0 引言

近年来，随着放疗技术的不断发展及精准放疗的实施，放疗疗效得到明显改善^[1]。然而，放射敏感度不足或放疗抵抗的发生一直是影响放疗疗效的主要瓶颈问题。最近，肿瘤细胞代谢重编程相关研究用于癌症的诊断、监测或治疗，引起了人们的普遍关注^[2]。肿瘤细胞增殖迅速、合成代谢和能量需求较高，并可通过不同的代谢途径获取能量。葡萄糖和谷氨酰胺的代谢能维持肿瘤细胞生长和增殖，其中谷氨酰胺在提供细胞合成代谢所需的碳和氮方面起着重要作用^[3]。研究表明，抑制谷氨酰胺代谢可以增加放射治疗的细胞毒作用，增加放疗敏感度^[4]。本文将介绍谷氨酰胺在恶性肿瘤的代谢重编程过程中的作用以及谷氨酰胺代谢途径中涉及的重要酶及相关分子机制，探讨抑制谷氨酰胺代谢增强放疗敏感度的可行性。

1 肿瘤细胞中谷氨酰胺代谢 1.1 谷氨酰胺在恶性肿瘤中的代谢重编程

谷氨酰胺是肿瘤细胞快速生长的重要氨基酸^[5]。大部分肿瘤细胞优先进行有氧糖酵解（Warburg效应），从而限制丙酮酸进入三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环发生氧化磷酸化。虽然肿瘤中有氧糖酵解使TCA循环及线粒体呼吸受限，但实际上线粒体功能未受损。谷氨酰胺的代谢产物可作为底物进入TCA循环。研究使用同位素示踪剂，证明了谷氨酰胺对肿瘤细胞中TCA代谢物的作用^[6]。谷氨酰胺通过进入TCA循环，随后通过线粒体氧化磷酸化或通过乳酸分泌（谷氨酰胺分解）回收还原当量来产生ATP，促进肿瘤细胞中能量的产生^[7]。因此，谷氨酰胺驱动的氧化磷酸化也是肿瘤细胞的主要ATP来源。此外，谷氨酰胺作为谷胱甘肽（glutathione, GSH）系统的氨基酸成分，还参与维持活性氧（reactive oxygen species, ROS）的稳态，对核苷酸和氨基酸的生物合成至关重要^[5]。

1.2 参与肿瘤细胞谷氨酰胺代谢的酶

细胞内谷氨酸浓度的维持主要依赖于谷氨酰胺酶的活性^[8]。谷氨酰胺酶由GLS和GLS2两个基因编码，分别为肾型谷氨酰胺酶（glutaminase, GLS）和肝型谷氨酰胺酶（glutaminase 2, GLS2）。GLS不仅在各种正常组织中普遍表达，还在许多癌症中发挥关键作用^[9]；而GLS2仅限于肝脏、脑和胰腺表达^[10]。研究表明，GLS受癌基因的调节，在癌症中表达上调，并促进了肿瘤细胞的生长^[9]。GLS2在各种癌症类型中的表达趋势不同，并且GLS2的表达通常在癌症中受到抑制^[11]。

谷氨酰胺酶是一种线粒体酶，可将谷氨酰胺水解成谷氨酸并促进肿瘤细胞的快速增殖。GLS表达升高与一些癌症的不良预后相关，可开发为这些癌症诊断和治疗的靶标^[11]。研究表明，结直肠肿瘤细胞GLS表达由缺氧诱导，为肿瘤迁移、侵袭和生长所必需^[12]。此外，GLS的过表达可促进肝内胆管肿瘤细胞的转移和侵袭，以及促进上皮间质转化的发生^[13]。

与GLS相比，GLS2更多被认为是一种抑癌基因。GLS2在胶质母细胞瘤^[14]、肝细胞肝癌^[15]和结肠癌^[16]中表达下调，而在Luminal亚型乳腺癌中呈过度表达^[17]。肿瘤细胞中GLS2的上调诱导抗增殖反应，使细胞周期停滞在G₂/M期，并减少克隆形成^[18]。研究表明，GLS2可负性调控PI3K/AKT信号转导，在肝细胞癌中发挥抑癌作用^[15]。然而，Lukey等^[17]发现GLS2的表达促进Luminal亚型乳腺癌的增殖和肿瘤发生，这个证据支持了GLS2在乳腺癌中的致癌作用。

1.3 肿瘤细胞谷氨酰胺代谢的调控机制

据报道，原癌基因c-Myc可调节谷氨酰胺代谢途径中几种基因的表达，包括GLS、谷氨酰胺合成酶和氨基转移酶^[19-21]。其中，GLS表达已被证明受到c-Myc^[19]的正向调节。c-Myc通过直接结合谷氨酰胺转运蛋白的启动子区域来促进谷氨酰胺的摄取^[22]。此外，c-Myc抑制miR-23a和miR-23b间接促进GLS的表达^[19]。Myc还可以通过抑制lncRNA GLS-AS的表达来上调GLS^[23]。另一种致癌性转录因子c-JUN也可调节GLS的基因表达^[24]。乏氧也是肿瘤细胞中谷氨酰胺还原代谢的诱导剂，乏氧以HIF-1α转录激活的方式上调GLS的表达^[12]。

