2021, Vol. 48文章信息
- 葡萄糖代谢重编程在肿瘤基础研究及临床诊疗中的研究进展
- Research Progress of Glucose Metabolism Reprogramming in Basic Research and Clinical Diagnosis and Treatment of Tumor
- 肿瘤防治研究, 2021, 48(6): 635-641
- Cancer Research on Prevention and Treatment, 2021, 48(6): 635-641
- http://www.zlfzyj.com/CN/10.3971/j.issn.1000-8578.2021.20.1425
- 收稿日期: 2020-12-07
- 修回日期: 2021-02-26
引用本文 |
2. 201318 上海，上海健康医学院药学院，上海健康医学院分子影像重点实验室;
3. 201213 上海，上海中医药大学研究生院
2. Shanghai Key Laboratory of Molecular Imaging, School of Pharmacy, Shanghai Health University, Shanghai 201318, China;
3. Graduate School, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 201213, China
代谢重编程可控制肿瘤能量和生物合成途径的变化。葡萄糖代谢重编程是肿瘤中最具代表的代谢表征。肿瘤细胞具有独特的能量代谢方式，即使在有氧情况下也不利用线粒体氧化磷酸化产能，其表现出活跃的有氧糖酵解现象，被称为Warburg效应(有氧糖酵解)。越来越多的研究证实肿瘤葡萄糖有氧糖酵解途径是肿瘤治疗的潜在靶点。基于肿瘤葡萄糖代谢的检测技术如PET/CT、同位素示踪检测、代谢流等已被广泛应用于肿瘤临床诊断和治疗中。本文将综述肿瘤葡萄糖代谢重编程及相关检测技术，进一步挖掘肿瘤葡萄糖代谢在临床应用中的潜在价值。
1 肿瘤葡萄糖代谢的特点葡萄糖代谢是机体最重要的物质代谢，主要包括细胞质中进行的糖酵解途径、磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway, PPP)、丝氨酸生物合成途径(serine synthesis pathway, SSP)和线粒体基质中进行的三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA)途径。在肿瘤细胞中，这些代谢途径能够被重新编辑，快速提供腺苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)及谷氨酰胺、丝氨酸、精氨酸、脂肪酸和脂类物质促进自身增殖，被称为葡萄糖代谢重编程，也是肿瘤标志之一。Warburg效应[1]是肿瘤发生葡萄糖代谢重编程最为显著的表型，它是肿瘤细胞具有的独特能量代谢方式，在有氧和无氧的条件下均表现出活跃的有氧糖酵解现象。与正常的细胞相比，肿瘤细胞获取能量的方式发生了改变，其代谢方式也被重新编辑，表现在肿瘤细胞通过有氧糖酵解途径产生了大量的乳酸造成了乳酸堆积，同时获得了有利于其自身异常生长、增殖及转移的能量及微环境；其次，大量摄取葡萄糖会积聚糖酵解通路中其他中间代谢产物，增加PPP代谢水平[2]，同时抑制细胞内TCA途径，见图 1。糖酵解与磷酸戊糖途径的大幅增加，分别以ATP和NADPH的形式为细胞提供能量和电子，这是建立细胞大分子所必需的[3]。Li等[4]发现线粒体氧化磷酸化受到氧和丙酮酸可用性的调节，氧和丙酮酸分别是终端电子受体和主要碳源，线粒体丙酮酸代谢受丙酮酸脱氢酶激酶(PDHK或PDK)和丙酮酸脱氢酶(PDH)的调控(PDHK1-4亚型)，乏氧诱导因子1α(HIF1α)上调PDHK1的表达，使PDHE1α亚基的S293磷酸化，并抑制丙酮酸脱氢酶(PDH)。这导致丙酮酸代谢和三羧酸(TCA)循环耦合电子传递受到抑制，从而减少线粒体丙酮酸的利用，抑制活性氧ROS的产生，通过排除线粒体消耗丙酮酸，PDHK1的诱导可以促进糖酵解，并提高丙酮酸向乳酸转化的速度，从而促进肿瘤的发展。并且通过氧化磷酸化(如缺氧、用寡霉素抑制ATP合酶或氢离子)抑制ATP的产生将导致糖酵解通量增加[5]。
