乳酸與腫瘤生物學(xué)特性的研究進(jìn)展

董琪，周辰康，任浩東，李宗禹，吳志浩

（1.皖南醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)2016 級(jí)本科生，安徽蕪湖 241002；2.檢驗(yàn)學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)專業(yè)2018 級(jí)本科生；3.藥學(xué)院藥學(xué)專業(yè)2018 級(jí)本科生；4.影像學(xué)院醫(yī)學(xué)影像專業(yè)2016 級(jí)本科生；5.腫瘤微環(huán)境研究室）

癌癥作為全球第二大致死疾病，現(xiàn)已成為全球最嚴(yán)峻的公共衛(wèi)生問題之一。癌癥的發(fā)生發(fā)展是多基因、多階段、多系統(tǒng)參與的連續(xù)、漸進(jìn)過程，這其中包括多基因突變的積累，能量代謝的重編程，血管的生成，局部侵襲浸潤(rùn)，免疫逃逸和轉(zhuǎn)移灶的形成等［1］。

腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME），即由多種細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)以及多種細(xì)胞因子為腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)提供的特殊環(huán)境［2］。腫瘤細(xì)胞為了滿足其惡性增殖的需要，往往表現(xiàn)出葡萄糖攝取量的異常增高、糖酵解的增強(qiáng)和乳酸的大量堆積，形成了腫瘤微環(huán)境中缺乏氧氣、營(yíng)養(yǎng)以及呈現(xiàn)酸性微環(huán)境的特點(diǎn)［2］。

乳酸在過去一直被認(rèn)為是細(xì)胞糖酵解所產(chǎn)生的代謝廢物和惡性腫瘤的生物學(xué)標(biāo)志物。然而Martinez－Zaguilan 等［3］的研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤外乳酸的蓄積與腫瘤患者較高的轉(zhuǎn)移發(fā)生率以及患者總體生存率降低密切相關(guān)。也有研究表明，乳酸可作為重要的信號(hào)分子影響周圍細(xì)胞［4］。而且在腫瘤免疫逃逸、血管生成、代謝調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用［5］。因此，本文就乳酸與腫瘤生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 Warburg 效應(yīng)與乳酸的產(chǎn)生

癌細(xì)胞可以通過代謝重編程以長(zhǎng)期維持自身的生長(zhǎng)、存活和增殖。這種代謝改變的共同特征是葡萄糖攝取增加以及葡萄糖不被徹底氧化而是發(fā)酵成乳酸，即使存在完全起作用的線粒體，也可以觀察到這種現(xiàn)象，被稱為Warburg 效應(yīng)［6－8］。腫瘤細(xì)胞如果想要獲取與正常細(xì)胞相同的能量，也就意味著腫瘤細(xì)胞需要利用更多葡萄糖來彌補(bǔ)這種代謝方式的“缺陷”，無氧糖酵解的速率比氧化磷酸化快100 倍，使腫瘤細(xì)胞能夠在缺乏足夠氧氣的情況下，以消耗更多葡萄糖為代價(jià)，生成大量的氨基酸、脂質(zhì)、核苷酸等中間產(chǎn)物以滿足短期能量需求與快速生長(zhǎng)。

隨著氟代脫氧葡萄糖正電子發(fā)射斷層掃描（Fluorodeoxygucose positron emission tomography） 技術(shù)［9－10］的發(fā)展，利用實(shí)體瘤大量攝取葡萄糖成像與周圍組織對(duì)比來診斷腫瘤大小位置的方式已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于臨床［11］，這也進(jìn)一步證明了Warburg效應(yīng)在腫瘤代謝中的普遍性。

2 乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)體

腫瘤以糖酵解作為能量代謝的主要方式，這個(gè)過程中產(chǎn)生了大量的乳酸。為了避免胞質(zhì)被過度酸化，腫瘤細(xì)胞必須通過羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（monocarboxylate transporters，MCTs），將乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞。同時(shí)由于腫瘤組織缺乏血管輸送的營(yíng)養(yǎng)，腫瘤細(xì)胞也需要經(jīng)MCTs 攝取乳酸作為呼吸燃料。單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體是分子量在50 kD 左右的12 次跨膜蛋白，屬于溶質(zhì)運(yùn)載蛋白家族（solute carrier family，SLC） SLC16A 亞家族成員［12］，目前該家族具有14個(gè)成員。MCTs 在腫瘤組織中表達(dá)異常增高，有4個(gè)成員（MCT1－4） 與單羧酸鹽偶聯(lián)質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)［13］。經(jīng)過人表達(dá)序列標(biāo)簽 （EST） 數(shù)據(jù)庫(kù)的Northern blot 分析和檢查表明，MCT2 在人組織中幾乎不表達(dá)，MCT3 的表達(dá)局限于視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞和脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞［14］。MCT3 與MCT1 的共同作用，與維持視網(wǎng)膜組織的pH 有關(guān)［15］。有研究表明，同種MCT 在不同種類的細(xì)胞中對(duì)乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn)方向不同，而且MCT 與乳酸的親和力決定了乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn)方向［16］。有研究發(fā)現(xiàn)，MCT4 對(duì)乳酸具有低親和力，腫瘤組織內(nèi)部細(xì)胞糖酵解產(chǎn)生的乳酸主要經(jīng)MCT4 流出［17］；MCT1 對(duì)乳酸具有高親和力，腫瘤外的乳酸經(jīng)MCT1 轉(zhuǎn)運(yùn)入胞，這些乳酸被乳酸脫氫酶B （lactate dehydrogenase B，LDHB） 催化成丙酮酸經(jīng)過三羧酸循環(huán)而被腫瘤細(xì)胞所利用［18］。

