，这表明液体活检可能为检测疾病对CSI的反应提供更高的敏感性。
放射增敏剂-分子靶向
放射敏感性的生物标志物可能是通过联合治疗增强放射反应的可药物靶点。放射增敏剂的目的是通过优先增加肿瘤细胞的放射作用，同时不影响邻近的正常组织，从而提高放疗的治疗指标。尽管许多化合物已在临床前阶段显示出前景，但显示对患者有益的放射增敏剂数量非常有限。然而，在过去的十年中，对肿瘤放射敏感性的重要机制的了解已经获得，这表明放射增敏剂的前景可能正在改变。特别是，靶向治疗似乎有很大的希望。例如，在体外模型中，使用CB-839抑制谷氨酰胺酶可增加KEAP1/NRF2突变体NSCLC的放射敏感性。此外，与等基因野生型对照系相比，即使低剂量的抑制剂CB-839也能恢复KEAP1/NRF2突变细胞的辐射应答。因此，有人认为谷胱甘肽耗竭可能增强辐射诱导的DNA损伤。一项独立研究也证实了这一点，该研究报道，通过注射keap1突变癌细胞系建立的非小细胞肺癌啮齿动物异种移植模型中，CB-839增强了辐射反应。这种放射增敏策略可能对医学上不能手术的放射耐药肿瘤患者特别有价值，因为目前的治疗选择非常有限。
一些早期临床试验报告了靶向放射增敏剂治疗中枢神经系统恶性肿瘤的令人鼓舞的结果。一项1期试验（NCT03423628）显示，同时给予选择性ATM抑制剂AZD1390和标准护理放疗对胶质母细胞瘤有初步疗效。值得注意的是，该试验纳入了115名复发性胶质母细胞瘤患者中的75名，初步数据表明，相对于目前的标准治疗，总生存率有所提高。此外，一项2期试验（NCT02655601）研究了在160例高级别胶质瘤患者中使用NF-kB和HIF-1α抑制剂BMX-001联合放疗和替莫唑胺。研究发现，该方法可提高总生存期，接受BMX-001治疗的患者中位生存期为31.3个月，而单独接受放疗和替莫唑胺治疗的患者中位生存期为24.7个月。另外，在一项多中心1/2期试验（NCT02215512）中，一种类似的药物已被评估用于治疗BM。RRx-001是一种在乏氧条件下促进一氧化氮生成的小分子，在全脑放疗的同时给予29例BM患者，其中黑色素瘤和NSCLC是最常见的原发肿瘤类型。该药物耐受性良好，治疗效果良好。此外，两名黑素瘤放射抵抗性脑转移瘤患者对RRx-001治疗和全脑放疗表现出部分反应，这在该研究作者的另一份报告中得到了强调[105]。此外，一项基于钆的纳米颗粒AGuIX的一期试验（NCT02820454）评估了其与全脑放疗联合治疗多发性脑转移患者的效果。作者报告了良好的安全性以及药物在黑色素瘤、肺癌、乳腺癌和结肠癌基底细胞中的渗透，并计划进行进一步的试验来评估疗效。此外，AGuIX目前正在一项治疗胶质母细胞瘤的1/2期临床试验（NCT04881032）中与替莫唑胺联合放疗进行研究，目的是克服放射抵抗性。
基因组知情治疗也可用于增强放射诱导的抗肿瘤免疫应答。Abscopal效应描述了局部治疗后远端未照射肿瘤的消退。虽然体外反应（ARs）被认为是免疫介导的，但在患者中仍然是一种罕见的现象。AR可能对脑转移瘤患者有特别的益处，并且仍然是脑和脊柱恶性肿瘤的持续研究领域[110]。已经开展了一项重要的研究，以阐明AR的具体机制，并应用联合治疗来改善放疗结果，特别是通过免疫检查点抑制剂（表1）。例如，具有里程碑意义的III期PACIFIC试验表明，当在常规放化疗中添加巩固性抗PD -1治疗时，III期不可切除的非小细胞肺癌患者的总生存率和无进展生存率得到改善。导致该方法被采纳为该患者群体的标准护理方法。然而，尽管有这种早期的希望，尝试扩大免疫检查点封锁和放射治疗在巩固环境之外的联合使用的结果好坏参半。
