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01 肿瘤与线粒体的关系 在15亿多年与真核细胞共同生存共同进化的过程中，线粒体发展出了控制细胞凋亡级联反应的能力。线粒体在生理和病理过程中都发挥着重要的功能，是调节细胞凋亡的重要内在途径。众所周知，线粒体产生的能量对真核细胞而言是必不可少的。同时，线粒体也是细胞死亡的主要调节细胞器，线粒体中存在着数十种凋亡相关的信号通路。当线粒体外膜通透性发生改变时，线粒体基质中的凋亡相关蛋白释放到细胞质中即可诱导细胞凋亡(Galluzzi et al 2012)。 肿瘤细胞多药耐药（MDR）的产生也与线粒体相关。MDR是导致化疗失败的主要原因之一。MDR的发生与细胞膜上的多种蛋白相关，例如能量依赖的P-gp蛋白在ATP的辅助下可以将化疗药排出细胞。P-gp运转所需的ATP主要来自于线粒体。旺盛的能量需求下，线粒体更多的通过糖酵解途径生成ATP (Zhang et al 2021)。 肿瘤细胞中长期的线粒体代谢失调，使得线粒体呼吸链上电子泄露。呼吸链上泄漏的电子被其他物质捕获产生大量的活性氧物种，导致肿瘤细胞氧化压力升高。与正常细胞相比线粒体更为脆弱。因此，通过调控线粒体代谢或通过刺激线粒体膜通透性改变来诱导癌细胞的凋亡是一种极具应用潜力的治疗方法 (Thomas et al 2019)。  图1 线粒体对细胞死亡的控制 02 线粒体的结构和生物功能 线粒体作为一种亚细胞器存在于大多数的细胞中。线粒体是细胞进行呼吸作用产生能量的场所。通常在细胞中，线粒体主要以球状，棒状或细丝状存在。细胞中的线粒体尺寸各异，长度一般在500 nm-2 μm之间。对于一些能量需求庞大的细胞，其线粒体的体积也会更大。比如，部分胰脏分泌细胞中线粒体可长达20 μm；神经元胞体中的线粒体也可长达10μm；人类成纤维细胞的线粒体则更长，可达40 μm。 线粒体具有两层膜结构。外膜上具有较高的通透性，许多整合蛋白作为孔道蛋白镶嵌在线粒体外膜上。外膜上的孔道大约2-3纳米。作为线粒体最外层的膜结构，线粒体外膜允许小分子和粒子正常的通过，而大的蛋白则一般无法通过蛋白孔道运输。线粒体内膜通透性较差，物质跨线粒体内膜运输几乎都需要特殊的跨膜转运蛋白的参与(Frey and Mannella 2000 )。  图2 经典线粒体结构 对于线粒体精确的膜结构，主要存在两种模型假说。当线粒体的形貌第一次在电子显微镜上被观察到时，两种关于线粒体膜结构就存在两种假说。在这两种假说中，对于线粒体的外膜结构几乎一致。两种假说主要的分歧在于对线粒体内膜的结构的描述。在第一种假说中，内膜向内延伸的结构的被描述为“嵴”，而另一个模 型则描述其为“隔膜”。在接下来的40年里，第一个模式成为所有教科书中描述的被接受的模式(Harner et al 2016)。随着电子显微镜断层成像的发展，线粒体的形态更加清晰的被呈现在人们面前。广为人们所知的的“嵴”模型并不是一个更优于“隔膜”模型的描述。根据最新的研究进展，线粒体内膜现在被认为是由两个或多个拓扑上连续但不同的结构域组成。内界膜与外膜在圆周上紧密并列，管状或板层状的“隔膜”通过狭窄的管状结构与内界膜相连 (Varela-Chavez et al 2020)。  图3 鸡小脑线粒体的三维断层计算机模型图像。(A)整个模型用黄色显示所有的嵴，内界膜 用浅蓝色显示，外膜用深蓝色显示。(B)四个不同颜色的嵴 03 癌细胞线粒体结构与功能变化 当前。