膠質(zhì)瘤干細胞的糖代謝特點及臨床意義

孫叔昕　朱文博　張繼　陳智杰　賽克*

(1中山大學(xué)腫瘤防治中心神經(jīng)外科，廣東 廣州 510060; 2中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物研究中心，廣東 廣州 510080)

高級別膠質(zhì)瘤作為高度惡性的中樞神經(jīng)系統(tǒng)原發(fā)腫瘤，具有致死率高，治療抵抗，易復(fù)發(fā)等特點，患者的中位生存期僅在15～19個月。具備多向分化等干細胞生物學(xué)特征的膠質(zhì)瘤干細胞的存在，將成為高級別膠質(zhì)瘤治療的關(guān)鍵[1]。

近來腫瘤代謝方式的異常改變受到了廣泛關(guān)注，例如研究證實，高水平的合成代謝將會驅(qū)動膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展，一型葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(glucose transporter 1, GLUT1)及二型已糖激酶(herxokinase 2, HK2)等代謝相關(guān)蛋白及基因也有望成為新的惡性腫瘤干預(yù)靶點[2-3]。本文旨在針對膠質(zhì)瘤干細胞的糖代謝特點及其具備的臨床意義作一綜述。

一、膠質(zhì)瘤干細胞的糖代謝特點

腫瘤細胞較之于正常的組織細胞需要更多的能量以滿足其自我復(fù)制、生長分化等高度活躍的生物學(xué)行為。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，不論是腦組織還是腫瘤組織，糖代謝都是其主要的能量來源并且后者具有更強的葡萄糖攝取能力[4]。細胞的糖代謝模式主要包含以線粒體為主要功能單位進行的氧化磷酸化以及在胞質(zhì)中進行的糖酵解。雖然前者對糖類的利用效率更高-取決于經(jīng)過α-磷酸甘油穿梭還是蘋果酸-天冬氨酸穿梭，一分子的葡萄糖經(jīng)氧化磷酸化可產(chǎn)生30或32分子的ATP，遠高于糖酵解產(chǎn)生的1.5或2.5分子的ATP。但是大量實驗研究證明，糖酵解才是大多數(shù)腫瘤細胞主要的能量來源[5]。

與正常細胞主要通過有氧呼吸即氧化磷酸化供能不同，腫瘤細胞有其特殊的糖代謝特點，即高度依賴糖酵解，來降低對氧的依賴性及區(qū)域低氧環(huán)境的影響，從而獲得一定的生長優(yōu)勢。這一觀點最早由Otto Warburg在1924年所提出，被稱之為Warburg效應(yīng)。其主要理論有：首先，細胞呼吸作用強度的下降誘發(fā)了腫瘤的發(fā)生與演進；其次，腫瘤細胞糖酵解水平逐漸增強以代償其氧化磷酸化產(chǎn)能的不足；然后，腫瘤細胞通過糖酵解不斷產(chǎn)生乳酸鹽并長期處于乏氧微環(huán)境中，使得氧化磷酸化能力的降低成為不可逆的改變；最后，即使在含氧量正常的環(huán)境中，腫瘤細胞仍高度依賴糖酵解[6]。

在高級別膠質(zhì)瘤組織中，膠質(zhì)瘤干細胞主要聚集于兩個特定的區(qū)域，腫瘤血管周圍以及血供較差的壞死區(qū)域，兩種微環(huán)境的特點截然不同，前者的氧含量及糖類相對充足而后者恰恰相反。然而，隨著腫瘤的演進，后者占的比重將逐漸增加。另一方面，基于基因表型的不同，膠質(zhì)瘤干細胞至少可被分為兩個亞型，即前神經(jīng)元型及間葉型[7]。膠質(zhì)瘤干細胞的生物學(xué)特征與其所處的微環(huán)境緊密相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，聚集于低氧壞死區(qū)域的膠質(zhì)瘤干細胞以惡性程度相對較高的間葉型為主，而且低氧的微環(huán)境有利于自我復(fù)制、低分化等干細胞特征的維持。與之相對應(yīng)的，腫瘤血管周圍區(qū)域的膠質(zhì)瘤干細胞，多以惡性程度較低的神經(jīng)元型為主。值得注意的是，伴隨腫瘤體積增長及血管發(fā)生的動態(tài)過程，微環(huán)境的改變將會通過影響干細胞糖代謝方式及其他調(diào)控因子的表達，促進膠質(zhì)瘤干細胞的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化[8]。

