放射治疗是恶性肿瘤的主要治疗手段之一，超过50%的肿瘤患者需要接受放射治疗。临床上常用的分割治疗模式会引发局域残余肿瘤的获得性放疗抗性发展，使得肿瘤对放射损伤的防御增强，从而增加首程放疗后局域肿瘤复发及转移的风险。对于首程放疗后局域复发的肿瘤，再程放疗是一个重要的治疗选项[1]。然而，由于首程放疗后局域复发的肿瘤对放疗的抗性增加，需要较高的放射剂量才能达到理想的再程放疗效果。同时，再程放疗患者的瘤周正常组织对放射的耐受性降低。肿瘤的获得性放疗抗性与正常组织或器官的放射耐受性之间的矛盾严重限制了再程放疗的疗效。目前，再程放疗仍然是公认的临床难题。因此，研究首程放疗后局域复发肿瘤的获得性放疗抗性机制，并开发针对获得性放疗抗性机制的再程放疗增敏策略具有重要的科学意义和临床实用价值。
获得性放疗抗性的本质是肿瘤对电离辐射的致死效应的增强的防御能力。电离辐射可诱导多种细胞死亡类型，包括凋亡、坏死、坏死性凋亡、铁死亡、焦亡、自噬性细胞死亡、有丝分裂灾难等[2]。研究放疗与具体的肿瘤细胞死亡特点的潜在关联有助于增强对肿瘤细胞放疗抵抗机制的理解，并且有助于开发基于具体细胞死亡机制的放疗增敏策略。铜死亡（Cuproptosis）是2022年由PeterTsvetkov等人[3]首次报道的铜依赖性程序性细胞死亡形式。研究铜死亡机制与放疗敏感性之间的可能联系有望增强我们对肿瘤细胞放疗抵抗机制的理解并启发潜在的放疗增敏新思路。
针对上述问题，本课题组与北京协和医院放疗科晏俊芳和张福泉教授团队[4]合作，揭示了利用获得性抗性肿瘤的致命弱点进行再程放疗增敏的新方法（图1），该研究成果发表于Nature Nanotechnology。
图1 含铜增敏剂介导的再程放疗增敏图示。放疗后局域复发肿瘤的铜死亡敏感性上调，含铜增敏剂可在电离辐射触发下释放铜离子，诱导获得性放疗抗性肿瘤细胞发生铜死亡
在这项最新研究中，我们利用外照射放疗前后的临床宫颈癌病理样本评估了放疗前后肿瘤组织铜死亡关键调控蛋白铁氧还蛋白1（FDX1）和硫辛酸合成酶（LIAS）的表达情况，发现放疗后残余肿瘤中FDX1和LIAS表达与放疗前相比显著上调的特点（图2(a)）。在放疗后复发的小鼠肿瘤模型中进一步确认放疗后残余肿瘤组织FDX1和LIAS蛋白表达上调的现象，提示放疗后残余肿瘤组织可能具有增强的铜死亡敏感性。进一步评价经连续辐照法构建的获得性放疗抗性肿瘤细胞系的铜死亡敏感性，结果显示获得性放疗抗性肿瘤细胞系与其亲代细胞系相比对铜死亡更敏感。这可能成为获得性放疗抗性肿瘤的阿喀琉斯之踵，即再程放疗肿瘤的致命弱点。
图2 铜死亡相关病理特征及含铜增敏剂的设计及再程放疗增敏效果[4]。(a) 临床宫颈癌肿瘤样本放疗前后FDX1和LIAS免疫荧光染色结果；(b)含铜多金属氧酸盐的三明治结构及放射响应铜胶囊示意；(c) 铜纳米胶囊的再程放疗增敏效果。Copyright © 2024 Springer Nature
基于病理发现，我们开发出一种可大量合成的放射响应性含铜多金属氧酸盐。利用北京同步辐射XAFS实验站，发现该含铜多金属氧酸盐可以在电离辐射触发下释放出Cu+离子，具有放射响应的含铜纳米胶囊属性（图2(b)）。该含铜纳米胶囊联合放疗可以有效地诱导肿瘤细胞发生铜死亡，并且对获得性放疗抗性肿瘤细胞系具有高效的增敏效果。结果显示，瘤内注射该含铜纳米胶囊后联合放疗实现了对抗性肿瘤的强效抑制，在含铜纳米胶囊联合放疗处理的肿瘤中观察到了明显的铜死亡相关特征以及损伤相关分子模式，并且有效地抑制了未经放疗的远处转移瘤。
