CN101394891A - 弱应激源增强电离辐射和其它疾病疗法的效力的用途 - Google Patents

Abstract

增强治疗性电离辐射和其它疾病治疗的效力，其中通过使有此需要的细胞接受低剂量的辐射以增强细胞对随后接受的致死剂量的高剂量辐射(HDR)、化学治疗剂或其他类型的治疗性处理的敏感性，来破坏或改变该细胞。

Description

弱应激源增强电离辐射和其它疾病疗法的效力的用途

对相关申请的交叉参考

本申请要求2006年2月3日提交的美国申请11/346,179和2006年8月28日提交的美国申请11/510,605的优先权。以上专利和申请的全部公开和内容在此引入以供参考。

背景

技术领域

本发明总体上涉及用电离辐射和其它疾病疗法来治疗个体。

相关技术

通常认为由电离辐射导致的永久性损害与辐射的剂量成正比。但是，越来越多的证据表明这种模型不适于评价由低剂量辐射(LDR)照射导致的永久性损害。事实上，越来越多的证据表明LDR诱导抵抗随后的高剂量电离辐射(HDR)照射的保护作用。例如，大量的流行病学研究已表明接受低剂量辐射的个体患癌率较低(参见Cohen，B.L.，Health Phys.，68：157-174，1995；Miller等人，N.Engl.J.Med.，321：1285-1289，1989；Cardis等人，Radiat.Res.142：117-132，1995)。这些流行病学结果得到体外研究的支持，这些研究表明LDR照射减少由高剂量辐射(HDR)照射导致的损害(本领域中称为辐射适应或毒物兴奋效应)。

辐射适应的概念首先由Olivieri等人在体外发现，他们指出已经过长期LDR照射的淋巴细胞较不易发生由随后的高剂量X射线照射导致的染色单体畸变(参见Olivieri等人，Science，223：594-5971984)。该发现在短期LDR(即短期照射低剂量X射线)中得到证实，其中经LDR照射后又接着接受HDR照射的细胞表现出比对照组提高的存活率和较少的染色体断裂(参见Wolff，S.，Mutation Research，358：135-142，1996)。

其它研究的结果与这些发现是一致的(参见Azzam等人，Radiat.Res.，138(1Suppl)：S28-31，1994；Azzam等人，Radiat.Res.，146(4)：369-73，1996；Shadley等人，Radiation Research，111(3)：511-517，1987.；Shadley和Wolff，Mutagenesis，2(2)：95-6，1987；Shadley和Wiencke，Int.J.Radiat.Biol.，56(1)：107-118，1989；以及Sanderson和Morley，Mutat.Res.，164(6)：347-51，1986)。因此，越来越公认LDR照射触发保护性细胞机制，该保护性细胞机制诱导辐射适应反应(例如降低高剂量电离辐射的杀伤率)。换句话说，触发这些保护性细胞机制的LDR照射能够妨碍随后用致死剂量的HDR有效处理靶细胞的能力。但是，本发明的发明人最近发现，与生物医学文献中的教导相反，在某些条件下，LDR和其它应激源可以用于提高HDR治疗性照射的杀伤率。

发明内容

依照本发明的第一个主要方面，提供包括以下步骤的方法：(a)提供个体的LDR敏化细胞；和(b)使所述LDR敏化细胞接受杀死至少一些所述LDR敏化细胞或改变其功能的治疗性处理。

依照本发明的第二个主要方面，提供包括以下步骤的方法：(a)提供个体的敏化细胞；和(b)使所述敏化细胞接受杀死至少一些所述敏化细胞或改变其功能的治疗性处理，其中所述敏化细胞中的一种或多种热休克蛋白的水平低于所述细胞的所述一种或多种热休克蛋白的组成水平。

依照本发明的第三个主要方面，提供包括以下步骤的方法：(a)提供个体的最大敏化细胞；和(b)使所述最大敏化细胞接受杀死至少一些所述敏化细胞或改变其功能的治疗性处理。

