二甲雙胍抗腫瘤作用機制研究進展

李建強 賈 振 常凱旋 孫 成 武曉慧 徐玉喬

二甲雙胍(metformin)作為臨床上常用的一線降糖藥，能夠有效控制糖尿病患者的血糖水平，在糖尿病的治療領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。近年來許多研究結(jié)果表明Met能有效控制糖尿病患者癌癥的發(fā)生率，且其在多種癌癥中有一定抗腫瘤的作用。就當前來看，其抗腫瘤的具體作用機制還不夠明確。

一、二甲雙胍可抑制腫瘤細胞增殖并促進其凋亡

大量實驗研究表明，二甲雙胍可以誘導(dǎo)激活A(yù)MP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，此通路的激活能夠加速細胞凋亡過程，抑制腫瘤細胞增殖。

1.二甲雙胍激活A(yù)MPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路抑制腫瘤細胞增殖:AMPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路作為組織細胞中最重要的能量代謝調(diào)節(jié)通路，它的激活能夠激活組織細胞內(nèi)的分解代謝途徑，嚴重抑制合成代謝途徑[1]。眾所周知，腫瘤細胞的代謝比一般正常細胞的代謝更加旺盛，其增殖和分化會消耗掉大量的能量，而AMPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活從根本上減少了能量的產(chǎn)生，使腫瘤細胞處于“饑餓”的狀態(tài)，從而起到“釜底抽薪”的作用，使之增殖速度受到大幅度抑制；除此之外，AMPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活限制了脂肪合成和脂質(zhì)代謝過程，從而間接抑制腫瘤細胞增殖[2]。Jie等[3]的研究結(jié)論恰好論證了這一點。Rattan等[4]通過在裸鼠體內(nèi)造卵巢癌模型，發(fā)現(xiàn)使用二甲雙胍一段時間后裸鼠的癌細胞的體積出現(xiàn)了一定程度的縮小。這表明二甲雙胍可以抑制腫瘤細胞增殖。此外，有研究顯示，二甲雙胍可以阻斷線粒體電子傳遞鏈中復(fù)合體Ⅰ的電子傳遞過程，間接激活A(yù)MPK信號通路抑制腫瘤細胞增[5]。

2.二甲雙胍可以通過阻滯細胞周期來抑制腫瘤細胞增殖:研究指出：二甲雙胍能阻滯細胞周期的G0/G1期、S期和 G2/M 期，使腫瘤細胞的分裂停滯，抑制其增殖[2]。Wang等[5]和Cai等[6]分別在骨髓瘤細胞和食管鱗狀細胞癌的實驗中發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可以誘導(dǎo)阻滯細胞周期G0/G1期阻滯；而Sebastian等[7]實驗表明二甲雙胍增強了膠質(zhì)母細胞瘤的體外放射敏感度，這可能與G2/M細胞周期阻滯有關(guān)。Miyoshi等[8]通過體內(nèi)和體外的實驗均發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍抑制肝癌細胞增殖可能與下調(diào)多種周期蛋白的表達水平，阻滯細胞周期G0/G1期有關(guān)。此外Babcook等[9]研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍聯(lián)合辛伐他汀能誘導(dǎo)C4-2B骨轉(zhuǎn)移性前列腺癌細胞G1期細胞周期阻滯。

3.二甲雙胍能通過抑制原癌基因HER-2來抑制腫瘤細胞增殖:人表皮生長因子受體(human epidermal grwoth factor receptor 2, HER-2)基因定位于染色體 17q12.21.32上，具有酪氨酸激酶活性。HER-2基因過表達或擴增會刺激腫瘤細胞增殖[10]。HER-2基因相關(guān)研究中顯示，二甲雙胍具有下調(diào)HER-2基因活性及其表達的作用，從而減弱其對腫瘤細胞增殖的刺激[2]。He等[11]有研究發(fā)現(xiàn)，胰島素和胰島素樣生長因子Ⅰ(IGF-1)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)DM2對乳腺癌的促進作用。HER-2基因、IR(胰島素受體)和IGF-IR具有相同的PI3K/Akt/mTOR信號通路。而二甲雙胍可以抑制mTOR通路，使HER-2基因的表達水平降低。那么，HER-2基因的刺激作用減弱，腫瘤細胞的增殖也會減弱。

