PARP抑制剂与PD--L1单抗在上皮性卵巢癌中的联合应用及机制探究

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研究背景
  卵巢癌是全球女性第七大常见肿瘤,其死亡率虽然在过去的40年里略有下降,但仍是女性肿瘤死亡的第八大病因。GLOBOCAN研究预测表明,到2035年,基于全球人口的增加,卵巢癌的发病率将增加55%,死亡率将增加67%。卵巢癌早期临床表现隐匿,加之其复杂的起源及分子生物学特征,复发和死亡风险极高。在过去的十年里,针对卵巢癌晚期维持治疗的两类靶向制剂已获得官方批准应用于临床:抗血管制剂——贝伐珠单抗,聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(Poly-ADP ribose polymerase,PARP)抑制剂——奥拉帕利、尼拉帕利等。尽管靶向药物已经在卵巢癌的维持治疗中取得了一定进展,但是在接受治疗的患者人群中,仍有相当一部分病人由于各种原因出现对药物的“无反应”状态。因此,如何减少耐药从而使更多卵巢癌患者在治疗中受益,实现更加精准的个体化治疗,是当前亟需解决的关键问题。
  PARP1作为DNA损伤感受器与信号传导器的形式存在,它可以在DNA损伤区域周围的靶蛋白上合成PAR(poly ADP-ribose,PAR)链,并在PAR链的基础上使得相关的修复蛋白来完成相关修复功能。PARP由三个锌指结构、BRCA1碳末端域(BRCA1 C-terminal domain,BRCT)、氨基酸结构域(WGR)和包括两个亚结构域(螺旋结构域-HelicalDomainHD和ADP核糖转移酶结构域-ART)的催化结构域构成。在非DNA结合区域,β烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamideadeninedinucleotide,β-NAD)在HD的阻断抑制下,不能与ART区域相互结合来发挥功能;当DNA损伤时,螺旋结构的变化将会导致PARP1中的锌指结构与DNA相结合,形成PARP1/DNA复合物,使得HD构象变化,抑制作用解除,从而活化ART的催化功能;此外,该构象的变化还可以起到“召集”修复蛋白的作用。靶向PARP家族中的PARP1和PARP2的多种PARP抑制剂,可以与催化区域结合,抑制PARP1从DNA上解离,持续存在的PARP1/DNA复合物可以抑制DNA复制叉的进行,并可进一步导致DNA双链损伤,若同时出现了同源重组修复的相关缺陷(homologous recombination defect,HRD)如BRCA突变等或者功能异常,将会产生“合成致死”,从而起到靶向肿瘤的作用。
  PARP抑制剂如奥拉帕利、尼拉帕利等已经在多种肿瘤中显示出了良好的抗肿瘤作用,但是也有文献报道部分患者对PARP抑制剂治疗无反应或者出现继发性耐药,因此PARP抑制剂与其他药物的联合应用可能是解决卵巢癌患者耐药的有效方法。
  程序性死亡因子配体1(programmed cell death ligand 1,PD-L1)是分子量为33kD的跨膜糖蛋白,PD-L1与其受体程序性死亡因子(programmed death 1,PD-1)两者均属于免疫球蛋白超家族。PD-L1包括Ig-V样和Ig-C样的胞质外区、跨膜区及胞质内区。PD-L1与PD-1胞外区相互识别,可以活化PD-1结构域中的免疫受体络氨酸开关模序(immunoreceptor tyrosine-based switch motif, ITSM),从而募集SHP相关蛋白酪氨酸磷酸盐,抑制T细胞的活化;此外,PD-L1还可以与CD80发生相互作用,向活化的T细胞提供抑制信号,削弱宿主对肿瘤细胞的免疫反应。已有文献报道,PD-L1/PD-1单抗等其他免疫检查点阻滞剂可以与PARP抑制剂产生协同作用,但是目前该联合用药方案多处于临床前实验或临床试验阶段,且在卵巢癌中的研究较少,因此距离实现真正的临床转化还需要大量的基础实验佐证。
  研究目的