附图的简要说明

结合附图描述本发明，其中：

图1描述在10cGy的X射线预剂量(LDR)和15Gy的攻击剂量(HDR)之间的不同延时后对鸡胚胎存活率的影响；和

图2描述在第2小时接受低剂量辐射(LDR)照射之后的不同时间的预计Hsp70水平。

发明详述

在描述本发明之前定义几个术语是有利的。应该理解为以下的定义贯穿使用于本申请。

定义

为本发明的目的，术语“施用”指任何常规方式，口服、局部，通过聚焦的或未聚焦的暴露于辐射源，等等。例如，LDR和HDR可以通过暴露于X射线源或其它类型电离辐射源施用。化学治疗剂可以通过静脉注射施用。

为本发明的目的，术语“癌症”指任何类型的癌症，包括但不限于皮肤癌、乳腺癌、肠癌和前列腺癌

为本发明的目的，术语“细胞”指体内或体外细胞。细胞可以是组织培养物的一部分，或者存在于个体或动物中，等等。细胞还可以包括细菌、病毒、朊病毒，等等。

为本发明的目的，术语“化学治疗剂”指任何化学治疗或细胞毒性试剂，包括但不限于紫杉醇和顺铂。

为本发明的目的，术语“化学治疗”或“化学疗法”指用化学治疗剂处理个体，例如用于癌症的化学疗法。

为本发明的目的，术语“组成水平”指在依照本发明用LDR或其它应激处理之前细胞中热休克蛋白的水平(浓度)，即细胞中热休克蛋白的正常水平。直到敏化细胞恢复到它们的热休克蛋白组成水平的至少90％，才认为该敏化细胞实质上被敏化。

为本发明的目的，术语“下调”应激反应是“抑制应激反应”的同义词。

为本发明的目的，术语“热休克蛋白”或“Hsp”指任何应激诱导的保护性分子，所述保护性分子由多种环境应激如热、电离和非电离辐射(包括电磁场和时间变化磁场)、毒性化学物质、缺氧(低氧)、不适当的葡萄糖水平、重金属和氨基酸类似物诱导。重要的保护性细胞机制包括与热休克蛋白(Hsps)诱导有关的应激反应的激活。Hsp家族包括响应氧化性应激而合成的蛋白质，该蛋白质然后提供对抗后续损害的细胞保护。Hsp70/72是该家族中最广泛可诱导的蛋白质。例如，辐射前淋巴细胞中的Hsps的热诱导延迟细胞凋亡(参见Gordon等人，Arch.Surg.，132(12)：1277-1282，1997)，而热休克蛋白的过度表达抑制致死量X射线照射后的细胞死亡(参见Park等人，Radiat.Res.153(3)：318-326，2000)。已表明LDR照射提高Hsp水平(参见Nogami等人，Int.J.Radiat.Biol.，63(6)：775-783，1993；和Melkonyan等人，Int.J.Rad.Biol.，68(3)：277-280，1995)。Sato等人也表明低剂量X射线辐射诱导胃粘膜中的Hsps(参见Physiol.Phys.Chem.& Med.NMR，28：103-109，1996)，并且其他人(参见O′Rourke等人，Biochem.Soc.Trans.，20(1)：74S，1992)已提供LDR照射诱导培养的髓样白血病和CHO细胞中Hsps的证据。以上文献中的全部内容和公开在此引入以供参考。

为本发明的目的，术语“高剂量辐射”和“HDR”指任何高于0.5Gy的剂量或任何可以用以治疗性地杀死细胞的剂量。

为本发明的目的，术语“个体”指哺乳动物，例如人类、猴、黑猩猩、马、狗、猫等。

为本发明的目的，术语“电离辐射”指来自任何来源的能够电离细胞的原子、分子等的电离辐射。电离辐射的实例包括：X射线、紫外线、伽马射线、阿尔法粒子、贝塔粒子、中子，等等。根据波长，可以将紫外线看作电离或非电离辐射。

为本发明的目的，术语“LDR-敏化的”指这样的细胞，其已受足量LDR照射充足时间或剂量以使受照射细胞中热休克蛋白的浓度降低大约10％或更多。

为本发明的目的，术语“致死剂量”指能够杀死一个或多个细胞或改变其功能的辐射或者任何其它治疗剂或物理治疗的剂量。

为本发明的目的，术语“低剂量辐射(LDR)”指范围为大约0.5cGy-大约50cGy的电离辐射的剂量。在本发明的一个实施方案中，可以将1-10cGy的LDR剂量用于LDR-敏化癌细胞。可以根据待处理的组织类型、待治疗的疾病等将其它LDR剂量用于本发明的其它实施方案。

