代謝重編程及其與消化系統(tǒng)惡性腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

郭杏，馮雁，黃馨萍，李欣，羅小玲

(1廣西醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院，南寧530021；2廣西醫(yī)科大學(xué))

近年來研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞中存在具有自我更新、無限增殖和分化能力的細(xì)胞，這些細(xì)胞具有干細(xì)胞特性，在腫瘤發(fā)生、轉(zhuǎn)移及耐藥中起重要作用[1]。代謝重編程是指腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞相比代謝方式發(fā)生改變[2]，是機(jī)體為腫瘤細(xì)胞及其干細(xì)胞提供充足能量及營養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)制之一。研究發(fā)現(xiàn)，在腫瘤細(xì)胞及腫瘤干細(xì)胞中普遍存在代謝重編程現(xiàn)象。以腫瘤代謝重編程為靶點(diǎn)，可能為腫瘤的預(yù)防和治療提供新的思路。本研究對(duì)腫瘤細(xì)胞代謝重編程及其與消化系統(tǒng)惡性腫瘤發(fā)生、發(fā)展關(guān)系的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1　腫瘤細(xì)胞及腫瘤干細(xì)胞的代謝重編程

在正常分化的細(xì)胞中葡萄糖主要經(jīng)糖酵解途徑生成丙酮酸，丙酮酸經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入線粒體內(nèi)，通過三羧酸循環(huán)偶聯(lián)線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)途徑產(chǎn)生ATP，為機(jī)體供能。但在很多腫瘤細(xì)胞中會(huì)出現(xiàn)糖酵解與OXPHOS解耦聯(lián)現(xiàn)象，ATP主要依賴糖酵解提供，這一現(xiàn)象被稱為Warburg效應(yīng)[3]。正常情況下每分子葡萄糖經(jīng)糖酵解產(chǎn)生2分子ATP，而經(jīng)氧化磷酸化途徑卻能產(chǎn)生32～34分子ATP；但是，糖酵解途徑產(chǎn)生氧氣的速率卻是氧化磷酸化途徑的1 000多倍，即葡萄糖經(jīng)糖酵解途徑代謝可以產(chǎn)生足夠的能量。此外，糖酵解途徑能夠提供大量的中間產(chǎn)物為生物大分子合成提供原料，這使得糖酵解途徑在許多腫瘤細(xì)胞代謝中占主導(dǎo)地位[4]。腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞相比的這類代謝方式改變即代謝重編程。代謝重編程現(xiàn)象與腫瘤細(xì)胞的生存活性密切相關(guān)，甚至被認(rèn)為是腫瘤發(fā)生的標(biāo)志[5]。惡性腫瘤細(xì)胞的生存活性極強(qiáng)，不僅能無限增殖，且代謝速率很高，因此需要大量的ATP和營養(yǎng)物質(zhì)來適應(yīng)其快速生長增殖的需要[6]。腫瘤細(xì)胞啟動(dòng)代謝重編程可滿足其快速分裂增殖所需能量和生物大分子合成原料的需要；同時(shí)代謝重編程可激活致癌基因如KRAS，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長[7]。代謝重編程不僅包括Warburg效應(yīng)，也并不是所有的腫瘤細(xì)胞代謝都以糖酵解為主。當(dāng)腫瘤細(xì)胞微環(huán)境中氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)都相當(dāng)充足或離血管比較近時(shí)，腫瘤細(xì)胞代謝以上調(diào)OXPHOS途徑為主，加強(qiáng)細(xì)胞合成代謝以供自身快速增殖。上調(diào)的OXPHOS途徑與腫瘤細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)和腫瘤轉(zhuǎn)移過程密切相關(guān)[8]。同時(shí)，在周圍營養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)缺乏的腫瘤細(xì)胞中氧化應(yīng)激反應(yīng)不斷進(jìn)行，促進(jìn)細(xì)胞經(jīng)糖酵解產(chǎn)生乳酸等代謝產(chǎn)物，并進(jìn)一步供給以O(shè)XPHOS為主要代謝途徑的腫瘤細(xì)胞合成代謝，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長[9]。

