乳酸對(duì)惡性腫瘤生物學(xué)行為的影響

白小芳綜述 張俊萍審校

作者單位：030001 太原1山西醫(yī)科大學(xué)；2山西醫(yī)科大學(xué)附屬大醫(yī)院腫瘤內(nèi)二科

綜述

乳酸對(duì)惡性腫瘤生物學(xué)行為的影響

白小芳1綜述 張俊萍2審校

作者單位：030001 太原1山西醫(yī)科大學(xué)；2山西醫(yī)科大學(xué)附屬大醫(yī)院腫瘤內(nèi)二科

高速率的糖酵解是腫瘤細(xì)胞代謝的標(biāo)志。正常細(xì)胞將葡萄糖代謝為丙酮酸，在有氧條件下轉(zhuǎn)換為二氧化碳并用于氧化磷酸化，在缺氧條件下，丙酮酸代謝為乳酸。而癌細(xì)胞具有有氧糖酵解的特點(diǎn)，在氧氣充分供應(yīng)的條件下，癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量乳酸，即“Warburg效應(yīng)”。研究表明，乳酸有助于腫瘤的生長(zhǎng)，且高水平的乳酸與臨床不良預(yù)后相關(guān)。本文就乳酸對(duì)惡性腫瘤的生物學(xué)行為進(jìn)行綜述。

腫瘤代謝；有氧糖酵解；乳酸；單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

有氧糖酵解是腫瘤細(xì)胞普遍存在的一個(gè)特征。在超過(guò)70%的癌癥中，糖酵解相關(guān)基因呈過(guò)度表達(dá)［1］。為了滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的需要，癌細(xì)胞通過(guò)增加葡萄糖攝取產(chǎn)生大量乳酸。這一現(xiàn)象表明，乳酸并不僅僅是一種代謝產(chǎn)物，還與腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移、血管生成和免疫逃逸等相關(guān)［2］。本文就乳酸對(duì)惡性腫瘤的生物學(xué)行為作一綜述。

1 乳酸的來(lái)源與代謝

乳酸（2-羥基丙酸）是一種羥基酸，以?xún)煞N同分異構(gòu)體的形式存在于人體內(nèi)：一種為L(zhǎng)-乳酸，產(chǎn)生于體內(nèi)丙酮酸的無(wú)糖酵解，哺乳類(lèi)動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸幾乎全是L-乳酸；另一種為D-乳酸，為L(zhǎng)-乳酸濃度的1%～5%，主要由胃腸道細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生。其他生成D-乳酸的途徑包括從食物中攝取、甲基乙二醛通過(guò)乙二醛的途徑產(chǎn)生。通常情況下，哺乳動(dòng)物組織不能或僅能緩慢代謝D-乳酸，這是因?yàn)椴溉轭?lèi)動(dòng)物體內(nèi)只有L-乳酸脫氫酶，缺乏D-乳酸脫氫酶，D-乳酸通過(guò)D-α-乳酸脫氫酶代謝為丙酮酸鹽，后者在丙酮酸脫氫酶的作用下變?yōu)橐阴］o酶A而進(jìn)入三羧酸循環(huán)，少量經(jīng)尿液排出［3］。腫瘤細(xì)胞具有高速率糖酵解的特點(diǎn)，其中間產(chǎn)物磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油糖不僅通過(guò)糖酵解途徑生成L-乳酸，也在甲基乙二醛合酶的作用下生成甲基乙二醛［4-5］。雖然甲基乙二醛具有細(xì)胞毒性作用，可通過(guò)多種途徑發(fā)揮抗腫瘤的作用［6-11］，但腫瘤細(xì)胞普遍存在乙二醛酶1高表達(dá)，部分還高表達(dá)乙二醛酶2［12］，生成的甲基乙二醛與還原性谷胱甘肽在乙二醛酶1的作用下生成S-D-乳酸谷胱甘肽，然后在乙二醛酶2的作用下生成D-乳酸［13］。D-乳酸通過(guò)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（monocarboxylate transporter，MCTs）轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，使DNA修復(fù)基因上調(diào)，提高化療后腫瘤細(xì)胞的存活，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物耐藥［14］。另外，腫瘤細(xì)胞還可以在有氧條件下通過(guò)上調(diào)非葡萄糖依賴(lài)途徑獲取能量。因此，腫瘤細(xì)胞通過(guò)有氧糖酵解及增加谷氨酰胺生成和分泌乳酸，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞微環(huán)境酸化，其pH值可從正常細(xì)胞的7.5降至6～6.5，從而妨礙機(jī)體正常的免疫功能［15-17］。