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| 图 1 肿瘤葡萄糖代谢过程 Figure 1 Glucose metabolism in tumors |
癌基因和抑癌基因可以通过多种机制影响肿瘤细胞的葡萄糖代谢，被认为是导致肿瘤发生并驱动葡萄糖代谢重编程的首要因素。大鼠肉瘤(rat sarcoma, RAS)是酵母和哺乳动物细胞增殖的主要调节因子，也是主要的原癌基因产物。在RAS基因中，KRAS对人类癌症影响最大, 癌基因KRAS能够通过多种方式改变肿瘤细胞的代谢进程[6]，包括增强肿瘤细胞的葡萄糖摄取和糖酵解过程，即使肿瘤组织中含有大量的氧气(Warburg效应)[7]。研究显示，KRAS基因对肿瘤代谢的影响能通过转录调控葡萄糖转运蛋白以及糖酵解酶来实现[8]。肿瘤抑制因子P53是癌症的主要调控因子，可通过直接或间接调控几种关键酶的表达来调控葡萄糖代谢[9]。例如，通过降低HK2 mRNA的稳定性来下调HK2蛋白的水平，并通过下调磷酸甘酸突变酶1(PGAM1)的蛋白水平，抑制糖酵解，具体机制有待研究。P53激活剂APR-246(2-(Hydroxymethyl)-2-(methoxymethyl)-1-azabicyclo[2.2.2]octan-3-one, 2-(羟甲基)-2-(甲氧基甲基)奎宁-3-酮)和小分子COTI-2(将突变型P53转化为野生型P53)正用于临床试验中，这些药物的研究开发对肿瘤的治疗具有重要的参考价值[10-11]。Ohnishi等[12]发现成骨细胞分化降低了肿瘤抑制因子P53的表达，增加葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter type 1, GLUT1)的表达，增强了由PI3K调控的Akt磷酸化，从而使其代谢途径转换为糖酵解。综上，这些癌基因或抑癌基因会导致癌细胞葡萄糖代谢变化，在癌症进展过程中起关键作用，靶向这些基因的药物研发为抑制肿瘤发生发展及治疗提供有效前景。
2.2 肿瘤微环境肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)的改变是驱动肿瘤代谢重编程的关键因素。TME是由细胞外基质、造血来源细胞(免疫细胞和炎性细胞)和间充质来源细胞(成纤维细胞、内皮细胞、脂肪细胞)组成的复杂网络，肿瘤及其微环境之间的相互作用对肿瘤的发展至关重要[13]。缺氧条件促进肿瘤血管生成，也促进乏氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)诱导糖酵解发生[14]。研究发现，HIF-1参与非小细胞肺癌的血管生成，在肺癌组织中HIF-1和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)表达水平显著高于癌旁正常肺组织，且HIF-1与VEGF表达呈正相关[15]。HIF-1调控糖代谢表现为上调糖酵解关键酶并同时抑制线粒体的生物合成，HIF-1高表达调控编码己糖激酶与葡萄糖转运相关基因促进糖酵解[16]。Wong等[17]证实缺氧刺激了RE1-沉默转录因子(RE1-silencing transcription factor, REST)的表达，REST是一种HIF-1诱导基因，也是蛋白质精氨酸N甲基转移酶6(protein arginine N-methyltransferase 6, PRMT6)的转录抑制因子，刺激丙酮酸激酶2(pyruvate kinase 2, PKM2)入核，驱动糖酵解相关基因转录。