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曹超，黄伟，肖志强 （肿瘤蛋白质组转化医学湖南省高校重点实验室） （中南大学湘雅医院癌变机理与靶向治疗研究室） 有氧糖酵解以及谷氨酰胺（glutamine)分解代谢活跃是肿瘤细胞代谢的基本特征，两者互补以满足肿瘤细胞对能量和生物大分子合成原料的需求。因此，揭示肿瘤代谢异常的机制，研发干扰肿瘤代谢的药物，有望改善肿瘤的治疗效果。 细胞代谢改变，尤其是能量代谢的改变，是肿瘤细胞十大特征之一。早在上20世纪初，Otto Warburg证实，即使在氧气充足的状态下，肿瘤细胞仍采取糖酵解的方式代谢葡萄糖，后来肿瘤细胞这种特征性的代谢方式被命名为Warburg效应，又称有氧糖酵解。有氧糖酵解、谷氨酰胺分解代谢活跃等区别于正常细胞的能量代谢模式，满足了肿瘤细胞快速生长和增殖对于ATP、大分子合成原材料及NADH/NADPH等还原当量的需求，同时也为肿瘤药物开发及治疗提供了理想靶点, 使肿瘤代谢研究成为攻克肿瘤的新希望。然而，同基因异质性一样，肿瘤细胞的代谢同样呈现出明显的异质性特点，即肿瘤细胞代谢没有单一的普遍的改变，况且肿瘤细胞在生长和治疗的过程中会产生不同的遗传变异，也会表现出不同的代谢特性。因此，深入研究和认识肿瘤代谢异质性，对于指导肿瘤代谢研究，加速靶向肿瘤代谢药物的研发以及开展个体化肿瘤代谢治疗具有重要意义。 正常细胞将葡萄糖分解成丙酮酸后，进人三羧酸循环，生成还原性辅酶NADH和FADH2，经呼吸链传递耦联的氧化磷酸化，将〇2还原成水， 生成大量ATP,从而为细胞的生命活动提供能量。而肿瘤细胞将葡萄糖分解成丙酮酸后，经乳酸脱氢酶催化生成乳酸，进行有氧发酵提供能量，即 Warburg效应。因此，肿瘤细胞会加速葡萄糖的吸收和利用，为肿瘤细胞的快速生长和增殖提供足够的能量。体内、外实验均证实葡萄糖转运蛋白（glucose transport proteins，Glut)家族、乳酸转运蛋白即单羧酸转运载体、乳酸脱氢酶等在多种类型肿瘤中表达上调, 18FDG-PET/CT等临床检测手段也证实肿瘤细胞的葡萄糖摄取速度明显高于正常细胞。 尽管有氧糖酵解是肿瘤细胞能量代谢的主要类型，但实际上，即使在依赖于有氧糖酵解供能的肿瘤细胞中，其氧化磷酸化功能并未缺失，氧化磷酸化作用也并未完全停止，有些细胞甚至依赖于氧化磷酸化供能。因此，肿瘤细胞的糖代谢存在明显异质性。①同一肿瘤不同亚型之间糖代谢的差异：如人胶质瘤细胞系U251MG和U87MG为典型的有氧糖酵解表型，对葡萄糖饥饿敏感, 而对呼吸链抑制剂的耐受能力强，而另一株胶质瘤细胞系D-54MG则为氧化磷酸化表型，对呼吸链抑制剂敏感，对葡萄糖饥饿耐受能力强;三阴乳腺癌组织以有氧糖酵解为主，而雌激素受体阳性的乳腺癌组织则以氧化憐酸化为主;良性前列腺肿瘤和高分化前列腺癌以氧化磷酸化为主， 而低分化及激素抵抗的前列腺癌以有氧糖酵解为主；②同一肿瘤亚型两种糖代谢模式共存：如糖酵解抑制剂利托那韦（通过抑制Glut4降低肿瘤细胞葡萄糖摄入）抵抗的黑色素瘤和宫颈癌等肿瘤细胞，其氧气消耗速率与处理前母细胞的氧气消耗速率无明显差异，进一步利用氧化磷酸化抑制剂二甲双胍处理则能显著降低利托那韦抵抗细胞的氧气消耗速率，引起细胞的凋亡，且利托那韦和二甲双胍的联合应用，呈现出了明显的协同，肿瘤细胞的凋亡率明显增强，同时这种协同效应在组织和动物水平均得到证实。另外，低分化胶质瘤组织中的不同部分存在不同代谢表型：肿瘤组织中心部位的乳酸/丙酮酸比值大于1，提示其以糖酵解能量代谢为主，而外周肿瘤组织的细胞色素C氧化酶活性增高，提示其以氧化磷酸化代谢为主。