为本发明的目的，术语“最大敏化的”指这样的细胞，其已被暴露于足量的例如LDR或电磁场的弱应激源，从而使所述细胞中各热休克蛋白的浓度低于所述细胞中各热休克蛋白的组成水平的大约10％。在某些实施方案中，最大敏化细胞中的各热休克蛋白水平可以是所述细胞中各热休克蛋白组成水平的大约0％。

为本发明的目的，术语“改变细胞功能”指细胞正常功能的任何改变。改变的实例包括例如以下的改变：改变细胞增殖速率，等等。

为本发明目的，术语“敏化的”指这样的细胞，其已被暴露于足量的应激诱导剂以诱导应激反应。虽然在下文中广泛地描述了LDR形成敏化细胞的用途，但本发明包含其它应激诱导剂形成敏化细胞的用途。

为本发明的目的，术语“应激诱导剂”指诱导应激反应的试剂。应激诱导剂可以是基于辐射的，例如LDR、非电离辐射，等等。一种非电离辐射源可以是激光束。根据应用，紫外线可以用作LDR或非电离辐射。应激诱导剂还可以是基于非辐射的，例如毒性化学物质、热、物理应力，等等。在一个实施方案中，应激诱导剂可以是电磁辐射。

为本发明的目的，术语“应激反应”指将热休克蛋白暂时降低大约10％或更多，在所述暂时降低之后通常是热休克蛋白水平的高于组成值的增加。

为本发明的目的，术语“弱应激源”指这样的应激诱导剂，其启动细胞应激反应，但不杀死细胞或杀死可忽略不计的部分暴露于所述弱应激源的细胞。弱应激源的实例包括：包括LDR、伽马射线、X射线、紫外线、红外辐射、激光、微波、无线电波等的电离和非电离电磁辐射；超声；时间变化磁场；包括例如化学治疗剂、砷等的不同药物和毒性化学物质的化学试剂；若干摄氏度的温度升高或降低；物理应力、生物制剂等。

为本发明的目的，术语“治疗剂”指任何试剂或过程，例如辐射、用于化学治疗的化学物质、药物，等等，它们可以用于改变作为治疗性处理的靶体的细胞的功能，减少所述细胞的数量或者阻止所述细胞的增殖。

为本发明的目的，术语“治疗性处理”指以足以减少一种或多种类型细胞的数量或者阻止一种或多种类型细胞的增殖的剂量或方式给个体施用治疗剂。

为本发明的目的，术语“治疗有效量”指能够抑制细胞功能或增殖和/或减少活细胞数量的治疗剂的量。

为本发明的目的，术语“肿瘤”指任何类型的肿瘤，所述肿瘤包括恶性和非恶性肿瘤以及任何异常细胞增殖。

在术语的定义偏离该术语的常用含义的情况下，申请人意在使用以上提供的定义，除非做出特别说明。

发明描述

本发明用低剂量辐射和其它应激源增强随后的高剂量电离辐射和例如化学治疗的其它治疗性干预的效力。

辐射适应性反应是在提前4-7小时施用前期启动(或预处理)剂量(例如1cGy)的情况下接受较高攻击剂量(例如4 Gy)照射后所观察到的降低的效果的名称。已提出Hsp诱导是辐射适应所涉及的基本机制。Park等人和Lee等人公开了将先前没有表现出辐射适应性反应的细胞系进行处理以过度表达Hsp72的研究(参见Park等人，Radiat.Res.，153(3)：318-326，2000；和Lee等人，Cell Stress Chaperones，6：273-281，2001)。

细胞中Hsp的过度表达产生辐射适应性反应的恢复。因此，文献中许多论文教导接受LDR照射诱导辐射适应性反应(即接受LDR照射使细胞对随后的HDR较不敏感)。相反，依据本发明的一个实施方案，提供LDR能够使细胞对随后的HDR更敏感的条件。

