PKM2和PET/CT在肺癌糖代謝方面的研究與應(yīng)用進(jìn)展

周鑫，游金輝

(川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，四川 南充 637000)

肺癌是目前世界上最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，包括鱗狀細(xì)胞癌(鱗癌)、腺癌、大細(xì)胞癌、未分化癌、肺泡細(xì)胞癌等，其中肺腺癌是最常見(jiàn)的組織學(xué)類型[1]。盡管肺癌的早期診斷和治療取得了一定進(jìn)展，但5年生存率仍然很低，這可能與肺癌的高轉(zhuǎn)移率和對(duì)化療藥物的耐藥性有關(guān)[2]。腫瘤細(xì)胞的糖代謝率顯著高于正常細(xì)胞，在氧充足的情況下也可以進(jìn)行糖酵解，稱為Warburg效應(yīng)[3]。M2型丙酮酸激酶(pyruvate kinase M2，PKM2)是糖酵解過(guò)程中將磷酸烯醇丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸的關(guān)鍵酶。PKM2在許多惡性腫瘤中過(guò)表達(dá)，可以增加腫瘤細(xì)胞核酸的生成，并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的糖酵解，對(duì)腫瘤的生物學(xué)行為有重要影響[4]。有研究表明，通過(guò)檢測(cè)PKM2的含量，可以預(yù)測(cè)腫瘤的存在[5]，而調(diào)節(jié)PKM2活性的靶向分子療法可以提高化療藥物的療效[6]。正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描/計(jì)算機(jī)斷層掃描(positron emission tomography/computed tomography，PET/CT)將PET與CT結(jié)合，由PET提供病灶詳盡的功能與糖代謝等分子信息，而CT提供病灶的精確解剖定位，一次顯像可獲得全身各方位的斷層圖像，具有靈敏、準(zhǔn)確、特異及定位精確等特點(diǎn)。18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)PET/CT顯像就是利用腫瘤的糖代謝特點(diǎn)來(lái)診斷良惡性腫瘤。近年來(lái)，18F-FDG PET/CT在診斷和指導(dǎo)治療腫瘤方面已顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，是非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)淋巴結(jié)分期的首選診斷技術(shù)[7]。現(xiàn)就PKM2、18F-FDG PET/CT顯像在肺癌糖代謝方面的研究進(jìn)展予以綜述。

1 PKM2的結(jié)構(gòu)與功能調(diào)節(jié)

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是控制糖酵解的關(guān)鍵酶和限速酶之一[8]。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中PK存在4種同工酶，即M、R及L型同工酶，其中M型同工酶又分為了M1和M2亞型，它們的表達(dá)具有組織特異性，并且受到不同啟動(dòng)子的調(diào)節(jié)，PKL在肝臟、胰腺、腸和腎的一些細(xì)胞中表達(dá)，PKR在紅細(xì)胞中表達(dá)[9]。PKM1、PKM2由PKM基因編碼，是相互排斥的可變剪接外顯子9以及外顯子10的產(chǎn)物，兩種PKM同種型都具有相同的催化功能；PKM1是組成型活性四聚體酶，PKM2可以四聚體、二聚體或單聚體的形式存在于細(xì)胞中，但四聚體的活性最高，四聚體PKM2可促進(jìn)ATP的產(chǎn)生，而二聚體PKM2則可提高生物合成速率[10]。在正常機(jī)體環(huán)境中，四聚體與二聚體PKM2維持著動(dòng)態(tài)平衡，一旦該平衡被打破，腫瘤的生長(zhǎng)就會(huì)增強(qiáng)。

研究表明，PKM2在胚胎細(xì)胞、成體干細(xì)胞和癌細(xì)胞中表達(dá)[11]。在胚胎細(xì)胞中，隨著胚胎的發(fā)育與成熟，PKM2的表達(dá)逐漸下降，但當(dāng)細(xì)胞癌變后，PKM2的表達(dá)重新升高[12]。Christofk等[13]使用短發(fā)夾RNA法敲低人癌細(xì)胞中的PKM2表達(dá)，并用PKM1替代PKM2，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PKM2表達(dá)對(duì)于有氧糖酵解是必需的，并且PKM2為體內(nèi)腫瘤細(xì)胞提供選擇性生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，表明PK的活性能力對(duì)于活躍增殖的細(xì)胞中十分重要。當(dāng)PKM2低活性誘導(dǎo)的糖酵解增加時(shí)，可以為癌細(xì)胞提供快速增殖所必需的各種底物資源[14]。通過(guò)基因工程改造以表達(dá)PKM1代替PKM2時(shí)，癌細(xì)胞從有氧糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)榫€粒體呼吸，并且在異種移植后不能形成腫瘤[15]。

