糖酵解途徑靶向治療惡性腫瘤研究進(jìn)展

李 爍 高進(jìn)良綜述 高春生審校

目前針對(duì)惡性腫瘤的主要治療方法是放療和化療。盡管隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，放療設(shè)備及技術(shù)、化療藥物及方法不斷更新，但很多惡性腫瘤患者的治愈率及生存質(zhì)量還是沒(méi)有得到明顯提高，其根本原因是惡性腫瘤的的發(fā)病機(jī)制還遠(yuǎn)未闡明。因此，對(duì)惡性腫瘤發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移機(jī)制的進(jìn)一步研究有助于發(fā)現(xiàn)更為有效的治療措施。

1 惡性腫瘤的能量代謝研究

1.1 研究現(xiàn)狀

Weinberg[1]在2000年提出癌細(xì)胞有6個(gè)標(biāo)志，曾被廣泛引用。癌細(xì)胞的六大特征：自我增殖能力,凋亡抵抗,無(wú)限的復(fù)制潛能，對(duì)抗生長(zhǎng)信號(hào)的不敏感性,持續(xù)的血管生成能力和組織侵襲轉(zhuǎn)移能力。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，惡性腫瘤中不但存在基因異常，而且常常存在代謝異常，尤其是能量代謝的異常。關(guān)于腫瘤細(xì)胞能量代謝特性，德國(guó)生化和生理學(xué)家Otto Warburg早在20世紀(jì)20年代就提出了著名的瓦伯格效應(yīng)[2]：腫瘤細(xì)胞比正常細(xì)胞需要更多的能量和核酸維持其生長(zhǎng)增殖，而能量代謝不但為腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)提供能量，而且為腫瘤細(xì)胞增殖所需核酸的合成提供原材料,即使在有氧情況下，腫瘤細(xì)胞仍偏好于糖酵解方式進(jìn)行葡萄糖代謝，而不采用能產(chǎn)生更多ATP的線粒體氧化磷酸化方式進(jìn)行能量代謝[3，4]。但是，上世紀(jì)中期，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的興起,腫瘤是基因疾病的觀念在學(xué)界得到普遍認(rèn)可,因此腫瘤能量代謝的研究陷入低谷。20世紀(jì)90年代，隨著氟化去氧葡萄糖正電子攝影斷層掃描(fluorodeoxygucose positron emission tomography，F(xiàn)DG- PET)技術(shù)的應(yīng)用，組織標(biāo)本的葡萄糖攝取量可檢測(cè)并成像，瓦伯格效應(yīng)在越來(lái)越多的腫瘤類型中得以證實(shí)。在2006年美國(guó)癌癥研究協(xié)會(huì)年會(huì)上Gottlieb預(yù)言能量代謝異常將成為癌細(xì)胞的第7個(gè)標(biāo)志[5]，近年來(lái),探索通過(guò)阻斷糖酵解途徑而抑制癌細(xì)胞中能量的生成從而治療惡性腫瘤的策略正備受關(guān)注[6]。

1.2 糖酵解途徑在腫瘤細(xì)胞能量代謝中的作用

正常細(xì)胞生長(zhǎng)增殖所需的能量主要是由葡萄糖的有氧氧化獲得，而惡性腫瘤細(xì)胞所需能量主要是靠糖酵解途徑獲得(既使在有氧的條件下也是如此)。隨著生物能學(xué)的發(fā)展，近來(lái)發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤細(xì)胞中普遍存在糖酵解途徑的增強(qiáng)。腫瘤細(xì)胞增殖不但需要 ATP，也需要脂肪酸、核酸、蛋白質(zhì)和膜磷脂。在腫瘤細(xì)胞中，隨著葡萄糖攝入增加，通過(guò)糖酵解途徑產(chǎn)生大量代謝中間產(chǎn)物，以滿足腫瘤細(xì)胞增殖的需求。其中，為滿足腫瘤細(xì)胞快速的 DNA 復(fù)制，6-磷酸葡萄糖通過(guò)磷酸戊糖途徑合成核酸，并產(chǎn)生大量的丙酮酸，刺激合成脂類，用于合成快速分裂的腫瘤細(xì)胞膜。有研究表明，磷脂的合成是腫瘤形成必備的，甚至能有效促進(jìn)惡性腫瘤的形成。在腫瘤組織中脂肪酸合成酶表達(dá)上調(diào)，但在正常組織中表達(dá)下調(diào)[2]。