與其他腫瘤細胞相似，即使在氧含量相對正常的條件下，膠質(zhì)瘤干細胞也高度依賴糖酵解來維持自身的供能，來自美國安德森癌癥中心Zhou等[9]研究成果進一步驗證了該理論。其他研究也證實，膠質(zhì)瘤干細胞中，尤其是間葉型膠質(zhì)瘤干細胞，糖酵解水平顯著上調(diào)，成為其主要的糖代謝方式。另一方面，加利福尼亞大學(xué)Vlashi研究團隊[4]通過對比葡萄糖消耗速率以及乳酸鹽產(chǎn)生速率發(fā)現(xiàn)，較之于普通高級別膠質(zhì)瘤細胞，膠質(zhì)瘤干細胞的糖攝取水平相對較低，但是，膠質(zhì)瘤干細胞內(nèi)的ATP生成量卻高于高級別膠質(zhì)瘤細胞，說明氧化磷酸化仍是膠質(zhì)瘤干細胞重要的能量來源。日本金澤大學(xué)的Hegazy等[10]研究者也得到了類似的研究成果。然而，就兩種糖代謝方式在膠質(zhì)瘤干細胞能量來源中所占比例而言，目前并沒有得出一致的結(jié)論，這提示我們：①膠質(zhì)瘤干細胞的代謝特點區(qū)別于同組織來源的高級別膠質(zhì)瘤細胞，且不同的組織來源或不同基因表型的膠質(zhì)瘤干細胞的糖代謝特點存在異質(zhì)性；②膠質(zhì)瘤干細胞中氧化磷酸化與糖酵解相互代償，無論氧含量充足與否，糖酵解均為其糖代謝的重要組成部分；③膠質(zhì)瘤干細胞的糖代謝模式是一個隨著其生長發(fā)展而動態(tài)演進的過程，處于不同分化階段的膠質(zhì)瘤干細胞，其主要依靠的糖代謝方式亦不盡相同[11-12]。

二、低氧誘導(dǎo)因子對膠質(zhì)瘤干細胞糖代謝的調(diào)控

膠質(zhì)瘤干細胞的糖代謝過程受到眾多代謝相關(guān)酶類、基因及信號通路的調(diào)控，其中，低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factors, HIFs)處于核心地位[9]。低氧誘導(dǎo)因子屬于異二聚體超家族，包含α亞基和β亞基兩個單位，其中α亞基是其主要的功能單位，在低氧環(huán)境中與β亞基結(jié)合而被激活。此外，包含磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B, PI3K/PKB)、促分裂素原活化蛋白激酶/雌激素受體(mitogen-activated protein kinases/estrogen receptor, MAPK/ER)以及信號傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)在內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活，也會在轉(zhuǎn)錄水平上，上調(diào)HIFs的表達水平。與HIF-1α在膠質(zhì)瘤干細胞與高級別膠質(zhì)瘤細胞中均有表達不同，無論在常氧環(huán)境中還是低氧環(huán)境中，HIF-2α都主要在膠質(zhì)瘤干細胞中表達。研究表明，低氧誘導(dǎo)因子通過對八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4(octamer-binding transcription factor 4, Oct4)、轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)、c-Myc等基因的調(diào)控，對膠質(zhì)瘤干細胞生存及干性的維持起重要作用[13]。