在施加热休克时，还在理论上预测(但不是实验证明)到：结果Hsp水平暂时地降低。Peper等人在理论上预测抗应激的保护作用在热休克之后可能迅速下降(即在数分钟之内)，并且这种下降持续大约3小时，然后快速恢复到预处理水平(参见Peper等人，Int.J.Hyperthermia，14(1)：97-124.1998)。

因为文献还提出LDR照射诱导Hsps，发明人假设对Hsp的诱导可能在LDR预处理现象中起作用，且发明人已发现这种预处理现象可能诱导对电离辐射去保护作用。事实上，由于指出LDR照射没有影响或者诱导抗电离辐射的保护作用，并且指出对热休克蛋白的诱导是LDR诱导的抗电离辐射保护作用的重要贡献者，因而文献的教导偏离了我们的发现。

发明人已意外地发现使(例如个体的)靶细胞接受LDR，然后根据靶细胞的性质等待1分钟或更短时间至2小时或更长时间，可以导致那些细胞对随后用致死剂量的HDR或化学治疗剂处理这些敏化细胞的有益效果暂时敏化。在不拘泥于理论的情况下，据信这种受LDR照射的细胞的敏化导致细胞中组成性Hsp暂时地把HSP结合到由LDR诱导产生的损伤位点，因此在一段时期内(直至新的HSP能被产生出来)抵抗HDR或其他应激的细胞辐射保护机制被降低直至在LDR照射后大约3个小时后出现的Hsps的正常产生将继而保护细胞以抵抗随后使细胞接受致死剂量的HDR或其他化学治疗剂或其他应激的处理导致的杀伤效应。

由于LDR的这种敏化作用是暂时的(例如，将随着时间的过去而消散，通常逐渐地在细胞接受LDR照射之后的大约20分钟至2小时(取决于细胞的性质)的时间内消散)，在本发明的一个实施方案中，使LDR敏化的细胞接受随后致死剂量HDR的照射、化学治疗剂或任何其它潜在致死性应激，但是这些细胞仍然基本上是LDR敏化的。因此，根据细胞的性质优选地在大约1分钟至大约2小时之内施加HDR、化学治疗剂或其它致死性应激。

根据接受LDR照射的细胞，细胞中Hsps的组成水平一般将在细胞被LDR敏化以将Hsps浓度降低至低于组成水平的50％、优选尽可能降低100％之后的大约2-3小时、在某些情况下稍小于2小时之后恢复。根据本发明的一个实施方案，治疗性处理可以在从被处理的细胞被LDR敏化的时刻直至所述细胞恢复它们的Hsps组成水平的时刻之间的任何时间进行。

所用的LDR的持续时间可以根据辐射的强度、被处理的细胞的类型等变化。在一个实施方案中，被处理的细胞可以接受LDR照射小于大约10分钟的时间。

依据本发明的不同的实施方案，其它应激诱导剂可以在LDR的基础上附加使用或替代LDR使用，以形成敏化细胞。例如，可以使用非电离辐射源，例如发射可见或红外辐射的激光束，来敏化细胞。可以使用紫外线作为LDR或非电离辐射以产生敏化细胞。还可以依据本发明的不同实施方案使用毒性化学物质、热、物理应力等来产生敏化细胞。

根据本发明的一个实施方案，用于施用HDR来治疗肿瘤、癌等的设备包括例如在任何医院使用的典型的X射线机或线性加速器。其它施用HDR的方式包括但不限于伽马射线源和紫外线源。

依据本发明的一个实施方案，为了利用上述的设备使用HDR对细胞进行治疗性处理，不需要对设备做改变或者除减少常用剂量以外不需改变这些设备正常使用的方式。

依据本发明的一个实施方案，可以用于治疗肿瘤、癌等的化学治疗处理包括静脉内注射这些化学治疗剂，例如紫杉醇、顺铂、博来霉素或依托泊苷。

依据本发明的一个实施方案，为了使用上述的化学治疗处理，需要对这些处理作各种改变。这些改变包括降低杀死肿瘤细胞所需的剂量。

依据本发明的一个实施方案，可以被增强的其它治疗性处理包括但不限于：急性或慢性感染的抗生素或抗病毒治疗，或者与寄生虫学有关的治疗性干预。事实上，通过降低患病组织或细胞的应激反应会得到增强的任何对患病组织或细胞的处理都将受益于我们的发现，即弱应激源可以诱导时间依赖性的应激反应降低。

