肿瘤代谢研究及其临床应用展望

引用本文：李莉, 寇俊婕, 杜文静. 肿瘤代谢研究及其临床应用展望[J]. 中国医学前沿杂志（电子版）, 2019, 11(2): 28-37.

作者单位：中国医学科学院基础医学研究所细胞生物学系/医学分子生物学国家重点实验室

基金项目：国家自然科学基金（81672766）；中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2016-I2M-4-002）

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http://www.yixueqianyan.cn/CN/abstract/abstract2863.shtml

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清华大学药学院：糖代谢与抗肿瘤治疗

早在1947年，研究发现氨基蝶呤能用于治疗急性淋巴细胞白血病。随后越来越多的抑制核苷酸合成的抗代谢药物成功用于癌症治疗，这归因于肿瘤细胞的DNA复制需求增加。然而，核苷酸代谢仅是支持肿瘤细胞增殖的众多代谢通路之一，快速增殖的癌细胞需要同时平衡分解代谢和合成代谢需求，在糖代谢、氨基酸代谢、脂代谢等方面均发生了代谢重编程。肿瘤代谢重编程最近才被认为是癌症的主要特征之一。目前有限的抗代谢药物只能有效对抗某些癌症类型。过去15年，人们对肿瘤代谢的兴趣日益增长，借由新的生化和分子研究工具，对癌细胞代谢的研究深化了我们对肿瘤发生各个阶段的代谢改变的机制和功能理解。更好地理解肿瘤代谢改变及机制将帮助我们探索出更有效的癌症治疗方法。本文主要讨论肿瘤代谢研究的最新进展，以及相关代谢靶点在临床应用中的潜力。

20世纪20年代，Otto Warburg[1]报道即使在氧气存在的条件下，癌细胞亦消耗大量的葡萄糖，并且大部分代谢为乳酸，这种现象现在被称为有氧糖酵解或Warburg效应，是癌症和大多数正常组织之间的重要代谢差异。肿瘤细胞通过糖酵解产生中间代谢物，这些中间代谢物为核苷酸、脂质、氨基酸及还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phos phate，NADPH）等生物合成途径提供原料，以满足细胞快速增殖的物质需求[2]。这些代谢支路途径包括磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP），用于产生核糖核酸和NADPH ；己糖胺途径，用于蛋白质的糖基化和糖原生成；丝氨酸生物合成途径，用于产生氨基酸等。

经典的糖酵解途径包括几步可逆的酶反应和三步不可逆反应。第一步不可逆反应是由己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）催化葡萄糖产生葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate，G6P）。肿瘤细胞多通过增加葡萄糖摄取和诱导HK2的高表达促进葡萄糖代谢[3]。第二步由磷酸果糖激酶1（phosphofructokinase 1，PFK1）催化产生果糖-1，6-二磷酸。第三步由丙酮酸激酶催化生成丙酮酸。在肿瘤细胞中，低亲和力的M2型丙酮酸激酶（pyruvate kinase M2，PKM2）高表达，最后一步反应的衰减促进了中间代谢物进入到上述生物合成支路途径中[4]。然而，肿瘤细胞中的乳酸脱氢酶A（lactate dehydrogenase A，LDHA）表达上调[5]，促进丙酮酸转化为乳酸，同时，乳酸分泌增加，表现为转运体蛋白（monocar boxylate transporters，MCTs）高表达，这是因为滞留在细胞中的乳酸抑制PFK1的表达[6]。同时研究表明，乳酸分泌到环境中还能促进肿瘤的发展[7,8]（图1）。糖酵解过程中的许多酶，尤其是关键步骤的酶活性均被各种底物和产物或正向或负向紧密调节。代谢酶的活性也受这些酶的编码基因突变的影响。除了酶活性外，代谢基因的表达在癌症中也经常改变。最近的研究表明，激活的原癌基因（如MYC）、信号通路[如磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）]、转录因子[如低氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）]以及抑癌基因（如TP53）的失活，可通过调节基因表达诱发肿瘤细胞中的Warburg效应[2]。HIF-1增加了葡萄糖转运体（glucose transporter，GLUT）1和HK2的表达，以增加葡萄糖的吸收和葡萄糖磷酸化[9,10]。癌基因KRAS、BRAF及AKT通路的激活也能促进GLUT1和其他GLUT的表达[11,12]。MYC和AKT通路也分别通过上调HK2和PFK1的表达诱导糖酵解[13-15]。HIF-1和MYC均可上调LDHA和乳酸MCTs的表达，促进乳酸分泌[16,17]。对于抑癌基因TP53，其野生型和突变型调节糖酵解的研究均有报道[18,19]。例如，TP53通过促进TP53诱导糖酵解凋亡调节蛋白（TP53 induced glycolysis and apoptosis regu lator，TIGAR）的表达，降低PFK1的活性，进而促进6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate，F6P）进入PPP代谢通路，生成NADPH，维持细胞的氧化还原状态，加速核糖核酸合成。

