腫瘤微環(huán)境調(diào)控能量代謝的機(jī)制及分子影像在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展

張國建，白智剛，王文睿，王雪梅，魯海文

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 a.核醫(yī)學(xué)科，b.影像教研室，呼和浩特 010050)

據(jù)估計(jì)，2018年我國新發(fā)癌癥4 285 033例，有2 865 174例癌癥患者死亡，約占全球癌癥發(fā)病和死亡的23.7%和30.0%[1]。雖然針對(duì)腫瘤治療方法進(jìn)行了各種治療模式的研究和嘗試，但腫瘤的總體生存率仍沒有明顯改善?；蛲蛔兪悄[瘤發(fā)生的重要原因，是細(xì)胞惡化的驅(qū)動(dòng)力，基因突變的產(chǎn)生改變了細(xì)胞內(nèi)一系列重要復(fù)雜信號(hào)通路，促進(jìn)了腫瘤的形成?；诖耍恍┲匾蛔兓蛞驯挥米髂[瘤治療靶點(diǎn)，如吉非替尼片和鹽酸厄洛替尼片是針對(duì)表皮生長(zhǎng)因子受體突變的腫瘤靶向治療藥物，雖然此類藥物針對(duì)性強(qiáng)、不良反應(yīng)小，但仍存在一些局限，如腫瘤細(xì)胞耐藥性的產(chǎn)生、基因組不穩(wěn)定性的增加等，給腫瘤治療帶來新問題[2]?；蛲蛔円鸬囊幌盗行盘?hào)通路的改變會(huì)直接或間接改變腫瘤細(xì)胞能量代謝途徑，其中一些代謝途徑的改變廣泛存在于腫瘤細(xì)胞內(nèi)，且這些改變對(duì)腫瘤的惡性轉(zhuǎn)化必不可少。能量代謝可以影響腫瘤發(fā)生、發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，對(duì)腫瘤能量代謝機(jī)制的深入探索將有益于人們從能量代謝角度制訂個(gè)體化、特異性的腫瘤治療策略[3]，從能量代謝的角度為腫瘤精準(zhǔn)靶向治療提供有效靶點(diǎn)。而分子影像作為一種無創(chuàng)性檢查方法，可以準(zhǔn)確評(píng)估腫瘤的能量代謝?，F(xiàn)就腫瘤微環(huán)境調(diào)控能量代謝的機(jī)制以及分子影像在腫瘤能量代謝方面的評(píng)估價(jià)值及研究進(jìn)展予以綜述。

1 腫瘤微環(huán)境與能量代謝

1.1腫瘤能量代謝 糖代謝是人體細(xì)胞的主要能量來源，葡萄糖在體內(nèi)分解的主要途徑是糖酵解與氧化磷酸化。與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞具有快速增殖的特性，因此需要消耗大量的能量來維持細(xì)胞分裂，導(dǎo)致胞內(nèi)葡萄糖攝入量增高、糖酵解活性升高和乳酸堆積等。關(guān)于腫瘤代謝的相關(guān)問題許多研究者進(jìn)行了研究。Warburg[4]闡述了關(guān)于體內(nèi)腫瘤細(xì)胞代謝的相關(guān)問題，他認(rèn)為腫瘤利用葡萄糖的形式與正常細(xì)胞不同，腫瘤細(xì)胞主要利用糖酵解方式產(chǎn)能，即使在氧氣充足的區(qū)域腫瘤仍以糖酵解的方式來獲取能量，這種代謝稱為有氧糖酵解，即“Warburg效應(yīng)”；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞的有氧呼吸均受損，故認(rèn)為線粒體有氧代謝的不可逆性損傷是腫瘤共同的起因。Lisanti等[5]研究發(fā)現(xiàn)，有氧糖酵解不是在腫瘤細(xì)胞內(nèi)發(fā)生，而是發(fā)生在腫瘤細(xì)胞周圍微環(huán)境的成纖維細(xì)胞內(nèi)，相關(guān)成纖維細(xì)胞的有氧糖酵解產(chǎn)生高能量的代謝產(chǎn)物(如乳酸和丙酮酸)被轉(zhuǎn)移到相鄰的上皮癌細(xì)胞內(nèi)，再通過癌細(xì)胞內(nèi)有氧線粒體代謝，此方式將增加癌細(xì)胞內(nèi)ATP的產(chǎn)生，能夠進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移，研究者將這種新的想法稱為“反向Warburg效應(yīng)”。

