基于代谢分型的肿瘤生酮治疗敏感性及机制研究进展

文章来源:唐蒙,周福祥,丛明华,石汉平.基于代谢分型的肿瘤生酮治疗敏感性及机制研究进展[J/CD].肿瘤代谢与营养电子杂志,2023,10(4):482-486.

摘 要

能量代谢异常是肿瘤的基本特征之一。尽管靶向肿瘤代谢是一项公认的治疗策略，但临床治疗成功取决于准确的代谢分子分型。近期研究报道了肿瘤生酮治疗相关的两种代谢亚型：糖酵解型和酮体代谢型，两者表现为完全不同的代谢酶谱和线粒体功能状态，以及在体外和体内对生酮干预的不同反应。同时，在p53突变的肿瘤中，糖酵解亚型在葡萄糖限制的状态下可转变为酮体代谢型, 随着酮体酶的表达激活及线粒体融合，出现生酮治疗抵抗。通过联用突变p53的变构激活剂，将突变的p53变成野生型的构象，可逆转酮体酶表达激活及线粒体代谢重编，保持稳定的酮体代谢缺陷表型。基于代谢亚型可以选择肿瘤生酮治疗的目标人群，通过基因突变状态可预测生酮治疗敏感性，从而建立精准肿瘤代谢调节治疗策略。

肿瘤细胞的代谢重编程是肿瘤发生和发展的一个重要过程。大多数实体瘤的共同特点是细胞增殖不受控制，细胞生长对能量的需求很高，葡萄糖摄取量增加并依赖糖酵解，即肿瘤的瓦尔堡（Warburg）效应。近期研究广泛报道了肿瘤细胞内糖酵解酶的激活，如烯醇化酶（enolase，ENO1）、丙酮酸激酶M（pyruvate kinase M，PKM）及磷酸甘油酯突变酶1（phosphoglycerate mutase 1，PGAM1）的酪氨酸磷酸化和磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFKP）的丝氨酸磷酸化明显增加，一些代谢靶向药物的临床前研究显示其不仅抑制了肿瘤的生长，也可以提高传统抗肿瘤治疗的敏感性，但目前尚未有药物进入临床使用。因此有学者提出，可以通过改变饮食结构、改变肿瘤细胞的能量来源，限制细胞的快速增殖。生酮饮食（ketogeinic diet，KD），是一种高脂肪、低碳水化合物、适量蛋白质的特殊配方饮食，通过降低血清葡萄糖水平模拟禁食状态，促进脂肪酸β氧化产生酮体来作为机体内的替代能源。与其他营养物质（如必需氨基酸）不同，通过KD可以实现血液内葡萄糖水平的全身性降低，且由于其安全性和低成本，在实验室研究和临床试验中都具有较好的可行性。

最新的临床前研究表明，生酮饮食作为一项特殊配方饮食，也是一种有效的机体代谢调节方式，能明显影响细胞代谢和机体炎症水平。而在抗肿瘤的机制研究方面，研究报道其不仅通过限制葡萄糖摄入、提高酮体水平来发挥抗肿瘤作用，还通过抗慢性炎症，降低局部乳酸水平等方式，达到抑制肿瘤生长和侵袭的作用。但生酮饮食在临床抗肿瘤的实际应用中也面临挑战。前期研究表明，KD作为一种潜在的抗癌干预措施，其有效性取决于必要的酮体分解酶的功能，通过多靶点代谢标志物定义肿瘤代谢亚型，可以明确肿瘤生酮治疗的目标人群。但正如肿瘤在发生发展过程中的基因组会存在差异改变，肿瘤的代谢重编程在营养应激状态下也是高度异质性的，线粒体功能和酶的活性在不同状态营养感应下可发生动态变化。因此，精准定义代谢亚型和阐明潜在的代谢重编程方向对于推进精准肿瘤生酮治疗至关重要。