综上，肿瘤细胞的葡萄糖代谢重编程明显区别于正常细胞，是否可以利用这些差异有选择地消灭肿瘤细胞？由于肿瘤细胞与正常细胞大多使用相同的糖酵解酶，糖酵解酶的抑制作为癌症治疗可能会增加不良反应。但仍有可能将肿瘤细胞优先使用的GLUT和糖酵解酶作为靶点，探索特异性的肿瘤治疗方案。目前已有大量工作在此方面进行了努力[20]，主要围绕糖酵解的关键步骤。如2-脱氧-D-葡萄糖（2-deoxy-D-glucose，2-DG）可以竞争性地抑制HK2，许多临床前研究已经证明其抗增殖的作用[21]。但在临床试验中，高剂量2-DG产生毒性，较低剂量则不足以抑制疾病进展[22]。然而，HK2在大部分正常组织中不表达，因此是比较理想的靶点，研究将进行其他尝试，如使用G6P的类似物或许有更好的效果。对于PFK1，主要通过PFKFB3和PFKFB4的小分子抑制剂间接抑制癌细胞中的PFK1，可以选择性抑制肿瘤细胞的增殖[23]。第三步关键酶PKM2，目前的研究结果仍不确定应研发其抑制剂或激活剂用于癌症治疗。最后，乳酸代谢抑制剂，如LDHA抑制剂，MCT1和MCT4抑制剂可以通过抑制糖酵解和乳酸的排出，阻碍肿瘤生长，但同时其也有使细胞内pH过低的细胞毒性[24]。除了糖酵解酶外，GLUT也是理想靶点。上文提及KRAS、BRAF及AKT通路激活能上调GLUT1的表达，GLUT1的几种抑制剂在体外均可选择性地杀伤肿瘤细胞。由于GLUT1在其他正常细胞中广泛表达，因此，临床治疗效果可能不尽人意。但研究同时发现，GLUT1也是脱氢抗坏血酸（dehydroascorbic acid，DHA）的转运体，DHA是氧化型的维生素C，进入细胞后还原成维生素C，从而升高细胞的活性氧，进一步抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehy drogenase，GAPDH）和接下来的糖酵解步骤。KRAS和BRAF突变的癌细胞对于DHA的摄取增加，因此，增加DHA可以特异地杀死携带激活KRAS和BRAF突变的肿瘤细胞[25]。

上文提及，糖酵解通路中一个重要分支是PPP，其中G6P被部分氧化，产生的NADPH用于维持细胞内部氧化还原稳态，防止氧化损伤、保护肿瘤细胞；产生的核糖-5-磷酸，用来维持细胞增殖。PPP分为氧化和非氧化两个阶段。氧化阶段：G6P经葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（glucose-6-phosphate dehydro-genase，G6PD）催化脱氢生成6-磷酸葡萄糖酸（6-pho-s phogluconic acid，6PG）；6PG在6-磷酸葡糖酸脱氢酶（6-phosphogluconate dehydrogenase，6PGD）的催化下生成核酮糖-5-磷酸（ribulose-5-phosphate，R5P）。该阶段产生的NADPH为细胞提供还原力，清除活性氧。非氧化阶段：磷酸戊糖经转羟乙醛酶（transketolase，TKT）催化，最终重新合成6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate，F6P）（图2）。PPP代谢通路在肿瘤中经常升高，研究发现癌基因和抑癌基因均可调节PPP活性。例如，作为PPP途径的两种重要的氧化还原酶G6PD和6PGD受到精密调控。野生型P53通过直接结合抑制G6PD的酶活性，从而抑制PPP代谢途径[26]。同时TAp73能激活G6PD的转录，导致PPP代谢途径活性增加[27]。近期研究发现ME1可以与6PGD相互作用形成异源二聚体模拟6PGD来发挥作用[28]。此外，Ras也能促进介导核糖-5磷酸合成的酶的转录表达，促进肿瘤进展[29]。