值得注意的是，对于III期不可切除的非小细胞肺癌，同时进行抗PD -1治疗和放化疗未能显示出前期治疗（与巩固治疗相反）的益处。此外，最近一项针对转移性头颈癌的联合抗PD -1治疗联合或不联合SRS的试验发现，该方法既没有改善治疗结果，也没有产生AR。总的来说，这表明需要增加肿瘤的分子谱，以合理选择靶向治疗和免疫治疗药物，以改善局部控制BM，特别是在放射抵抗性癌症，如黑色素瘤中（表2）。使用生物标志物驱动的策略也可以支持基于给定肿瘤及其微环境特征的其他有前途的治疗方法的研究。例如，参与体外效应的关键髓系检查点CD47已被证明在多种原发肿瘤的放射耐药肿瘤中过表达，包括乳腺癌和胶质母细胞瘤模型。CD47阻断已被用于增强乳腺癌和SCLC的临床前模型的放疗反应。因此，基因组分析可以通过识别最可能受益的BM患者来指导cd47定向治疗与放射治疗联合使用。CD47阻断剂在乳腺癌BM放疗中的应用已经在探索中。
表1免疫检查点抑制联合放疗的临床试验选择。
表2靶向治疗联合立体定向放射手术治疗黑色素瘤脑转移。
虽然脑转移瘤的个性化放疗研究正在迅速发展，但仍需要进行重要的研究来验证和翻译临床相关的生物标志物。因此，临床前脑转移瘤模型的进展代表了将基因组信息放射治疗转移到临床的核心因素。重要的是，动物模型对人体试验的低转译率历来是开发有效疗法的主要障碍。
脑转移瘤放射反应的临床前模型
动物模型已经在放射治疗的临床前研究中发挥了重要作用，正如在许多其他肿瘤研究领域一样。例如，一个多世纪以前就发现了使用公羊进行剂量分割的优点。最近，啮齿动物模型为放射生物学机制提供了重要的见解，例如活性氧和肌成纤维细胞在辐射诱导纤维化中的作用。然而，随着癌症生物学领域揭示了肿瘤微环境在介导辐射反应中的重要性，而不仅仅是恶性细胞，啮齿动物模型的局限性已经变得更加突出。例如，尽管啮齿动物和人类的免疫系统具有显著的同源性，但也存在显著的差异。此外，肿瘤血管供应是通过输送氧气、营养物质和免疫介质来塑造肿瘤微环境的关键，但在工程啮齿动物癌症模型中可能无法完全重现。此外，这些模型中的肿瘤微环境通常在实验放射之前为未接受过治疗(treatment-naïve)，这与大多数放射治疗患者，特别是临床试验患者的情况不一致。这些限制在研究转移性疾病时尤其有意义，因为转移性疾病不是由脑组织引起的。在这里，我们考虑最近的进展，动物模型的BM和他们在研究辐射反应的基因组决定因素的应用。虽然体外骨髓移植系统无疑是有价值的，但我们的讨论仅限于体内模型，重点关注患者来源的异种移植和类器官模型的进展。我们认为，使用这种系统的异种移植，在体内环境中保留患者的遗传背景，可能非常适合个性化放疗的基础研究。
通过与其他治疗方式进行比较，考虑动物放射反应模型的具体设计需要是至关重要的。虽然目前没有临床前模型可以捕捉到BM的全部复杂性和异质性，但选择一个忠实于最相关疾病方面的系统可能会增加预测价值。例如，肿瘤的异质性和分子谱可能与放射反应更相关，而不是转移过程的完全复制。设计这种模型的关键方面包括肿瘤细胞来源，可能是癌细胞系，患者来源的原发或转移组织，或三维共培养系统（图2）。另外要考虑的是接种部位，是异位还是正位。实验放射治疗的方式和参数同样重要。最后，响应变量和样本收集方法必须适合所调查的问题。
图2：脑转移瘤放射反应的动物模型。
脑转移瘤的临床前模型可以使用癌细胞系、患者来源的组织或共培养模型作为肿瘤细胞的来源。这些可以通过异位或正位移植进行。植入后，放射治疗可进行模型全脑放疗（WBRT）或立体定向放射外科（SRS）。随后的读数可能包括转录组学、组织学和放射有效学数据，以确定放射反应的临床相关生物标志物。
基因工程小鼠模型