进一步，我们构建了放疗后复发的小鼠肿瘤模型用于再程放疗增敏疗效评价（图2(c)）。实验结果显示，瘤内注射该含铜纳米胶囊后联合放疗实现了对复发肿瘤的强效抑制，并且有效地抑制了自发性肺转移，在40%的小鼠中实现了完全缓解。值得注意的是，对于再程放疗的基础研究，大多关注于正常组织的再程放疗损伤，研究者已构建了多层次的涉及各种组织和器官的辐射损伤研究模型；而再程放疗增敏研究，由于缺乏放疗后复发的动物肿瘤模型，在此之前仍处于空白。因此，作者构建的放疗后复发的小鼠肿瘤模型可以为后续的再程放疗研究提供可参考的动物模型。
另外，该含铜纳米胶囊具有较高的生物相容性。实验结果显示，接受治疗的小鼠与正常对照组小鼠在体重及血液学指标评估上均无显著性差异。对小鼠的主要器官，进行H&E染色检测，均未发现明显的毒性反应。并且，作者利用北京同步辐射微米CT实验站发现，得益于该含铜纳米胶囊超小的尺寸，该含铜纳米胶囊可以在瘤内注射后较好地分布于肿瘤中。在治疗后，该含铜纳米胶囊可快速外排至体外，避免在体内长期滞留。
该研究发现了获得性放疗抗性肿瘤具有增强的铜死亡敏感性，可作为有效的治疗靶点；开发的含铜纳米胶囊显著提升了获得性放疗抗性肿瘤的放疗敏感性，并有效地激活了适应性抗肿瘤免疫反应。这为局域复发及伴随转移的肿瘤患者的再程放疗减毒增效提供了一个高效、安全的方案。目前，批量制备及精准靶向再程放疗肿瘤死亡弱点的特征赋予了含铜纳米胶囊极高的临床转化潜力。然而，是否能够进行临床转化还存在一些有待解决的问题。一方面，无机材料的体内分布、代谢及系统安全性有待进一步研究；此外，再程放疗增敏剂与临床先进放疗技术的联合效应仍有待研究，例如近距离治疗、立体定向放射疗法、三维适形放疗、调强适形放射治疗、图像引导放疗、质子重离子治疗和闪光放疗等先进放疗技术，使再程放疗增敏剂与临床放疗前沿技术更加适配。在未来，对于获得性放疗抗性肿瘤的病理特征需要进一步深入研究，获取更多肿瘤类型的、多种放疗阶段的（如疗前、疗中和疗后）及数量更多的临床病理样本，利用先进的病理分析技术获取更为丰富的肿瘤分子病理信息，为针对获得性放疗抗性肿瘤的创新治疗方法更新提供有益的参考。尽管如此，再程放疗增敏剂的设计开发及临床转化仍然值得期待。
获得性放疗抗性的本质是肿瘤对电离辐射的致死效应的增强的防御能力。电离辐射可诱导多种细胞死亡类型，包括凋亡、坏死、坏死性凋亡、铁死亡、焦亡、自噬性细胞死亡、有丝分裂灾难等[2]。研究放疗与具体的肿瘤细胞死亡特点的潜在关联有助于增强对肿瘤细胞放疗抵抗机制的理解，并且有助于开发基于具体细胞死亡机制的放疗增敏策略。铜死亡（Cuproptosis）是2022年由PeterTsvetkov等人[3]首次报道的铜依赖性程序性细胞死亡形式。研究铜死亡机制与放疗敏感性之间的可能联系有望增强我们对肿瘤细胞放疗抵抗机制的理解并启发潜在的放疗增敏新思路。
针对上述问题，本课题组与北京协和医院放疗科晏俊芳和张福泉教授团队[4]合作，揭示了利用获得性抗性肿瘤的致命弱点进行再程放疗增敏的新方法（图1），该研究成果发表于Nature Nanotechnology。
图1 含铜增敏剂介导的再程放疗增敏图示。放疗后局域复发肿瘤的铜死亡敏感性上调，含铜增敏剂可在电离辐射触发下释放铜离子，诱导获得性放疗抗性肿瘤细胞发生铜死亡