脂肪酸代謝也是腫瘤細(xì)胞維持自身生長活性所需要的重要代謝途徑之一[10]，腫瘤細(xì)胞中的能量儲(chǔ)存、細(xì)胞器和細(xì)胞膜增殖以及信號(hào)分子的生成都需要脂肪酸代謝來提供能量[11]。當(dāng)體內(nèi)葡萄糖水平較低時(shí)，腫瘤細(xì)胞會(huì)攝取周圍環(huán)境中的脂肪酸進(jìn)行脂肪酸代謝，產(chǎn)生代謝中間物再進(jìn)入三羧酸循環(huán)，生成ATP及腫瘤生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)[12]。在ATP缺乏的情況下，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)可以激活脂肪酸代謝途徑，此時(shí)腫瘤細(xì)胞可利用脂肪酸生成蘋果酸和檸檬酸作為底物合成NADH和NADPH。NADH和NADPH既可以用于產(chǎn)生ATP，又能維持體內(nèi)氧化還原反應(yīng)的平衡以及生物合成[13]。每分子脂肪酸充分氧化產(chǎn)生ATP的數(shù)量是葡萄糖的兩倍多。即使在營養(yǎng)和能量豐富的情況下，有些腫瘤細(xì)胞也會(huì)高表達(dá)脂肪酸β氧化所需要的酶來氧化脂肪酸產(chǎn)生ATP，如大B細(xì)胞淋巴瘤[14]。有研究報(bào)道，在肝癌細(xì)胞內(nèi)氧化磷酸化活性降低，糖酵解及脂肪酸代謝途徑增強(qiáng)，細(xì)胞內(nèi)飽和脂肪酸減少，花生四烯酸合成增加[15]。肝癌細(xì)胞內(nèi)脂肪酸減少和葡萄糖缺乏有助于細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)合成以維持肝癌細(xì)胞活性[16]。脂肪酸代謝中所需要的硬脂酰CoA脫氫酶(SCD)的表達(dá)活性與肝細(xì)胞癌患者血清AFP和腫瘤臨床分級(jí)相關(guān)，影響肝細(xì)胞癌患者的預(yù)后[17]。在腫瘤細(xì)胞代謝重編程過程中自噬也起著重要作用，當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)缺乏時(shí)，腫瘤細(xì)胞會(huì)通過自噬攝取脂肪酸作為能量物質(zhì)來源，通過上述途徑產(chǎn)生ATP[18]。

谷氨酰胺是細(xì)胞增殖所需要的重要的非必需氨基酸，它不僅是氨基己糖和核酸合成的底物，而且在缺氧條件下還能通過三羧酸循環(huán)進(jìn)入氧化磷酸化途徑產(chǎn)生能量[19]，這也是腫瘤細(xì)胞維持自身活性所必需的重要代謝方式。當(dāng)瘤體環(huán)境需要時(shí)腫瘤細(xì)胞會(huì)自身合成谷氨酰胺，如臨床研究發(fā)現(xiàn)惡性程度較高的腫瘤患者血漿谷氨酰胺水平也較高[10]。谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下可以轉(zhuǎn)變成谷氨酸鹽，供脂肪酸和谷胱甘肽合成，而抗氧化劑谷胱甘肽能維持腫瘤細(xì)胞中氧化還原反應(yīng)的平衡以及幫助腫瘤細(xì)胞抵抗氧化應(yīng)激，維持腫瘤細(xì)胞活性[20]。