基因工程小鼠模型（GEMMs）通过转基因敲入或敲除靶基因诱导新生肿瘤，经常用于研究癌症的发生和进展。生殖系基因编辑使用CRISPR/Cas9或TALENs进行，将DNA构建体微量注射到受精卵原核中或将编辑过的ESCs引入囊胚。此外，Cre/loxP和四环素调节表达等诱导系统可用于建立对肿瘤形成的组织特异性和时间控制。例如，Dickins等人使用四环素反应元件来控制短发夹RNA对Trp53的体内表达，Trp53是TP53的小鼠类似物。该模型使作者能够研究TP53抑制在辐射反应中的作用。GEMMs的一个显著优势是，在这种模型中发生的原发肿瘤暴露于功能性免疫系统和生理肿瘤微环境中，随后的BM会自发发生。此外，GEMM不存在种间不相容的问题，这在异种移植模型中必须考虑。
然而，转基因方法在GEMMs中使用存在显著的局限性。最值得注意的是，GEMMs的转移扩散率很低，在发现颅内疾病之前，动物往往死于原发肿瘤或颅外转移。因此，用于脑转移瘤研究的此类模型相对较少，关键的原发肿瘤类型（如乳腺癌）仍然无法获得。尽管GEMMs有许多理论上的优势，但这阻碍了其更广泛的应用，同种异体移植和异种移植方法成为主要的体内BM模型。因此，GEMM目前可能是本文讨论的模型中最不适合个性化放疗的。
癌细胞系移植
通过心内、颈动脉内、皮下、尾静脉或脂肪垫注射注入啮齿动物或人类细胞系的癌细胞系衍生异体移植和异种移植模型仍然是基础肿瘤学研究的常用平台。这些方法比较迅速，而且广泛可用。特别是颈动脉内注射，由于肿瘤形成的高发生率，被认为是一种更可靠的脑转移瘤模型。为了提高这些系统中BM的产量，已经建立了几种具有增强脑向性的癌细胞变体。最近，Monteiro等人通过心内注射乳腺癌细胞系在小鼠模型中建立BM，研究了S100A9-RAGE-NF-kB-JunB通路。作者发现，基因或药物靶向这一途径足以逆转辐射耐药性，导致对低剂量辐射的反应增加。
考虑到脑膜微环境的复杂性和放疗在LMD治疗中的重要作用，异种细胞系移植也被用于模拟乳腺癌和肺癌的脑膜转移，这一点值得注意。然而，通过原位移植产生的脑转移绕过了转移级联的几个步骤。此外，在细胞系来源的异种移植模型中产生的肿瘤已被证明具有相对较低的突变负荷，这代表了无偏倚基因组图谱的重大限制。特别是细胞系来源的异种移植物缺乏遗传异质性，这被认为是这些模型对人类反应预测价值较低的一个重要原因。为了克服这些局限性，患者源性异种移植物（PDX）获得了发展势头。然而，癌细胞系移植模型仍然非常适合于某些研究，特别是当需要大量的骨髓基质时。
人源（Patient-derived）异种移植
PDX是通过将人肿瘤活检标本直接移植到免疫缺陷小动物体内而建立的。这使得遗传和组织学特征得以相对保存，这对于包括放射治疗在内的多种方式的个性化治疗的发展是一个显著的优势。由于这些优势，PDX的应用越来越广泛，包括在药物筛选中。在最近一项具有里程碑意义的研究中，建立了1000多个不同驱动突变的PDX模型，用于药物筛选[152]。在基底膜的情况下，PDX可以通过原发病变或相应的基底膜来建立。此外，肿瘤细胞可通过异位或原位移植进入啮齿动物宿主，前者通常通过皮下注射进行。例如，乳腺癌BM已经通过将患者原发肿瘤原位注射到乳腺脂肪垫中来建模。PDX对个体化放疗很重要，可以从治疗耐药的癌症中建立PDX，以更具体地研究耐药机制。PDX模型已被用于研究顺铂耐药、激素治疗和BRAF抑制等。此外，Baschnagel等人使用PDX研究MET在辐射响应中的作用。在MET外显子14跳跃突变的NSCLC BM模型中，作者证明了选择性MET抑制剂赛沃替尼（savolitinib）的应用增强了放疗的效果。我们认为可以使用类似的策略从耐辐射的BM中产生PDX。这可能作为生物标志物发现和可药物靶点验证的关键资源，用于基因组信息放射治疗脑转移瘤。