腫瘤包含氧合區(qū)和缺氧區(qū)。因此，根據(jù)氧、葡萄糖和乳酸的可用性，存在具有不同代謝特征的異質(zhì)腫瘤細(xì)胞群。有學(xué)者提出腫瘤中有兩種代謝類型的腫瘤細(xì)胞，一種是糖酵解型，另一種是氧化磷酸化型。它們之間利用乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn)相互“配合” 以達(dá)到營(yíng)養(yǎng)的充分利用［19］。也有學(xué)者提出這是同一種細(xì)胞在不同環(huán)境下因代謝重組所表現(xiàn)出的兩種形式［18］，這兩種說法都有待進(jìn)一步的探究證明。但無可爭(zhēng)議的是缺氧和氧化在癌細(xì)胞之間存在共生關(guān)系，這種關(guān)系依賴于MCTs 的活性。

3 乳酸受體GPR81

傳統(tǒng)研究中，乳酸被視為代謝廢物。近年來，乳酸受體的發(fā)現(xiàn)提示：乳酸作為信號(hào)分子在細(xì)胞偶聯(lián)中發(fā)揮重要作用。GPR81 （HCA1） 是乳酸特異性受體，屬于G 蛋白偶聯(lián)受體 （G proteincoupled receptors，GPCRs） 家族。研究表明，乳酸通過GPR81／Gi 通路下調(diào)cAMP 來促進(jìn)脂肪細(xì)胞脂質(zhì)的儲(chǔ)存，乳酸還可將GPR81 作為其調(diào)節(jié)腦血流量、神經(jīng)元代謝的遞質(zhì)［20］。近年來研究發(fā)現(xiàn)，GPR81 與腫瘤的關(guān)系更加密切。有研究表明，GPR81 廣泛存在于結(jié)腸癌、乳腺癌、肺癌、肝細(xì)胞癌、唾液腺癌、宮頸癌和胰腺癌細(xì)胞系中，胰腺癌患者高表達(dá)GPR81 達(dá)到了94%［21］。Christina等［21］發(fā)現(xiàn)，在高葡萄糖的環(huán)境下沉默GPR81 對(duì)胰腺癌細(xì)胞幾乎沒有影響，但是在低葡萄糖并且補(bǔ)充乳酸來模擬腫瘤微環(huán)境的條件下沉默GPR81，癌細(xì)胞快速死亡；GPR81 沉默后，乳酸誘導(dǎo)的基因表達(dá)受限而且腫瘤細(xì)胞線粒體活性也降低。GPR81 還可調(diào)節(jié)MCT1 和MCT4 的表達(dá)來調(diào)節(jié)腫瘤的能量代謝以及穩(wěn)態(tài)的維持［22］。不管在體內(nèi)還是體外高表達(dá)GPR81 的腫瘤細(xì)胞都具有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)移侵襲能力和更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力［21］。這些研究都表明，乳酸代謝在腫瘤細(xì)胞中的重要性以及GPR81 是腫瘤微環(huán)境中癌細(xì)胞存活的重要調(diào)節(jié)因子。

4 乳酸與腫瘤的轉(zhuǎn)移、免疫逃逸及血管生成

具有侵襲轉(zhuǎn)移的能力是惡性腫瘤的主要特征之一。Rofstad 等［23］發(fā)現(xiàn)，在裸鼠尾靜脈注射前用酸性pH 預(yù)處理黑色素瘤細(xì)胞可以提高其轉(zhuǎn)移部位的存活率。上皮－間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial－mesenchymal transition，EMT） 是腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移所必需經(jīng)歷的過程［24］。研究表明，腫瘤細(xì)胞外間隙酸化會(huì)上調(diào)金屬蛋白酶的表達(dá)，金屬蛋白酶參與基底膜的降解與組織的重塑［25］。此外，我們研究發(fā)現(xiàn)，乳酸可以通過誘導(dǎo)肺癌細(xì)胞釋放TGF－β 來上調(diào)Snail 從而獲得間質(zhì)表型促進(jìn)轉(zhuǎn)移［26］。經(jīng)過EMT 后，腫瘤細(xì)胞將面臨免疫系統(tǒng)的清掃。