由于恶性肿瘤细胞代谢活跃、生长迅速，其细胞日常所需的能量远超正常细胞。此外，肿瘤组织血供不足，氧气缺乏，这导致其所需的能量只能通过糖酵解途径来满足。而糖酵解途径产生的ATP的效率低下，这使得肿瘤细胞不得不生成更多的线粒体来满足其自身的能量需求。因此在恶性肿瘤细胞中，线粒体的数目更多、尺寸更大、形状更不规则。恶性肿瘤线粒体的结构形态多样，如C形、环形、 长杆形，球形等。且肿瘤细胞线粒体常常伴随着内室水肿，间隙水肿，基质致密，线粒体固缩等异常的结构变化。当然在肿瘤细胞中也存在着形态正常的线粒体（Cannino et al 2018）。 缺氧和代谢旺盛是恶性肿瘤的共性。因此肿瘤细胞线粒体结构的异常是广泛存在于各种癌症中。目前在结肠癌、肾癌、乳腺癌、胰腺癌、胃癌、白血病、甲状腺癌、淋巴瘤、颊黏膜嗜酸性细胞癌等多种恶性肿瘤细胞中均能观察到大量形态结构异常的线粒体。肿瘤细胞线粒体常常存在外膜皱曲、隔膜结构完整性缺损、线粒体绕细胞核分布以及空心线粒体等异常现象。其中，线粒体外膜皱曲和隔膜结构完整 性缺损是最常见的改变。肿瘤细胞的线粒体结构异常导致其有氧呼吸功能严重受损。这也导致了肿瘤细胞更多的葡萄糖摄取和乳酸累积。乳酸的大量累积是肿瘤微酸性 环境形成的重要原因。肿瘤细胞的线粒体DNA (mtDNA) 频繁的突变是其线粒体结构及形貌异常的重要原因。此外，肿瘤组织中，作为一种动态细胞器，线粒体在细 胞周期中的自身融合和分裂的动态平衡被打破。这同样也是肿瘤细胞线粒体更倾向 于分裂，数量更多的重要原因（Cannino et al 2018）。  图4 癌细胞的代谢重塑。在正常细胞(左)中，很大一部分葡萄糖通过线粒体中的 TCA(Krebs)循环和OXPHOS被代谢成丙酮酸，丙酮酸几乎完全被氧化成CO2，从而产生大量 的ATP。丙酮酸只有在限制氧气的条件下才能代谢成乳酸。相反，大多数癌细胞(右)将大部分 葡萄糖转化为乳酸，而不考虑氧气的供应情况(Warburg效应)。此外，肿瘤细胞会增加ROS 的生成，从而增强其抗氧化防御能力，以避免氧化损伤，维持ROS的动态平衡。谷氨酸，葡萄糖转运蛋白；MCT，乳酸转运蛋白；SLCs，溶质载体。 04 肿瘤细胞线粒体靶向疗法 线粒体在细胞中扮演着多种重要的角色。线粒体是细胞的能源提供者，肿瘤细胞快速增殖离不开线粒体的能量供给。线粒体还是肿瘤细胞的凋亡控制器，线粒体内汇聚着十多种凋亡相关蛋白，控制着细胞的凋亡和自噬(Burke, Peter J 2017， Yuan et al 2021)。线粒体同时还肩负着调节细胞内氧化还原平衡的重要作用(Green and Reed 1998)。使药物靶向并作用于线粒体，通过增强线粒体膜通透性或损伤线粒体来实现肿瘤细胞杀伤是一种有前景的癌症治疗策略(Bock et al 2020)。 线粒体是肿瘤细胞的关键药理靶点。氧化损伤、线粒体ATP合成障碍、钙粒子代谢紊乱、线粒体DNA损伤以及线粒体外膜通透性(MOMP)紊乱等肿瘤细胞特有的线粒体异变都有可能增加细胞程序性死亡或凋亡的概率(Zong et al 2016，Wang, Youle and Richard J 2009)。存在多种线粒体相关的促进细胞死亡的信号通路，如Bcl-2家族促凋亡蛋白的过表达、钙离子超载和ROS水平上升等，这些信号通路均能照成MOMP紊乱，从而促进线粒体释放细胞色素c并最终导致细胞死亡(Zhang, Lu and Zhao 2021，Heijden et al 2016，Opferman and Kothari 2018)。  