膀胱癌的脂肪酸β氧化代謝研究綜述

成松桃　王剛　王行環(huán)

近三十年來(lái)，膀胱癌的全球發(fā)病率逐年增高，現(xiàn)已居于癌癥發(fā)病率第九位，男性高于女性(男女比例為3.5∶1)，發(fā)達(dá)程度越高的地區(qū)其發(fā)病率相對(duì)更高[1]。膀胱腫瘤的發(fā)生由多種內(nèi)部與外界因素相互作用導(dǎo)致[2]，目前的手術(shù)和放化療等綜合治療具有一定的療效，但是膀胱腫瘤仍然有較高的復(fù)發(fā)率及致死率[3]。因此探尋特異而敏感的早期腫瘤標(biāo)志物，是解決其診斷、治療困境的有效方法。癌癥發(fā)生的一個(gè)重要標(biāo)志是其能量代謝的改變[4]，腫瘤細(xì)胞在氧充足的環(huán)境下，仍然依靠大量糖酵解供能，最終生成乳酸而非進(jìn)入三羧酸循環(huán)徹底氧化，稱為Warburg效應(yīng)[5]。Otto Warburg認(rèn)為這種代謝的變化可能是腫瘤發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵因素。近年來(lái)涌現(xiàn)出許多關(guān)于膀胱癌能量代謝的研究[6]，均揭示能量代謝的改變?cè)诎螂装┑脑缙谠\斷、預(yù)后、生物標(biāo)記的探索方面發(fā)揮著重要的作用。但是，這些研究主要集中在腫瘤細(xì)胞的糖酵解、脂肪酸合成代謝等方面，對(duì)于脂肪酸氧化與膀胱癌之間關(guān)系的報(bào)道相對(duì)較少，而脂肪酸氧化作為腫瘤細(xì)胞能量代謝的重要組成部分，對(duì)其深入研究有助于我們了解脂肪酸氧化在膀胱癌發(fā)生、發(fā)展中的作用及機(jī)制，為探索膀胱癌診斷及治療方法另辟蹊徑。為此，我們將脂肪酸氧化及其在膀胱癌中相關(guān)情況進(jìn)行綜述。

一、脂肪酸β氧化為腫瘤細(xì)胞提供大量ATP

脂肪酸的β氧化發(fā)生在線粒體基質(zhì)，大部分的長(zhǎng)鏈脂肪酸需在線粒體外膜上一類脂酰CoA合成酶的作用下活化為脂酰CoA。由于長(zhǎng)鏈的脂酰CoA不能直接透過(guò)線粒體內(nèi)膜，因此需要專門(mén)的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫€粒體基質(zhì)內(nèi)的脂酰CoA(圖1)。相比于糖類，相同的干質(zhì)量，脂肪酸通過(guò)β氧化所產(chǎn)生的ATP是糖類的2倍，如果是用于能量?jī)?chǔ)存的甘油三酯和糖原，這種差異會(huì)達(dá)到6倍以上[7]。ATP是各種細(xì)胞活動(dòng)、生物合成的直接能量來(lái)源，ATP不足常導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[8]。Schafer等[9]首次證明了脂肪酸氧化對(duì)腫瘤細(xì)胞代謝應(yīng)激狀態(tài)下的生存起著至關(guān)重要的作用。而Samudio等[10]的一項(xiàng)研究則表明了抑制脂肪酸氧化在白血病中的治療潛力。CPT1是脂酰CoA進(jìn)入線粒體進(jìn)行β氧化的關(guān)鍵酶，肝同種型CPT1A存在于除棕色脂肪和骨骼肌細(xì)胞的全身其他細(xì)胞線粒體中[11]，Schlaepfer等[12]通過(guò)乙莫克舍不可逆的抑制前列腺癌細(xì)胞CPT1A活性，使前列腺癌細(xì)胞β氧化受到抑制，細(xì)胞的生存能力明顯降低，而在前列腺非腫瘤細(xì)胞中則無(wú)此效果，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明抑制前列腺癌β氧化可抑制腫瘤組織的生長(zhǎng)。Lin等[13]也報(bào)道了在惡性膠質(zhì)瘤中抑制脂肪酸β氧化會(huì)抑制細(xì)胞增殖，延長(zhǎng)小鼠膠質(zhì)瘤模型的生存時(shí)間。