HIF-1主要通过VEGF调节血管生成，通过钠氢泵调节pH值，上调己糖激酶(hexo-kinase, HK)、醛缩酶、丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PKM)，下调丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase, PDH)，促进丙酮酸转化为乙酰辅酶A，进入柠檬酸循环来调节糖酵解[17]。TME中低pH也被发现显著促进单核细胞来源的树突状细胞的分化，表现出减少葡萄糖消耗、上调线粒体呼吸基因和抑制mTORC1活性[19]。因此，中和TME中的低pH值可能对提高肿瘤治疗疗效有重要影响。Gómez团队[20]发现抗炎性肿瘤相关巨噬细胞分泌的细胞因子TGF-β减少了琥珀酸脱氢酶的表达，而琥珀酸脱氢酶是乳腺癌细胞中氧化磷酸化的关键酶。这种代谢酶的减少增强了转录因子HIF-1的稳定性促进了糖酵解通路，从而增强了肿瘤血管形成和免疫抑制。由于肿瘤微环境的变化，巨噬细胞和髓样抑制细胞的促炎性活化增加肿瘤CD8+T细胞中干扰素-γ的表达，使髓样抑制细胞中的一般性调控阻遏蛋白激酶2(general control nonderepressible 2, GCN2)缺失促进肿瘤相关巨噬细胞和髓样抑制细胞的表型转变，从而促进了抗肿瘤免疫反应[21]。
2.3 代谢酶活性改变肿瘤细胞糖酵解途径中代谢酶的活性及蛋白质表达水平显著上调，其中包括HK、6-磷酸果糖激酶-1(phosphofructose kinase, PFK)、PKM和乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)等[22-23]。越来越多的研究证实肿瘤葡萄糖代谢的关键酶是肿瘤治疗的潜在靶点(如GLUT1、HK2、PFKFB3、PKM2等)，抑制其糖代谢酶的活性，有利于抑制肿瘤的生长[24]。
2.3.1 己糖激酶HK是糖酵解的第一个限速酶，该酶主要包括HK1、HK2、HK3、HK4和己糖激酶结构域蛋白1(hexokinase domain containing 1, HKDC1)5个亚型，其中HK2在多种癌细胞中表达异常升高，且HK2高表达与肝癌患者不良预后显著相关，相关研究表明，沉默HK2表达可有效地降低糖酵解活性[25]。Liu等[26]发现，抑制HK2有助于抑制人乳头瘤病毒16e7蛋白(human papilloma virus 16e7 protein, HPV16e7)诱导的肿瘤糖酵解代谢表型，减少对糖酵解的依赖，抑制肿瘤生长，诱导细胞凋亡，阻断癌细胞能量来源可提高人乳头瘤病毒(human papilloma virus, HPV)(+)宫颈癌细胞对放疗敏感度。肝癌中HK2缺乏显著增加了索拉非尼诱导的细胞死亡，并增强了索拉非尼对体内肿瘤生长的抑制作用[27]。HK2小分子抑制剂3-溴丙酮酸(3-Bromopyruvic acid, 3bp)可以杀死在组织培养中生长的癌细胞，根除动物体内的肿瘤，防止肿瘤转移，也是一种正在进行临床开发的抗癌新药[28]。近年来关于HK2作为肿瘤治疗靶点的研究不断涌现，有研究指出在肝癌细胞中减少HK2表达不但可以抑制有氧糖酵解、促进氧化磷酸化，而且还可以增加细胞对二甲双胍治疗的敏感度[27]。
2.3.2 丙酮酸激酶PKM是一种限速酶，负责催化糖酵解的最后一步。PKM2在肺癌、肝癌、胶质瘤、肾癌等组织中均有高表达，且与肿瘤分期、临床分期、预后等密切相关[29]。最近发现将PKM2抑制剂化合物3K注射到小鼠尾静脉可以抑制小鼠移植瘤的生长，导致细胞死亡[29]，从而证实了降低PKM2的表达可有效抑制肿瘤生长。多项研究表明，降低PKM2表达会导致癌细胞死亡、代谢活性降低和减少肿瘤发生，并同时提高肿瘤细胞对多西紫杉醇、顺铂等药物的敏感度，从而促进肿瘤组织死亡，降低肿瘤发生[30]。