类器官共培养系统的移植
一种相对新颖的脑恶性肿瘤建模方法是人类脑类器官与癌细胞的共培养。脑类器官是一种三维培养模型，可以从多能干细胞或高增殖供体组织（如脑肿瘤）中提取，比平面培养更能再现人脑区域的结构、功能和细胞类型多样性。此外，定向分化协议允许建模特定的大脑区域。患者来源的胶质母细胞瘤类器官已被用于模拟胶质母细胞瘤，允许将完整的类器官进行生物银行和原位移植到小鼠体内。最近，脑类器官已被用于通过脑类器官与游离癌细胞的共培养来研究脑转移。这些建立在使用离体器官型切片和二维癌细胞共培养的类似工作的基础上。类器官共培养也与异种移植模型并行用于研究小细胞肺癌（SCLC） BM。采用人癌细胞颅内原位注射方法在免疫缺陷小鼠中建立SCLC基底细胞瘤。另外，人皮质类器官在培养中与SCLC细胞融合。这些互补的方法揭示了反应性星形胶质细胞被募集到肿瘤微环境以促进脑转移瘤生长的机制。此外，皮质类器官移植到小动物宿主中的重大进展使这些模型的体内血管化成为可能，并提供了与宿主大脑一定程度的功能整合。我们建议这些模型系统的延伸-脑类器官技术，癌细胞系共培养和类器官移植-可以用于在体内微环境中更严格地检查使用人类BM细胞和神经组织的辐射反应。考虑到脑肿瘤微环境在辐射反应中的重要作用（表3），这将是当前模型的一个关键进步。
表3与放射耐药相关的脑肿瘤微环境特征。
放射反应临床前模型的局限性
脑转移瘤的小动物模型对辐射反应的研究存在一些有意义的局限性。值得注意的是，人类和啮齿动物的神经组织存在内在差异。虽然大脑皮层的总体结构在这些物种中是保守的，但在细胞类型多样性和转录调控方面存在差异，包括同源细胞类型中的基因表达差异。因此，脑组织对辐射的反应可能在啮齿动物临床前模型和人类患者之间有所不同，特别是在分子水平上。这可能会干扰对放射治疗不良反应的研究，例如放射治疗。此外，目前的临床前模型不太可能完全概括肿瘤微环境，特别是肿瘤免疫相互作用。此外，在这些实验中通常使用免疫功能低下的动物，因此免疫系统的重要作用可能无法概括。考虑到免疫系统在介导抽离效应中的作用，这与辐射反应的研究尤其相关。虽然已经探索了人源化PDX小鼠，其中将免疫缺陷小鼠植入人CD45+细胞[171]，但这种方法不太可能完全捕获人的免疫反应。
重要的是，这些临床前模型是资源密集型的，需要大量的技术专长来建立和维护。肿瘤异种移植，特别是那些使用患者来源组织的肿瘤异种移植，可能会增加每次实验的高成本，并且需要大量的专业知识。这种情况在BM的情况下更为严重，BM的植入效率相对较低。虽然基于细胞培养的方法通常具有更高的通量，但它们也需要大量的基础设施，特别是多能干细胞衍生类器官的产生和维持。此外，小动物和体外系统的辐照可能需要专门的设备和培训。虽然已作出努力使辐射剂量和输送方法标准化，但这仍然是一个重要的考虑因素。最后，随着这些模型变得越来越复杂，对不同实验室的可重复性的担忧也会增加。
结论
放射反应的遗传决定因素似乎是目前BM放射治疗结果的患者间差异的重要因素。虽然全外显子组测序已经导致BM分子遗传学领域的增长，但这些努力尚未转化为临床。潜在的应用包括患者分层、高敏感性治疗反应监测和放射增敏的可药物靶点识别。这些努力可以通过非侵袭性样本收集方法，如血液和脑脊液活检，以及更复杂的基因组分析来支持。虽然目前的液体活检方法可能无法提供与传统BM组织活检相同的敏感性或基因组信息的广度，但在BM基因组生物标志物发现和靶标验证的临床前模型的周到使用的帮助下，正在取得重大进展。跨学科合作将是支持可重复结果的关键，跨越遗传学、神经外科、药理学以及放射肿瘤学领域。