依据本发明的一个实施方案，为了使用上述其它治疗性处理，可能需要改变这些处理。这种改变包括降低杀死肿瘤组织所需的剂量。

实施例

实施例I

增强电离辐射的杀伤效果

在选择两个相同的细胞区域接受HDR照射，并且那两个区域中的一个在接受HDR照射的3个或更多小时前接受LDR照射时，就观察到LDR照射的区域的存活率高于未照射区域的细胞的存活率。这表明，细胞在接受HDR照射前首先接受LDR照射将会增加接受HDR照射的细胞的存活率，因而表明那些细胞在接受这样的LDR照射之后将更难于被杀死。像现有技术的教导的，这是一个意料之中的结果。

意外的是，在本发明的一个实施方案中，给定与前一段落所述的相同的两个细胞区域，当一个细胞区域首先接受LDR照射以形成LDR敏化细胞，然后在几分钟至2.5小时内接受HDR照射，该接受LDR照射的细胞区域的细胞存活率低于未被处理的细胞区域的细胞存活率。这表明，通过在接受HDR照射或其它应激的至少2.5小时之前先使这些细胞接受LDR照射，能够将所述细胞处理得对HDR和例如毒性化学物质的其它应激更敏感(即更易于杀死)。优选的LDR敏化细胞接受HDR照射的时间窗可以依据被处理的细胞的类型和组织类型而变。例如，在某些类型的组织中，如癌细胞和乳腺癌细胞中，HDR处理的时间窗可以是该组织中细胞被LDR敏化之后的20分钟至1小时。

在LDR照射之后大约1 1/2小时获得最大去保护作用。组织在LDR照射之后立即，即在2小时或更少时间之内，对高剂量辐射的敏感性增加这一发现对于临床放射治疗和化学治疗处理有深远的含义。辐射和化学治疗后癌症的结果的显著改善的潜力似乎很大。

因此，如果在大约几分钟至2小时内，根据欲破坏的组织的类型，在施加治疗剂量的X射线能量或其它类型的电离辐射或潜在杀伤性应激之前，施加低剂量的辐射(即LDR)，则治疗剂量(例如HDR)的破坏效果增强。

低剂量可以是大约10cGy，但可以低至0.5cGy和高至50cGy。可以选择低剂量以对细胞造成一定量的可被细胞的Hsp或其他防御机制迅速修复的损伤。该损伤量可以大至足以(在修复过程中)涉及尽可能多的组成水平的Hsp，从而使此Hsp不能被用于抵抗HDR的保护。

使用LDR代替热休克作为初始处理应激，数据表明Hsp水平降低。这一结果与Peper等人预测热休克暂时地降低Hsp的水平一致，但所造成的降低的时间细节与Peper等人的理论预测明显不同(参见Peper等人，Int.J.Hyperthermia.，14(1)：97-124，1998)。

本发明人发现在某些细胞(例如鸡胚)中，保护作用在大约1.5小时的期间内缓慢减小，然后在接下来的1.5小时内增加回至未作预处理的值。因此，发现峰值去保护作用发生在LDR照射之后大约1.5小时，参见图1。在第一个1.5小时内发现的保护作用减小可能与可用的Hsp减少有关，因为它正被用于修复由LDR损伤的蛋白质而不再是游离的以保护抵抗任何HDR的照射。在第一个1.5小时内Hsp扩散至损伤的蛋白质并与它们结合。在1.5小时后所有要被结合的Hsp均发生结合。新Hsp的产生在LDR照射之后很快开始，并建立游离Hsp浓度。这导致存活率的负百分率变化的下降，并且最终导致存活率在3小时后升高，因为新产生的Hsp最终导致Hsp水平高于接受辐射之前存在的正常Hsp组成水平。在其它细胞系中，例如结肠直肠癌细胞和乳腺癌细胞中，存活率的降低可发生在LDR剂量之后的一至数分钟内，且新产生的Hsp在20分钟至1小时内产生至少等于或大于组成水平的Hsp水平，因此存活水平变得等于或大于未经LDR预处理的存活水平。

