细胞动力学和化疗方案的设计

细胞动力学和化疗方案的设计细胞动力学和化疗方案的设计 马 丁 邢 辉 中图分类号:R71 文献标识码:A 作者单位:华中科技大学同济医学院附属同济医院妇产科(武 汉,430030) E-mail: 细胞(增殖周期)动力学研究细胞群体生长、繁殖、分 化、丢失和死亡等运动变化的规律。肿瘤组织主要由增殖 和非增殖细胞群组成,绝大多数细胞毒素型的抗肿瘤药对 增殖周期中的各期细胞有不同的影响。因此,了解细胞动 力学知识,对深入认识肿瘤细胞繁殖过程和特点及药物作 用原理,正确制定肿瘤药物治疗方案及新药研究都有很大 的帮助。 1 细胞增殖周期 细胞增殖周期分为 G1 期、S 期、G2 期和 M 期。 11 G1 期 DNA 合成前期。即从上一次细胞分裂完成 到 DNA 复制开始这一段时间。又分为 G1 前期和 G1 后 期。在 G1 前期主要进行 DNA 和蛋白质的生物合成。处于 G1 后期的细胞由于获得了复制 DNA 所需的条件,进入并 完成 1 次细胞增殖周期。有些处于 G1 前期的细胞未获得 复制 DNA 所需的条件,没有进入增殖状态。它们将在 G1 期停留长短不等的时间。这种处于非增殖状态的细胞称 G0 细胞。 12 S 期 DNA 合成期(DNAsyntheticphase)。DNA 含 量增加 1 倍,继续合成 RNA 和蛋白质。如无特殊原因,如 药物、放疗等作用的干扰,则将不间断的通过细胞周期。此 期细胞占细胞群的比率可代表该肿瘤的增殖情况,此值高 的肿瘤一般对周期特异性药物敏感。 13 G2 期 DNA 合成后期。DNA 合成已终止。细胞内 遗传物质加倍,由 G1 期的二倍体 DNA 量转变为本期的四 倍体 DNA 量。并且产生有丝分裂所需的细胞器,为 M 期 作准备。 14 M 期 有丝分裂期(mitoticphase)。此期将已复制的 染色体平均分配到 2 个子细胞中去,即完成 1 次细胞增殖 周期,细胞就进入下一周期的 G1 期。 机体和肿瘤组织中分 3 部分细胞:(1)已分化而无增殖 能力的细胞;(2)增殖周期中的细胞;(3)静止期(G0)细胞, 是暂不分裂的细胞,对化疗药物敏感性低,当增殖细胞经化 疗被杀灭后,在适宜的刺激下,G0 期细胞即进入增殖周期并进行 补充, 故其为肿瘤复发的根源1。 2 细胞增殖周期的调控 细胞周期调控近年已成为分子生物学研究的热点之一 并获得突破性进展。在细胞周期中有两个主要的调控点, 第一个称“限制点”(restrictionpoint,R 点),位于 G1/M 转 折点,控制从静止状态(G1)进入 DNA 合成期(S)。第二个 是 G2/M 期转折点(commitmenttoMphase),是决定细胞一 分为二的调控点。细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclindepen- dentkinases,p34)作用于两种细胞周期蛋白(cyclins),一种 控制 M 期的进入(M-cyclin),一种决定 R 点(G1-cyclin)。 细胞从 M 期进入 G1 期后,M-cyclin 降解,p34 也被磷酸化 而失活。此时 G1-cyclin 与 p34 结合形成复合体,激活某些 转录因子,使 DNA 得以复制,细胞进入 S 期,在细胞从 S 期 进入 G2 期的过程中,G1-cyclin 降解,p34 失活,接着 M-cy- clin 又逐步合成积累,与被磷酸化的 p34 结合,形成促进因 子。在 G2 期末,当有丝分裂原存在时,cdc25 基因进行表 达,使 p34 去磷酸化,从而恢复活性,染色体凝聚、细胞骨架 重新组合,细胞进入 M 期。接着 M-cyclin 降解,p34 失活, 细胞又进入 G1 期2。深入探讨细胞增殖周期调控的机制 将会推动抗肿瘤药物的研究。 3 抗肿瘤药物对细胞增殖动力学的影响及药物分类 31 周期非特异性药物(cellcyclenon-specificagents,CC- NSA) 主要包括烷化剂氮芥、环磷酰胺(CTX)等、抗癌 抗生素(丝裂霉素,阿霉素等)和铂类(cisplatin,carboplatin) 药物。此类药物能与细胞中的 DNA 发生共价结合,阻碍其 功能。对 G0 期和增殖各期细胞均有杀灭能力,作用较强而 快,能迅速杀灭癌细胞。但选择性低,其特点是呈剂量依赖 型1。 