在这项最新研究中，我们利用外照射放疗前后的临床宫颈癌病理样本评估了放疗前后肿瘤组织铜死亡关键调控蛋白铁氧还蛋白1（FDX1）和硫辛酸合成酶（LIAS）的表达情况，发现放疗后残余肿瘤中FDX1和LIAS表达与放疗前相比显著上调的特点（图2(a)）。在放疗后复发的小鼠肿瘤模型中进一步确认放疗后残余肿瘤组织FDX1和LIAS蛋白表达上调的现象，提示放疗后残余肿瘤组织可能具有增强的铜死亡敏感性。进一步评价经连续辐照法构建的获得性放疗抗性肿瘤细胞系的铜死亡敏感性，结果显示获得性放疗抗性肿瘤细胞系与其亲代细胞系相比对铜死亡更敏感。这可能成为获得性放疗抗性肿瘤的阿喀琉斯之踵，即再程放疗肿瘤的致命弱点。
图2 铜死亡相关病理特征及含铜增敏剂的设计及再程放疗增敏效果[4]。(a) 临床宫颈癌肿瘤样本放疗前后FDX1和LIAS免疫荧光染色结果；(b)含铜多金属氧酸盐的三明治结构及放射响应铜胶囊示意；(c) 铜纳米胶囊的再程放疗增敏效果。Copyright © 2024 Springer Nature
基于病理发现，我们开发出一种可大量合成的放射响应性含铜多金属氧酸盐。利用北京同步辐射XAFS实验站，发现该含铜多金属氧酸盐可以在电离辐射触发下释放出Cu+离子，具有放射响应的含铜纳米胶囊属性（图2(b)）。该含铜纳米胶囊联合放疗可以有效地诱导肿瘤细胞发生铜死亡，并且对获得性放疗抗性肿瘤细胞系具有高效的增敏效果。结果显示，瘤内注射该含铜纳米胶囊后联合放疗实现了对抗性肿瘤的强效抑制，在含铜纳米胶囊联合放疗处理的肿瘤中观察到了明显的铜死亡相关特征以及损伤相关分子模式，并且有效地抑制了未经放疗的远处转移瘤。
进一步，我们构建了放疗后复发的小鼠肿瘤模型用于再程放疗增敏疗效评价（图2(c)）。实验结果显示，瘤内注射该含铜纳米胶囊后联合放疗实现了对复发肿瘤的强效抑制，并且有效地抑制了自发性肺转移，在40%的小鼠中实现了完全缓解。值得注意的是，对于再程放疗的基础研究，大多关注于正常组织的再程放疗损伤，研究者已构建了多层次的涉及各种组织和器官的辐射损伤研究模型；而再程放疗增敏研究，由于缺乏放疗后复发的动物肿瘤模型，在此之前仍处于空白。因此，作者构建的放疗后复发的小鼠肿瘤模型可以为后续的再程放疗研究提供可参考的动物模型。
另外，该含铜纳米胶囊具有较高的生物相容性。实验结果显示，接受治疗的小鼠与正常对照组小鼠在体重及血液学指标评估上均无显著性差异。对小鼠的主要器官，进行H&E染色检测，均未发现明显的毒性反应。并且，作者利用北京同步辐射微米CT实验站发现，得益于该含铜纳米胶囊超小的尺寸，该含铜纳米胶囊可以在瘤内注射后较好地分布于肿瘤中。在治疗后，该含铜纳米胶囊可快速外排至体外，避免在体内长期滞留。
该研究发现了获得性放疗抗性肿瘤具有增强的铜死亡敏感性，可作为有效的治疗靶点；开发的含铜纳米胶囊显著提升了获得性放疗抗性肿瘤的放疗敏感性，并有效地激活了适应性抗肿瘤免疫反应。这为局域复发及伴随转移的肿瘤患者的再程放疗减毒增效提供了一个高效、安全的方案。目前，批量制备及精准靶向再程放疗肿瘤死亡弱点的特征赋予了含铜纳米胶囊极高的临床转化潜力。然而，是否能够进行临床转化还存在一些有待解决的问题。一方面，无机材料的体内分布、代谢及系统安全性有待进一步研究；此外，再程放疗增敏剂与临床先进放疗技术的联合效应仍有待研究，例如近距离治疗、立体定向放射疗法、三维适形放疗、调强适形放射治疗、图像引导放疗、质子重离子治疗和闪光放疗等先进放疗技术，使再程放疗增敏剂与临床放疗前沿技术更加适配。在未来，对于获得性放疗抗性肿瘤的病理特征需要进一步深入研究，获取更多肿瘤类型的、多种放疗阶段的（如疗前、疗中和疗后）及数量更多的临床病理样本，利用先进的病理分析技术获取更为丰富的肿瘤分子病理信息，为针对获得性放疗抗性肿瘤的创新治疗方法更新提供有益的参考。尽管如此，再程放疗增敏剂的设计开发及临床转化仍然值得期待。