2.3.3 6-磷酸果糖激酶-1PFK是糖酵解的另一种限速酶，能催化6-磷酸果糖反应生成1, 6-二磷酸果糖。2, 6-二磷酸果糖激酶(phosphofructokinase-2/fructose-2, 6-bisphosphatase, PFKFB)是PFK的最强变构激活剂，它的亚型PFKFB3变构激活磷酸果糖激酶-1(PFK-1)，促进了2, 6-二磷酸果糖的合成，进而促进了肿瘤的糖酵解，参与肿瘤细胞的生存和增殖，已被发现在多种肿瘤中高表达[31]。Li等[32]证明PFKFB3在保护化疗药物诱导的癌细胞凋亡中起关键作用，DNA损伤剂可以刺激PFKFB3在赖氨酸472(K472)处的乙酰化，从而增加PFKFB3的细胞质积累和促进糖酵解的能力，这对于细胞在DNA损伤化疗药物作用下的生存是非常重要的。此外，基于PFKFB3的抑制使细胞对顺铂诱导的凋亡敏感，有研究提出了一种以PFKFB3为靶点的潜在的抗癌化学治疗策略[32]。经研究证实PFKFB3的小分子拮抗剂3PO(3-(3-pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one, 3-(3-吡啶基)-1-(4-吡啶基)-2-丙烯-1)可促进微管毒物诱导的有丝分裂阻滞期乳腺癌细胞的死亡[33]。
2.3.4 葡萄糖转运体GLUTsGLUTs是负责转运葡萄糖的重要载体蛋白。在肿瘤细胞中，葡萄糖转运蛋白GLUT1的表达明显上调，增加了葡萄糖摄取和参与糖代谢的多条途径。Yakisich等[34]发现双胍类抗肿瘤药物可以与GLUT1抑制剂WZB-117(3-hydroxy-benzoic acid，3-羟基-苯甲酸)联合使用，增强对肺癌干细胞的靶向作用。根皮素可以抑制耐药结肠癌细胞株中过表达的GLUT1，并通过激活P53介导的信号诱导细胞凋亡，从而抑制耐药癌细胞的生长[35]。最近，Chen等[36]证实肺癌细胞GLUT5的特异性小分子抑制剂2, 5-脱水-D-甘露醇(2, 5-Anhydro-D-mannitol)，可在体外和体内模型中抑制肺癌细胞的果糖利用，从而下调其脂肪酸合成活性，抑制肺癌细胞的体内恶性生长，为肺癌的治疗提供了新策略。
2.4 其他肿瘤中被异常激活的癌基因和促癌相关通路也被认为是潜在的分子靶标。研究表明，抑制致癌基因YAP/TAZ(yes associated protein, YAP/transcriptional coactivator with PDZ-binding motif, TAZ)的表达和转录活性可以显著抑制肿瘤细胞的生长和侵袭，并诱导肿瘤细胞凋亡，用其靶向药物维替普芬治疗肿瘤细胞，显著逆转了肿瘤细胞的恶性生物学行为[37]。此外，二甲双胍可以激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase, AMPK)通路、抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1(mammalian target of rapamycin complex-1, mTORC1)通路及肿瘤糖酵解活性，增强葡萄糖氧化磷酸化，从而抑制肿瘤的发生、发展[27]。从代谢方向对这些生物靶点进行针对性检测治疗，或可为肿瘤临床诊断治疗提供有效的方法。