在三阴乳腺癌组织中，78%的组织标本为有氧糖酵解表型，而剩余的组织为非糖酵解表型M;③肿瘤干细胞和非肿瘤干细胞代谢模式不同，如患者来源的低代数胶质瘤和白血病干细胞依赖于氧化磷酸化，而其分化的子代癌细胞则依赖于有氧糖酵解。 葡萄糖和谷氨酰胺是肿瘤细胞能量代谢、合成代谢消耗最多和最常见的营养物质。葡萄糖的有氧酵解，不仅能为细胞提供能量和还原当量（NA- DPH),其中间产物也为生物大分子合成提供前体物质，如6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛和3-磷酸甘油酸等糖酵解中间产物可以通过磷酸戊糖途径等参与核酸、脂肪酸、磷脂等细胞生长增殖所需的大分子合成，因此，肿瘤细胞通过对葡萄糖的快速吸收和代谢，为其快速生长和增殖提供能量和原料。 谷氨酰胺分解代谢活跃是肿瘤细胞的另一个基本代谢特征。谷氨酰胺是人体血液中最丰富的游离氨基酸，是癌细胞快速生长和增殖的必需营养物质，肿瘤细胞对其的消耗量仅次于葡萄糖。谷氨酰胺经谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS)催化生成谷氨酸和氨,接着谷氨酸脱氢酶（glu¬tamate dehydrogenase, GLUD) 1 将谷氣酸转换成 (a-酮戊二酸，a-酮戊二酸进入三羧酸循环，从而弥补葡萄糖有氧酵解、中间产物被用于其他合成代谢所导致的三羧酸循环底物不足，为肿瘤细胞的生长提供ATP;谷氨酰胺代谢产生的氨等物质，作为细胞内重要的氮源，是蛋白质和核酸合成的重要原料；同时，谷氨酰胺是细胞内抗氧化剂谷胱甘肽合成的重要前体物质。因此，谷氨酰胺代谢增强，不仅为肿瘤细胞生长提供能量和大分子合成的前体物质，同时其生成的谷胱甘肽能抵抗代谢过程中产生的活性氧等氧化压力，维持细胞的氧化还原平衡，避免细胞受到氧化损伤而凋亡。因此，葡萄糖和谷氨酰胺是肿瘤细胞生长、增殖的重要营养物质。 除了葡萄糖和谷氨酰胺以外，甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、醋酸盐，甚至细胞外的蛋白质、脂质等大分子物质皆能成为肿瘤细胞的代谢底物支持肿瘤细胞的生长。比如，尽管细胞可以利用葡萄糖合成甘氨酸和丝氨酸等非必需氨基酸， 但实际上，外源甘氨酸和丝氨酸与肿瘤细胞的生长密切相关，甘氨酸吸收速率与肿瘤细胞的DNA合成速率、细胞增殖正相关；而丝氨酸在肿瘤细胞代谢中的作用似乎比甘氨酸更重要，因为尽管丝氨酸和甘氨酸能相互转化，丝氨酸能弥补甘氨酸的缺失导致的细胞效应，而反之，甘氨酸却不具备这种补缺作用。同时，某些肿瘤细胞还能通过胞吞作用吸收胞外的大分子蛋白质，通过溶 成为氨基酸，而支持补充细胞代谢； 肿瘤细胞还能吸收和降解细胞外的溶血磷脂，为脂肪酸合成提供前体物质。最近的研究表明：在血清或培养基中含量很低的乙酸盐也能作为肿瘤细胞的代谢底物，在脂肪酸合成和三羧酸循环中发挥重要 作用，肿瘤细胞的凋亡率明显增强，同时这种协同效应在组织和动物水平均得到证实'另外，低分化胶质瘤组织中的不同部分存在不同代谢表型：肿瘤组织中心部位的乳酸/丙酮酸比值大于1，提示其以糖酵解能量代谢为主，而外周肿瘤组织的细胞色素C氧化酶活性增高，提示其以氧化磷酸 化代谢为主。在三阴乳腺癌组织中，78%的组织标本为有氧糖酵解表型，而剩余的组织为非糖 酵解表型M;③肿瘤干细胞和非肿瘤干细胞代谢模式不同，如患者来源的低代数胶质瘤和白血病干细胞依赖于氧化磷酸化，而其分化的子代癌细胞则依赖于有氧糖酵解。 