4.二甲雙胍可以誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡:細胞凋亡在細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的維持中起著重要作用，是由基因控制的細胞程序性死亡。為檢驗二甲雙胍在MCF-7乳腺癌中的抗增殖作用及其機制，Queiroz等[12]研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡，可能與氧化應(yīng)激和AMPK途徑有關(guān)。Feng等[13]研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍能選擇性抑制食管鱗狀細胞癌中腫瘤細胞的增殖，其與誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡的作用有關(guān)。

二、二甲雙胍能夠改善腫瘤細胞微環(huán)境

二甲雙胍能夠改善腫瘤細胞的微環(huán)境歸因于其基本作用——降低血糖和改善高胰島素血癥[14]。

1.二甲雙胍通過降低微環(huán)境中葡萄糖的含量限制腫瘤細胞生長：正常細胞內(nèi)，葡萄糖的含量并非一成不變，而是處于不斷變化但依然平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。當氧含量正常時，葡萄糖在胞質(zhì)中先轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，之后進入線粒體參與檸檬酸循環(huán)并偶聯(lián)進行氧化磷酸化；當氧含量不足即缺氧時，丙酮酸不再進入線粒體進行氧化磷酸化而是進入胞質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?。但是腫瘤細胞具有獨特的代謝規(guī)律，大多數(shù)腫瘤細胞是通過產(chǎn)能率相對較低的糖酵解作用作為其能量代謝的主要來源。腫瘤細胞這種獨特的代謝規(guī)律稱之為Warburg效應(yīng)[15]。正是這種獨特的代謝方式為腫瘤細胞提供了大量碳源，用以合成蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸，滿足了腫瘤細胞快速生長的需要，從而使其獲得生存優(yōu)勢。

在機體血糖正常的條件下，大多數(shù)的腫瘤細胞會與正常細胞競爭葡萄糖來滿足其對能量的需求，那么，高血糖狀態(tài)就會給腫瘤細胞提供一個相對“優(yōu)越”的生長環(huán)境。二甲雙胍作為療效顯著的降血糖藥物，使腫瘤細胞周圍環(huán)境中的葡萄糖含量大大減少，耗能非常高的腫瘤細胞其增殖所需求的能量不能得到滿足，從而使腫瘤細胞的生長受到很大程度限制[16]。除此之外，較新的研究結(jié)果還提出低糖飲食能夠使腫瘤細胞對二甲雙胍的敏感度增強，二甲雙胍抗腫瘤的作用也增強，提示生酮等顯著降低血糖的飲食方式聯(lián)合二甲雙胍或許是一種切實可行的抗腫瘤治療方案[17]。

2.二甲雙胍通過改善高胰島素血癥來限制腫瘤細胞生長：人口研究已經(jīng)清楚地表明代謝因素(胰島素樣生長因子和胰島素)可以造成疾病進展和治療效果變差[18]。然而近幾年在乳腺癌細胞中也發(fā)現(xiàn)了胰島素受體的過表達和胰島素通過與胰島素受體結(jié)合后，產(chǎn)生的抗凋亡和促有絲分裂效應(yīng)能夠促進腫瘤細胞生長[19]。胰島素樣生長因子(IGFs)是一組具有促進細胞生長作用的多肽，其受體分為IGF-1受體(IGF-1R)和IGF-2受體(IGF-2R)兩型，IGFs的生物活性主要由IGF-1R(具有絡(luò)氨酸激酶活性)介導(dǎo)，它與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有密切聯(lián)系。體內(nèi)胰島素水平過高，將會改變 IGF -1的水平，進而加快腫瘤細胞的生長增殖[19]。有研究顯示，二甲雙胍能夠下調(diào)IR和IGF-1 的量，增加胰島素和其受體的親和力，改善高胰島素血癥，從而起到抑制腫瘤的作用[20]。此外，二甲雙胍使2型糖尿病患者的癌癥發(fā)生率降低也與改善高胰島素血癥有關(guān)，說明二甲雙胍可以調(diào)節(jié)胰島素水平，對腫瘤生長增殖起到一定的抑制作用。