32 周期特异性药物(cellcyclespecificagents,CCSA) 影 响蛋白质合成,作用于 M 期的药物如长春新碱类、秋水仙 碱、紫杉醇(paclitaxel)、紫杉特尔(docetaxel)等。影响核酸 生物合成作用于 S 期的药物如长春碱类、鬼臼乙叉甙(e- toposide,VP-16)、阿糖胞苷(Ara-c)、健择(gemcitabine)、甲 氨蝶呤(MTX)、氟尿嘧啶(5-FU)、氟铁龙(furtuion)、盐酸托 普替康(topotecan)和美新(hycamtin)、CPT-11(irinotecan) 等。只杀灭增殖周期中某一期细胞,对 G0 期细胞不敏感。 其特点是 4 细胞动力学是合理化疗的基础 细胞动力学对肿瘤的治疗具有重要指导意义,为制定 合理的治疗方案提供了理论基础,而且在治疗策略方面已 有较大的更新。现将临床实用观点归纳如下。 41 数量概念 化疗的效果与肿瘤细胞的数量成正比,化 疗药物杀灭癌细胞是循一级动力学(firstorderkinetics)规 律,即一定剂量的药物可杀灭一定比率的癌细胞,而非一定 数目的癌细胞。肿瘤的化疗开始越早越好。手术后的微小 病灶虽细胞数少,但生长比率较高,对化疗药物较敏感,故 应在术后尽早开始辅助化疗。而在化疗后,如能配合应用 0 级动力学(即一定剂量的药物可杀灭一定数量的细胞)的 免疫治疗则可进一步提高疗效3。 42 化疗药物的给药方法 421 周期非特异性药物 瞬时高浓度是十分必要的,在 毒性耐受的情况下,宜静脉一次推注,以大剂量冲击治疗为 宜,特别是对早期病例,健康状态较好的肿瘤病人。可以迅 速与细胞 DNA 结合而起作用。以环磷酰胺为例,最初每日 给药 1 次的方法已被摒弃,而代之以间断大量给药。这是 因为,大剂量 1 次所杀灭的瘤细胞数远远超过该量分次用 药所能杀灭的瘤细胞数之和,而且大剂量间歇用药一般更 有利于造血系统等组织的修复,因为骨髓和肠等组织的修 复较许多实体瘤迅速,保存在 G0 期的造血干细胞较瘤细胞 多,在间歇期可以很快补充,从而有利于骨髓和免疫功能的 恢复,并减少抗药性的产生。 422 周期特异性药物 一定暴露时间更为重要,宜小剂 量持续给药。这类药物对骨髓及瘤细胞的量效曲线也随剂 量增大而细胞数下降,但达到一定剂量时向水平方向转折, 形成一个坪,此时即使再增加剂量,也难凑效。总剂量分次 给予可能优于一次给药,每周给予可能优于每月给药方案, 可作用于不同增殖动力学的肿瘤细胞,剂量密度增加,更易 于与其他化疗药物配伍。例如紫杉醇,传统的 34 周给药 方式已受到挑战,紫杉醇周疗加顺铂或卡铂正在试用, Ghamande 等4对复发和难治(对 paclitaxel 和铂类耐药)的 卵巢癌实施紫杉醇周疗(每周 80mg/m2,68 周),研究表 明每周给药增加了用药的密度和暴露时间,促使更多细胞 包括 G0 期细胞进入增殖周期,克服耐药,提高了疗效,并且 降低了紫杉醇毒性5。另有报道低剂量长时间暴露的紫杉 醇,可增加肿瘤细胞的凋亡,抑制肿瘤血管生成6。紫杉特 尔、健择等新药作为二线药物也已在多种肿瘤中试用每周 方案。 43 联合化疗 在化疗药物联合应用方面,一般有 2 种方 法。 431 募集作用(recruitment) 即先用细胞周期非特异 性药物,大量消灭肿瘤细胞,肿瘤细胞总数减少后,促使更 多细胞包括 G0 期细胞进入增殖周期而被后用的细胞周期 特异性药物杀灭。美国 GOG 进行了 TP(paclitaxel+cis- platin)与 PC(cisplatin+CTX)方案治疗期卵巢癌成 功减瘤术 386 例的前瞻性研究,结果表明 TP 比 PC 方案有作用较 慢,呈给药时间依赖型1。 较高的疗效(73%对 60%),较高的完全缓解率(51%对 31%)和较长的中位存活期(38 个月对 24 个月),TP 方案 的 3 年存活率比 PC 高 10%,表明 TP 方案(募集作用)明显 优于 PC 方案7。近年来,又陆续推出 paclitaxel+carbo- platin 方案8,gemcitabine+carboplatin 方案, hycamtin+cis- platin 方案,topotecan+carboplatin 或 cisplatin911等募 集 作用联合化疗方案,部分已进入临床期试验。 432 同步化作用(synchronization) 即先用一种细胞周 期特异性药物将肿瘤细胞阻滞于某一周期,待药物作用消 失后,肿瘤细胞即同步进入下一周期,再用作用于后一周期 的药物,即可较多杀死肿瘤细胞而较少损伤正常细胞。