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作者：周宇会 魏九峰 李国东 刘明 来源：国际肿瘤学杂志, 2017,44(10) : 762-766. 摘要 肿瘤细胞可以通过一种异常的糖代谢行为来逃避正常的细胞凋亡程序，增强增殖和迁徙能力，这种异常的糖代谢行为叫作Warburg效应，是肿瘤得以发病的关键因素。Warburg效应是肿瘤细胞在有氧的情况下通过一系列分子机制来削弱有氧呼吸，进行高效糖酵解反应，进而获得大量三磷酸腺苷(ATP)，以及制造适合肿瘤细胞生存的微环境，为肿瘤细胞制造了增殖优势。并且，Warburg效应通过局部低氧抑制T淋巴细胞的监控和杀伤力，制造肿瘤免疫逃逸。通过抑制Warburg效应相关通路，一些抗肿瘤药物如2-脱氧-D-葡萄糖、二氯乙酸等，可以更有效地抑制Warburg效应带来的肿瘤细胞增殖优势和免疫逃逸，进而抑制肿瘤细胞生长和促进肿瘤细胞死亡。另外，健康的饮食习惯也对抑制Warburg效应起着关键作用。但是目前针对Warburg效应还有很多待解决的问题，随着对Warburg效应的进一步研究，各种抗肿瘤药物的效果将被重新评估，为肿瘤防治提供新的理论基础和研究方向。 1956年，德国生理学家Warburg发现了肿瘤细胞的一种异常代谢，以有氧糖酵解的形式在肿瘤发生发展过程中起着重要作用，通过这一异常能量代谢，肿瘤细胞可以获得相关能力来逃避正常的细胞凋亡程序，进行增殖和迁徙，因此这一异常代谢成为了肿瘤研究领域的重点课题，这就是Warburg效应[1]。正常细胞体内，葡萄糖会维持一个平衡状态，在缺氧状态时，葡萄糖会转变为丙酮酸进而转变为乳酸，当氧含量正常时，丙酮酸会进入三羧酸循环。而肿瘤细胞即使在有氧情况下也不利用线粒体氧化磷酸化产能，转而利用有氧糖酵解，即Warburg效应。目前，人们已经发现Warburg效应存在于很多类型的肿瘤细胞，如果解开了其调控机制之谜，如线粒体氧化磷酸化损伤、糖代谢酶表达异常、癌基因激活、抑癌基因失活和肿瘤微环境改变等[1]，将为肿瘤预防、研究和治疗提供帮助。现对目前Warburg效应在肿瘤中的研究进展作一综述。 在Warburg效应发现之初，科研工作者就发现癌细胞中线粒体功能受损，导致有氧呼吸出现缺陷，高浓度的含氧量也不能抑制乳酸的生成[1]。因此，人们对线粒体中与代谢相关的酶基因进行了大量研究，结果表明，癌细胞线粒体中DNA含量少于正常细胞，并且存在着大量的基因突变和转录本的减少。并且基因突变直接影响线粒体电子传递链功能，降低氧化磷酸化能力。进一步研究表明，癌细胞电子传递链中的电子会从细胞色素复合物中逃逸，尤其是复合物Ⅰ(COXⅠ)和复合物Ⅲ(COXⅢ)，逃逸的电子会进一步与氧分子相结合，生成超氧化物阴离子自由基(O2－)以及其他活性氧，活性氧会导致线粒体DNA分子断裂，进而造成癌细胞线粒体DNA减少。另外，研究表明癌细胞线粒体中琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase，SDH)和延胡索酸合成酶(fumarate hydratase，FH)表达受到影响。SDH在三羧酸循环中起到重要作用，主要负责催化琥珀酸向延胡索酸转化，已有研究表明，SDH突变会导致人头颈部副神经节瘤的发生。并且，与SDH类似，FH在三羧酸循环中起到催化延胡索酸向苹果酸转化的作用，其突变会导致卵巢癌、乳腺癌等发生。