三、二甲雙胍可抑制腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移

惡性腫瘤細胞不僅增殖速度特別快，且具有無限增殖的能力。其對機體最大的傷害就是它還容易發(fā)生侵襲轉(zhuǎn)移。腫瘤細胞如果侵襲轉(zhuǎn)移遠處組織器官，將會造成多器官功能的損害。大多數(shù)患者都是在腫瘤發(fā)生轉(zhuǎn)移時才被發(fā)現(xiàn)，而這時候已經(jīng)進入癌癥中晚期。正是因為其轉(zhuǎn)移侵襲，大部分患者通過手術(shù)治療的可能性極小。有學(xué)者研究指出二甲雙胍可抑制肝細胞癌的腫瘤細胞的體外遷移及侵襲活性，具有潛在的抑制腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移的作用[8]。

1.二甲雙胍通過對EMT過程作用來抑制腫瘤細胞轉(zhuǎn)移：上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial- mesenchymal transition, EMT)過程與腫瘤細胞的侵襲轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。原來正常形態(tài)的上皮細胞經(jīng)過EMT，丟掉了原有的細胞極性，變成了具有較高侵襲和遷移能力的間充質(zhì)細胞。之前許多關(guān)于二甲雙胍的研究表明二甲雙胍可以抑制STAT3磷酸化過程，而STAT3磷酸化過程參與了IL(白細胞介素)-6/IL-6R信號通路。基于之前的研究發(fā)現(xiàn)，Zhao等[21]實驗顯示，二甲雙胍能夠抑制肺腺癌細胞中IL-6介導(dǎo)的STAT3磷酸化過程，抑制腫瘤細胞生長，同時降低腫瘤的轉(zhuǎn)移，最根本的原因是EMT過程被抑制。Li等[22]評估了二甲雙胍對MG63和U2OS(骨肉瘤)細胞的抗增殖作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以通過機械性地調(diào)節(jié)OS細胞的上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)變，從而抑制OS細胞的遷移和侵襲。這些研究說明：二甲雙胍發(fā)揮抑制轉(zhuǎn)移侵襲的作用與EMT過程有關(guān)。

2.二甲雙胍通過對各種通路的作用來抑制腫瘤細胞轉(zhuǎn)移:晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products, AGEs)和晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(the receptor of advanced glycation end products, RAGE)結(jié)合形成AGE-RAGE復(fù)合體，刺激了胰腺癌和黑色素瘤細胞的生長和(或)轉(zhuǎn)移。二甲雙胍還激活A(yù)MPK途徑，抑制MCF-7乳腺癌細胞AGEs的生成，從而抑制了AGE-RAGE復(fù)合體的生成量，也就是說，二甲雙胍可以抑制AGEs-RAGE復(fù)合體的生成，對腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移起到限制作用[23～25]。Ratan等[4]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍誘導(dǎo)能量代謝信號通路AMPK/m TOR激活，會伴隨有卵巢癌細胞微血管密度降低以及血管內(nèi)皮因子的表達。他們證實了二甲雙胍不僅能夠抑制腫瘤細胞的增殖，而且能夠抑制卵巢癌血管的生成和轉(zhuǎn)移。此外，還有研究證明，二甲雙胍通過LKB1-AMPK-mTOR獨立抑制STAT3激活。因此，二甲雙胍通過抑制STAT3抑制腫瘤細胞轉(zhuǎn)移[16]。Cao等[25]研究了二甲雙胍單獨的抗腫瘤作用，以及其與胰島素樣生長因子1受體單克隆抗體結(jié)合對非小細胞肺癌的靶向抑制作用。通過靶向IGF-1R、PI3K/Akt和MEK/ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路使其受到抑制，并且IGF-1R信號通路被下調(diào)，以此實現(xiàn)抗腫瘤的作用。

四、二甲雙胍能夠增強腫瘤細胞對化療反應(yīng)的敏感度

越來越成熟的治療方法給廣大癌癥患者帶來了福音，比如手術(shù)切除、放化療和靶向治療等。其中，化療是一種重要的治療惡性腫瘤的方法，但是其對人體的毒性不良反應(yīng)較大，許多癌癥患者因為無法耐受其毒性不良反應(yīng)而使治療效果較差。在最近的動物實驗中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二甲雙胍和化療藥物聯(lián)合使用在治療癌癥中更有效，抗腫瘤效果顯著增強，不但減輕了化療藥物的用量，且其毒性不良反應(yīng)也明顯得到改善[14]。