图5 线粒体透射电镜图片 2020年，德国马普所和瑞典哥德堡大学的研究团队合作，开发了一种抑制肿瘤细胞线粒体功能的小分子药物IMT1B。该药物具备靶向线粒体RNA聚合酶并抑制线粒体RNA转录（IMTs）的功能。IMT1B通过抑制线粒体扩增从而切断肿瘤细胞的能量供给，抑制肿瘤的生长。  图6 IMT1B(LDC203974)的化学结构 靶向TCA循环 许多研究表明，Warburg效应对肿瘤的发展和进展至关重要。然而，最近的研究表明，TCA循环和OXPHOS在肿瘤代谢中的作用不容忽视。TCA循环是指乙酰辅酶A氧化为H2O和CO2。TCA循环发生在线粒体中，线粒体是碳水化合物、脂类和氨基酸的最终代谢途径。 异柠檬酸脱氢酶（IDH）和琥珀酸脱氢酶（SDH）的异常水平可导致TCA循环功能异常，这可能与肿瘤发生有关。IDH有三种亚型，包括IDH1、IDH2和IDH3。IDH1和IDH2基因突变导致D-2羟基戊二酸（2HG）的产生增加，导致各种恶性肿瘤的发展，如急性髓系白血病、软骨肉瘤、胆管癌和胶质瘤。IDH突变与高度异质性的肿瘤微环境相关，表明靶向IDH突变可能可以有效治疗癌症。IDH在各种恶性肿瘤中的新作用导致了IDH抑制剂的开发。依那西尼和伊沃西尼是经批准的IDH抑制剂，在急性髓系白血病和难治性胆管癌中显示出显著的临床益处。 SDH由四个子单元组成，包括SDHA、SDHB、SDHC和SDHD，它催化琥珀酸转化为富马酸。研究者在胃肠道间质瘤和副神经节瘤中发现SDH缺失。研究表明，SDHC的下调促进上皮间充质转化（EMT），并伴随着线粒体的结构重塑。SDHC下调也与恶性进展、肿瘤异质性和耐药性相关。因此，靶向性SDH有可能可以治疗癌症。肿瘤坏死因子受体相关蛋白1（TRAP1）是属于热休克蛋白90（HSP90）家族的线粒体伴侣蛋白，它在许多类型的肿瘤中高度表达。TRAP1抑制线粒体复合物II，下调SDH活性，并促进肿瘤生长。除了假性缺氧外，TRAP1还保护肿瘤细胞免受氧化应激。 已有几种TRAP1抑制剂。Gamitrinib是一种小分子TRAP1和HSP90抑制剂，目前正在晚期癌症患者中通过一期临床试验，动物实验结果表明Gamitrinab是一种安全有效的抗癌疗法。线粒体渗透药物DN401是一种新发现的HSP90泛抑制剂，可抑制HSP90家族，包括TRAP1，它比其他HSP90抑制剂具有更强的抗癌活性。Honokiol二氯乙酸酯（HDCA）是一种特异性靶向TRAP1的小分子化合物。HDCA可以恢复依赖TRAP1的SDH下调，减少肿瘤细胞增殖，增加线粒体超氧化物水平，并通过选择性抑制TRAP1抑制肿瘤生长。 P53是一种肿瘤抑制剂，它可以抑制丙酮酸脱氢酶激酶2（PDK2）的表达，从而激活线粒体的氧化代谢，促进TCA循环。此外，p53还可以诱导线粒体GLS2表达，以增强GSH合成和α-KG，从而促进TCA循环。 P53功能在肿瘤中经常受损。鼠双微体基因 2（Mdm2）和鼠双微体基因X（MdmX）是P53的主要负调节因子，它们可以单独或共同抑制p53。阻断Mdm2和MdmX是治疗肿瘤的潜在策略。Idasanutlin（RG7388）是一种小分子Mdm2抑制剂，目前处于III期试验。 体内结果表明，RG7388有效地减少了细胞增殖，并诱导了p53依赖性途径、细胞周期阻滞和凋亡，从而抑制了肿瘤生长。