1.3 糖酵解酶

惡性腫瘤細(xì)胞的能量代謝途徑在較大程度上依賴活性和表達(dá)水平上調(diào)的糖酵解酶。因此,特異性地阻斷糖酵解途徑而不影響正常細(xì)胞的生長(zhǎng)就必須抑制特異性高表達(dá)的糖酵解代謝酶，從而切斷腫瘤細(xì)胞能量供應(yīng)。因?yàn)榧词乖谔墙徒馔緩绞芤种频那闆r下,正常細(xì)胞也可通過(guò)其它途徑利用氨基酸和脂肪酸產(chǎn)生能量。糖酵解途徑是依賴細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體將胞外的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)胞內(nèi)，通過(guò)己糖激酶(HK)、丙酮酸激酶(PK)、乳酸脫氫酶(LDH)、磷酸果糖激酶(PFK)和磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)、煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(NAMPT)等糖酵解酶分解代謝，生成終產(chǎn)物丙酮酸。研究表明也這些糖酵解酶在惡性腫瘤中高表達(dá)[7]，它們均有可能成為通過(guò)糖酵解途徑靶向治療惡性腫瘤的靶點(diǎn)?？梢酝茰y(cè)，如果能阻斷腫瘤細(xì)胞中糖酵解途徑，即可減少腫瘤細(xì)胞中大部分能量的生成，就可能會(huì)阻滯腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖。Xu等[8]研究發(fā)現(xiàn)用一些糖酵解途徑的抑制劑如2-去氧葡萄糖、砷化物、3-溴化丙酮酸等作用于癌細(xì)胞，使癌細(xì)胞的增殖和侵襲性受到了抑制。

2 針對(duì)糖酵解途徑酵解酶的靶向治療

2.1 己糖激酶

己糖激酶(hexokinase,HK)是糖酵解途徑的第1個(gè)酶，也是糖酵解途徑的限速酶。人類細(xì)胞有 4種 HK亞型,它們分布于不同的組織和細(xì)胞內(nèi)。研究表明4種亞型中，HK2與惡性腫瘤的相關(guān)性最大。在正常情況下,HK2主要分布于骨骼肌和脂肪組織中。HK2在許多生長(zhǎng)迅速的惡性腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)[9]。它與線粒體結(jié)合可以促進(jìn)蛋白的合成,特別是在增生活躍的細(xì)胞中[10]。同時(shí)，與線粒體結(jié)合的 HK2 能有效地利用 ADP，產(chǎn)生更多的ATP以進(jìn)行三羧酸循環(huán),調(diào)控保護(hù)細(xì)胞免凋亡[11]。

在體外培養(yǎng)中，氯尼達(dá)明可以抑制 HK2和線粒體的結(jié)合,使腫瘤細(xì)胞死亡[12]。3 -溴化丙酮酸( 3 -bromopyruvate)和2 -去氧葡糖均為 HK2的抑制劑,兩者聯(lián)用在動(dòng)物試驗(yàn)中能抑制兔肝癌細(xì)胞模型的糖酵解水平。2 -去氧葡糖主要抑制被 HK 磷酸化的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝，而3 -溴化丙酮酸則直接消耗HK，從而影響腫瘤代謝，促進(jìn)細(xì)胞死亡[13]。但也有學(xué)者認(rèn)為[14]，3-溴化丙酮酸促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡的劑量并不足以抑制HK，因此，以3 -溴化丙酮酸通過(guò)抑制HK的機(jī)制來(lái)解釋其促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡仍有爭(zhēng)論。

2.2 丙酮酸激酶

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是另外1種重要的糖酵解限速酶，在哺乳動(dòng)物中，有2種不同的基因及產(chǎn)物。人體的大部分組織表達(dá)為pyruvate kinase M (PKM)中的2種亞型PKM1或 PKM2，所有的腫瘤細(xì)胞都表達(dá)PKM2，而分化組織多表達(dá)PKM-1。PKM2能促進(jìn)細(xì)胞糖酵解。

有研究表明，在體外實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)PKM2的一些小分子抑制劑，如磷酸酪氨酸蛋白(tyrosine-phosphorylated proteins)等,能抑制糖酵解和腫瘤細(xì)胞增殖，并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡[15～17]。但是,這種抑制作用能否同樣在體內(nèi)起作用還有待證實(shí),而且,因?yàn)橛性S多正常組織也表達(dá)PKM2，因此對(duì)PKM2的抑制是否對(duì)正常組織產(chǎn)生副作用也值得關(guān)注。