1 能量代谢异常是肿瘤细胞的基本特征之一

能量代谢异常近年来被列为肿瘤细胞的基本特征之一。早年的研究者提出，基于机体内三大营养物质的代谢水平，可以将肿瘤分为4种代谢表型：Warburg型，氧化磷酸化型，谷氨酰胺代谢型和脂肪代谢型，其中70%的肿瘤代谢表现为Warburg型，指肿瘤细胞以葡萄糖酵解途径为主要的能量获取方式。近年来，通过对肿瘤组织样本的高通量筛选和聚类分析，研究者提出可将肝癌代谢分子表达及预后聚类为三种亚型，其中预后最差的表现为明显的糖酵解水平增强。由于肿瘤细胞存在不同程度的线粒体缺陷，其下游的氧化磷酸化途径中断，因此即使在有氧条件下，细胞亦倾向于大量摄取葡萄糖进行糖酵解来提高能量，同时产生大量乳酸，促进肿瘤的生长和转移。目前有许多小分子抑制剂靶向针对肿瘤代谢, 尤其是糖酵解代谢通路, 其侧重于对糖酵解过程中关键分子和限速酶进行靶向抑制，如在结肠癌等多种肿瘤细胞中糖酵解代谢旺盛与胞内糖酵解相关蛋白及其调节分子的表达显著升高有关，包括葡萄糖转运体1（glucose transporter 1，GLUT1）、己糖激酶Ⅱ（hexokinaseⅡ，HKⅡ）、果糖-2，6-二磷酸酶3（phosphofructokinase-2/fructose-2，6-bisphosphatase3，PFKFB3）、丙酮酸激酶2（pyruvate kinase 2，PKM2）、丙酮酸脱氢酶激酶（pyruvate dehydrogenase，PDK）等，且其表达水平与肿瘤患者的临床预后呈负相关。STF-31是靶向葡萄糖转运蛋白1（glucose transporter type1，GLUT1）的小分子抑制剂，体内实验证明其具有抗肿瘤效应, 但具有脱靶效应; 3-溴丙酮酸可抑制HK2的活性，从而延缓肿瘤生长；PFKFB3抑制剂（WNN0403-E003）在高表达PFKFB3的肿瘤中具有较强的糖酵解抑制作用。

尽管肿瘤代谢中存在许多潜在的治疗靶点，但是将抑制代谢途径作为治疗肿瘤的一种临床策略仍然面临重大挑战。一方面由于肿瘤细胞具有较高的异质性，单一靶点作用效果有限：另一方面代谢抑制剂作用于人体内亦阻碍了正常组织的代谢，因此尚未有进入临床使用的有效药物。近期的研究表明，通过利用肿瘤细胞对葡萄糖摄取的偏好性，改变肿瘤的营养物质来源可以有效地控制其生长，饮食对肿瘤代谢治疗敏感性方面的作用，已在不同的小鼠肿瘤模型中得到证实。

2 生酮疗法有望成为肿瘤治疗有效手段

KD是一种代谢调节治疗（metabolic modulation therapy，MMT）手段，由高脂肪、低碳水化合物、适量蛋白质和其他营养素构成的配方饮食治疗。最初作为一种儿童难治性癫痫的治疗方法，已有90余年历史，其安全性和有效性已经得到公认。长期采用生酮饮食可以模拟人体处于饥饿状态时的代谢过程。在这种情况下，机体通过肝脏氧化分解脂肪酸生成中间代谢产物酮体，包括乙酰乙酸（acetoxyacetic acid，AcAc）、β-羟丁酸（β-hydroxybutyrate，β-HB）和丙酮，其中β-HB与AcAc在酶的催化作用下可以互相转化，体内主要的供能酮体为β-HB，其作为能量来源的效率比葡萄糖更高。在饥饿状态下，酮体经肝脏产生后运输至外周组织进行供能，肝外组织通过单羧酸盐转运体吸收酮体，并经酮体分解酶转化为乙酰辅酶A后通过三羧酸循环进一步氧化。这些转运器广泛分布在整个身体，不仅运输酮体，还运输乳酸和丙酮酸。生酮饮食3d后，30%~40%的机体总能量需求由酮体提供，经过1周左右的生酮饮食，机体内的主要能量来源可从葡萄糖转变为酮体和脂肪酸，其中心脏、骨骼肌、肾脏和大脑等重要器官最早开始使用酮体。在血清葡萄糖水平较低时，大脑可以从酮体中获得60%~70%的所需能量，而肝脏作为一个产生酮体的器官，因其缺乏酮体分解代谢途径中的限速酶，而无法使用大量的酮体。