PKM2的活性可受多種因子調(diào)控，其中酪氨酸磷酸化蛋白通過(guò)與PKM2結(jié)合可以抑制PKM2活性，從而降低磷酸化-酪氨酸介導(dǎo)的生長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[16]；缺氧誘導(dǎo)因子-1是能量代謝的主要調(diào)節(jié)因子，可通過(guò)調(diào)節(jié)乙醇酸轉(zhuǎn)移的重編程引起糖酵解增加[17]；Myc可直接結(jié)合PKM基因啟動(dòng)子的Myc響應(yīng)元件，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄后剪接時(shí)產(chǎn)生PKM2信使RNA；哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白可以通過(guò)激活缺氧誘導(dǎo)因子-1和Myc基因間接調(diào)控PKM2的表達(dá)[18]。

2 PKM2與肺癌糖代謝

有氧糖酵解是腫瘤的常見(jiàn)特征。Warburg[3]在進(jìn)行腫瘤細(xì)胞檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使在大量氧存在的情況下，腫瘤細(xì)胞的葡萄糖代謝也存在有氧糖酵解。有學(xué)者用薄層丙烯酰胺膽堿凝膠等電聚焦法檢測(cè)PKM2發(fā)現(xiàn)，與正常肌肉組織相比，橫紋肌肉瘤組織中PKM2高表達(dá)，但在小鼠模型中，PKM2對(duì)乳腺腫瘤及白血病的形成是可有可無(wú)的[5]。有研究通過(guò)免疫組織化學(xué)法發(fā)現(xiàn)，PKM2在舌癌以及食管鱗癌患者中高表達(dá)，并與患者預(yù)后呈負(fù)相關(guān)[19]。Zhang等[20]通過(guò)免疫組織化學(xué)法發(fā)現(xiàn)，在肝細(xì)胞癌組織中PKM2的表達(dá)顯著增加，并與高腫瘤TNM分期和血管侵襲水平相關(guān)，提示PKM2可作為肝細(xì)胞癌預(yù)后和治療靶點(diǎn)的生物標(biāo)志物。

肺癌大致分為小細(xì)胞肺癌(約15%)和NSCLC(約85%)[1]。NSCLC的主要組織學(xué)亞型是腺癌和鱗癌，其次還有大細(xì)胞癌、未分化癌、肺泡細(xì)胞癌等，但大多數(shù)NSCLC的糖代謝高于正常組織[21]。有研究發(fā)現(xiàn)，PKM2在肺腺癌患者中過(guò)表達(dá)，與PKM2低表達(dá)患者相比，PKM2高表達(dá)患者的總生存率和無(wú)病生存率均降低(P=0.017，P=0.027)；通過(guò)小干擾RNA技術(shù)剔除PKM2，發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的增殖、葡萄糖攝取以及ATP生成均顯著降低[22]。Zhou等[23]對(duì)76例接受18F-FDG PET/CT術(shù)前分期的肺腺癌患者進(jìn)行回顧性分析發(fā)現(xiàn)，腫瘤中PKM2的表達(dá)高于腫瘤周圍組織。Zhou等[24]研究表明，降低PKM2表達(dá)可抑制肺鱗癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和遷移，而肺鱗癌細(xì)胞中PKM2過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致患者對(duì)藥物的耐藥性。

敬懷志等[25]的研究表明，PKM2表達(dá)陽(yáng)性率在肺腺癌和鱗癌之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(57.1%比87.5%，P=0.008)，基于免疫組織化學(xué)分析及統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，PKM2表達(dá)在大多數(shù)肺癌分化、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移(TNM分期)之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而在年齡、性別、腫瘤大小或遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。Rzechonek等[26]研究表明，與正常人肺組織相比，肺鱗癌患者的PKM2也存在高表達(dá)，并與腫瘤的TNM分期相關(guān)，分期越晚，PKM2的表達(dá)相對(duì)越高；同時(shí)采用分光光度法對(duì)65例肺癌患者的PKM2血清活性進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，與健康人群對(duì)照組相比，腺癌患者的PKM2活性平均為136%，而鱗癌患者的PKM2活性為126%，較高的PKM2活性與癌癥的Ⅲ期相關(guān)(P<0.001)；PKM2作為腫瘤標(biāo)志物診斷腺癌的靈敏度為79%，診斷鱗癌的靈敏度為81%。