GLS2以不同于GLS的方式进行表达调控。GLS2已被证明是p53的下游靶标^[25]，p53可通过GLS2途径参与对铁死亡的调节^[26]。铁死亡是一种铁依赖性的新型程序性细胞死亡方式，只有GLS2介导的谷氨酸盐才能促进α-酮戊二酸的形成，并随后增强可氧化脂质的产生，诱导细胞铁死亡^[27]。在神经母细胞瘤中GLS2可被N-Myc直接上调^[28]。在Luminal亚型乳腺癌中GLS2的表达出现下调，而在基底细胞类型乳腺癌中出现上调^[17]。这些研究有助于优化未来针对谷氨酰胺代谢的靶向治疗。

2 谷氨酰胺代谢与放疗相关性 2.1 谷氨酰胺代谢对细胞氧化还原稳态至关重要

细胞氧化还原稳态主要体现在氧化剂（主要为ROS）和抗氧化剂（主要为还原型谷胱甘肽）之间的平衡。肿瘤细胞比正常细胞含有更高水平的ROS，肿瘤细胞中ROS增加的主要原因是癌基因激活和线粒体的损伤或刺激^[29]。虽然肿瘤细胞中ROS含量增加，但肿瘤细胞中抗氧化基因过度表达、谷胱甘肽合成和NADPH合成增加会阻止氧化应激^[29]。抗氧化防御依赖于NADPH的产生，NADPH用于维持还原形式的谷胱甘肽，也依赖于谷胱甘肽的从头合成。

所有细胞中最丰富的抗氧化剂是谷胱甘肽。谷氨酰胺是产生抗氧化剂谷胱甘肽的前体。谷胱甘肽是由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸组成的三肽，是最丰富的细胞内硫醇基抗氧化剂，在维持ROS稳态中起关键作用。谷胱甘肽有两种形式，具有生物活性的还原型（glutathione, GSH）和无活性的氧化型（oxidized glutathione, GSSG），两者的比值常被用作细胞氧化应激简单方便的表达方式^[30]。GSH系统中的氧化还原蛋白与放射反应有关。放疗后GSH/GSSG比值以剂量——反应方式降低，表明GSH氧化还原比可作为辐射诱导的氧化应激的指标^[31]。

2.2 谷氨酰胺代谢与放疗相关性

电离辐射通过细胞生物分子的电离对细胞产生损伤效应，包括对细胞DNA的直接损伤，以及对自由基和ROS介导的间接损伤。然而，辐射效果通常受到内在或获得性肿瘤辐射抗性的影响。辐射引起的DNA损伤，造成肿瘤细胞在细胞周期中停滞，限制肿瘤细胞增殖和增加细胞凋亡。研究发现谷氨酰胺合成酶促进辐射细胞G₂/M期恢复，从而导致肿瘤细胞对放射治疗产生抗性^[32]。此外，研究^[33]表明抗辐射肿瘤细胞具有低糖酵解、低线粒体呼吸和低TCA循环的特点，但谷氨酰胺合成代谢增加。通过敲低谷氨酰胺合成酶表达，能延迟DNA修复，削弱核苷酸代谢，增强体外和体内的放射敏感度。

ROS水平过高时，可能产生高度破坏性，攻击生物大分子，包括脂质、多糖、蛋白质和核酸，导致氧化损伤和膜性结构破坏，酶失活和DNA断裂，造成细胞死亡。研究表明^[34]，在肺腺癌细胞中，谷胱甘肽直接来源于谷氨酰胺。抑制GLS可减少谷氨酰胺的生成，进而减少谷胱甘肽的合成，促进ROS生成，明显增强了肺癌细胞的放射敏感度。此外，GLS2可使还原型谷胱甘肽水平增加^[35]，降低ROS水平，调节细胞中的抗氧化防御功能，保护细胞免受氧化应激诱导的凋亡。在神经胶质瘤细胞中，GLS沉默或GLS2过表达均可促进ROS生成，进而抑制细胞迁移，在降低c-Myc和Bcl-2表达的同时促进促凋亡分子Bid表达^[14]。