  探究PARP抑制剂——尼拉帕利与PD-L1单抗在上皮性卵巢癌中是否具有协同作用及该协同作用的潜在分子机制。
  研究方法
  1.检测尼拉帕利作用后上皮性卵巢癌细胞系PD-L1的变化:分别用蛋白质印迹实验(Western Blot,WB)和流式细胞术(Flow Cytometry)检测不同种类的PARP抑制剂及不同浓度的尼拉帕利作用于肿瘤细胞后,肿瘤细胞表面及PD-L1蛋白的表达变化。
  2.检测小鼠体内实验中尼拉帕利对肿瘤组织PD-L1的影响:WB和免疫组化(Immunohistochemistry,IHC)检测尼拉帕利处理后肿瘤组织PD-L1的表达变化。
  3.检测尼拉帕利与PD-L1单抗在小鼠体内模型中是否发挥协同作用:应用小鼠卵巢癌细胞系ID8构建C57BL/6黑鼠皮下成瘤模型,分为对照组、尼拉帕利处理组(口饲)、PD-L1单抗处理组(腹腔注射)及两药联合应用组,尼拉帕利隔一天一次口饲,PD-L1单抗一周两次腹腔注射,小鼠体重与肿瘤体积每隔一天测量一次,检测不同处理组对肿瘤的抑制作用差异。
  4.检测PARP1与上皮性卵巢癌临床病理特征及PD-L1及CD8的相关关系:免疫组化实验探究72名上皮性卵巢癌样本中PARP1与临床病理特征的关系及其与PD-L1、CD8表达的相关性。
  5.检测尼拉帕利对临床高级别浆液性卵巢癌患者外周血免疫细胞及细胞因子的影响:流式细胞术检测尼拉帕利用药前后临床高级别浆液性卵巢癌患者外周血中PBMC、CD3+T细胞、CD4+T细胞及CD8+T细胞及细胞因子IFN-γ的变化。
  6.检测体内外实验中尼拉帕利及尼拉帕利联用PD-L1单抗对免疫细胞及其功能的影响:对照组、尼拉帕利单药组、PD-L1单抗组、两药联合应用处理过的肿瘤细胞与免疫细胞(CD8+T细胞)进行共培养,流式细胞术探究免疫细胞细胞因子的变化情况。使用小鼠卵巢癌细胞系ID8在黑鼠C57BL/6构建皮下瘤,分别设置空白对照组、尼拉帕利处理组、PD-L1单抗组及两药联合应用组,剥取小鼠皮下瘤并取出小鼠外周血,使用免疫组化实验检测不同处理组内肿瘤组织中的免疫细胞及细胞因子的变化差异,同时使用流式细胞术检测小鼠外周血中的免疫细胞及细胞因子的变化差异。
  7.尼拉帕利与PD-L1单抗在上皮性卵巢癌中的联合应用机制探究:尼拉帕利处理及联用STING抑制剂之后,使用WB和流式细胞术检测cGAS/STING相关通路蛋白如STING、p-STING、TBK1、p-TBK1、IRF3、p-IRF3及下游趋化因子CCL5、CXCL10的变化。
  研究结果:
  1.体外实验中PARP抑制剂对于上皮性卵巢肿瘤细胞系的PD-L1具有上调作用
  不同种类的PARP抑制剂——奥拉帕利、尼拉帕利、氟唑帕利及对照组(PBS)(10μM)分别处理BRCA缺失的UWB1.289和BRCA野生的SKOV3卵巢癌细胞系48h,使用流式细胞术和WB检测发现肿瘤细胞表面PD-L1及PD-L1蛋白表达上调。其中,在不同的PARP抑制剂中,尼拉帕利上调PD-L1的作用最明显且最稳定。不同浓度的尼拉帕利(0nM,500nM,1μM,5μM,10μM,and15μM)处理肿瘤细胞48h对于PD-L1的上调作用呈现浓度依赖性(图1-图2)。
  2.体内实验中尼拉帕利对肿瘤组织PD-L1的上调作用
  黑鼠C57BL/6皮下接种小鼠卵巢癌细胞系ID8,两周后肿瘤形成,随机将小鼠分为两组,给予对照组和尼拉帕利处理,检测尼拉帕利对肿瘤组织PD-L1的作用:WB和IHC结果显示尼拉帕利药物干预后移植瘤组织PD-L1水平明显上调(图3)。
  3.体内实验检测尼拉帕利和PD-L1单抗的联用效果
  C57BL/6皮下接种小鼠卵巢癌细胞系ID8,两周后肿瘤形成,随机将小鼠分为四组,分别给予对照组、尼拉帕利处理组、PD-L1单抗组及两药联合应用组,与对照组相比,尼拉帕利单药组、PD—L1单抗组、联合用药组肿瘤生长体积均显著缩小,差异随生长周期延长而更加显著。瘤体质量测量结果显示,尼拉帕利组、PD-LI单抗组、两药联合应用组与对照组相比,肿瘤质量体积均明显降低,同时尼拉帕利联合PD-L1单抗用药组肿瘤生长体积也显著低于单药治疗组(图4)。