2 乳酸對(duì)惡性腫瘤生物學(xué)行為的影響

2.1 促進(jìn)腫瘤血管生成

血管生成是腫瘤生長(zhǎng)、浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移的前提之一。腫瘤血管生成不僅有利于腫瘤細(xì)胞的分裂繁殖，而且增加了腫瘤轉(zhuǎn)移的可能性。在腫瘤血管形成過(guò)程中，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）發(fā)揮著關(guān)鍵作用。乳酸可通過(guò)刺激巨噬細(xì)胞分泌VEGF促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移和聚集血管中的祖細(xì)胞影響促血管生成活動(dòng)，從而促進(jìn)腫瘤的轉(zhuǎn)移。Milovanova等［18］研究發(fā)現(xiàn)乳酸通過(guò)刺激基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1、VEGF的合成引起血管內(nèi)皮細(xì)胞聚集，促進(jìn)腫瘤血管形成。另外，把一些腫瘤細(xì)胞株暴露于乳酸中，可使VEGF生成增加。Sonveaux等［19］發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞排到組織間隙的乳酸可以借助MCT1被內(nèi)皮細(xì)胞攝取，細(xì)胞內(nèi)乳酸抑制非乏氧狀態(tài)下內(nèi)皮細(xì)胞缺氧誘導(dǎo)因子-1α的降解，使內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的VEGF和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子顯著上調(diào)。Vegran等［20］將乳酸誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞NF-κB活化與IL-8自分泌血管生成聯(lián)系起來(lái)，表明乳酸可通過(guò)這一通路驅(qū)動(dòng)體外內(nèi)皮細(xì)胞遷移和血管形成，誘導(dǎo)體內(nèi)腫瘤血管生成。該研究還發(fā)現(xiàn)通過(guò)給免疫缺陷小鼠注射含人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞和Warburg WiDr腫瘤細(xì)胞，使用MCT4缺陷的腫瘤細(xì)胞（不能釋放乳酸）、MCT1缺乏的內(nèi)皮細(xì)胞（無(wú)法攝取乳酸）或IL-8阻斷抗體，都能抑制腫瘤血管生成與腫瘤生長(zhǎng)。

2.2 促進(jìn)腫瘤侵襲及轉(zhuǎn)移

腫瘤微環(huán)境的變化賦予腫瘤細(xì)胞增殖優(yōu)勢(shì)從而有利于侵犯癌旁正常組織。在細(xì)胞外低pH環(huán)境下通過(guò)誘導(dǎo)VEGF和IL-8的表達(dá)促進(jìn)血管生成，通過(guò)激活蛋白水解酶促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)降解，以及抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)，從而促進(jìn)腫瘤的侵襲及轉(zhuǎn)移。其中最重要的是細(xì)胞外酸化促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的降解及重塑，從而促進(jìn)腫瘤的轉(zhuǎn)移。細(xì)胞外低pH值為蛋白酶的激活提供一個(gè)良好的微環(huán)境，包括基質(zhì)金屬蛋白酶、尿激酶纖溶酶原激活劑、組織蛋白酶-B、組織蛋白酶-D和組織蛋白酶-L。通過(guò)激活這些酶，可促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的降解及重塑，促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移。例如，基質(zhì)金屬蛋白酶-3的最適pH值為5.75～6.25，當(dāng)癌細(xì)胞生成的乳酸導(dǎo)致微環(huán)境酸化時(shí)，通過(guò)激活蛋白水解酶的級(jí)聯(lián)反應(yīng)轉(zhuǎn)換前基質(zhì)金屬蛋白酶為基質(zhì)金屬蛋白酶，可促進(jìn)癌細(xì)胞外基質(zhì)的降解和癌細(xì)胞侵襲及轉(zhuǎn)移，因此，通過(guò)提高癌細(xì)胞外的pH值可以抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移［21］。pH值調(diào)節(jié)劑的質(zhì)子泵、鈉質(zhì)子交換家族、碳酸氫鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族和MCT家族已被證實(shí)在腫瘤細(xì)胞中呈高表達(dá)［22］。調(diào)節(jié)碳酸氫鹽已被證明能增加腫瘤的pH值，降低轉(zhuǎn)移性乳腺癌小鼠模型自發(fā)轉(zhuǎn)移的形成，降低淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率［23］。組蛋白乙酰化也能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)pH值。由于pH值下降，組蛋白通過(guò)組蛋白乙?；溉棵撘阴；⑶裔尫乓宜彡庪x子，通過(guò)MCTs與質(zhì)子共輸出細(xì)胞外，防止pH值進(jìn)一步降低［24］。但Xu等［25］利用MDA-MB231和MCF-7細(xì)胞株構(gòu)建的小鼠移植瘤，發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)移能力的MCF-7小鼠移植瘤可產(chǎn)生更多的乳酸，表明惡性腫瘤細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移與乳酸之間的關(guān)系受兩種細(xì)胞株乳酸脫氫酶活性以及攝取丙酮酸的能力不同而不同，仍有待進(jìn)一步研究。