二、脂肪酸β氧化來(lái)源的NADPH對(duì)細(xì)胞存活至關(guān)重要

NADPH是關(guān)系到細(xì)胞存活的另一重要因素，尤其在腫瘤細(xì)胞中，NADPH參與核酸和脂肪酸的大量合成，為細(xì)胞分裂增殖做準(zhǔn)備。另一方面，NADHP還是細(xì)胞內(nèi)重要的還原劑，在氧化應(yīng)激、腫瘤細(xì)胞的代謝應(yīng)激狀態(tài)下對(duì)細(xì)胞的生存具有重要作用[14]。通常細(xì)胞內(nèi)NADPH的來(lái)源主要是磷酸戊糖途徑。由于線粒體內(nèi)脂肪酸β氧化的代謝產(chǎn)物乙酰CoA不能自由通過(guò)線粒體內(nèi)膜擴(kuò)散到胞質(zhì)，需借助檸檬酸-丙酮酸循環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，此過(guò)程也可在胞質(zhì)中生成NADPH。Jo等[15]報(bào)道線粒體內(nèi)的IDH2對(duì)于腫瘤細(xì)胞對(duì)抗氧化應(yīng)激、促進(jìn)細(xì)胞存活所需的NADPH的提供也有不可忽視的作用。Pike等[16]發(fā)現(xiàn)，抑制惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞的脂肪酸β氧化，不僅顯著降低細(xì)胞內(nèi)ATP水平，也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)NADPH水平的降低以及活性氧的聚集，從而提示脂肪酸β氧化來(lái)源的NADPH可以對(duì)抗細(xì)胞內(nèi)氧化損傷所導(dǎo)致的細(xì)胞死亡，而對(duì)于脂肪酸氧化通過(guò)何種生化途徑生成NADPH并未給出直接證明。Jeon等[17]的研究表明，代謝應(yīng)激狀態(tài)下腫瘤細(xì)胞通過(guò)AMPK通路激活脂肪酸氧化，維持細(xì)胞內(nèi)NADPH水平，對(duì)抗細(xì)胞內(nèi)活性氧聚集，促進(jìn)細(xì)胞生存。

三、脂肪酸β氧化為膀胱癌細(xì)胞生物合成提供底物

腫瘤細(xì)胞為適應(yīng)其快速增殖的能力需大量合成新細(xì)胞所需的生物大分子，脂類作為體內(nèi)各種生物膜的組分，多種生物活性物質(zhì)的前體，其合成量直接關(guān)系到腫瘤細(xì)胞的增殖速度，比如在許多人類腫瘤細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)脂肪酸的從頭合成途徑極其活躍[18]。一般人們認(rèn)為脂肪酸合成和氧化互相拮抗，脂肪酸合成增強(qiáng)必然會(huì)抑制脂肪酸氧化，這是因?yàn)橹舅釓念^合成的第一步關(guān)鍵步驟——兩分子乙酰CoA在ACC作用下生成丙二酰CoA，其關(guān)鍵酶ACC的活性決定了細(xì)胞是進(jìn)行脂肪酸氧化還是脂肪酸合成。Jeon等[17]的報(bào)道指出ACC1和ACC2的基因調(diào)控會(huì)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞進(jìn)行脂肪酸氧化或合成的不同結(jié)果，考慮到ACC1和ACC2在細(xì)胞內(nèi)的定位不同[19]，并且脂肪酸β氧化能為細(xì)胞質(zhì)中脂肪酸的從頭合成提供大量乙酰CoA以及脂肪酸合成所需的NADPH和ATP等，脂肪酸合成和氧化在腫瘤細(xì)胞中有可能同時(shí)被激活，或相互支持[20]。另外脂肪酸β氧化也可為膀胱癌細(xì)胞合成膽固醇提供大量底物，若抑制膀胱癌細(xì)胞膽固醇合成，其增殖也會(huì)受到抑制[21]。

圖1脂肪酸跨線粒體膜進(jìn)行β氧化：胞質(zhì)中的長(zhǎng)鏈脂肪酸通過(guò)肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入線粒體基質(zhì)，每一次的β氧化脫下2個(gè)碳原子，生成一分子乙酰CoA、NADH和FADH2，NADH和FADH2可直接進(jìn)入位于線粒體內(nèi)膜的電子傳遞體系，參與氧化磷酸化，乙酰CoA隨后進(jìn)入三羧酸循環(huán)或轉(zhuǎn)運(yùn)出基質(zhì)，作為膽固醇或脂肪酸合成等的底物