目前生酮饮食治疗仅较多在恶性胶质瘤中进行，因酮体可以通过血脑屏障，在饥饿时作为神经元及胶质细胞的能量来源，而大多数胶质瘤细胞无法有效利用酮体，导致生长缓慢。由于细胞内酮体的代谢依赖于完整的线粒体内膜和酮体分解酶，产物生成乙酰辅酶A进入三羧酸循环后，与氧化磷酸化过程具有共同的下游代谢途径。因此正常细胞较易适应将酮体作为高效能代谢物，而大多数肿瘤细胞不具有这样的适应性，因其酮体代谢酶表达低下，导致对酮体利用率低，不能将其用于细胞增殖。已有研究表明，酮体关键代谢酶包括：β-羟丁酸脱氢酶（D-β-hydroxybutyrate dehydrogenase，BDH1）、琥珀酰辅酶A-3酮酸辅酶A转移酶（succinyl CoA：3-oxoacid CoA transferase1，OXCT1）、乙酰辅酶A乙酰基转移酶（aacetyl-CoA acetyltransferase，ACAT1），其单一缺陷可导致细胞不能利用酮体供能。

作为肿瘤代谢调节疗法的一种，肿瘤生酮疗法近年来受到国内外学界及患者的广泛关注。现已公布的美国国立卫生研究院资助的关于生酮治疗的临床研究正在进行及完成的有163项，主要集中在神经系统疾病，包括恶性胶质瘤、难治性癫痫、阿尔茨海默病、自闭症等, 其中有包括结直肠癌、非小细胞肺癌、胰腺癌在内的26项生酮饮食干预肿瘤的临床研究，但目前尚未有公布的大规模的随机对照临床试验数据。生酮饮食可通过减少葡萄糖的供应、增加肿瘤细胞的氧化应激、降低胰岛素和胰岛素样生长因子1的水平、调节mTOR途径、降低炎症水平、增强免疫治疗敏感性等多种机制起到抗肿瘤的作用，同时，酮体本身亦具有治疗肿瘤的潜力。Zuccoli G等报道，1例65岁恶性胶质瘤患者在手术不完全切除后，通过术后放化疗联合低热量生酮饮食，显著抑制肿瘤生长和延长了无复发生存时间。肿瘤细胞内活性氧产生的增加可能通过糖酵解和磷酸戊糖途径活性的提高而产生还原当量来进行代谢补偿，而通过KD限制葡萄糖的供应，可以诱发肿瘤细胞的代谢性氧化应激；KD联合放疗显著增加了肺癌和胰腺癌小鼠体内的氧化应激水平, 从而抑制肿瘤的生长。Youm YH等报道，β-HB（而不是AcAc）可以抑制NLRP3炎症小体的酶体组装，从而抑制其介导的Caspase-1的激活和巨噬细胞中促炎症细胞因子IL-1b和IL-18的释放；在结肠癌小鼠模型中，KD抑制了血浆IL-6的升高及其介导的炎症水平上调。因此，目前研究较多地集中在动物，临床上以病例报道为主，尚缺少严密的随机对照研究结果。