肿瘤代谢模式的改变皆为满足其快速生长和增殖对生物原料和能量的需求。但在具体的实现方式上均呈现出了明显的多样性，无论是代谢途径还是代谢底物。这种代谢异质性的根源在于：肿瘤是一种基因疾病，其遗传背景的异质性决定了肿瘤代谢调控的多样性，况且肿瘤在生长和治疗过程中产生不同的遗传突变，也会表现出不同的代谢特性。最近，一项大规模研究中分析了来自22个肿瘤类型的基因表达谱，识别了多个与肿瘤相关的代谢表达改变以及干扰它们合成必要构件能力的潜在药物靶点。该项研究发现：在肿瘤代谢中没有单一的普遍的改变。除了与核苷酸合成、有氧糖酵解等过程相关的基因在大部分肿瘤中上调外，与氧化磷酸化、三羧酸循环等过程相关的基因在不同肿瘤中的表达呈现出了明显的异质性，并且具体到某一代谢途径，如有氧糖酵解的基因调控亦具有明显的异质性。肿瘤细胞代谢基因调控的异质性主要体现有以下几个方面：①调控基因数量多、性质多样：目前已证实 Aktl, PI3K, c-Myc, p53, k-Ras, Met, LKB1, mTORCl, AMPKs等数十种基因可以调控肿瘤代谢。根据其在肿瘤中的作用，它们中既 有Akt和c-Myc等癌基因，也有p53, PTEN和 LKB1等抑癌基因。根据其表达产物的功能，它们中有p53，c-Myc，HIFla和STAT3等转录因子，有Akt、AMPK和LKB1等蛋白磷酸化激酶, 有k-Ras等GTPase酶，有SIRT4等组蛋白去乙酰化酶，也有IGF-1等生长因子;②代谢调控靶点和方式的多样性：mTORCl/HIFla是肿瘤代谢调控中接受上游调控信号，发挥相应生物学效应的主要信号轴，但不是肿瘤代谢调控的唯一方式。比如癌基因Aktl可以通过磷酸化抑 制F0X03a,下调结节性硬化复合物（tuberous sclerosiscomplex, TSC)1 表达，或直接磷酸化TSC2，解除TSC1/2对mTORCl的抑制， 激活mTORC 1-HIF1a信号轴，促进糖酵解相关基因的表达，而间接调控肿瘤糖代谢;同时，Aktl可以直接磷酸化己糖激酶（hexoki- nase，HK)和磷酸果糖激酶 2等代谢酶活性而增强糖酵解。抑癌基因p53和LKB1可以分别通过上调PTEN表达，磷酸化AMPK，抑制mTORCl-HIFla的活性，间接抑制有氧糖酵解，也可以通过直接调控HK2、TP53诱导的糖酵解和凋亡调节因子和 SC02B 的表达直接抑制有氧糖酵解，促进氧化磷酸化; ③同一代谢调控信号具有组织特异性，即在不同组织类型中其作用不同：由于不同组织基因表达谱的差异，某一特定的调控信号在不同组织中的生物学效应不一定相同。如在Myc诱发的小鼠肿瘤模型中，肝肿瘤组织的葡萄糖代谢和谷氨酰胺代谢均增强，而在肺肿瘤组织中仅有谷氨酰胺代谢的增强，而葡萄糖代谢无明显变化。 肿瘤的发生发展是基因改变与环境相互作用的结果。肿瘤微环境是由肿瘤细胞与周围脉管细胞、炎症及成纤维细胞等基质细胞相互作用形成的一个低氧的酸性体系。低氧和低pH值作为肿瘤微环境的主要特征，在肿瘤代谢适应中发挥了重要作用。 在肿瘤起始阶段，基因改变导致的恶性细胞的快速增殖，导致了氧气和营养物质的持续消耗，造成了局部的梯度缺氧环境（肿瘤内部氧气最低), 缺氧细胞的能量代谢由有氧条件下的氧化鱗酸化转变为低氧下的应激性糖酵解；然而，由于肿瘤细胞无限增殖的特性及肿瘤诱导新生的血管功能低下和紊乱，低氧成为了肿瘤微环境的常态，这种持续存在的低氧选择压力，使肿瘤细胞的糖酵解特性得以保留和遗传，即使在有氧条件下也依赖于糖酵解供能。因此，氧气的梯度分布是肿瘤细胞能量代谢异质性的重要原因。