通過(guò)測(cè)定肺癌患者治療前、治療后緩解期以及復(fù)發(fā)時(shí)血漿中PKM2水平發(fā)現(xiàn)，治療前及復(fù)發(fā)肺癌患者的PKM2高表達(dá)，且進(jìn)行性肺癌患者的PKM2表達(dá)顯著增加[27]。有報(bào)道顯示，肺癌合并胸腔積液患者胸腔積液PKM2檢測(cè)的靈敏度更優(yōu)于血漿，在腫瘤TNM分期中，Ⅲ～Ⅳ期肺癌患者胸腔積液PKM2陽(yáng)性率(66.6%)顯著高于Ⅰ～Ⅱ期患者(33.3%)；與癌胚抗原(carcinoembryonic antigen，CEA)相比，PKM2診斷肺癌的靈敏度較高(82.14%比71.42%)，特異度相同(90.0%比90.0%)[28]。周瑩艷等[29]采用酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)檢測(cè)62例肺癌患者的PKM2水平，并聯(lián)合CEA及神經(jīng)元特異性烯醇化酶進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PKM2診斷肺癌的陽(yáng)性率為64.5%(40/62)，靈敏度為64.5%(40/62)，特異度為93.3%(56/60)；CEA診斷肺癌的靈敏度為61.3%(38/62)，特異度為91.3%(58/60)；神經(jīng)元特異性烯醇化酶診斷的靈敏度為38.7%(24/62)，特異度為98.7%(58/60)；三者聯(lián)合診斷的靈敏度為87.1%(54/62)，特異度為86.7%(52/60)。

PKM2作為肺癌的腫瘤標(biāo)志物，對(duì)肺癌患者的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、療效評(píng)價(jià)及預(yù)后判斷具有一定的應(yīng)用價(jià)值，與目前臨床上常用的肺癌標(biāo)志物聯(lián)合可提高診斷的靈敏度。但PKM2與肺癌組織類型的關(guān)系以及可否用于良、惡性腫瘤的區(qū)分等方面還需要進(jìn)一步研究。

3 18F-FDG PET/CT顯像與肺癌糖代謝

18F-FDG PET/CT顯像是反映腫瘤糖代謝水平的分子影像學(xué)技術(shù)，是目前肺癌檢出最為理想的功能分子顯像方法。葡萄糖是腫瘤細(xì)胞的主要能量底物(Warburg效應(yīng))，多數(shù)癌細(xì)胞生長(zhǎng)嚴(yán)重依賴于葡萄糖代謝。脫氧葡萄糖是葡萄糖的類似物，18F-FDG攝取增加是許多惡性腫瘤(如肺癌)預(yù)后不良的指標(biāo)[30]。18F-FDG PET/CT顯像在肺癌診斷局部腫瘤范圍、縱隔淋巴結(jié)受累和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移等方面顯示出了獨(dú)特的優(yōu)越性。18F-FDG PET/CT病灶探測(cè)率很高，靈敏度在90%以上，特異度約為70%；對(duì)淋巴結(jié)及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移灶檢出更敏感，評(píng)估更準(zhǔn)確，可提高約30%的腫瘤病灶分期；PET或PET/CT是目前NSCLC患者淋巴結(jié)分期的首要技術(shù)，PET/CT可發(fā)現(xiàn)<1 cm的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[7]。

有研究表明，18F-FDG PET/CT顯像的最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值(maximum standardized uptake value，SUVmax)可作為獨(dú)立的生存預(yù)后因素，治療前SUVmax值與肺癌患者生存時(shí)間呈負(fù)相關(guān)[7]。Liu等[31]的研究表明，標(biāo)準(zhǔn)化攝取值指數(shù)(SUVindex，即淋巴結(jié)SUVmax/原發(fā)腫瘤SUVmax×腫瘤最大直徑)可能是肺癌患者縱隔惡性淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的預(yù)測(cè)指標(biāo)。Putora等[32]對(duì)27例肺癌患者行PET/CT顯像發(fā)現(xiàn)，高SUVmax與肺癌基因突變相關(guān)(P<0.008)，而突變狀態(tài)也與原發(fā)腫瘤位置有關(guān)(P=0.001)，中央型肺癌突變基因常為間變性淋巴瘤激酶，而周圍型肺癌突變基因?yàn)楸砥どL(zhǎng)因子受體。Hsu等[33]對(duì)35例多原發(fā)肺癌患者行術(shù)前PET/CT顯像，評(píng)估SUVmax與手術(shù)結(jié)果、預(yù)后判斷和腫瘤影像學(xué)結(jié)果之間的關(guān)系，受試者工作特征曲線顯示，SUVmax預(yù)測(cè)復(fù)發(fā)的最佳閾值為3.1，其靈敏度為92.3%(95%CI83.5%～100.0%)，特異度為72.7%(95%CI58.0%～87.4%)；預(yù)測(cè)無(wú)復(fù)發(fā)生存率的SUVmax曲線下面積為0.86(95%CI0.74～0.99，P<0.001)；在多變量分析中，高SUVmax值與復(fù)發(fā)獨(dú)立相關(guān)(P<0.01)，危險(xiǎn)比為8.24(95%CI1.03～65.74)；高SUVmax值的復(fù)發(fā)率為6.79%；SUVmax越高，總生存率越低(5年生存率為53.3%)。Kohutek等[34]通過(guò)對(duì)211例接受立體定向放療并行PET/CT檢查的NSCLC患者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，若原發(fā)灶SUVmax>3.0，立體定向放療后的生存率較低，局部復(fù)發(fā)率高，遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的可能較大；且治療前原發(fā)灶SUVmax值越大，復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移的可能性越高；治療后病灶SUVmax值越小，局部腫瘤活性控制越高。但糖代謝高的結(jié)核、真菌感染病灶SUV值增高明顯，而高分化且糖代謝低的腫瘤病灶卻表現(xiàn)出相反的顯像特點(diǎn)，即SUVmax值增高并不明顯，如支氣管肺泡癌18F-FDG攝取較低，且支氣管肺泡癌中實(shí)性成分的百分比與SUVmax值呈負(fù)相關(guān)[35]。