近年來，國內(nèi)外一些科學(xué)家針對(duì)腫瘤細(xì)胞能量代謝形式進(jìn)行了探索，很多研究人員開始質(zhì)疑單一糖酵解方式能否適應(yīng)腫瘤組織在復(fù)雜的周圍微環(huán)境下的生存與增殖[5-6]。通過不斷探索發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞不但存在有氧糖酵解，還可以發(fā)生氧化磷酸化，兩者互相協(xié)調(diào)、共存。腫瘤組織常常處于復(fù)雜的微環(huán)境中，包括缺氧、酸中毒和營養(yǎng)缺乏等，Xie等[7]證實(shí)，正常培養(yǎng)條件下，腫瘤細(xì)胞利用糖酵解為細(xì)胞供能，而在高乳酸培養(yǎng)基中發(fā)現(xiàn)，部分腫瘤細(xì)胞氧化磷酸化的代謝途徑顯著增強(qiáng)，培養(yǎng)條件的改變使腫瘤細(xì)胞能量代謝方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，提示在外界環(huán)境改變下，腫瘤細(xì)胞能量代謝是可以發(fā)生轉(zhuǎn)換的，具有雙重代謝特征。另有研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)含氧量不同腫瘤組織內(nèi)分為乏氧區(qū)和富氧區(qū)，富氧區(qū)的主要能量來源為氧化磷酸化，而乏氧區(qū)的主要產(chǎn)能方式是糖酵解途徑，且乏氧區(qū)產(chǎn)生的乳酸被富氧區(qū)腫瘤細(xì)胞攝取，用于氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，供細(xì)胞生存[8-9]。腫瘤細(xì)胞能夠根據(jù)不同的外部條件調(diào)控自身的能量代謝，以糖酵解途徑為主的腫瘤細(xì)胞，暴露在血管完善及富氧區(qū)域時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸姿峄漠a(chǎn)能途徑，同時(shí)腫瘤細(xì)胞的侵襲與轉(zhuǎn)移能力會(huì)提高[10]。有研究證實(shí)，如果糖酵解型細(xì)胞在高度乳酸化微環(huán)境中有氧糖酵解代謝產(chǎn)能所占比重從85%降至20%，代謝表型以氧化磷酸化為主能幫助腫瘤細(xì)胞逃脫細(xì)胞凋亡[11]。

1.2腫瘤微環(huán)境 腫瘤微環(huán)境是指腫瘤所處的內(nèi)環(huán)境，主要是由基質(zhì)細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)、血管、淋巴管等組成，通過與腫瘤細(xì)胞之間的相互作用共同構(gòu)成了維持腫瘤生長(zhǎng)的復(fù)雜微環(huán)境，促進(jìn)腫瘤的增殖、侵襲、遷移及新生血管的形成[12]。腫瘤不僅由癌細(xì)胞組成，且由正常細(xì)胞組成，構(gòu)建腫瘤微環(huán)境的非癌細(xì)胞主要有癌相關(guān)成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞等免疫細(xì)胞，非癌細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中受癌細(xì)胞的影響[13-15]。腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境與正常組織不同，因其生長(zhǎng)、增殖的形式特殊，打破了正常組織的內(nèi)環(huán)境，不斷地創(chuàng)造有利于本身生長(zhǎng)的內(nèi)環(huán)境，這種內(nèi)環(huán)境伴有乏氧、酸中毒、大量生長(zhǎng)因子、間質(zhì)高壓和免疫炎癥反應(yīng)等。研究表明，腫瘤微環(huán)境與能量代謝之間相互聯(lián)系，微環(huán)境能夠調(diào)控腫瘤能量代謝的途徑選擇，腫瘤細(xì)胞處于這種惡劣微環(huán)境中，但其代謝依然旺盛，增殖迅速，腫瘤細(xì)胞有較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣微環(huán)境而快速生長(zhǎng)的特征，這種適應(yīng)性通過改變腫瘤細(xì)胞能量代謝方式來實(shí)現(xiàn)，稱為能量代謝重編程[9]。在腫瘤的演進(jìn)過程中，能量代謝重編程具有重要意義，腫瘤細(xì)胞通過對(duì)癌基因的激活及抑癌基因的失活調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞能量代謝的自主性調(diào)節(jié)[16]。能量代謝重編程是腫瘤細(xì)胞的重要特征，通過能量代謝重編程調(diào)控自身代謝方式，以保證能量的供給充足，提高腫瘤細(xì)胞對(duì)周圍生存微環(huán)境的耐受性而不斷生長(zhǎng)、快速增殖。