实施例II

增强化学治疗剂的杀伤效果

聚焦性LDR照射还可以与化学治疗结合使用，其益处在于它们能够增强化学治疗剂在组织的聚焦部位(即肿瘤而不是肿瘤周围的正常组织)的作用。为了去除抵抗例如同电离辐射一样作用于细胞数小时而不是数分钟的化学治疗剂或任何其它致死试剂的应激的保护作用，可以将Hsp的水平下调长于1小时的时间。为了将热休克蛋白的浓度下调长于1小时的时间，可以在使用化学治疗剂之前每天施加一次LDR，并持续数天(优选3-4天)。通过这种方式Hsp水平将保持下调多个小时。这种下调过程可以如下解释。当将应激施加于细胞时，Hsps水平首先降低大约2小时(我们在本申请中的发明)，然后在大约3小时之后升高。最后在大约10小时之后，该水平恢复至组成水平。本发明人发现如果每天重复这种应激并持续大约3天，则发生对这种应激的适应过程。由于这种适应过程，在重复每日应激之后，在施加该应激时不再诱导Hsp。

本申请所引用的所有文件、专利、期刊论文和其它材料在此引入以供参考。

虽然结合本发明的几个实施方案并参照附图充分地描述了本发明，但应该理解各种变化和改变对于本领域技术人员来说是显而易见的。这些变化和改变应被理解为包括在所附的权利要求定义的本发明的范围之内，除非它们偏离了本发明的范围。

Claims (20)

1.包括以下步骤的方法：

(a)提供个体的LDR敏化细胞；和

(b)使所述LDR敏化细胞接受杀死至少一些所述LDR敏化细胞或改变其功能的治疗性处理。

2.权利要求1的方法，其中所述LDR敏化细胞是最大敏化细胞。

3.权利要求2的方法，其中所述最大敏化细胞的热休克蛋白水平大约为所述细胞组成水平的0％。

4.权利要求1的方法，其中步骤(b)在所述LDR敏化细胞中的热休克蛋白组成水平恢复之前实现。

5.权利要求1的方法，其中所述治疗性处理包括用高剂量电离辐射处理所述LDR敏化细胞。

6.权利要求1的方法，其中所述治疗性处理包括用化学治疗剂处理所述LDR敏化细胞。

7.权利要求1的方法，其中所述治疗性处理杀死至少一些所述LDR敏化细胞。

8.权利要求1的方法，还包括以下步骤：

(c)使所述个体的细胞接受足以形成所述LDR敏化细胞的剂量的低剂量辐射。

9.权利要求8的方法，其中所述低剂量辐射的剂量为1-10cGy。

10.用于实施权利要求8的方法的系统。

11.包括以下步骤的方法：

(a)提供个体的敏化细胞；和

(b)使所述敏化细胞接受杀死至少一些所述敏化细胞或改变其功能的治疗性处理，其中所述敏化细胞中的一种或多种热休克蛋白的水平低于所述细胞的所述一种或多种热休克蛋白的组成水平。

12.权利要求11的方法，其中所述敏化细胞中的一种或多种热休克蛋白的水平比所述细胞的所述一种或多种热休克蛋白的组成水平低至少大约10％。

13.权利要求11的方法，其中所述敏化细胞中的所有热休克蛋白的水平均低于所述细胞的所述一种或多种热休克蛋白的组成水平。

14.权利要求13的方法，其中所述敏化细胞中的所有热休克蛋白的水平均比所述细胞的所述一种或多种热休克蛋白的组成水平低至少大约10％。

15.权利要求11的方法，还包括以下步骤：

(c)使所述个体的细胞接受足以形成所述敏化细胞的剂量的应激诱导剂。

16.用于实施权利要求15的方法的系统。

17.包括以下步骤的方法：

(a)提供个体的最大敏化细胞；和

(b)使所述最大敏化细胞接受杀死至少一些所述敏化细胞或改变其功能的治疗性处理。

18.权利要求17的方法，其中所述最大敏化细胞的热休克蛋白水平大约为所述细胞组成水平的0％。

19.权利要求17的方法，还包括以下步骤：

(c)使所述个体的细胞接受足以形成所述最大敏化细胞的剂量的应激诱导剂。

20.用于实施权利要求19的方法的系统。

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