在以間葉型為主的膠質(zhì)瘤干細胞糖代謝表型重編程過程中，低氧誘導(dǎo)因子做為關(guān)鍵的調(diào)控因子，上調(diào)或抑制一系列代謝相關(guān)酶類的表達，驅(qū)動膠質(zhì)瘤干細胞中糖類的氧化磷酸化向糖酵解轉(zhuǎn)換，從而表現(xiàn)為經(jīng)典的Warburg效應(yīng)[14]。首先，HIF-1α上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1/3(glucose transporter 1/3, GLUT1/3)的表達。GLUT1/3表達的增加，使得膠質(zhì)瘤干細胞攝取葡萄糖的能力增強，即使細胞以糖酵解為主要的代謝方式，仍能滿足其生存的能量需求，從而使得Warburg效應(yīng)成為可能[15]。其次，HIF-1α上調(diào)己糖激酶2(hexokinase 2, HK2)的表達。HK2是糖酵解途徑的第一個限速酶和關(guān)鍵酶，研究證實，利用HK2的抑制劑能夠在一定程度上逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)，增強細胞的氧化磷酸化能力。另外，HIF-1α以正反饋的形式上調(diào)乳酸脫氫酶A(lactate dehydrogenase A, LDHA)的表達。LDHA是乳酸脫氫酶家族中的一員，乳酸脫氫酶催化丙酮酸與乳酸之間的氧化還原反應(yīng)，HIF-1α上調(diào)LDHA的表達，使得微環(huán)境中乳酸鹽的堆積，有利于膠質(zhì)瘤干細干性的維持。沉默LDHA基因能迫使細胞以氧化磷酸化為主要的能量來源，從而逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)[16]。最后，HIF-1α通過下調(diào)丙酮酸脫氫酶的表達抑制丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(pyruvate dehydrogenase complex)的功能。丙酮酸脫氫酶復(fù)合體催化丙酮酸脫羧反應(yīng)，使丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴］o酶A，從而進入三羧酸循環(huán)。HIF-1α影響丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的生物學(xué)功能，阻止丙酮酸進入三羧酸循環(huán)，使得細胞氧化磷酸化水平降低，從而使得細胞糖代謝表型向Warburg效應(yīng)轉(zhuǎn)變[17]。

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與之對應(yīng)的是，在腫瘤組織內(nèi)血管周圍區(qū)域，主要以前神經(jīng)元型為主的膠質(zhì)瘤干細胞中，其各項生物學(xué)特征，主要受到血管生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)的調(diào)控。而大量研究已經(jīng)證實，VEGF的表達水平很大程度上受到低氧誘導(dǎo)因子的調(diào)控，VEGF通過促進腫瘤血管的生成，改變腫瘤細胞所處的微環(huán)境，為細胞代謝提供相對充足的糖類及氧含量，從而影響細胞的代謝方式。綜上，低氧誘導(dǎo)因子一方面通過調(diào)控糖代謝過程中的關(guān)鍵酶類的表達水平，另一方面，通過對VEGF等因子的影響，改變膠質(zhì)瘤干細胞所處微環(huán)境中的氧含量，從而在膠質(zhì)瘤糖代謝表型重編程過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[18]。

三、基于干預(yù)膠質(zhì)瘤干細胞代謝的治療策略及臨床意義

在過去的幾年里，作為高級別膠質(zhì)瘤治療的難點，圍繞膠質(zhì)瘤干細胞做了大量的基礎(chǔ)研究。其中，膠質(zhì)瘤干細胞代謝表型的重編程作為其主要的生物學(xué)特征之一，受到越來越多的關(guān)注。一定環(huán)境下，糖代謝方式由氧化磷酸化向糖酵解的轉(zhuǎn)變，為膠質(zhì)瘤干細胞提供了一定的生長優(yōu)勢。部分實驗研究已經(jīng)證明，逆轉(zhuǎn)這種轉(zhuǎn)變或者打破二者之間的平衡，能有效抑制膠質(zhì)瘤干細胞的生長，成為膠質(zhì)瘤干細胞治療的新思路。