三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCAC）是由一系列酶促反应构成的循环反应系统，主要发生在线粒体，产生苹果酸、柠檬酸等多种中间产物（图2）。TCAC是糖、脂肪酸及氨基酸相互转变的代谢枢纽，在肿瘤发生发展中发挥重要作用。研究发现TCAC中的很多酶在不同肿瘤中均有变异，受癌基因或抑癌基因的调控。苹果酸酶将苹果酸转变为丙酮酸，同时产生NADPH以维持氧化还原平衡和生物大分子的合成。P53与苹果酸酶代谢途径之间存在相互调控关系，P53通过调控苹果酸酶来调节谷氨酰胺代谢和细胞增殖，而敲低苹果酸酶可通过MDM2和AMPK介导的正反馈方式激活P53，调控细胞衰老[30]。异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）是TCAC中的关键酶，在多种肿瘤中均发现频发的IDH基因突变，突变的IDH可以作为致癌基因，改变酶的催化活性，减少α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）生成并导致致癌代谢物2-羟戊二酸（2-hydroxyglutarate，2-HG）的积累，进而调节组蛋白和DNA的甲基化，促进肿瘤的发生发展。针对IDH突变体的抑制剂已经研发出来，某些已进入临床试验[31,32]。TCAC中的延胡索酸水合酶（fumarate hydratase，FH）或琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）的缺失可引发某些遗传性家族肿瘤，提示FH和SDH有抑癌基因的作用。患者往往一个基因拷贝发生缺失，这种杂合缺失导致富马酸或琥珀酸的积累，类似于2-HG的作用，富马酸或琥珀酸也能抑制α-KG依赖性双加氧酶，导致肿瘤中的DNA和组蛋白甲基化水平升高；另外，富马酸或琥珀酸还能促进HIF表达，进而促进肿瘤进展。FH和SDH的缺失均导致TCAC被破坏，为维持TCAC，细胞往往会发展其他代谢途径进行回补。FH缺失的细胞利用血红素循环或外源精氨酸进行回补，SDH缺失的细胞则通过上调丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase，PC）进行回补。因此，靶向这些回补途径，将是治疗FH和SDH缺失引起的肿瘤的理想策略[33-35]。

谷氨酰胺是细胞中氨基酸和核苷酸的重要氮源[36]，也可以通过谷氨酰胺分解代谢，向天冬氨酸、谷氨酸及TCAC提供碳源[37]。癌细胞在体外增殖消耗的谷氨酰胺远远超过其他任何氨基酸[38]。肿瘤细胞的谷氨酰胺分解代谢增加，向其他生物合成途径提供前体，支持细胞的快速增殖。向细胞补充α-KG，草酰乙酸或丙酮酸就足以挽救谷氨酰胺饥饿条件下的癌细胞生长抑制，进一步证实了谷氨酰胺通过回补TCAC中间代谢物来支持细胞增殖[37,39]。谷氨酰胺代谢受多种致癌信号通路的影响。如过表达MYC的肿瘤表现为谷氨酰胺代谢依赖[40]，MYC可以促进谷氨酰胺转运体以及谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）的表达[41]，阻断谷氨酰胺进入TCAC可以抑制MYC驱动的肝癌的进展[42]。如前所述，谷氨酰胺代谢表现出对癌细胞信号转导和增殖的重要影响，因此被认为是一种有力的抗癌策略。治疗策略主要包括对谷氨酰胺转运体和谷氨酰胺代谢酶的抑制，然而由于某些药物特异性差，对健康细胞毒性较大，目前针对谷氨酰胺代谢的临床试验主要集中于抑制GLS。哺乳动物有2个GLS基因GLS1和GLS2，靶向GLS1的抑制剂在体外和体内均可抑制癌细胞增殖[43-46]。CB-839是一种强效、高特异性的GLS抑制剂，目前正在进行临床试验。还有一些数据表明GLS2有抑制肿瘤的作用[47]，这提示我们需要进一步研究区分可能受益于GLS抑制的患者群。