SDH和FH的突变会导致琥珀酸和延胡索酸的积累，而这一系列的反应会抑制脯氨酸羟化酶活性，而低氧诱导因子需要在脯氨酸羟化酶的作用下羟化降解，因此，即使在正常氧水平下，低氧诱导因子因无法降解而大量积累，导致了癌细胞有氧呼吸反应的缺陷和糖酵解反应的进行[2]。 许多研究表明，肿瘤细胞中1，6-二磷酸果糖酶活性下调，会导致1，6-二磷酸果糖大量积累，而1，6-二磷酸果糖会刺激糖酵解反应发生。并且，糖酵解反应的进行会导致三磷酸甘油的大量积累和线粒体膜间隙氢离子(H＋)转运的减少，导致细胞质中还原型辅酶Ⅰ被乳酸盐脱氢酶氧化为氧化态NAD＋，而这一过程会促进丙酮酸转化为乳酸[3]。并且，H＋转运进线粒体膜间隙减少，会导致其在细胞外大量积累，最终导致癌细胞之间的微环境酸化，而酸化的微环境又对糖酵解有促进作用，这样会进一步促进糖酵解反应的进行，使更多的乳酸转运出细胞进入微环境和H＋留在细胞外，导致微环境进一步酸化，促进癌细胞糖酵解发生[4]。 并且，实体瘤中心微脉管密集，造成一种低氧环境，这也会导致癌细胞正常有氧呼吸系统的关闭和无氧糖酵解系统的开启，促使癌细胞以糖酵解作为能量供给的主要形式。而糖酵解过程所产生的少量三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)导致癌细胞ATP不足，进而解除细胞对能量代谢调节器基因PFKFB的抑制作用。有研究表明，过表达PFKFB4基因会激活缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)活性，促进糖酵解反应的发生[5]。 众多证据表明，癌细胞可以通过糖酵解反应获得大量ATP主要与蛋白酶B信号通路相关。首先，蛋白酶B参与控制细胞膜葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter 1，GLUT1)跨膜转运，因此促进癌细胞对葡萄糖的大量摄入。其次，蛋白酶B调控脂肪酸合成和β氧化，促进ATP合成，并且在此过程中，蛋白酶B可以通过激活下游哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)来调控糖酵解相关基因表达。此外，研究表明，在癌细胞内HIF1的大量表达也会导致人类腺激肽释放酶的高表达。HIF1参与GLUT1的调控，并且是糖酵解过程中主要参与葡萄糖转运的酶，HIF1可以通过抑制丙酮酸脱氢酶的磷酸化来阻止乙酰丙酮酸转化为乙酰辅酶A，进而抑制氧化磷酸化，而在这一过程中，c-Myc蛋白也与HIF1发挥着类似的作用。另外，正常细胞内P53通过抑制GLUT1转录激活来调控氧化呼吸作用和糖酵解反应的平衡，但是癌细胞内P53缺失会导致核转录因子-κB通路的激活，导致GLUT3的高表达和葡萄糖转运速率的提升。因此，癌细胞内HIF1、c-Myc和P53作为3个重要的转录因子，将细胞氧化呼吸反应转化为糖酵解反应[6]。 首先，Warburg效应为癌细胞提供生长增殖优势。Warburg效应通过导致癌细胞有氧呼吸反应的缺陷和糖酵解反应的进行、微环境进一步酸化和促进癌细胞糖酵解发生以及诱导各种促进糖酵解反应的转录因子，增强了癌细胞糖酵解能力，为癌细胞提供了一种高效利用糖类产生ATP的方式。通过这种方式促进癌细胞对葡萄糖的摄取，增加了ATP和细胞生长所需的很多代谢前体物质的产量。