首先，異檸檬酸脫氫酶1(isocitrate dehydrogenase 1, IDH1)是三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶之一，IDH1的突變型與野生型的區(qū)分，也已成為膠質(zhì)瘤分型與判斷患者預(yù)后的重要指標之一。研究證實，2-羥基戊二酸(2-hydroxyglutaric acid, 2-HG)的異常堆積可誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生，IDH1基因的突變一方面使下游代謝產(chǎn)物由α-酮戊二酸(α-Ketoglutaric acid, α-KG)向2-HG轉(zhuǎn)變，另一方面，作為還原型輔酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NAPDH)的主要來源，也會影響細胞內(nèi)的一系列氧化還原反應(yīng)。由此可見，IDH1的突變改變了腫瘤細胞的代謝水平，靶向此關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可能對膠質(zhì)瘤的治療具備重要價值[19]。

其次，正如Michelakis的研究發(fā)現(xiàn)，二氯乙酸鹽(dichloroacetate, DCA)能夠抑制丙酮酸脫氫酶激酶，進而提高膠質(zhì)瘤干細胞中線粒體功能水平，增加葡萄糖的氧化磷酸化，從而逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)。線粒體膜電位的超級化，增加了細胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species, ROS)的含量，通過一系列級聯(lián)反應(yīng)誘導(dǎo)細胞的凋亡，抑制腫瘤的形成。另一方面，DCA還能夠?qū)Ω呒墑e膠質(zhì)瘤傳統(tǒng)的化療藥物替莫唑胺起到增效的作用并抑制膠質(zhì)瘤細胞放射性損傷后DNA的修復(fù)。

此外，其他研究證實，WZB117 [2-fluoro-6-(m-hydroxybenzoyloxy) phenyl m-hydroxybenzoate]、克霉唑(cotrimazole)、草氨酸乙酯(oxamate)等其他膠質(zhì)瘤干細胞糖代謝相關(guān)酶類的抑制劑也能起到有效的抗腫瘤作用[20]。

此外，HIFs作為調(diào)控細胞生物學(xué)功能的重要分子，除改變代謝的方式外，仍能通過促血管生成、抑制免疫功能及抗凋亡等方式，初進腫瘤的發(fā)生發(fā)展。在包含高級別膠質(zhì)瘤在內(nèi)的多種類型腫瘤中，異常表達的HIF-1α與常意味著不良的預(yù)后，因此，HIFs有望成為腫瘤治療更為關(guān)鍵的靶點。如上所述，在膠質(zhì)瘤干細胞中，HIFs一方面通過對糖代謝酶類的調(diào)控，使細胞表現(xiàn)為Warburg效應(yīng)，另一方面通過上調(diào)VEGF的表達，維持細胞干性，促進腫瘤生長。研究發(fā)現(xiàn)，降低HIFs的表達能夠有效抑制細胞的增殖，并通過增加細胞內(nèi)ROS含量，激活Casepase-3/7通路等方式誘導(dǎo)細胞的凋亡。值得注意的是，與HIF-1α相比，HIF-2α更多的在膠質(zhì)瘤干細胞中表達，而非正常細胞或膠質(zhì)瘤細胞，故而以此為靶點有望具備更高的特異性[13]。

四、總結(jié)與展望

綜上所述，膠質(zhì)瘤干細胞具備特有的代謝表型，而這一方面與腫瘤的惡性程度、浸潤轉(zhuǎn)移以及耐藥和預(yù)后等因素密切相關(guān)，另一方面也為未來藥物治療提供了潛在靶點。許多調(diào)控細胞代謝關(guān)鍵基因被研究證實對高級別膠質(zhì)瘤具有重要的臨床意義，干預(yù)膠質(zhì)瘤干細胞代謝過程已成為高級別膠質(zhì)瘤治療的新思路[21]。然而盡管膠質(zhì)瘤干細胞的代謝逐漸成為研究者們關(guān)注的焦點，但仍有許多問題需要進一步解決，例如靶點的特異性，靶向藥物能否通過血腦屏障等。此外，糖代謝僅是膠質(zhì)瘤干細胞代謝的一個方面，脂類及氨基酸代謝對膠質(zhì)瘤干細胞的生物學(xué)功能亦存在重要影響，需要把它們綜合在一起進行全面探究[22]。