  4.PARP1在上皮性卵巢癌组织中的表达及其与临床指标之间的相关性分析
  论文第一部分探讨发现PARP抑制剂可以上调体内外PD-L1的表达,而先前有实验研究表明,肿瘤细胞表面上调的PD-L1可以抑制CD8+T细胞的活化。为进一步检测PARP1、PD-L1以及CD8之间的关系。采用IHC法检测72例卵巢癌及12例正常卵巢石蜡包埋组织中PARP1的表达并分析卵巢癌中PARP1的表达水平与患者临床指标如CA125、腹水、预后等及CD8、PD-L1表达的相关性。结果显示:卵巢癌组织(主要是细胞核)高表达PARP1,PARP1在卵巢癌组织中的高表达与患者较差的预后(P=0.027)有关联,但与PD-L1及CD8也无明显的相关性(图5)。
  5.体内实验中验证尼拉帕利对于高级别浆液性卵巢癌患者外周血中免疫细胞的影响
  流式细胞术分析临床卵巢癌患者尼拉帕利用药前后免疫细胞及细胞因子的变化情况。实验发现,使用尼拉帕利之后,临床患者外周血中CD8+T细胞及细胞因子IFN-γ明显增多(图4)。
  6.体内外实验中验证尼拉帕利及尼拉帕利联用PD-L1抗体对于免疫细胞及其功能的影响
  抽取健康志愿者的外周血,分离其中的单个核细胞(Peripheral Blood Mononuclear Cell,PBMC),进一步使用磁珠分选的方法,对其中的CD8+T细胞4进行提取分选,活化验证分选效率之后,按照10∶1的效靶比与肿瘤细胞共培养,分别给与不同的处理:对照组,尼拉帕利组,PD-L1单抗组,两药联合组。共培养48h之后,分别使用ELISA、流式细胞术检测细胞因子的变化及肿瘤细胞的凋亡情况(图5)。体内实验中,使用小鼠ID8细胞在C57BL/6小鼠构建卵巢癌移植瘤模型,按空白组,尼拉帕利组、PD-L1单抗组、尼拉帕利联合PD-L1单抗分组处理。肿瘤生长到一定时间和体积,剥取小鼠的皮下瘤,取小鼠外周血,分别使用IHC和流式细胞术检测其中免疫细胞和细胞因子的变化。结果表明尼拉帕利处理组和两药联合应用组可以使得肿瘤组织及外周血中CD8+T淋巴细胞及细胞因子IFN-γ明显上调(图6)。
  7.尼拉帕利与PD-L1单抗在上皮性卵巢癌中的联合应用机制探究
  探究了cGAS-STING通路在该过程中发挥的作用。使用不同浓度尼拉帕利处理肿瘤细胞48小时,WB和ELISA验证了cGAS-STING通路蛋白及下游趋化因子的变化。结果显示:尼拉帕利作用后cGAS/STING相关通路蛋白如p-STING、p-TBK1及p-IRF3均显著上调,呈浓度依赖性。其次,其下游细胞因子如IFN-B、CCL5及CXCL10的分泌也明显增多。当尼拉帕利联用STING抑制剂之后,尼拉帕利对cGAS-STING信号通路的上调作用被抑制,PD-L1的表达不再上调(图7)。
  研究结论
  1.与正常卵巢组织相比,PARP1高表达于高级别浆液性卵巢癌组织,其高表达与患者较差的预后相关。
  2.在上皮性卵巢癌中,尼拉帕利可通过上调cGAS-STING信号通路诱导PD-L1表达上调,拮抗PD-L1可以增强PARP抑制剂的抗肿瘤作用。
  3.尼拉帕利可以上调免疫细胞的比例及细胞因子的产生,促进免疫细胞的杀伤作用。尼拉帕利联合PD-L1单抗在上皮性卵巢癌动物模型中可显著抑制肿瘤的体积及质量,较单药治疗效果显著。
  课题的创新性和局限性
  课题的创新性:
  1.尼拉帕利在卵巢癌中可以发挥免疫调节作用,一方面,尼拉帕利可以上调肿瘤细胞的PD-L1,另一方面可以起到上调免疫细胞及其功能的作用。
  2.体内外实验验证cGAS/STING信号通路的活化参与尼拉帕利的免疫调节作用。
  3.体内外实验验证发现尼拉帕利联用PD-L1单抗可以在上皮性卵巢癌中发挥协同作用。
  课题的局限性:
  1.因BRCA突变的小鼠卵巢癌细胞系及小鼠模型难以获得,本课题未将小鼠实验区分BRCA突变组及BRCA野生组进行实验,说服性略差。
  2.论文对cGAS/STING通路的研究拟在今后的实验中继续进行,部分实验未进行拯救验证,略欠缺逻辑。
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