3 靶向谷氨酰胺代谢增强放疗敏感度

剥夺细胞谷氨酰胺可增强氧化应激反应和ROS生成，促进DNA损伤，增强放疗敏感度。Mukha等^[36]发现抗辐射的前列腺癌细胞和前列腺癌干细胞对谷氨酰胺的需求量明显增高。谷氨酰胺酶驱动的谷氨酰胺分解代谢不仅用于产生能量，还用于维持氧化还原状态，剥夺谷氨酰胺可对前列腺癌放射增敏。Blinley等^[37]研究表明，谷氨酰胺酶抑制剂通过消耗谷胱甘肽和增加辐射诱导的DNA损伤，使KEAP1突变的肺腺癌细胞放射敏感度增加。使用GLS抑制剂Telaglenstat（CB-839）可提高头颈鳞癌的放疗疗效^[38]，此外，Telaglenstat显著增加了舌癌的氧化应激并增加了DNA损伤。因此，Telaglenstat介导的谷氨酰胺酶抑制可增加ROS生成，提高舌癌细胞的放射敏感度。另外，GLS抑制剂CB-839可增加肺癌细胞的放疗敏感度^[4]。谷氨酰胺合成酶是一种催化谷氨酸和氨生成谷氨酰胺的酶。敲低谷氨酰胺合成酶能延迟DNA修复，削弱核苷酸代谢，并增强体外内的放射敏感度^[33]。

c-Myc通过激活参与谷氨酰胺代谢的基因来驱动谷氨酰胺的摄取和分解代谢，包括GLS和SLC1A5等^[39]。剥夺谷氨酰胺结合放疗可产生协同作用，使表达c-Myc的神经母细胞瘤放射增敏^[40]。GLS2可促进宫颈癌细胞的生长并促进放疗抵抗的发生^[41]。此外，GLS2是神经母细胞瘤中N-Myc关键下游靶点^[28]。最近的研究表明，肝激酶B1的缺失可以诱导代谢变化，导致ROS产生增加，而GLS抑制剂对肝激酶B1缺陷型的肺癌细胞具有放射增敏作用^[42]。

GLS与肿瘤干细胞功能联系密切。研究^[43]显示，GLS在肝细胞癌中呈高表达，并与不良预后相关。GLS仅在线粒体基质中表达，其上调与肿瘤干细胞（CSC）表型呈正相关。靶向GLS可降低干细胞干性相关基因的表达并在体外抑制CSC活性。GLS通过ROS/Wnt/β-catenin信号通路调节肿瘤干细胞的干性特性，敲除GLS可抑制其体内致瘤性。

4 总结与展望

放疗敏感度一直是癌症放疗领域研究的热点。传统放疗增敏剂主要为亲电子化合物，如甘氨双唑钠、硝基咪唑等。氮氧化合物特别是一氧化氮也进行了放疗增敏研究。紫杉醇促使癌细胞阻滞于有丝分裂期，具有放疗增敏作用。小剂量顺铂被认为具有放疗增敏作用而广泛应用于头颈肿瘤放疗中。狭义的放疗增敏剂仅指那些增加放疗敏感度，但不增加正常组织放疗效应的药物。新近分子医学的深入发展部分揭示了放疗抵抗的内在机制，也为新型放疗增敏剂的开发创造了有利条件^[44]。

当前谷氨酰胺抑制剂放疗增敏的实验研究为后续临床转化提供了良好的基础。谷氨酰胺酶的同工酶GLS在许多癌症中呈高表达，与癌症发生、发展相关。尤其在MYC驱动的癌症中，肿瘤细胞能量代谢高度依赖于谷氨酰胺。由于GLS2更多与细胞氧化还原反应相关，剥夺肿瘤细胞谷氨酰胺能够增强氧化应激反应，促进DNA损伤和放疗敏感度。本文围绕癌症谷氨酰胺代谢，分析了谷氨酰胺同工酶GLS在放疗抵抗中的作用，以及GLS抑制剂在放疗增敏领域的潜在应用价值。

放疗增敏还有许多重要的研究领域。如lncRNA、microRNA及circRNA等非编码RNA也与放疗敏感度密切相关。纳米材料也为放疗敏感度研究注入了新的活力。谷氨酰胺抑制剂与纳米材料的结合，将是未来研究方向之一。中草药提取物如姜黄素具有潜在放疗增敏作用。缺氧特异性细胞毒性类化合物，如AQ4N、Tirapazamine等，可在细胞内还原生成大量自由基，加重放疗所致的DNA损害。肿瘤细胞信号通路调节剂，如PI3K-Akt-mTOR、Wnt和MAPK等，在放疗增敏领域也具有广阔的研究前景^[44]。

放疗联合谷氨酰胺抑制剂的安全性问题值得进一步研究。如在鼻咽癌，补充谷氨酰胺确可降低接受同步放化疗患者黏膜炎的发生^[45]，然而，众多基础研究提示谷氨酰胺抑制剂可增加放疗敏感度，如此有可能增加这些患者黏膜炎的发生。接受同步放化疗的头颈部肿瘤患者，是补充谷氨酰胺减轻黏膜炎，还是使用谷氨酰胺抑制剂增加放疗疗效，两者如何权衡，值得进一步研究。

未来谷氨酰胺抑制剂的临床研究也应该充分考虑肿瘤代谢类型，即以谷氨酰胺为主，或以糖酵解或其他代谢类型为主。如以谷氨酰胺代谢为主，则应优先考虑使用上述谷氨酰胺抑制剂。因此，谷氨酰胺抑制剂联合放疗是一种有前景的治疗策略。

作者贡献：

乔万佳：文献查阅和论文撰写

刘小军：论文修改和审校

董娜：文献查阅