1.二甲雙胍通過與藥物聯(lián)用來增強腫瘤細胞對化療藥物的敏感度：二甲雙胍(細胞培養(yǎng)液中)可以阻滯已對標準化療藥物產(chǎn)生耐藥性的乳腺癌細胞的生長，這提示二甲雙胍可作為耐藥性腫瘤的輔助治療藥物使用，并且其不良反應(yīng)較小[12]。靶向突變的EGFR-TKI(表皮生長因子受體絡(luò)氨酸激酶抑制劑)治療肺癌療效顯著。有研究顯示二甲雙胍能夠有效增強耐TKI肺癌細胞對厄洛替尼或吉非替尼的敏感度，二甲雙胍聯(lián)用EGFR-TKI藥物在肺癌的治療中效果會更顯著[25]。聯(lián)合二甲雙胍和多柔比星用于研究老鼠肺腺癌移植瘤的實驗中發(fā)現(xiàn)，如果減少一定劑量多柔比星，老鼠腫瘤復(fù)發(fā)率不會受到任何影響[26]。另有研究表明，單獨使用化療藥物紫杉醇、順鉑以及阿霉素治療肺癌、乳腺癌和前列腺癌的效果比和二甲雙胍聯(lián)用治療的效果差[14]。Huang等[26]的研究中也表明，與單獨使用比較，二甲雙胍和奧沙利鉑聯(lián)合作用增強了藥物對于結(jié)直腸癌細胞增殖的抑制作用。Jiralerspong等[27]針對糖尿病合并乳腺癌的新療法回顧性研究結(jié)果顯示，非糖尿病患者組的pCR(病理完全緩解率)為16%，使用二甲雙胍治療組的pCR為24%，而未接受二甲雙胍治療組的pCR為8%。這些數(shù)據(jù)說明無論是否患有糖尿病，聯(lián)用二甲雙胍治療的患者比未聯(lián)用的患者治療效果好。以上這些研究結(jié)果說明，化療藥物聯(lián)用二甲雙胍可以有效增強腫瘤細胞對其敏感度，提高化療療效。

2.二甲雙胍通過選擇性殺死腫瘤干細胞來增強腫瘤細胞對化療藥物的敏感度：干細胞具有很強的分化潛能。在腫瘤中也存在著腫瘤干細胞(tumor stem cell, TSC)。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究人員指出化學(xué)療法只能殺死形成實體的腫瘤細胞，但不能殺死TSC，TSC能對化療藥物產(chǎn)生抵抗，降低腫瘤細胞對藥物的敏感度，其療效則將大打折扣。因此，針對TSC的靶向治療或許是一種新穎且有效治療腫瘤的方法。近年來，研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍對TSC有選擇性殺死作用[28]。Shank等[28]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以降低卵巢癌細胞株腫瘤干細胞比例，指出二甲雙胍在體內(nèi)外都有限制卵巢癌干細胞的效果。Yu等[29]研究了二甲雙胍抗膠質(zhì)瘤細胞增殖的作用，發(fā)現(xiàn)二甲雙胍和替莫唑胺的聯(lián)合使用在體內(nèi)和體外均可以協(xié)同抑制膠質(zhì)瘤細胞和神經(jīng)膠質(zhì)瘤TSC的生長，并且可以抑制膠質(zhì)瘤TSC的自我更新，在一定程度上消除TSC。

五、展 望

綜上所述，大量研究表明,二甲雙胍通過促進細胞凋亡、阻滯細胞周期、改善腫瘤微環(huán)境、抑制轉(zhuǎn)移侵襲和增強化療藥物療效等作用，在多種腫瘤細胞中顯示出了其很強的抑制生長和增殖的作用。一方面可能是其對腫瘤細胞的直接作用機制，另一方面可能是其通過降低患者血糖水平、降低胰島素抵抗、提高胰島素敏感度而間接抑制作用機制。近些年來，圍繞著二甲雙胍抗腫瘤的作用展開了大量的實驗研究，也發(fā)現(xiàn)了一些可能的作用機制。雖然二甲雙胍還沒有開始進入正式的臨床試驗階段。不過，相信在未來的抗腫瘤藥物中二甲雙胍將會起到舉足輕重的作用。