这为癌细胞DNA复制、蛋白质合成提供了能量和原材料，进而支持了肿瘤的生长发展[1]，如蛋白激酶B(Akt)就是一种增强肿瘤细胞糖酵解的重要基因，它编码一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，处于磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-Akt信号通路的核心位置，促进葡萄糖载体定位到肿瘤细胞膜和维持己糖激酶活性等多种转录后机制，刺激糖摄取和糖酵解。另外Akt还可以促进细胞体积增大、代谢活性增强和细胞存活。并且，Warburg效应过程中所影响的多种酶具有阻止癌细胞凋亡、增强侵袭性的作用，这对肿瘤的发生发展有直接的影响，如Warburg效应中激活的蛋白酶B可以通过激活己糖激酶2(hexokinase 2，HK2)来抑制癌细胞凋亡，Warburg效应中抑制的1，6-二磷酸果糖酶是糖异生途径中的限速酶，该酶的抑制可促进肿瘤的发生和转移[7]。 其次，T淋巴细胞是维持机体健康、免于疾病的重要防线，然而癌细胞可通过各种原因导致T淋巴细胞免疫监控和杀伤力丧失，这种情况被称为肿瘤免疫逃逸[8]。Warburg效应促进癌细胞在微环境有限的供血条件下，与效应T细胞竞争摄取葡萄糖，为肿瘤免疫逃逸提供了帮助。T淋巴细胞包含各种亚群，其中效应T细胞主要以无氧酵解为主要能量代谢方式。并且，效应T细胞增殖过程中合成的核酸、蛋白质等需要大量的能量依赖，Warburg效应导致的癌细胞生长优势大量摄取葡萄糖，而葡萄糖的缺乏可导致能量的缺乏，最终导致效应T细胞的增殖受抑制[9]。低氧环境中，效应T细胞磷酸腺苷与二磷酸腺苷的比值(AMP/ADP)显著升高，导致肝激酶B1激活腺苷酸活化蛋白激酶α1。腺苷酸活化蛋白激酶α1被认为是T淋巴细胞对微环境中葡萄糖浓度的感受器，其被低糖环境激活后，抑制T淋巴细胞信号传导网络的关键分子mTORC1，进而抑制效应T细胞的增殖和分化。 最后，Warburg效应促进细胞糖酵解反应的进行，产生大量乳酸，这些乳酸在造成微环境酸化的同时，可经由单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporter，MCT)转运出细胞，在内皮细胞激活白细胞介素-8通路，使内皮细胞发生细胞迁移，为血管生成提供基础，并且通过促进血管内皮生长因子生成而促进血管生成[10]。另外乳酸促进内皮细胞白细胞介素-8基因表达，也对血管生成起到促进作用[11]。这些作用都帮助Warburg效应促进肿瘤形成。同时，T淋巴细胞糖酵解产生的乳酸向细胞外转运能力与细胞内外的乳酸浓度比密切相关。癌细胞释放的大量乳酸使T淋巴细胞周围乳酸浓度升高，这抑制了T淋巴细胞糖酵解产生乳酸的外排，导致T淋巴细胞细胞内环境的酸化，也造成了T淋巴细胞糖酵解受到抑制，促进肿瘤免疫逃逸[12]。因此乳酸的生成为肿瘤生存优势和免疫逃逸创造了条件，并且，在实体瘤中，肿瘤乳酸代谢与癌侵袭密切相关。一方面，肿瘤细胞通过乳酸诱导的血管生成为细胞迁移创造了环境，导致迁移细胞增多[10]；另一方面，肿瘤细胞释放大量乳酸到细胞外，使细胞内外乳酸浓度比发生变化，免疫细胞由于不能释放出自身乳酸，从而最终因自身乳酸窒息而亡，导致免疫逃逸，也促进了肿瘤转移[11]。已有实验证实乳酸可以通过MCT1、MCT4进入内皮细胞并转运，刺激转录核因子-κB/白细胞介素-8通路引起细胞迁移和血管生成，而且伴随着H＋的运输，细胞内pH值下降，酸性环境也会导致细胞内毒性T细胞的功能下降[10]。一系列反应促进了肿瘤细胞的免疫逃逸，为癌细胞营造了更适合转移侵袭的环境，逃避了代谢压力，从而避免凋亡。乳酸的积累是肿瘤微环境改变的一个重要方面，是肿瘤细胞转移的一个决定性事件。 Warburg效应为肿瘤细胞的生长提供优势依赖于糖酵解途径。