放射治疗与免疫治疗时序优化的肿瘤微环境机制模型研究

《Physical and Engineering Sciences in Medicine》：Optimising radiotherapy and immunotherapy timing: a mechanistic model of the tumour microenvironment

　　

摘要专业翻译 本研究旨在确定在间皮瘤（mesothelioma）小鼠模型中，放射治疗（radiotherapy，RT）与抗PD-1/CTLA-4免疫检查点抑制剂（immune checkpoint inhibitors，ICIs）的最佳治疗时序安排。研究人员在BALB/c小鼠侧腹接种同基因间皮瘤肿瘤，给予RT与ICI联合治疗，并测量肿瘤生长情况。研究人员对现有肿瘤微环境（tumour microenvironment，TME）机制模型进行了扩展，并将其拟合至实验数据，估算肿瘤生长、RT损伤肿瘤细胞的清除、抗原释放以及T细胞活化等参数。该模型进一步扩展以研究肿瘤乏氧（tumour hypoxia）对治疗疗效的影响。研究人员对每种治疗时序方案进行分析，计算最高肿瘤控制概率（tumour control probability，TCP）。将ICIs与RT联合使用可提高TCP，这与其它临床前研究结果一致。在该模型中，抗PD-1在增强肿瘤控制方面比抗CTLA-4更有效。然而，单独使用抗PD-1的效果不如抗CTLA-4与抗PD-1联合使用。TCP对ICI治疗日期间隔的变化以及抗CTLA-4治疗的延迟具有稳健性。然而，TCP对RT治疗的延迟以及RT治疗日期间隔的增加较为敏感。本研究支持RT与ICIs之间的协同效应。在模型可用于指导未来人类临床试验的最佳治疗时序安排之前，仍需在外部数据集上对模型进行进一步验证。

论文解读

一、研究背景与意义

免疫检查点抑制剂（immune checkpoint inhibitors，ICIs）是一类通过阻断免疫细胞与癌细胞表面蛋白结合从而上调抗肿瘤免疫应答的免疫治疗（immunotherapy，IO）药物。ICI治疗已在多种癌症中改善患者预后，部分患者在治疗停止后仍可获得长期缓解。然而，在大多数癌症类型中，仍有相当比例的患者无法从ICI治疗中获益，部分患者还会出现限制治疗的不良事件。

放射治疗（radiotherapy，RT）与免疫治疗之间的协同效应于2012年首次被提出，当时一名接受RT联合抗CTLA-4治疗的黑色素瘤患者的转移灶得到消退。RT-ICI联合治疗已被证明可提高小鼠间皮瘤（mesothelioma）的治愈率。间皮瘤是一种侵袭性癌症，女性5年生存率为13.4%，男性仅为4.5%。间皮瘤动物模型既具有临床相关性，又可能推广至其他癌症类型。

目前已有若干临床试验致力于确定最佳的RT-ICI治疗组合。然而，仅靠临床试验无法对所有可能的分割剂量方案进行穷尽性测试，因此学界对RT和ICI效应的计算机模拟建模产生浓厚兴趣。稳健的、数据驱动的模型可以在消耗最少物理资源的情况下探索系统的各种排列组合，从而有机会探索剂量分割全景以生成关于有前景的治疗策略的假说。然而，现有模型均未对所有可能的治疗时序进行全面搜索，仅研究了RT分割或RT与ICI的先后顺序。本研究基于小鼠间皮瘤模型数据，利用计算模型研究RT与抗PD-1和抗CTLA-4治疗的最佳组合方案，并将最佳治疗组合定义为最大化肿瘤控制概率（tumour control probability，TCP）的方案，同时要求治疗时序对参数不确定性和治疗条件变化具有稳健性。

二、主要技术方法

研究人员使用来自BALB/c小鼠皮下AB1-HA间皮瘤肿瘤的数据，小鼠被随机分配到不同治疗组。模型是Gonzalez-Crespo等人模型的扩展，通过将活性肿瘤细胞分为常氧肿瘤细胞C_N(t)和乏氧肿瘤细胞C_H(t)两个组分来纳入肿瘤乏氧效应。乏氧区域对放射更具抵抗性，且由于血管穿透有限和RT诱导的DNA损伤减少，免疫细胞浸润较差。模型假设肿瘤呈球形，血管具有固定的最大穿透深度d_max，超过该深度的肿瘤中心会形成乏氧核心。氧增强比（oxygen enhancement ratio，OER）用于调整乏氧细胞的线性二次（linear quadratic，LQ）模型参数α和β。模型采用加权最小二乘回归方法拟合小鼠间皮瘤数据，使用模拟退火优化算法最小化目标函数，通过赤池信息准则（Akaike Information Criterion，AIC）评估模型拟合优度。治疗时序搜索采用暴力枚举法，在Pawsey超级计算中心的Setonix超算上对600种治疗时序方案各500个虚拟肿瘤进行模拟，每种方案均设定RT生物有效剂量（biological effective dose，BED）为80 Gy，ICI总剂量为0.8 mg。TCP基于泊松分布计算，即TCP = exp(?C_min)，其中C_min为治疗期间达到的最小活性克隆原细胞数。