1.3腫瘤微環(huán)境對(duì)能量代謝的調(diào)控作用 腫瘤能量代謝是根據(jù)自身所處環(huán)境的不同而選擇最優(yōu)的代謝方式供自己存活，以適應(yīng)應(yīng)激的狀態(tài)。通過能量代謝重編程，可以滿足腫瘤細(xì)胞快速增殖的基本需求：①能夠維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原環(huán)境穩(wěn)定；②ATP快速合成以維持細(xì)胞能量需求；③合成生物大分子增加[17]。與此同時(shí)，腫瘤細(xì)胞代謝重編程也可改變腫瘤細(xì)胞所處的微環(huán)境，為腫瘤的進(jìn)一步發(fā)生、發(fā)展創(chuàng)造更為適宜的外部條件。乏氧是腫瘤微環(huán)境最重要的特征之一，也是腫瘤能量代謝重要的影響因素。乏氧被認(rèn)為是實(shí)體腫瘤快速生長(zhǎng)和侵襲性的一個(gè)重要特征，是腫瘤中氧氣供應(yīng)和消耗不平衡的結(jié)果[18]。腫瘤細(xì)胞在其起源地快速生長(zhǎng)并無限增殖，使得腫瘤組織形成致密的團(tuán)塊，而血管運(yùn)輸營養(yǎng)和氧氣脈管系統(tǒng)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及腫瘤的生長(zhǎng)速度，因此腫瘤處于一種營養(yǎng)匱乏、乏氧的環(huán)境，細(xì)胞能量來源受到極大限制，此時(shí)在外界低氧環(huán)境下低氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)得以誘導(dǎo)表達(dá)[19]。HIF-1主要由HIF-1α和HIF-1β兩個(gè)亞單位組成，是低氧應(yīng)激反應(yīng)的核心轉(zhuǎn)錄因子，能夠參與調(diào)控氧傳遞、血管生成以及細(xì)胞分裂、增殖、代謝等能量產(chǎn)生，它能使機(jī)體在不同氧濃度環(huán)境中快速有效地獲得ATP而維持細(xì)胞存活。HIF-1α能夠促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)錄，大幅增加細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取，從而增強(qiáng)糖酵解途徑；同時(shí)HIF-1α還能誘導(dǎo)關(guān)鍵血管生成因子(如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子)的表達(dá)，從而刺激新生血管形成，為腫瘤帶來更多的氧氣與營養(yǎng)物質(zhì)，特別是葡萄糖，最終保證糖酵解原料的有效供應(yīng)[19]。此外，HIF-1α還可以促進(jìn)糖酵解通路及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中多個(gè)代謝酶的基因表達(dá)，促進(jìn)糖酵解，如通過提高丙酮酸脫氫酶激酶1表達(dá)，從而上調(diào)乳酸脫氫酶A和乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體4基因表達(dá)，抑制丙酮酸參加三羧酸循環(huán)，進(jìn)而降低細(xì)胞耗氧量[20]。在低氧壓力條件下，腫瘤細(xì)胞通過攝取乙酰乙酸來生成乙酰輔酶A，為自身存活提供能量及生物大分子，促進(jìn)自身存活[21-24]。

2 分子影像在腫瘤微環(huán)境及能量代謝方面的應(yīng)用

分子影像學(xué)是分子生物學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是指運(yùn)用影像學(xué)方法顯示組織水平、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的特定分子，反映活體狀態(tài)下分子水平變化，對(duì)活體生物學(xué)行為進(jìn)行定性、定量、動(dòng)態(tài)研究的科學(xué)，起連接分子生物學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的橋梁作用。目前分子影像以核醫(yī)學(xué)、核磁共振、光學(xué)成像及多模態(tài)分子成像為主，特別是核醫(yī)學(xué)的正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(positron emission tomography，PET)/CT在腫瘤系統(tǒng)的臨床與基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)非常成熟，通過應(yīng)用不同的顯像劑，可以從糖代謝、增殖、乏氧、基因、受體等多角度可視化觀察腫瘤。應(yīng)用分子影像學(xué)方法對(duì)腫瘤微環(huán)境及能量代謝的研究已成為腫瘤機(jī)制探索的一個(gè)新方向。根據(jù)腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中能量代謝的特點(diǎn)，可以為分子影像診斷、療效評(píng)價(jià)和預(yù)后判斷提供更多的有效生物標(biāo)志物和靶點(diǎn)。