因此，一些药物通过调控细胞能量获取途径，改善线粒体氧化磷酸化缺陷，抑制糖酵解，可以有效地抑制Warburg效应重要通路，进而为通过抑制Warburg效应来抑制肿瘤细胞的生长优势和促进肿瘤细胞的死亡提供了新的抗肿瘤策略。 2-脱氧-D-葡萄糖(2-deoxy-D-glucose，2-DG)是一种已经被发现具有抗肿瘤效应的药物，2-DG抗肿瘤效应主要来自于其调控细胞能量代谢、促进氧化应激、促进细胞自噬等功能[13]。近来有研究表明，2-DG也可以通过抑制Warburg效应来达到抗肿瘤效果[13]。2-DG在进入细胞后可以被HK2磷酸化为6-磷酸-2-脱氧-D-葡萄糖，而6-磷酸-2-脱氧-D-葡萄糖不可被糖酵解反应利用，因此抑制了癌细胞糖酵解反应的进行，癌细胞ATP合成因此减少，而ATP与磷酸腺苷比例的缩小会导致腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)激活，进而导致mTOR磷酸化和失活，并且，大量积累的6-磷酸-2-脱氧-D-葡萄糖通过非竞争抑制效应抑制了HK2的活性[14]。另外，在ATP减少的过程中，癌细胞内的P53可以利用ATP的减少来重新调整细胞氧化呼吸反应和糖酵解反应的平衡，使其恢复到平衡状态[15]。因此2-DG多方面抑制了Warburg效应，阻断癌细胞的细胞周期，进而抑制癌细胞的生长，导致癌细胞死亡。 另外，二氯乙酸是一种用来治疗糖尿病患者糖类与脂类代谢异常的特效药物。近年来研究表明，糖尿病与肿瘤有着密切的联系[16]，因此二氯乙酸对癌细胞的抑制效果也受到关注。研究表明，二氯乙酸可激活丙酮酸脱氢酶复合物，而丙酮酸脱氢酶复合物主要存在于线粒体基质，是氧化磷酸化反应的重要参与者，直接调控β氧化等与有氧呼吸相关的反应[17]。在癌细胞中，丙酮酸脱氢酶复合物会被丙酮酸脱氢酶激酶磷酸化，进而失去其活性，而二氯乙酸可以通过抑制丙酮酸脱氢酶激酶来保持丙酮酸脱氢酶复合物的活性。相关数据表明，在口服二氯乙酸15～30 min后，高乳酸血症患者体内乳酸水平会显著下降，因此二氯乙酸可通过抑制Warburg效应来抑制癌细胞的生长和增殖。 最后，3-溴丙酮酸(3-bromo pyruvic acid，3-BP)也是一种被广泛认可的可以抑制糖酵解反应的药物。实验表明，经3-BP处理后的肺癌模型大鼠耗糖量显著低于未经处理的肺癌模型大鼠，这证明3-BP显著抑制了大鼠癌细胞对糖的分解利用。利用大鼠肝癌模型实验对其机制进行相关研究，结果表明癌细胞的乳酸运载体无法将3-BP与乳酸进行有效区分，因此运送很多3-BP进入细胞，从而抑制了细胞ATP合成。另外，有实验表明，3-BP还可以通过非P53途径促进癌细胞死亡，进而达到抑制肿瘤的作用。 这些结果均表明，相关药物若可以抑制Warburg效应相关通路，如糖酵解、重要转录因子等，都可以很好地达到抑制癌细胞生长和增殖的效果，进而发挥明确的抗肿瘤效应。因此，通过阻断Warburg效应来抗肿瘤是一个重要的研究方向。 另外，促进糖酵解向有氧氧化转变也是抑制Warburg效应治疗肿瘤的一个新思路，当细胞从糖酵解获得ATP转而通过线粒体氧化磷酸化获能时，可以提高肿瘤细胞对抗癌药物的敏感性。如通过二氯乙酸抑制磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1而激活丙酮酸脱氢酶，促进乳酸变为丙酮酸进而进入线粒体氧化，这对线粒体氧化磷酸化损伤的肿瘤尤为有效。