三、研究结果

模型拟合：模型预测的肿瘤体积与小鼠间皮瘤体积数据吻合良好。与Gonzalez-Crespo模型相比，考虑肿瘤乏氧的扩展模型在大多数治疗组中AIC值更低，表明该扩展模型更适合预测小鼠间皮瘤体积，其中RT治疗组的AIC差异最大。模型预测未治疗肿瘤体积倍增时间约为1.74天；RT、抗PD-1及抗PD-1/抗CTLA-4联合治疗分别将治疗后倍增时间减缓至2.56天（p = 0.01）、2天（p = 0.01）和1.75天（p = 0.04）。RT可降低治疗后肿瘤体积，肿瘤体积先下降后进入平台期，随后恢复指数增长。

最佳治疗方案：与单次RT分割相比，在相同BED条件下，两次RT分割可提高最大平均TCP，原因在于第一次RT分割后发生肿瘤再氧合，提高了第二次分割时的放射敏感性。添加抗PD-1可将平均TCP从0.0965提高至0.1205（p = 0.2493），但提升幅度小于无乏氧模型。抗CTLA-4的效果弱于抗PD-1（TCP为0.1096 vs 0.0965，p = 0.5188）。然而，同时给予抗PD-1和抗CTLA-4比单独给予一种ICI获得更高的TCP。2次RT分割联合各2次抗PD-1和抗CTLA-4剂量获得最高TCP且标准差极小，表明该方案性能一致且优越。

治疗方案解空间分析：延迟RT治疗和增加RT治疗日期间隔均降低TCP。早期治疗间皮瘤对获得良好预后至关重要，因为肿瘤体积小、肿瘤负荷低且乏氧细胞比例小。延迟抗PD-1治疗对TCP的影响小于延迟RT。当RT早期给予时，改变抗CTLA-4给药天数对平均TCP影响不显著；但当抗CTLA-4延迟且RT在第20天后给予时，TCP下降变得明显。增加抗PD-1与抗CTLA-4治疗间隔对TCP无显著影响。

抗PD-1与抗CTLA-4比例优化：最大TCP随ICI总剂量中抗PD-1百分比增加而升高。然而，单独使用抗PD-1获得的最大TCP略低于0.38 mg×2次抗PD-1联合0.02 mg×2次抗CTLA-4的方案（0.2814 vs 0.2860，p = 0.865）。

四、讨论与结论

讨论：研究结果支持RT联合ICI治疗间皮瘤的临床前证据。抗PD-1比抗CTLA-4更有效的原因在于其作用机制不同：抗PD-1直接增加免疫介导的细胞死亡速率，而抗CTLA-4通过减缓抗原衰减间接增强免疫应答，在肿瘤负荷较高时效果较弱。分割RT和抗PD-1通过优先杀死常氧细胞和增加免疫介导的细胞死亡来增强肿瘤再氧合。TCP对RT治疗时间变化最为敏感，而对ICI治疗时间变化和抗PD-1与抗CTLA-4比例变化不敏感。模型存在若干局限性：数据集仅包含年轻、近交、基因相同的小鼠，忽略衰老、性别、饮食等因素；小鼠与人类细胞动力学差异导致肿瘤倍增时间极短；模型未考虑空间异质性；RT以1-2个大分割给予而非临床常用的多个小分割。模型拟合所用小鼠均未接受RT联合ICI治疗，因此将模型结果外推至评估的治疗方案时需谨慎。模型拟合所用数据集较小（n = 54），可能导致过拟合。

结论：本研究扩展了一个使用延迟微分方程的机制模型，以研究乏氧对治疗疗效的影响，并开发了一种评估小鼠间皮瘤各种RT-IO治疗时序疗效的算法。结果支持RT-IO协同效应的证据，与早期RT治疗改善TCP的临床结果一致。抗PD-1通过直接增加免疫介导的细胞死亡，在增强肿瘤控制方面比抗CTLA-4更有效。分割RT和抗PD-1是提高乏氧肿瘤TCP的关键——这一发现至关重要，因为间皮瘤已知是一种乏氧性恶性肿瘤。然而，分割RT方案中总RT剂量的增加可能是TCP升高的混杂因素，因为BED是基于较低的α/β比值计算的。需要进一步研究以模拟多个小RT分割对肿瘤微环境的影响。这些最佳治疗时序可在小鼠中测试以验证结果。此外，一旦获得人类间皮瘤对RT和IO反应的数据，模型应扩展以考虑人类间皮瘤。