PKM2作為糖代謝的關(guān)鍵酶之一，在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)會(huì)影響患者的預(yù)后及診療方案。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)測(cè)定18F-FDG PET/CT顯像肺癌病灶的SUVmax值來(lái)預(yù)測(cè)PKM2的表達(dá)，PKM2表達(dá)越低，患者預(yù)后及生存越好，可更好地制定診療策略[36]。Takamoch等[37]對(duì)術(shù)前2個(gè)月內(nèi)接受了18F-FDG PET/CT顯像的734例肺腺癌患者病灶組織進(jìn)行免疫組織化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，PKM2的表達(dá)與SUVmax呈正相關(guān)(r=0.62，P<0.05)。De Rosa等[38]對(duì)NSCLC小鼠進(jìn)行18F-FDG PET/CT顯像時(shí)發(fā)現(xiàn)，18F-FDG攝取增加至(23.51±9.72)%時(shí)，用厄洛替尼或載體治療后，18F-FDG攝取減少；進(jìn)一步研究顯示，18F-FDG攝取減少與PKM2下調(diào)呈正相關(guān)。An等[39]通過(guò)免疫組織化學(xué)法研究了57例NSCLC患者病灶組織的PKM2與SUVmax值(0.7～24，平均值為6.56)之間的關(guān)系，通過(guò)Spearman相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，PKM2與SUVmax呈弱相關(guān)(r=0.21，P=0.06)，而SUVmax與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1的表達(dá)呈正相關(guān)(r=0.551，P=0.001)。但Zhou等[23]通過(guò)免疫組織化學(xué)法分析了72例PET/CT顯像的肺腺癌患者，發(fā)現(xiàn)SUVmax值與PKM2的表達(dá)無(wú)相關(guān)性(r=0.176，P=0.190)，而與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1呈正相關(guān)(r=0.551，P<0.001)?？梢?jiàn)，目前有關(guān)SUVmax與PKM2在肺癌患者中的相關(guān)性仍存在爭(zhēng)議。

4 小 結(jié)

PKM2的表達(dá)與腫瘤分化、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和TNM分期相關(guān)，這可能與腫瘤的進(jìn)展、負(fù)荷增加以及大量腫瘤細(xì)胞壞死或轉(zhuǎn)移過(guò)程中釋放更多的PKM2有關(guān)。在肺癌臨床診治中，確定PKM2的表達(dá)狀態(tài)非常重要。使用免疫組織化學(xué)法評(píng)估患者腫瘤組織中PKM2的表達(dá)情況，涉及侵入性操作，并且受到腫瘤組織可用性的限制。若采用非侵入性技術(shù)(如PET/CT的參數(shù))預(yù)測(cè)腫瘤PKM2的表達(dá)水平可避免這種限制；反之，若通過(guò)測(cè)定組織或血液中的PKM2表達(dá)來(lái)反映腫瘤的糖代謝狀況(如SUVmax)，也可進(jìn)一步提高惡性腫瘤的診治效能。但反映惡性腫瘤患者腫瘤糖代謝水平的SUVmax與糖代謝關(guān)鍵酶PKM2之間的關(guān)系并不明確，PKM2聯(lián)合PET/CT對(duì)肺癌的診斷是否有益還有待進(jìn)一步研究。