3 基于肿瘤葡萄糖代谢的检测技术及其临床应用 3.1 分子影像成像技术分子影像学技术的发展就是通过大通量筛选和开发新的分子探针，定位特异性的新靶点；通过新的成像技术如正电子发射体层摄影术(positron emission computed tomography, PET)、磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、X射线计算机体层摄影术(computed tomography, CT)和超声成像(ultrasound, US)等成像定量方法，不断提高成像的敏感度、特异性和分辨率，更早期、准确地获取生物细胞分子信息，从而达到预测医学、定量医学、精准医学的目的。基于大多数肿瘤表现出明显的糖酵解活性，PET/CT技术被广泛应用于肿瘤临床治疗。PET/CT的出现是医学影像的又一次革命，其中氟代脱氧葡萄糖(2-Deoxy-2-[18F]fluoroglucose, 18F-FDG)PET/CT显影技术是分子影像学技术在目前临床肿瘤学研究中最成功的应用之一。18F-FDG是18F标记的葡萄糖类似物，被广泛用于肿瘤的定位和表征[38]且被FDA批准用于可疑或现有癌症的诊断。在早期和局部晚期非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)中，18F-FDG PET/CT分别是临床诊断和分期的推荐检测技术[39]。18F-FDG PET和3’-脱氧-3’-18F-氟代胸苷(3’-deoxy-3’-18F-fluorothymidine, 18F-FLT)PET被广泛用于肿瘤良恶性程度、分期及转移监测诊断，并可有效地检测药物对肿瘤治疗的早期临床反应。针对分化程度较好的肿瘤诊断的假阳性现象，18F-FDG PET和11C-乙酸联合应用进行PET显像，极大提高了诊断的准确度。此外，18F-FDG PET联合单氨基酸螯合(99mTc)偶联磷脂酰丝氨酸结合肽(SAAC(99mTc)-PSBP-6)凋亡显像能更快速地反映肿瘤对化学治疗药物的敏感度[40]。
3.2 同位素检测技术同位素示踪法是利用放射性核素(或稳定性核素)及其化合物，作为一种标记，将糖代谢通路相关靶点进行同位素标记，检测其中间代谢产物的标记情况，从而反映出癌细胞的代谢调控因素，为疾病的诊断、治疗提供策略，为临床药物的开发提供思路。You等[41]使用同位素标记葡萄糖(1，2-13C2-葡萄糖葡萄糖)结合葡萄糖摄取和乳酸分泌来确定糖酵解和PPP两条通路的相对活性。证明了在索拉菲尼耐药细胞中，增强了糖酵解途径，而通过PPP的葡萄糖通量减少。超极化的[1-13C]丙酮酸代谢的13C磁共振波谱成像(magnetic resonance spectroscopy imaging, MRSI)已被证明可以作为肿瘤治疗反应的早期指标[42]。Hesketh等[43]研究证实超极化的[1-13C]丙酮酸和内源性乳酸盐之间的标记通量减少会导致肿瘤体积的变化，并能可靠地检测到治疗反应。Vinaixa等[44]提出了一种基于核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)的稳定同位素示踪研究的代谢组学方法——质子定位富集分析(positional enrichment by proton analysis, PEPA)，PEPA检测碳标记在同位素富集代谢物中的位置，并通过使用1D-1H-NMR谱间接测定13C峰来定量其分级富集的代谢物，扩大了在细胞提取物中检测到的同位素富集代谢物的范围。
3.3 代谢流检测技术近年来基于稳定同位素示踪的肿瘤代谢流分析技术，将肿瘤发生、发展的代谢通路及产物作为一个整体进行分析，成为了研究肿瘤代谢重编程机制及个性化精准治疗的重要工具。代谢流检测是同位素标记的又一次进步，首先确定细胞糖代谢通路，在此基础上了解其调控机制和影响因素(即代谢控制分析)；最后确定代谢设计的靶点(同位素标记)根据标志物代谢流分布和调控结果，便可得到肿瘤细胞代谢状态对其影响及代谢通路的活跃状态。