四、膀胱癌中活躍的脂肪酸β氧化

代謝組學(xué)是對(duì)生物體內(nèi)所有代謝產(chǎn)物的綜合分析，以此來(lái)尋找代謝物變化與病理生理變化間的相對(duì)關(guān)系[22]。癌細(xì)胞相比于正常細(xì)胞，需要大量的能量和大分子物質(zhì)的供應(yīng)，來(lái)滿足其快速增殖。因此深入研究此類代謝產(chǎn)物的變化，有助于我們對(duì)腫瘤發(fā)生、發(fā)展的病理機(jī)制的理解，同時(shí)，也有利于我們發(fā)現(xiàn)一些潛在的癌癥診斷治療的生物標(biāo)志物。隨著色譜、質(zhì)譜等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[23]，用于膀胱癌代謝組學(xué)研究的樣本包括了細(xì)胞系、切除的癌組織和人體的體液(尿液和血液)，其中尿液和血液標(biāo)本在臨床上可以非常方便快捷的取得。相比于其他類型腫瘤代謝組學(xué)的研究[24-25]，雖然膀胱癌有關(guān)的研究相對(duì)較少，但仍有部分研究揭示了一些可能用于膀胱癌早期診斷的潛在生物標(biāo)記[26-28]。陳永婧等[29]采用液相色譜-電噴霧質(zhì)譜連用技術(shù)，對(duì)20例膀胱癌患者和24名正常人進(jìn)行分析，在其尿液和血清中分別發(fā)現(xiàn)13個(gè)潛在標(biāo)志物，其中包括了肉堿、?；鈮A等脂肪酸β氧化過(guò)程中重要的代謝物。

為探索不同級(jí)別膀胱癌代謝物的改變，Alberice等[30]根據(jù)治療后隨訪信息將48例膀胱癌患者按分期、分級(jí)的不同以及是否復(fù)發(fā)進(jìn)展分為4個(gè)組：低風(fēng)險(xiǎn)-穩(wěn)定(LS)，低風(fēng)險(xiǎn)-復(fù)發(fā)(LR)，高風(fēng)險(xiǎn)-穩(wěn)定(HL)，高風(fēng)險(xiǎn)-復(fù)發(fā)(HR)。并利用LC-MS和CE-MS 分析了患者在治療前和治療后隨訪的尿液樣本，發(fā)現(xiàn)27種在不同組間具有顯著差異的代謝物。這些代謝物可能成為臨床診斷膀胱癌、區(qū)分疾病發(fā)展階段，以及判斷預(yù)后的候選生物標(biāo)記。Jin等[27]用HPLC-QTOFMS分析了138例膀胱癌患者和121例非膀胱癌患者的尿液代謝物，發(fā)現(xiàn)12種可區(qū)分膀胱癌和正常對(duì)照、肌層浸潤(rùn)性和非浸潤(rùn)性膀胱癌的代謝物，包括脂肪酸β氧化過(guò)程中的肉堿、脂酰肉堿等，揭示脂肪酸β氧化可能在膀胱癌發(fā)生、發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用。Cao等[31]采用基于1H NMR的代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)相比正常人群，膀胱癌患者血清中乙酰乙酸和脂類處于升高狀態(tài)。Tripathi等[32]也報(bào)道了膀胱癌組織中甘油三酯(脂肪酸的主要來(lái)源)水平低于正常對(duì)照而其代謝產(chǎn)物水平增高。Putluri等[33]采用LC/MS發(fā)現(xiàn)膀胱癌尿液樣本中游離脂肪酸濃度增高，以及丙酮、β-羥丁酸等酮體的升高都提示了膀胱癌細(xì)胞中脂肪酸β氧化途徑的活躍。

五、總結(jié)和展望

正常細(xì)胞中的糖代謝、脂肪酸合成和氧化相互聯(lián)系，處于動(dòng)態(tài)平衡中，膀胱癌細(xì)胞的代謝改變使這種平衡發(fā)生變化。因細(xì)胞的快速增殖、分裂需要合成大量相關(guān)蛋白、核酸以及能量供應(yīng)，并且在惡劣環(huán)境中依然能保持這種狀態(tài)。現(xiàn)階段代謝組學(xué)的相關(guān)研究已經(jīng)揭示了膀胱癌細(xì)胞中相關(guān)代謝物的改變，并嘗試尋找作為區(qū)分正常人群和膀胱癌患者，甚至膀胱癌不同分期、分級(jí)的生物標(biāo)記。相對(duì)于基因檢測(cè)，許多代謝產(chǎn)物的檢測(cè)應(yīng)用于臨床可行性更好，病人更易于接受，尤其是在疾病的早期診斷方面。通過(guò)過(guò)去的大量研究，我們知道，由于腫瘤細(xì)胞內(nèi)代謝途徑的復(fù)雜性及相互關(guān)聯(lián)性，針對(duì)某一特定酶類或代謝通路的治療往往難以取得較好的效果，因此，通過(guò)了解不同代謝通路的改變及其相關(guān)性，通過(guò)聯(lián)合某一代謝通路與其他通路，或與化療藥物聯(lián)用，有望在膀胱癌患者治療中起到突破性的作用。脂肪酸β氧化作為腫瘤細(xì)胞代謝的重要組成部分，其在ATP生成及生物合成過(guò)程中有著不可替代的作用，針對(duì)脂肪酸β氧化的研究在膀胱癌早期診斷、預(yù)后以及聯(lián)合治療方面有著巨大的潛力。

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