肿瘤细胞的丝氨酸生物合成增加，对细胞的体内外存活均具有重要作用。磷酸甘油脱氢酶（phos-phoglycerate dehydrogenase，PHGDH）催化糖酵解中间体3-磷酸甘油酸转化为3-磷酸羟基丙酮酸，3-磷酸羟基丙酮酸经过随后2次反应转化为丝氨酸（图1）。最近研究发现某些PHGDH表达增加由基因拷贝数增加引起[48,49]，某些则由致癌信号活化引起，如NRF2和ATF4[50]，并与乳腺癌、肺腺癌及黑色素瘤等多种类型肿瘤相关。考虑肿瘤细胞对丝氨酸的需求，丝氨酸合成途径成为了癌症治疗的潜在靶点。PHGDH的小分子抑制剂可以抑制细胞体外增殖和异种移植肿瘤的生长[51,52]。然而PHGDH抑制剂的临床应用可能受限，因为丝氨酸合成在中枢神经系统中具有重要的生理作用。丝氨酸限制饮食也能抑制某些肿瘤的生长，因此丝氨酸限制饮食与其他药物联合治疗可能增强抗肿瘤效果[53,54]。总之，对丝氨酸合成作用的进一步了解将帮助我们设计更好的治疗策略。

脂肪酸是细胞膜的关键成分，也可以作为信号分子或储存能量。研究发现，不同肿瘤细胞类型或微环境可能选择不同的脂质获取方式，如通过脂肪从头合成中获取，从血液中摄取或利用储存的甘油三酯水解获取，这些途径均在肿瘤发生发展中发挥作用。限制脂质代谢途径可作为治疗癌症的策略，如限制脂质来源、阻断脂质利用、阻止脂滴形成。

脂肪酸合成途径目前被认为是癌细胞用于获取脂质的主要途径[55,56]，并且脂肪酸从头合成途径的激活在癌变过程中是必需的[57,58]。越来越多证据表明靶向脂肪酸从头合成可能有效治疗某些癌症。脂肪酸合成主要发生在细胞质中。首先，乙酰-CoA基团通过乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoAcarboxylase，ACC）被转化为丙二酰辅酶A。然后，脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，FASN）将丙二酰辅酶A组装成脂肪酸链棕榈酸酯（图3）。虽然脂肪酸合成发生在细胞质中，但乙酰辅酶A由线粒体中的柠檬酸产生，柠檬酸从线粒体中输出并被细胞质中ATP-柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase，ACLY）裂解。某些肿瘤细胞也能利用细胞质的乙酸产生乙酰辅酶A[59,60]。例如某些癌症依赖于乙酰辅酶A合成酶2（acetyl-CoA synthetase 2，ACSS2）将乙酸转化为乙酰-CoA，使其成为潜在的治疗靶点[61]。

目前已经研发了许多抑制脂肪酸合成的制剂，主要靶向ACLY、ACC及FASN。ACLY活性在癌症中升高，利用遗传学或化学方法靶向ACLY能够抑制异种移植肿瘤的生长[33,62,63]。降低ACC基因的表达可诱导癌细胞凋亡[64]，并且ACC的变构抑制剂ND-646在小鼠肺癌模型中也显示出抗肿瘤作用[65]。靶向FASN可降低微管蛋白棕榈酰化，破坏微管组织，抑制肿瘤细胞生长。FASN的第一个靶向药物——TVB-2640已进入临床试验，与紫杉醇合用可中长期稳定病情进展。

核苷酸的获取对细胞增殖至关重要。核苷酸的获取途径主要包括从头合成途径和补救合成途径。嘌呤核苷酸主要由一些简单的化合物合成而来，这些前身物有天门冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、CO2及一碳单位等，它们通过11步酶促反应先合成次黄嘌呤核苷酸，随后，次黄嘌呤核苷酸在不同部位氨基化而转变生成腺苷酸及鸟苷酸。合成途径的第一步是5-磷酸核糖在酶催化下活化生成5-磷酸核糖1-焦磷酸（phosphoribosyl pyrophosphate，PRPP），这是一个重要的反应。合成反应过程中的关键酶包括PRPP酰胺转移酶、PRPP合成酶。嘧啶核苷酸的从头合成原料为谷氨酰胺及天门冬氨酸等。在哺乳动物细胞中，嘧啶核苷酸合成的主要调节酶是氨基甲酰磷酸合成酶（carbamoyl-phosphate synthetase，CAD）。主要合成过程：嘧啶环在二氢乳清酸脱氢酶（dihyd-roorotate dehydrogenase，DHODH）的催化下与5-PRPP形成第一个嘧啶核苷酸，即乳清酸核苷酸（orotidine 5'-monophosphate，OMP），进而形成尿嘧啶核苷酸（uridine 5'monophosphate，UMP），UMP在一系列酶的作用下生成三磷酸胞苷（cyntridini triphosphatis，CTP）（图4）。