Reyes-Caballero等[45]使用稳定同位素分析和代谢组学检测在空气污染颗粒PM2.5条件下的小鼠对13C6葡萄糖肝脏代谢途径的影响，通过离子色谱仪-傅立叶变换离子回旋共振质谱(ion chromatography-Fourier-transform mass spectrometry, IC-FTMS)或气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometer, GC-MS)分析肝脏中13C进入不同代谢状态的情况。结果显示13C在糖酵解中间产物的相对量降低，提示糖酵解减弱，而PPP途径的氧化分支增加和13C的合并，提示脂肪酸合成能力的增强。Jiang等[46]为了量化由溶质载体家族25成员1(solute carrier family 25 member 1, SLC25A1)编码的线粒体柠檬酸转运蛋白(citrate transport, CTP)缺陷对代谢通量的影响，实验中用一组13C-葡萄糖和13C-谷氨酰胺示踪剂对细胞进行培养，结果数据通过对代谢通量分析(metabolic flux analysis, MFA)进行整合，发现缺乏CTP的细胞抑制PDH和丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase, PC)诱导的葡萄糖依赖性贫血，还发现了在CTP缺陷细胞中，抑制异柠檬酸脱氢酶1(isocitrate dehydrogenase(NADP (+) 1), IDH1)可以抑制葡萄糖或谷氨酰胺的脂肪生成。Trefely等[47]以[13C6]-葡萄糖掺入乙酰辅酶A和HMG-CoA为例。来自葡萄糖的碳可以以2个13C为单位结合到乙酰辅酶A中，然后以2个13C为单位结合到HMG-CoA中。因此，可以将2、4或6个标记的13C添加到HMG-CoA分子中，分别产生M2、M4或M6同位素同系物，见图 2[47]。13C和12C的不同组合(同位素)的相对丰度反映了标记底物与其他潜在底物的竞争。由此可见，代谢流分析可检测肿瘤细胞代谢活性，对发现肿瘤关键治疗靶点也有巨大潜力。
利用细胞中的高葡萄糖通量可能会成为癌症治疗的创新方法。多个研究表明，靶向肿瘤细胞异常表达的代谢酶、癌基因及相关通路可显著抑制肿瘤生长、转移及改善肿瘤耐药。以肿瘤代谢为靶点的研究呈现出良好的临床应用前景。本课题组之前研究了关于P53促凋亡蛋白2(apoptosis stimulating protein of p53 2, ASPP2)调控肝癌甲羟戊酸代谢途径，发现抑制ASPP2表达促进该代谢途径相关酶表达，肿瘤细胞胆固醇水平增加，促进其生长[48]。其中GC/MS图谱中发现抑制ASPP2表达可以提高肝癌细胞的葡萄糖摄取和乳酸的产生，这对我们对肝癌葡萄糖代谢的后续研究有重大意义。目前相关肿瘤代谢的药物研发主要是肿瘤代谢通路中特异变化的转运体及关键代谢酶，靶向葡萄糖代谢研究中的关键代谢酶，已有多个药物进入临床研究阶段，如2-脱氧-D-葡萄糖(2-Deoxy-D-glucose, 2-DG)和3-溴丙酮酸(3-Bromopyruvic acid3-bp)(靶向HK2)、3PO(靶向PFK2)、二氯乙酸钠(sodium dichloroacetate，DCA)(靶向PDK)等[49]。但这些通过靶向肿瘤糖代谢关键酶的药物对正常细胞可能也有不利影响。因此，有待进一步开发安全有效的代谢靶向抑制剂。此外，基于肿瘤葡萄糖代谢的检测方式已经被广泛应用于肿瘤的基础研究和临床诊疗中，如18F-FDG、18F-FLT、代谢流等，为肿瘤体内复杂的生物化学过程及形态变化检测及肿瘤临床诊疗提供了良好的方式。这些方式将肿瘤发生、发展的代谢通路和产物作为一个整体进行分析，成为了研究肿瘤葡萄糖代谢重编程机制及探讨个性化精准治疗的重要工具，为肿瘤代谢靶向药物的研发及肿瘤精准治疗方案的制订等创造了有利条件，值得深入探讨。
作者贡献：
江圆：文献查阅、文章撰写及修改
陈亚、谢杨阳、黄信羽：英文文献查阅及翻译
赵健、梁蓓蓓：提供文章撰写思路及文章审阅
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