2.1PET/CT在腫瘤微環(huán)境及能量代謝中的應(yīng)用

PET/CT腫瘤顯像最常用的顯像劑為18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose,18F-FDG)，當(dāng)18F-FDG靜脈注入生物體后，經(jīng)細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白進(jìn)入細(xì)胞，在己糖激酶的磷酸化作用下，生成6-磷酸-18F-FDG；由于18F-FDG分子中18F取代了羥基，不能被磷酸己糖異構(gòu)酶識(shí)別、催化轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸氟代果糖，不僅不能進(jìn)一步進(jìn)入糖酵解過程，也不能轉(zhuǎn)變?yōu)樘窃瓦M(jìn)入葡萄糖代謝旁路，因而大量滯留在細(xì)胞內(nèi)；而在葡萄糖代謝平衡狀態(tài)下，6-磷酸氟代果糖的滯留幾乎與組織細(xì)胞葡萄糖耗氧量相同，因而可以反映體內(nèi)葡萄糖的利用和攝取水平[25]。由于腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)活躍，細(xì)胞分裂速度快，需要大量的葡萄糖作為能源，因此，腫瘤細(xì)胞內(nèi)會(huì)聚集大量的18F-FDG。在體外，18F所發(fā)射的正電子可被正電子探測(cè)器PET/CT捕獲顯影，可以顯示腫瘤的部位、形態(tài)、大小、數(shù)量及腫瘤內(nèi)葡萄糖代謝的分布。以此評(píng)估腫瘤內(nèi)部能量代謝狀態(tài)，并對(duì)病灶的良惡性判斷、分期，放療或化療后腫瘤細(xì)胞生存狀態(tài)、瘤體內(nèi)部能量代謝區(qū)域變化狀況等進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。PET/CT乏氧顯像能夠通過乏氧代謝分子探針活體檢測(cè)腫瘤組織內(nèi)乏氧狀態(tài)，18F-FMISO、18F-HX4、18F-FAZA、64Cu-ATSM等乏氧顯像劑成功用于顯示腫瘤內(nèi)部的乏氧狀態(tài)[26]。腫瘤乏氧狀態(tài)的評(píng)估對(duì)于臨床治療方案的確定(如腫瘤放療靶區(qū)的勾畫)具有重要的指導(dǎo)意義。

應(yīng)用分子影像Micro PET/CT在非小細(xì)胞肺癌腫瘤微環(huán)境與能量代謝方面的研究表明，PET/CT可以很好地揭示非小細(xì)胞肺癌腫瘤內(nèi)部微環(huán)境，同時(shí)對(duì)微環(huán)境與能量代謝之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，模型小鼠的飲食狀態(tài)對(duì)A549非小細(xì)胞肺癌腫瘤內(nèi)18F-FDG的代謝分布發(fā)揮了關(guān)鍵作用，在模型小鼠空腹?fàn)顟B(tài)下，18F-FDG主要濃聚在缺氧癌細(xì)胞組織內(nèi)(即Warburg效應(yīng))，在進(jìn)食狀態(tài)下，18F-FDG濃聚發(fā)生變化，主要分布在非癌變腫瘤基質(zhì)區(qū)域(即反向Warburg效應(yīng))，表明同一只小鼠在不同飲食狀態(tài)影響下，能量代謝會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，而應(yīng)用分子影像學(xué)方法能夠精準(zhǔn)地在活體內(nèi)可視化觀測(cè)到腫瘤能量代謝重編程現(xiàn)象[27-29]。

2.2磁共振成像在腫瘤微環(huán)境及能量代謝中的應(yīng)用 磁共振成像有很多乏氧成像方法對(duì)腫瘤內(nèi)乏氧狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如血氧水平依賴成像、對(duì)比增強(qiáng)成像、質(zhì)子磁共振波譜等成像技術(shù)。其中血氧水平依賴成像技術(shù)已被廣泛用于臨床對(duì)腫瘤乏氧的監(jiān)測(cè)，通過研究去氧血紅蛋白和含氧血紅蛋白比例變化對(duì)磁共振成像信號(hào)的影響來反映腫瘤組織氧和狀態(tài)，此方法常用于檢測(cè)腫瘤組織急性乏氧狀況[30]。在腫瘤治療前后用血氧水平依賴成像對(duì)腫瘤組織的血氧含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以很好地提示治療預(yù)后，與PET/CT相比，此方法無需顯影劑，無電離輻射，且靈敏度高，但其特異度相對(duì)較低[31]。

3 小 結(jié)

腫瘤微環(huán)境與能量代謝之間關(guān)系復(fù)雜、聯(lián)系密切。腫瘤乏氧微環(huán)境可能是驅(qū)動(dòng)能量代謝的關(guān)鍵因素，通過轉(zhuǎn)錄因子HIF-1調(diào)控能量代謝重編程。對(duì)腫瘤微環(huán)境及能量代謝機(jī)制的深入探索，將有助于從能量代謝層面尋找有效的治療靶點(diǎn)，制訂個(gè)體化的治療策略，對(duì)新型抗腫瘤靶向藥物的研發(fā)也具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，應(yīng)用分子影像無創(chuàng)手段活體檢測(cè)、動(dòng)態(tài)觀察、定量評(píng)估腫瘤微環(huán)境及能量代謝，有助于深入研究腫瘤微環(huán)境與腫瘤進(jìn)展之間的關(guān)系，為基礎(chǔ)與臨床研究提供一種可靠的評(píng)價(jià)手段，推動(dòng)基礎(chǔ)研究向臨床轉(zhuǎn)化[32]。隨著分子影像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，針對(duì)腫瘤微環(huán)境靶向治療的研究將會(huì)取得新進(jìn)展，不斷推動(dòng)腫瘤患者的個(gè)體化精準(zhǔn)治療。