2.3 6-磷酸果糖激酶

6-磷酸果糖激酶(phosphofructo-kinase，PFK)是糖酵解途徑中第2個(gè)限速酶，它是糖酵解途徑3個(gè)限速酶中最重要的1個(gè)。其中6-磷酸果糖激酶2(PFK2)為雙功能糖酵解酶,有2個(gè)獨(dú)立的催化中心,分別催化6-磷酸果糖2位磷酸化及果糖2 ,6-二磷酸 2位去磷酸化，以下調(diào)2 ,6-二磷酸果糖水平和6-磷酸果糖激酶1(PFK1)活性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)糖酵解通路的調(diào)節(jié)[18]。其中，PFK2的FB3亞型(PFKFB3)在許多惡性腫瘤中都有高表達(dá)，而PFKFB3幾乎沒(méi)有磷酸酶活性而只有激酶活性，PFKFB3通過(guò)其激酶活性調(diào)控腫瘤細(xì)胞的代謝水平。已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)PFKFB3的一些小分子抑制劑能夠下調(diào)2 ,6-二磷酸果糖水平，抑制動(dòng)物腫瘤細(xì)胞的增殖[19]。

近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，在6-磷酸果糖激酶幾個(gè)亞型中與惡性腫瘤關(guān)系密切的還有6-磷酸果糖激酶-1。在一些糖酵解途徑增強(qiáng)的腫瘤組織中，6-磷酸果糖激酶-1表達(dá)明顯增強(qiáng),且通過(guò)改變6-磷酸果糖激酶-1的活性，可以調(diào)節(jié)糖酵解途徑的強(qiáng)弱[20]。目前，最亟待解決的問(wèn)題是如何在惡性腫瘤細(xì)胞中通過(guò)沉默6-磷酸果糖激酶-1的表達(dá)特異性阻斷糖酵解途徑。

2.4 乳酸脫氫酶

乳酸脫氫酶(lactic dehydrogenase， LDH)能催化丙酮酸轉(zhuǎn)化成乳酸，同時(shí)伴有 NADH向 NAD+氧化的過(guò)程。由于 NAD+在由磷酸甘油醛脫氫酶催化的糖酵解過(guò)程中是必需的,因此通過(guò) LDH催化反應(yīng)產(chǎn)生 NAD+對(duì)于維持糖酵解過(guò)程持續(xù)是重要的[21]。NADH和NAD+除了參與能量代謝過(guò)程，還作為一些酶的底物參與DNA的修復(fù)、蛋白的乙?；约把装Y反應(yīng)過(guò)程[22]。

2.5 煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶

煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(nicotinamide phosphoribosyltransferase，NAMPT)是糖酵解途徑的另一重要酶。有報(bào)道[22]，NAMPT抑制劑在癌癥模型的實(shí)驗(yàn)中有抗腫瘤活性，但由于NAMPT在旁路途徑聚集NAD+的過(guò)程中起關(guān)鍵作用，因此也發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物因NAD+耗竭而死亡的副作用。

3 問(wèn)題與展望

目前發(fā)現(xiàn)的部分糖酵解途徑的抑制劑，要么抑制效率低，要么對(duì)正常細(xì)胞有較強(qiáng)的毒副作用，很多不能特異性地抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。如何特異性地阻斷糖酵解途徑，有效抑制惡性腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)及增殖，而不影響正常細(xì)胞生長(zhǎng)，亟待進(jìn)一步研究。

RNA干擾是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的1種研究基因表達(dá)調(diào)控的強(qiáng)有力工具，具有高度的序列專一性，可使特定基因表達(dá)沉默，而不影響其它基因的表達(dá)。利用RNA干擾技術(shù)特異性的沉默某些糖酵解途徑光解酶的基因表達(dá)，值得探討。因?yàn)檎＜?xì)胞生長(zhǎng)增殖所需能量主要通過(guò)糖的有氧分解獲得，而腫瘤細(xì)胞即使在有氧的情況下也主要是靠糖酵解途徑獲得能量，故特異性阻斷糖酵解途徑對(duì)正常細(xì)胞及組織無(wú)明顯影響，而主要抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖。因此，糖酵解途徑的靶向治療研究將為調(diào)控惡性腫瘤侵襲、轉(zhuǎn)移提供新的研究靶點(diǎn)，為惡性腫瘤的臨床治療提供新的思路。

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