联 合应用几种化疗药物则治疗作用相加,机体又能耐受。新 药和美新、托普替康与紫杉醇、紫杉特尔无明显交叉耐药, 是目前卵巢癌二线最有效的药物之一。为提高疗效、减少 毒性,托普替康小剂量、长期用药与紫杉醇、健择以及其他 新药联合均在临床试用中,而紫杉特尔和健择的联合化疗 也日益受到重视1214。目前 carboplatin+paclitaxel+ irinotecan3 药联合已进入临床期研究,Gronlund 等15认 为 3 药联合不仅提高疗效而且大大降低毒性。 目前,细胞动力学的研究仍未能如人们所设计的那样 完全应用于临床。由于存在下述问题:未能获得治疗中肿 瘤细胞准确完整的细胞动力学参数;多疗程化疗和大剂量 化疗中详细的细胞动力学信息太少;利用定量细胞动力学 研究设计化疗方案的努力不够,所以关于抗肿瘤药的细胞 动力学效应研究的发展趋势,主要在以下 4 个方面:快速鉴 别集落形成和非集落形成细胞;鉴别 G0 期细胞;发现更敏 感的鉴别正常和肿瘤细胞的标志物;加强对正常细胞增殖 动力学和定量细胞动力学的研究。 参考文献 1 孙燕主编.内科肿瘤学.北京:人民卫生出版社,2001.46 2 SherrCJ.ThePezcollerLecture:cancercellcyclesrevisited.Cancer Res,2000,60(14):3689-3695 3 曹泽毅主编.妇科肿瘤学.北京:北京出版社,1998.419 4 GhamandeS,LeleS,MarchettiD,etal.Weeklypaclitaxelinpa- tientswithrecurrentorpersistentadvancedovariancancer.IntJ GynecolCancer,2003,13(2):142-147 5 ThomasH,RosenbergP.Roleofweeklypaclitaxelinthetreatment ofadvancedovariancancer.CritRevOncolHematol,2002,27 (44):43-51 6 FennellyD,AghajanianC,ShapiroF,etal.Phaseandpharma- cologystudyofpaclitaxeladministeredweeklyinpatientswithre- lapsedovariancancer.JClinOncol,1997,15(1):187-192 7 McGuireWP,HoskinsWJ,BradyMF,etal.Cyclophosphamideand cisplatincomparedwithpaclitaxelandcisplatininpatientswith stageandovariancancer.NEnglJMed,1996,334(1):1-6 8 OzolsRF,BundyBN,GreerBE.Phasetrialofcarboplatinand paclitaxelcomparedwithcisplatinandpaclitaxelinpatientswith optimallyresectedstage、ovariancancer:aGynecologicOn- cologyGroupstudy.JClinOncol,2003,21(17):3194-200 9 HerzogTJ.Clinicalexperiencewithtopotecaninrelapsedovarian cancer.GynecolOncol,2003,90(3):3-7 10MutchDG.Gemcitabinecombinationchemotherapyofovarian cancer.GynecolOncol,2003,90(2):16-20 11 BoisA,LuckHJ,MeierW.Arandomizedclinicaltrialofcisplatin/ paclitaxelversuscarboplatin/paclitaxelasfirst-linetreatmentofo- variancancer.JNatlCancerInst,2003,95(17):1320-1329 12 MarkmanM,ZanottiK,WebsterK.Toxicityassociatedwithcar- boplatin/paclitaxel/Irinotecanuseinadvancedovariancancer:pre-