一些抗代谢药物的临床试验成功证明肿瘤主要依赖于核苷酸的从头合成。核苷酸生物合成与其他代谢途径相互联系。核糖由葡萄糖通过PPP获得，核苷酸碱基的碳源来自氨基酸和一碳循环，氮源来自天冬氨酸和谷氨酰胺。因此，靶向氨基酸和叶酸代谢会影响核苷酸的产生。例如，限制丝氨酸、天冬氨酸，阻断叶酸途径降低嘌呤生物合成[66-68]。接下来的研究需要探讨这些途径与现有抗代谢药物疗法是否具有协同作用。

细胞除通过从头合成途径获得核苷酸外，还会对来自周围环境的核苷酸进行重复利用，称为补救途径。回收利用的核苷酸经常包含各种表观遗传修饰，如果在复制过程中随机插入一些携带修饰碱基的核苷酸，可能会对基因组的保真性造成重大影响。正常细胞存在一些机制避免发生这种情况。而研究发现某些癌细胞系会过表达胞嘧啶脱氨酶（cytidine deaminase，CDA），当暴露于两种5-甲基胞嘧啶不同氧化形式（5hmdC和5fdC）时，将其转化为修饰的尿嘧啶插入到DNA中，导致DNA损伤累积，最终诱发细胞死亡[69]。因此，可以选择性地利用5hmdC和5fdC靶向过度表达CDA的肿瘤。

核苷酸产生还受某些致癌信号通路调控。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）的激活可通过PPP增加核糖合成[70]，提示在mTOR过度活化的肿瘤中靶向核苷酸代谢可能更有效。由PTEN缺失激活mTOR信号通路的细胞，对DHODH的抑制更敏感[71]。而KRAS/LKB1-null肺癌细胞更依赖于尿素循环中的氨基甲酰磷酸酯合成酶-1（carbamoyl phosphate synt h etase-1，CPS1）进行嘧啶生物合成[72]。

总之，选择性靶向肿瘤细胞代谢重编程是有吸引力的肿瘤治疗方向。但目前这种方法也存在多种问题。由于代谢途径上的代谢酶往往有多种亚型，小分子抑制剂可能无法区分这些代谢酶在肿瘤细胞和正常细胞中表达的亚型。即使研发了具有特异性的抑制剂，在治疗过程中也可能由于其他亚型的代谢回补发生治疗抵抗。另一种发生治疗抵抗的原因是肿瘤会发展另外一条代谢回补途径。因此，为避免肿瘤细胞的适应性抵抗，可以将两种代谢途径抑制剂联合使用，也可以尝试将代谢抑制剂作为其他治疗方法的辅助治疗方案。

目前癌症药物研发的最大障碍之一是确定哪些患者对特定疗法会有良好反应。如传统的化疗在不同恶性肿瘤中的疗效具有很大差异。本文所讨论的在肿瘤中广泛表达的某些代谢靶点，对治疗的反应也不尽相同。如靶向ACC以限制脂肪合成可以抑制肺肿瘤进展，但在其他肿瘤中，ACC活性丧失可加速肿瘤生长。这反映了肿瘤治疗的复杂性。越来越多的证据表明肿瘤的代谢依赖性受微环境、癌症谱系等影响。如环境可以影响靶向DHODH和GLS的药物功效，因此在生理培养条件下可以更好地揭示营养物质如何影响肿瘤细胞代谢。此外，免疫疗法在癌症治疗中发挥越来越大的作用，免疫细胞的命运也受新陈代谢的影响。确定免疫细胞代谢与肿瘤代谢的相互作用，将帮助我们探索更有效的免疫疗法。

综上，许多针对新陈代谢的药物在癌症治疗中是有效的，但同时某些新的代谢疗法因毒性和特异性限制了其临床应用。更好地了解特定肿瘤中的代谢重编程及机制，将有助于找到癌症治疗的关键靶点，探索更有效的癌症治疗策略。

参考文献（略）