二氯乙酸还可促进肿瘤细胞线粒体产生活性氧，而对正常细胞没有此作用，因此对线粒体功能完整的肿瘤细胞单纯抑制糖酵解效果有限，如果同时应用线粒体呼吸活性抑制剂来强化杀伤肿瘤细胞作用，效果非常显著。 肿瘤通过免疫逃逸获得生长繁殖也是Warburg效应提高肿瘤发生率的一个重要机制[8]。而肿瘤产生的一系列可溶性因子是能够直接或间接抑制免疫反应的重要因素，如卵巢癌细胞分泌的细胞因子、黑色素瘤细胞分泌的CCL2等。因此，阻断这些因素的作用对诱导有效的抗肿瘤免疫反应具有重要的作用。另外，阻断细胞内抑制性信号通路，也是通过抑制Warburg效应引起免疫逃逸进而增强抗肿瘤效应的新策略，如信号传导和转录激活子3已经被证实是肿瘤免疫治疗中的重要靶分子，利用信号传导和转录激活子3可以有效地恢复T淋巴细胞杀伤力和监控能力，恢复机体自身的抗肿瘤效应。 饮食与健康的关系非常密切，相关研究表明，低卡路里摄入可以显著延长人的寿命，对其机制研究表明，这与抑制mTOR活性以及激活去乙酰化酶活性相关[18]。低卡路里延长人寿命的主要机制是减少肿瘤的发病率。实验表明，过表达体内单酰基甘油脂酶可导致游离脂肪酸的大量积累，最终导致肥胖，致密的脂肪细胞会使细胞团内部处于缺氧状态，继而细胞糖酵解反应与有氧呼吸反应平衡破坏，Warburg效应促进细胞癌变和增殖[19]。因此，不健康的饮食也是引起Warburg效应的一个关键因素，反之，控制饮食的健康也是治疗肿瘤的一个新手段。 肿瘤细胞代谢的改变给肿瘤微环境造成了非常大的影响，使微环境pH值和代谢产物都发生了相应的变化，导致肿瘤细胞的Warburg效应，促进肿瘤细胞的糖酵解反应，为肿瘤细胞生长提供了大量中间产物和能量，使得肿瘤细胞获得生长优势，逃避代谢压力，促进肿瘤细胞免疫逃逸，并且增强了其侵袭能力，也为转移提供了合适的环境和条件。许多药物如抗新生血管药物的机制主要是抑制微环境中新生血管的生成，从而减少肿瘤细胞发生血行转移的可能，同时减少微环境中营养物质和氧供应，但是肿瘤Warburg效应导致的肿瘤细胞生长优势，使得微环境中营养物质的缺乏对其他细胞的影响大于肿瘤细胞，如对免疫细胞的影响可导致肿瘤免疫逃逸。另外，缺氧环境也有利于多种信号通路的活化，从而促进癌细胞增殖。因此，目前许多抗癌药物还需要从Warburg效应方面重新评估。 Warburg效应使癌细胞通过提高糖酵解速率高效地利用葡萄糖，不仅为癌细胞的生长增殖提供了ATP，还为肿瘤细胞生物合成提供了大量中间产物，并且为癌细胞创造了适合生存的微环境，促进了癌细胞的快速生长，帮助其逃避代谢压力如氧化损伤等，以及逃避细胞凋亡和机体免疫，同时增强了细胞侵袭和转移能力。因此，研究者需要进一步研究Warburg效应的产生机制，针对癌细胞Warburg效应所产生的糖代谢特点，重新评估各种药物的抗癌效果，进而有效地利用药物以及优化饮食配置等达到治疗和预防肿瘤的作用。另外，Warburg效应促进肿瘤细胞已糖酵解途径获得生长优势，因此，利用糖酵解过程的代谢特点设计抗肿瘤药物不失为一巧妙的途径。如果可以掌握筛选肿瘤细胞特异性高表达糖酵解酶亚型的手段，特异地抑制肿瘤糖酵解反应，将是通过Warburg效应抑制肿瘤生长的可行方案。同时，肿瘤细胞异质性和微环境可变性使得糖酵解酶表达和活性呈多种变化，因此单一糖酵解酶的靶向治疗作用相对有限，针对多个糖酵解酶靶点的联合治疗方案可能会取得更好的效果。综上所述，对Warburg效应的研究为肿瘤防治提供了非常重要的理论基础和新的研究方向。 |
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