3 肿瘤代谢异质性与适应性是影响生酮疗法的重要

因素近年来，利用肿瘤与正常组织的代谢差异而进行的生酮治疗开始广泛受到肿瘤研究者的关注, 研究显示在恶性胶质瘤不同个体中，酮体代谢和糖酵解代谢相关分子表达谱存在差异，其中OXCT1、BDH1在68%的患者中呈显著低表达，同时在这些患者中有78%PKM2表达显著增加，表明这些代谢酶可以作为分子标记，来区分肿瘤患者能运用生酮治疗来达到有效抗肿瘤作用的目的。《中国肿瘤营养治疗指南》推荐：脑恶性肿瘤患者在接受标准化治疗的同时可考虑尝试代谢调节治疗，给予能量限制性生酮饮食。临床实践表明，肿瘤患者生酮饮食中三大营养素的供能适宜比例为碳水化合物5%~20%、脂肪70%~85%、蛋白质10%~20%，在人体代谢途径中，通过低碳水化合物、高水平酮体两个方面发挥作用。Tang M等研究报道，通过对结肠癌转录组数据库分析，可筛选出与癌旁具有表达差异的糖代谢及酮体分解代谢相关的靶点分子：GLUT1、PFKFB3、OXCT1、和ACAT1。基于组织芯片生存分析及生酮饮食代谢调节治疗特点，研究者提出将结肠癌患者癌组织分为预后显著不同的3类亚型，其中预后最差的糖酵解型-酮体代谢缺陷型，为生酮治疗的首选目标亚型。具有该代谢亚型的患者中位生存期仅为27个月，在结肠癌中约占20%，因此理论上适合生酮饮食治疗抗肿瘤的结肠癌患者不到1/4。通过构建低糖饥饿模型，体外模拟人体生酮状态，研究者进一步探索生酮条件下不同结肠癌细胞的代谢异质性发现，酮体代谢缺陷型细胞不能有效利用酮体供能，表现为线粒体膜电位下降、胞内ATP产生下降、细胞增殖减慢，而酮体代谢型肿瘤细胞在严格的生酮培养条件下增殖不受抑制。

尽管KD可作为肿瘤患者潜在的无毒治疗或辅助治疗，但由于肿瘤细胞代谢异质性与适应性的存在，在尚未明确目标人群的情况下，运用生酮疗法的总体有效性依旧不高。由于生酮饮食的作用机制包括减少葡萄糖供应、抑制胰岛素相关通路、酮体代谢缺陷、改变癌基因和抑癌基因表达、酮体直接抑制肿瘤等方面，未来可能在多个靶点上进行联合或独立研究，通过建立代谢分子分型，使目标人群的范围更加精准化。

4 代谢重塑方向可预测生酮治疗敏感性

随着人类基因表达谱的构建，建立在各种差异表达谱上的肿瘤分子分型研究已经广泛开展，为临床上同一病理类型、同一分期却有完全不同的预后和转归的患者采取个体化治疗策略奠定了基础。在体外对特定代谢表型的结肠癌细胞进行代谢干预中发现，肿瘤细胞在发生发展或应激过程中代谢状态也是动态变化的，糖酵解及氧化磷酸化状态在应对肿瘤微环境改变时也能互相转化。肿瘤体积增加导致组织局部乏氧时，部分细胞氧化磷酸化作用会减弱，糖酵解作用被诱导增强。而在营养缺乏如低糖状态下，部分肿瘤细胞的氧化磷酸化作用会被诱导增强，部分细胞基础酮体酶表达低的细胞，在长期生酮饮食状态下，酮体酶可被重新激活，而导致治疗失败。

在构建酮体代谢缺陷型结肠癌人源肿瘤异种移植模型及小鼠生酮干预中发现，突变P53在能量应激下可显著诱导细胞及组织中线粒体发生融合，表现为氧化磷酸化水平增强，同时显著激活酮体核心代谢酶OXCT1表达，导致生酮治疗抵抗。通过生酮治疗联用P53变构激活剂，将突变P53逆转为野生型构象，可稳定酮体代谢缺陷表型，发挥持续的抑制肿瘤生长的作用。因此在特定分型中进一步探索上下游调控机制，绘制代谢重编程网络是目前亟待解决的问题，为生酮治疗的临床前应用奠定坚实的基础研究支撑，并需反复论证其安全性及有效性。

5 生酮治疗作为抗肿瘤营养干预手段的未来潜力

肿瘤代谢异质性与适应性是临床代谢调节治疗需要重点关注的问题。通过优选分子标志物可形成精准的肿瘤生酮治疗预测模型，基于肿瘤组织的基线代谢分子分型，可以预测肿瘤生酮治疗目标人群。联合基因突变状态可以预测机体在能量应激水平下发生代谢重编程的方向，进而考虑靶向基因突变的联合干预措施，以期为个体化的肿瘤代谢调节治疗策略提供理论依据。同时需开展基于代谢分子分型的生酮治疗随机对照临床试验，填补肿瘤患者代谢调节治疗策略的空白，推动肿瘤生酮治疗有效性的研究。