Milademetan也是Mdm2的小分子抑制剂，它已用于晚期实体瘤和血液系统恶性肿瘤的临床试验，如脂肪肉瘤和急性髓系白血病。ALRN-6924是Mdm2/MdmX的双靶向抑制剂，已用于I期临床试验。ALRN-6924在单细胞和单分子水平稳定激活p53依赖性转录，它在白血病的体外和体内研究中显示出生化和分子靶向活性。 目前的临床试验表明，ALRN-6924在携带野生型TP53的实体瘤或淋巴瘤患者中具有良好的耐受性和抗肿瘤活性。FL118是camptocamptoid类似物，FL118可以将Mdm2-MdmX E3复合物的靶向特异性从p53改变为MdmX，从而加速MdmX降解并激活结直肠癌（CRC）细胞中p53依赖性衰老。FL118和顺铂联合使用可以协同杀死耐药的胰腺癌症细胞，防止胰腺癌症干细胞的形成，并克服化疗耐药性。 靶向氧化磷酸化 OXPHOS在肿瘤代谢中也起着重要作用。OXPHOS将氧气转化为水，同时释放能量用于ATP生产。研究表明，OXPHOS可以为肿瘤增殖提供ATP。电子传输链（ETC）是OXPHOS的重要组成部分，ETC由复合体I-IV、CoQ和Cyt c组成。 ETC是肿瘤生长所必需的。线粒体复合物I和II将电子转移到泛醌，从而产生泛醇，复合物III将泛醇氧化为泛醌。线粒体复合体III的缺失会损害肿瘤生长，肿瘤生长需要ETC介导的泛醇氧化。一些类型的肿瘤，包括CRC、卵巢癌症、急性髓细胞白血病和胶质母细胞瘤，具有复合物I、III或IV的体细胞mtDNA突变。 除了ATP，线粒体呼吸还产生生物合成前体，如天冬氨酸。ETC抑制通过消耗天冬氨酸和天冬酰胺促进激活转录因子4（ATF4）和mTORC1信号通路。ETC抑制剂和限制天冬氨酸的组合会损害动物模型中的肿瘤生长。 复合体I位于呼吸链的最前线。作为ETC中质子梯度的主要产生者，复合体I是开发OXPHOS抑制剂的合适靶点。作为一种上市药物，二甲双胍因其抑制复合物I的能力而备受关注，但其低效力限制了其重新用途的潜力。BAY87-2243也很有前景，但一期试验中的严重呕吐阻止了其进一步发展。近年来，研究者开发了越来越多的高效和选择性小分子药物。EVT-701是一种针对弥漫性大B细胞淋巴瘤和NSCLC的新型小分子抑制剂，在体外和体内均显示出良好的疗效。BAY87-2243的原始结构被修改以防止临床试验中的严重副作用。此外，Kazuki Heishima等人发现，植物提取物petasin（PT）是一种复合体I抑制剂，主要抑制动物模型中的肿瘤生长，具有高效和低毒性。此外，人类表皮生长因子受体2（ERB B2）抑制剂mubritinib通过抑制复合物I具有抗癌作用。 纤细薯蓣皂苷是一种具有强效抗肿瘤活性的天然化合物，其抗肿瘤特性取决于线粒体复合物II的抑制。体外研究表明，纤细薯蓣皂苷抑制线粒体复合物II介导的能量生成，从而降低乳腺癌症细胞的生存能力，在动物模型中显示出显著的抗肿瘤活性。阿托伐醌是FDA批准的治疗疟疾的药物，它也是一种有效的选择性OXPHOS抑制剂，通过线粒体复合物III抑制具有抗癌功能。Arvinder等人表明，阿托伐醌可以在体内外抑制卵巢癌症细胞的增殖和生长。三氧化二砷在胶质母细胞瘤（GBM）的临床前研究中显示出良好的效果。此外，据报道，BTB和CNC同源性1（BACH1）的缺失会增加某些类型癌症对ETC抑制剂（如二甲双胍）的敏感性，这表明联合抑制ETC和BACH1可以有效治疗癌症。 靶向ROS ETC中的电子泄漏导致线粒体基质中O2转化为O2−。