2.3 免疫逃逸作用

腫瘤細(xì)胞通過(guò)糖酵解生成的大量乳酸，通過(guò)增加Ⅰ型精氨酸酶的表達(dá)抑制機(jī)體的免疫反應(yīng)、激活I(lǐng)L-23/IL-17通路，促進(jìn)腫瘤微環(huán)境中的慢性炎性反應(yīng)，從而促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展［26］。一方面高濃度的乳酸使M2型巨噬細(xì)胞標(biāo)志分子Ⅰ型精氨酸酶表達(dá)水平增加、M1型巨噬細(xì)胞標(biāo)志分子一氧化氮合酶減少和M1型細(xì)胞因子分泌減少；另一方面乳酸降低腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞MHC I和MHCⅡ分子的表達(dá)，削弱巨噬細(xì)胞的抗原遞呈能力，從而使腫瘤細(xì)胞逃脫免疫殺傷作用［27］。另外，乳酸還可以通過(guò)抑制CD8+T細(xì)胞的增殖，減少細(xì)胞因子IFN-γ的分泌，削弱CD8+T細(xì)胞的細(xì)胞毒性，以及抑制NK細(xì)胞的活性［28-29］，從而削弱機(jī)體的免疫功能。腫瘤微環(huán)境中的pH值低至6.0～6.5時(shí)可使T細(xì)胞以及小鼠浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞的活性喪失［30］。

2.4 誘導(dǎo)耐藥

Wagner等［14］研究發(fā)現(xiàn)L-乳酸和D-乳酸通過(guò)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)抑制Ⅰ、Ⅱ類(lèi)組蛋白去乙?；傅幕钚裕菇M蛋白H3和H4乙?；?、染色質(zhì)松弛、DNA修復(fù)基因上調(diào)、DNA-PKcs激活，使乳酸創(chuàng)建的微環(huán)境能刺激DNA修復(fù)，并能顯著增強(qiáng)化療后腫瘤細(xì)胞的存活。這種乳酸誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞DNA修復(fù)的作用受羥基酸受體1/單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白軸的調(diào)節(jié)，因此乳酸受體下調(diào)或抑制MCT對(duì)乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，可以顯著影響DNA修復(fù)效率，從而延緩耐藥。

3 展望

腫瘤細(xì)胞通過(guò)重組能量代謝生成乳酸，乳酸作為一種免疫抑制代謝產(chǎn)物和血管生成啟動(dòng)子對(duì)腫瘤的生長(zhǎng)起關(guān)鍵的作用。另外，已經(jīng)證實(shí)MCT1和MCT4是不同代謝行為的癌細(xì)胞之間、癌細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞之間的乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，能選擇性抑制乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，與調(diào)節(jié)乳酸的多種生物活性相關(guān)，如抑制腫瘤免疫反應(yīng)及抗腫瘤血管生成等。因此，靶向改變腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生乳酸的代謝途徑、抑制乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性及表達(dá)可作為腫瘤治療的一種方法。目前有氧糖酵解抑制劑（如miR-34a制劑）已經(jīng)進(jìn)入I期臨床試驗(yàn)（http://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01829971），第一個(gè)MCT1抑制劑AZD3965已進(jìn)入I期晚期實(shí)體腫瘤的臨床試驗(yàn)（NCT01791595），LDH抑制劑AT-101已進(jìn)入Ⅱ期臨床試驗(yàn)［31］，這些研究結(jié)果將為乳酸作為腫瘤治療新靶點(diǎn)的臨床應(yīng)用奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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［2016-08-19收稿］［2016-10-21修回］［編輯 江德吉］

R730.2

A

1674-5671（2016）06-03

10.3969/j.issn.1674-5671.2016.06.15

張俊萍。E-mail：junpingzhang_118@163.com