腫瘤干細(xì)胞是存在于腫瘤細(xì)胞中的極少數(shù)異質(zhì)性細(xì)胞，與正常干細(xì)胞有著相似的生物學(xué)特性，具有極強(qiáng)的自我更新能力和無限增殖分化能力[21]。腫瘤干細(xì)胞最先被證實(shí)存在于血液系統(tǒng)腫瘤如白血病、多發(fā)性骨髓瘤中[22]。隨著對(duì)腫瘤干細(xì)胞的深入研究，研究者們發(fā)現(xiàn)許多消化系統(tǒng)實(shí)體腫瘤中也存在著腫瘤干細(xì)胞，如結(jié)腸癌、直腸癌、胰腺癌、肝癌等[23～25]。過去的研究主要根據(jù)腫瘤干細(xì)胞的特殊表面標(biāo)志物分離相應(yīng)的腫瘤干細(xì)胞，并依此研究殺傷腫瘤干細(xì)胞的方法，但是，由于腫瘤異質(zhì)性的存在，不同類型的腫瘤干細(xì)胞其表面標(biāo)志物不盡相同[26]。因此，通過廣譜腫瘤干細(xì)胞表面標(biāo)志物作為靶點(diǎn)識(shí)別和殺滅腫瘤干細(xì)胞的方案存在不足。同腫瘤細(xì)胞一樣，腫瘤干細(xì)胞同樣依靠代謝重編程來維持自身的活性，且代謝重編程的途徑基本與腫瘤細(xì)胞相同[27]。因此，如果能以代謝重編程途徑作為靶點(diǎn)抑制腫瘤干細(xì)胞的生長，可能為抑制腫瘤的復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移、耐藥等提供有效的治療手段。

2　消化系統(tǒng)惡性腫瘤干細(xì)胞的代謝重編程

2.1胰腺癌干細(xì)胞Shibuya等[28]研究發(fā)現(xiàn)，促葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(Glut-1)在維持胰腺癌干細(xì)胞的干細(xì)胞特性方面起著關(guān)鍵作用，用siRNA抑制胰腺癌干細(xì)胞內(nèi)Glut-1基因表達(dá)后其自我更新能力明顯降低，表現(xiàn)為干細(xì)胞懸浮成球能力受到抑制；在不影響胰腺癌干細(xì)胞活性的情況下，用低濃度WZB117 抑制胰腺癌干細(xì)胞Glut-1基因表達(dá)，并異種植入有免疫缺陷的裸鼠皮下，其體外成瘤能力明顯降低。Brandi等[29]研究表明，在胰腺癌干細(xì)胞中糖酵解代謝、脂質(zhì)代謝、戊糖磷酸途徑代謝及丙酮酸—蘋果酸循環(huán)代謝能力增強(qiáng)，而三羧酸循環(huán)途徑被抑制。利用脂質(zhì)代謝抑制劑淺藍(lán)菌素及甲羥戊酸通路抑制劑阿伐他汀能明顯抑制胰腺癌干細(xì)胞的增殖。糖酵解抑制劑3-bromopyruvate(3-BP)也能明顯抑制胰腺癌干細(xì)胞的增殖活性[30]。 Li等[23]利用體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證了抑制胰腺癌干細(xì)胞中谷氨酰胺代謝途徑可降低胰腺癌干細(xì)胞表面標(biāo)志物表達(dá)和其懸浮成球能力，從而增強(qiáng)胰腺癌細(xì)胞對(duì)放射治療的敏感性。臨床研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酸酶抑制劑BPTES能抑制胰腺膽管癌細(xì)胞生長，抑制胰腺癌干細(xì)胞代謝重編程的同時(shí)可以減少其干性基因表達(dá)，增加胰腺癌細(xì)胞對(duì)治療的敏感性[31]。