O2−是一种具有强氧化能力的活性氧。正常细胞使用抗氧化酶（过氧化氢酶、过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶）和小分子抗氧化剂（维生素C、维生素E和β-胡萝卜素）来清除ROS。癌症细胞产生高水平的活性氧，从而破坏氧化还原体内平衡并激活许多致癌信号通路。另一方面，ROS也具有抗癌活性。半胱氨酸脱硫酶（NFS1）的缺失显著增强了CRC细胞对奥沙利铂的敏感性，它通过增加ROS水平诱导细胞凋亡、坏死、铁介导的细胞死亡。另外，NFS1的高表达可能与MYC有关。 研究发现了一系列抑制活性氧的化合物，例如Lexibulin，其通过内质网（ER）应激阻断ROS的产生并抑制肿瘤生长。Bavachin通过STAT3/P53/SLC7A11轴引起ROS积累并诱导铁介导的死亡。Darinaparsin是一种具有抗癌活性的分子，于2022年6月在日本获批。它可以通过破坏线粒体功能和增加ROS的产生，诱导肿瘤细胞G2/M细胞周期停滞和凋亡。Curcin C可增加骨肉瘤细胞中的ROS水平，改变线粒体膜电位，从而抑制各种骨肉瘤细胞系的增殖。Auriculasin通过活性氧发挥抗癌作用，以浓度依赖的方式诱导ROS的产生，促进CRC细胞凋亡和铁死亡。 靶向mtDNA 作为一种多拷贝基因组，mtDNA高度突变，在肿瘤发生和肿瘤进展中发挥重要作用。线粒体基因组工具的发展显著推进了线粒体DNA突变的研究。例如，MT-ATP6和MT-ND5基因的突变已显示出增加ROS水平以促进肿瘤生长。突变的mtDNA也通过ROS增强转移。CCC-021-TPP是一种针对非小细胞癌症线粒体mtDNA ND6 A14582G突变的小分子化合物。CCC-021-TPP可以增加线粒体ROS的生成并诱导线粒体自噬以抑制癌症进展。Huang等人设计并合成了N-(N′,N′-diethanolaminopropyl) benzothiophenonaphthalimide (7C)。他们发现，这种化合物有效地诱导名为HRCC的mtDNA序列，从而降低线粒体膜电位，增加ROS产生，并抑制肿瘤生长。 预期和限制 抑制线粒体代谢可有效阻止肿瘤进展，然而，有几个挑战。例如，ROS是癌症生存的一把双刃剑。尽管过多ROS的积累会破坏癌症细胞的存活，但高水平自由基和基因组不稳定导致的DNA损伤会增加癌症的风险。此外，单独抑制ROS对肿瘤生长没有显著影响，这意味着对ROS产生的极端控制不能用于治疗。开发靶向p53途径的化合物也极具挑战性。p53如何阻止肿瘤发展尚不清楚，大多数肿瘤细胞至少含有一种功能失调的tp53，使其成为不可治疗的靶点。IACS-010759是一种靶向复合物I的小分子抑制剂，在一项I期临床研究中，其治疗指数较低，并有严重的副作用，如乳酸水平升高和神经毒性。因此，有必要监测靶向复合物I的抗肿瘤药物的毒性。 线粒体本身的特殊结构也是药物开发的一个难点。从外到内，线粒体可分为五个功能区：线粒体外膜（OMM）、膜间间隙、线粒体内膜（IMM）、嵴和线粒体基质。尽管线粒体外膜似乎具有很强的渗透性，但小分子通过线粒体内膜仍存在巨大的困难。因此，开发靶向细胞内线粒体膜转运蛋白的化合物是一种有效的选择 综上，线粒体是影响肿瘤发生、生长、转移和耐药的重要细胞器，也是肿瘤治 疗的重要靶点。 END 药闻窗 |
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