腫瘤細(xì)胞的逃逸機(jī)制，包括免疫抑制分子的上調(diào)、免疫抑制細(xì)胞因子的產(chǎn)生和共刺激分子的下調(diào)等。此外，腫瘤特殊的代謝形式也很大程度上賦予了腫瘤細(xì)胞免疫逃逸的能力。當(dāng)免疫細(xì)胞靠近腫瘤細(xì)胞時(shí)，腫瘤間隙的高乳酸環(huán)境會(huì)阻礙免疫細(xì)胞自身乳酸的清除導(dǎo)致其免疫效能減退或致其死亡［27－28］。我們研究發(fā)現(xiàn)，乳酸通過GPR81促進(jìn)TAZ 入核而上調(diào)PD－L1 的表達(dá)使肺癌腫瘤具有免疫逃逸的能力［29］。

腫瘤形成轉(zhuǎn)移灶的最后一步是血管的重建，Végran 等［30］發(fā)現(xiàn)，肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞通過MCT1攝取乳酸可激活NF－κB 和上調(diào)IL－8 來促進(jìn)IL－8依賴性的血管生成。也有研究發(fā)現(xiàn)，乳酸可以通過激活A(yù)KT 促進(jìn)HIF－1α 上調(diào)VEGF 的表達(dá)，促進(jìn)血管生成，HIF－1α 又可以促進(jìn)Glut1、HK2 等一些參與糖酵解的酶的表達(dá)從而加快糖酵解的速率［31］。這也可以很好的解釋，腫瘤中葡萄糖向乳酸的高轉(zhuǎn)化率與葡萄糖攝取和葡萄糖磷酸化的高轉(zhuǎn)化率結(jié)合在一起這一說法。

5 乳酸與腫瘤的耐藥性

化學(xué)療法仍然是目前治療癌癥的主要方法。然而，腫瘤的耐藥性仍然是一個(gè)相當(dāng)大的問題，它的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重地限制化療的有效性。耐藥性的分子機(jī)制涉及：藥物外排率增加，藥物代謝改變，藥物靶點(diǎn)突變，癌癥干細(xì)胞的存在，抑制細(xì)胞死亡，腫瘤的異質(zhì)性，腫瘤微環(huán)境和活性氧的調(diào)節(jié)等［32－34］。Wagner 等［35］的研究發(fā)現(xiàn)，乳酸可以激活GPR81，誘導(dǎo)宮頸癌細(xì)胞上調(diào)多藥耐藥蛋白ABCB1的表達(dá)，并通過其外排化療藥物來保護(hù)自身。一些化療藥物主要通過損傷腫瘤細(xì)胞的DNA 促使細(xì)胞凋亡［36］，如鉑類的順鉑、卡鉑，鬼臼毒素類的依托泊苷等。有研究發(fā)現(xiàn)，乳酸可以通過上調(diào)組蛋白脫乙?；?，從而增強(qiáng)宮頸癌細(xì)胞DNA 的修復(fù)能力來抵抗順鉑等藥的毒性［37］。

分子靶向療法顯著改善了化學(xué)療法在抑制腫瘤進(jìn)展方面的功效［38］。Apicalla 等［39］研究表明，乳酸通過刺激成纖維細(xì)胞，分泌NF－κB 依賴性的肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子HGF，進(jìn)而誘導(dǎo)EGFR 突變的肝細(xì)胞產(chǎn)生對(duì)酪氨酸激酶抑制劑（TKI） 的抗性。

6 針對(duì)乳酸的靶向治療策略

目前針對(duì)各種致癌基因的靶向療法已經(jīng)廣泛運(yùn)用到了臨床，并取得良好的效果。令人遺憾的是，目前針對(duì)乳酸及腫瘤代謝的靶向藥物還未應(yīng)用于臨床，但是廣大研究人員對(duì)于乳酸與腫瘤的探索成果又讓我們看到了新的靶向治療的希望。Hu 等［40］研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用動(dòng)脈栓塞的方法，向原發(fā)性肝癌部位注射碳酸氫鈉的療法能顯著縮小腫瘤的體積。

乳酸脫氫酶 A （lactate dehydrogenase A，LDHA） 是糖酵解過程中丙酮酸向乳酸轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，它通過再生NAD 形成NADH 維持糖酵解和ATP 的生成。Baumann 等［41］的研究表明，LDHA缺陷的腫瘤細(xì)胞致瘤性明顯降低，敲降LDHA 后，細(xì)胞的代謝表型被擾亂，增殖能力顯著降低。MCT1 與MCT4 作為腫瘤細(xì)胞之間以及腫瘤細(xì)胞與間充質(zhì)細(xì)胞之間重要的能量代謝與穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)器，對(duì)腫瘤細(xì)胞的生存轉(zhuǎn)移起到了重要作用。靶向乳酸代謝過程及腫瘤細(xì)胞間質(zhì)外的酸性環(huán)境是一個(gè)潛在治療腫瘤的新方法。

綜上所述，本文概述了乳酸的產(chǎn)生以及與腫瘤的轉(zhuǎn)移、免疫逃逸、血管生成和耐藥性的關(guān)系。隨著乳酸與腫瘤的深入研究，乳酸對(duì)腫瘤的影響機(jī)制將進(jìn)一步被闡明，靶向腫瘤細(xì)胞乳酸代謝相關(guān)的療法也將會(huì)應(yīng)用于臨床并取得良好的療效。