比如在早期的人胶质瘤组织中，肿瘤外围组织（氧气浓度相对较高）细胞色素C氧化酶活性高，能量代谢以氧化憐酸化为主，而肿瘤中心组织乳酸/丙酮酸的比值大于1,能量代谢以糖酵解为主，乳酸作为糖酵解的主要产物，在肿瘤细胞糖酵解中不断产生和累积，经膜上的 MCT4、V型等转运到细胞外，形成一个细胞间低pH值（pH5.5〜6.9)的酸性环境。这种源于糖酵解肿瘤细胞的胞外高浓度乳酸， 可以被缺乏营养供给的肿瘤细胞通过膜上的MCT1摄取，以支持细胞生长。 HIFla作为细胞低氧应激的关键因子，在促进肿瘤细胞的低氧糖酵解适应和酸性环境形成中发挥了重要作用。HIFla既可以通过上调Glutl和 Glut3提高肿瘤细胞的葡萄糖摄取速率，又能通过上调糖酵解中的关键性代谢酶HK1/2、PKM2和LDHA的表达加速糖酵解的进程，也能通过促进MCT4的表达加速糖酵解产物乳酸的向外分泌，维持细胞内的碱性环境，还可以通过上调丙酮酸脱氢酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase, PDK) 1抑制丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydroge¬nase, PDH) 活性而抑制细胞的氧化磷酸化。除了低氧能激活HIFla外，即使在正常氧浓度下，胰岛素、表皮生长因子及白介素等生长因子和激素、 PTEN缺失，HER2过表达等也能通过相应机制激活PI3K/Akt/mT0RCl通路而最终激活HIFla。因此，肿瘤早期的糖酵解可能是低氧诱导激活HIFla活性的结果，是细胞的一种应激反应；而肿瘤的有氧糖酵解，则是长期低氧环境下，肿瘤细胞相关基因突变选择、富集，最终获得可遗传的稳定HIFla活性的结果。 肿瘤代谢异常除了满足肿瘤细胞生长和增殖的需求外，与肿瘤的侵袭转移同样有着密切关系。 目前的研究提示，有氧糖酵解有利于肿瘤的侵袭转移，而氧化磷酸化抑制肿瘤细胞的侵袭转移。 失巢凋亡抑制是癌症细胞在循环过程中生存的一个先决条件，在肿瘤转移中可能扮演一个重要角 色。与氧化磷酸化相比，有氧糖酵解产生的R0S 少，ROS引起的失巢凋亡下调有利于肿瘤细胞转移，这一观点在相关实验中得到了验证。如PDK1和PDK3 (TCA循环负调控因子，通过憐酸 化PDH，阻止丙酮酸进人TCA循环）分别在头颈部鳞癌和结肠癌组织中高表达，且与相应组织的病理分期正相关，与预后呈负相关；在肺癌小鼠模型中，抗氧化剂能加速肿瘤的形成和转移.另外，有氧糖酵解形成的微环境，有利于肿瘤的侵袭转移。如上所述，低氧和酸性是肿瘤微环境的两大特征。低氧能通过激活HIFla,上调基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP ) 2 和 9及明胶酶等的活性促进细胞外基质的降解而促进细胞侵袭转移;酸性环境一方面能通过激活 P53依赖的细胞凋亡途径，引起肿瘤基质细胞的凋亡，同时也能促进肿瘤细胞分泌透明质酸酶等细胞外基质降解酶而促进细胞的侵袭。尽管绝大多数的研究提示，氧化磷酸化不利于肿瘤侵袭转移，但是这些都是以转移前或者已完成转移的肿瘤细胞或组织作为研究对象而得出的结果， 而忽略了处于转移进程中的肿瘤细胞的代谢情况。 最近的研究表明，线粒体新生和氧化磷酸化在肿瘤的侵袭转移中发挥了重要作用。