2.2結(jié)直腸癌干細(xì)胞Riccivitiani等[25]從結(jié)腸癌細(xì)胞中分選出很少一部分CD133+結(jié)腸癌細(xì)胞，并且證實(shí)這部分CD133+結(jié)腸癌細(xì)胞具有很強(qiáng)的增殖分化、懸浮成球和體外成瘤能力，從而證實(shí)結(jié)腸癌中也存在腫瘤干細(xì)胞。由于腫瘤干細(xì)胞的存在，結(jié)腸癌易發(fā)生復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移及耐藥現(xiàn)象，這些特征使得結(jié)腸癌難以徹底治愈[32]。Konno等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)腸癌干細(xì)胞中存在代謝重編程現(xiàn)象，表現(xiàn)為糖酵解能力降低、三羧酸循環(huán)途徑增強(qiáng)；與正常細(xì)胞相比，結(jié)腸癌干細(xì)胞的半胱氨酸和蛋氨酸代謝方面也發(fā)生了改變。Song等[34]報(bào)道，結(jié)腸癌干細(xì)胞代謝主要以氧化磷酸化為主，F(xiàn)OXM1能誘導(dǎo)PRDX3表達(dá)維持細(xì)胞線粒體功能，同時(shí)也能誘導(dǎo)干性標(biāo)志物CD133表達(dá)。Wang 等[35]利用lincRNA-p21慢病毒轉(zhuǎn)染結(jié)腸癌干細(xì)胞抑制結(jié)腸癌干細(xì)胞的干性表達(dá)，發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌干細(xì)胞內(nèi)糖酵解能力下降，細(xì)胞活性降低。Denise等[36]利用低劑量5-氟尿嘧啶(5-FU)誘導(dǎo)出耐藥的結(jié)腸癌細(xì)胞株HT29，該細(xì)胞株與未經(jīng)誘導(dǎo)的結(jié)腸癌細(xì)胞株HT29相比，耐藥株干細(xì)胞表面標(biāo)志物表達(dá)增強(qiáng)，但葡萄糖攝取能力下降，且糖酵解相關(guān)基因Glut-1表達(dá)也降低，其代謝方式極度依賴氧化磷酸化，并且用其他結(jié)腸癌細(xì)胞系驗(yàn)證也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。用藥物抑制耐藥株氧化磷酸化通路后結(jié)腸癌干細(xì)胞懸浮成球能力明顯降低。這些研究都表明結(jié)腸癌干細(xì)胞的干性維持與其代謝重編程密切相關(guān)。

2.3肝細(xì)胞癌干細(xì)胞索拉菲尼是臨床治療晚期肝細(xì)胞癌的一線靶向藥物，但研究發(fā)現(xiàn)許多患者對(duì)索拉菲尼出現(xiàn)耐藥性，這給肝細(xì)胞癌的治療帶來了極大困難。近年來肝癌干細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)給人們尋找新的治療途徑帶來了希望。Chen等[24]發(fā)現(xiàn)，從人和鼠的肝細(xì)胞癌組織中分離培養(yǎng)的肝癌干細(xì)胞以糖酵解途徑為主，這一代謝改變與肝細(xì)胞癌化療耐藥有關(guān)。目前關(guān)于肝癌干細(xì)胞與代謝重編程的研究較少。有研究報(bào)道，線粒體復(fù)合酶Ⅰ抑制劑二甲雙胍能促進(jìn)肝細(xì)胞癌對(duì)索拉菲尼的敏感性，進(jìn)而抑制肝細(xì)胞癌的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移；二甲雙胍也能抑制肝癌干細(xì)胞的生長，但其中是否與氧化磷酸化代謝抑制有關(guān)有待進(jìn)一步研究。本課題組近期研究也證實(shí)二甲雙胍能夠抑制懸浮培養(yǎng)肝細(xì)胞癌HepG2干細(xì)胞樣細(xì)胞中的EMT轉(zhuǎn)化過程及提高細(xì)胞對(duì)索拉菲尼的敏感性。

綜上所述，腫瘤細(xì)胞的代謝重編程對(duì)腫瘤細(xì)胞及腫瘤干細(xì)胞的生長和活性起著重要的作用。在消化系統(tǒng)惡性腫瘤中普遍存在腫瘤干細(xì)胞代謝重編程現(xiàn)象，深入探討腫瘤干細(xì)胞代謝重編程的特征及分子機(jī)制及開發(fā)有效調(diào)控代謝重編程的手段，可能為消化系統(tǒng)惡性腫瘤的綜合治療提供新的思路。

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