通过比较移植瘤小鼠血液中的循环癌细胞（circulating tumor cells, CTC),原位瘤细胞（primary cancer cells, PCC )和肺转移细胞（metastatic cancer cells， MCC )的代谢模式后发现，与PCC和MCC相比， CTC中过氧化物酶体增殖物激活受体Y辅助活化因子（peroxisome proliferates- activated receptor Y coactivator, PGC)-la介导的线粒体新生及氧化磷酸化代谢明显增强，Twist、Snail等EMT相关基因也相应上调，而糖酵解等其他代谢则未出现明显改变。另外，PCC和MCC的基因表达谱无明显差异；下调肿瘤细胞中PGC-la的表达，无论在细胞水平还是在动物水平，均能明显抑制线粒体新生、氧化磷酸化、CTC数目以及细胞的侵袭和转移，但不影响细胞的生长及EMT等其他进程; 同时，免疫组化结果也证实PGC-la在乳腺浸润性导管癌的侵袭面细胞和远端转移组织中高表达, 且与预后呈负相关。该研究表明,线粒体新生和氧化磷酸化代谢的阶段性增强在肿瘤细胞侵袭转移的进程中发挥了关键作用，也进一步说明肿瘤代谢与肿瘤生物学特性的密切关系。 肿瘤细胞特征性的有氧糖酵解途径，为肿瘤治疗提供众多潜在的靶点。如抑制Glutl/3可降低肿瘤细胞的葡萄糖摄取；抑制糖酵解中HK、 PFK, PKM2. PDHfDLDH等关键性催化酶活性, 可抑制糖酵解进程；抑制HIFla和mTOR等代谢调控蛋白，可抑制糖酵解和谷氨酰胺代谢等进程等。肿瘤代谢与治疗的研究现状，详见相关综述。本文主要讨论肿瘤代谢异质性对肿瘤代谢靶向治疗的影响。 首先，有氧糖酵解和氧化磷酸化代谢的不平等共生，决定了联合抑制的必要性。如上所述， 尽管多数肿瘤细胞常为有氧糖酵解表型，但是体内和体外实验均证明，有氧糖酵解和氧化磷酸化共存几乎是普遍存在的，因此，单独抑制糖酵解疗效有限，更何况少数的氧化磷酸化表型的细胞可能为肿瘤干细胞。比如利托那韦（有氧糖酵解抑制剂）和二甲双胍（氧化磷酸化抑制剂）在抑制黑色素瘤细胞生长中表现出了明显的协同作用。其次，肿瘤代谢底物多样性和互补性，决定了抑制单一代谢底物摄取治疗方式的短效。尽管葡萄糖是肿瘤代谢首选底物，但实际上，在葡萄糖缺乏时，肿瘤细胞可以通过摄取谷氨酰胺、 醋酸盐和丝氨酸等其他底物进行代谢补偿，因此， 同其他类型药物的联合使用有助于提髙治疗效果和有效时间。目前，Glutl抑制剂双氢青蒿素和根皮素分别与2-脱氧-D-葡萄糖和柔毛霉素的联用在抑制肿瘤生长、诱导细胞凋亡上均表现出了相加效应。另外，靶向肿瘤微环境可提高化疗药物疗效，因为低氧和低pH值是肿瘤微环境的两大特征，也是导致肿瘤耐药和放疗抵抗的重要原因。同时，酸性环境将降低肿瘤细胞对弱碱性化疗药物的吸收，从而降低其抗肿瘤活性。因 此，逆转肿瘤低氧和酸性环境，将有助于提高肿瘤细胞对放化疗的敏感性，这也在众多试验中得到了验证。最后需要强调的是，肿瘤代谢既是一个动态的细胞反应网络又是复杂的基因调控网络。癌细胞通常利用多种代谢途径开启它们的生长程序，我们可以破坏一条，但细胞通常会寻找到另一条信号通路来启动增殖。因此，靶向肿瘤代谢、夺取细胞的能量或原材料和切断肿瘤燃料供应可能成为肿瘤代谢治疗的强有力手段，这使肿瘤细胞无路可逃。 肿瘤细胞区别于正常细胞的代谢模式，满足了肿瘤细胞生长、增殖及转移等过程的物质、能量及还原当量的需求，为肿瘤药物开发提供了众多潜在的靶点。然而，遗传背景和环境不同导致的肿瘤细胞异质性，决定了肿瘤代谢的异质性。 因此，深人研究和认识肿瘤代谢异质性，对于阐明肿瘤代谢异常的分子机理，加速靶向肿瘤代谢药物的研发，开展个体化肿瘤代谢治疗无疑具有重要作用。 内容来源：《肿瘤代谢与营养电子杂志》 |
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