乳酸代謝在前列腺癌發(fā)生發(fā)展中的研究進(jìn)展

張 鵬，劉同族

(武漢大學(xué)中南醫(yī)院泌尿外科，湖北武漢 430071)

前列腺癌(prostate cancer，PCa)是歐美國家成年男性最常見的惡性腫瘤，也是導(dǎo)致男性死亡的第2大腫瘤，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活方式的改變，該病的發(fā)病率和死亡率逐年上升[1-2]。在生理情況下細(xì)胞通過線粒體呼吸鏈及三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量，而腫瘤細(xì)胞具有獨(dú)特的能量代謝模式，在氧氣充足的條件下腫瘤細(xì)胞并不依靠線粒體進(jìn)行氧化磷酸化供能，而是攝取大量葡萄糖并產(chǎn)生乳酸和能量，該現(xiàn)象稱為“有氧糖酵解”或“Warburg效應(yīng)”，這是腫瘤細(xì)胞最為基礎(chǔ)的代謝改變之一[3]。在該過程中，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸后不通過線粒體的三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)進(jìn)行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)，而是由乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，腫瘤組織中的乳酸堆積是其惡性生物學(xué)行為的標(biāo)志之一[4]。

長(zhǎng)期以來，乳酸在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中扮演的角色一直被低估，主要被作為糖酵解產(chǎn)生的代謝廢物或不良預(yù)后的標(biāo)志物。近年來，乳酸被發(fā)現(xiàn)在腫瘤生長(zhǎng)、免疫逃逸、血管生成、侵襲轉(zhuǎn)移、代謝調(diào)節(jié)以及腫瘤微環(huán)境細(xì)胞間的相互作用等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[5-6]。本文對(duì)乳酸調(diào)控PCa惡性生物學(xué)行為的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

1 乳酸與前列腺癌

1.1 乳酸在腫瘤能量代謝中的生物學(xué)作用乳酸(2-羥基丙酸)是以2種同分異構(gòu)體存在于人體內(nèi)的羥基酸：主要來源于細(xì)胞丙酮酸無糖酵解產(chǎn)生的L-乳酸和主要由胃腸道細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的D-乳酸。哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸主要是L-乳酸，血液中L-乳酸含量約為D-乳酸含量的100倍[7]。葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中主要有2種分解途徑：糖酵解和磷酸戊糖途徑，乳酸是二者共同的終末產(chǎn)物，也是線粒體呼吸和氧化磷酸化通路的底物[8]。盡管L-乳酸是參與腫瘤細(xì)胞能量代謝的主要分子，但是有研究發(fā)現(xiàn)前列腺癌PCa-3細(xì)胞線粒體中較正常前列腺上皮PNT1A細(xì)胞表達(dá)更多的D-乳酸脫氫酶，從而使腫瘤細(xì)胞能更為有效地進(jìn)行D-乳酸代謝[9]。隨著人們對(duì)腫瘤異質(zhì)性和腫瘤微環(huán)境認(rèn)識(shí)的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)實(shí)體腫瘤生長(zhǎng)速度超過其滋養(yǎng)血管生成速度，距離血管近的腫瘤細(xì)胞處于相對(duì)“常氧(normoxia)” 狀態(tài)而遠(yuǎn)離血管的腫瘤細(xì)胞則因缺乏充足氧氣供應(yīng)而處于“低氧(hypoxia)” 狀態(tài)：這導(dǎo)致處于不同狀態(tài)的細(xì)胞低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)表達(dá)和代謝模式不盡相同；然而研究發(fā)現(xiàn)不同亞群的腫瘤細(xì)胞在乳酸代謝上卻表現(xiàn)出某些共性，上皮腫瘤細(xì)胞氧化應(yīng)激誘導(dǎo)腫瘤相關(guān)基質(zhì)細(xì)胞發(fā)生自噬，后者糖酵解生成大量乳酸給腫瘤細(xì)胞供能，即“反Warburg效應(yīng)”[10]。此外，最近一項(xiàng)研究顛覆了人們對(duì)細(xì)胞能量代謝的認(rèn)知：研究人員發(fā)現(xiàn)循環(huán)乳酸而非葡萄糖是腫瘤及多數(shù)正常組織三羧酸循環(huán)和能量的主要來源[11]。因此乳酸代謝調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過程。

1.2 乳酸在前列腺癌能量代謝中的作用和機(jī)制早期研究表明，雄激素信號(hào)在正常氧分壓下即可促進(jìn)PCa細(xì)胞的葡萄糖攝取和乳酸生成以維持細(xì)胞生長(zhǎng)[12]。由于PCa復(fù)雜的分子亞型，不同患者對(duì)不同方式內(nèi)分泌治療的反應(yīng)存在明顯異質(zhì)性：其中雄激素受體(androgen receptor，AR)基因的擴(kuò)增、點(diǎn)突變和選擇性剪接(如AR剪接變異體AR-V7)促進(jìn)AR依賴性去勢(shì)抵抗性前列腺癌(castration-resistant prostate cancer，CRPC)的進(jìn)展，表現(xiàn)為在低/無雄激素時(shí)AR及其下游信號(hào)通路即可維持腫瘤生長(zhǎng)，通過阻遏配體-受體的相互作用不能抑制該生物學(xué)過程[13]；而對(duì)于具有小細(xì)胞癌特性的侵襲性變體前列腺癌(aggressive variant prostate cancer，AVPC)，其AR及抑癌基因PTEN、TP53、RB1缺失，并通過神經(jīng)內(nèi)分泌轉(zhuǎn)化或表達(dá)神經(jīng)相關(guān)標(biāo)志物來促進(jìn)腫瘤AR非依賴性生長(zhǎng)[14]。與AR類似，AR-V7亦能導(dǎo)致PCa細(xì)胞糖酵解和乳酸水平升高并促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、遷移[15]。應(yīng)用超極化13C磁共振波譜成像技術(shù)(hyperpolarized13C magnetic resonance spectroscopy imaging，HP13C MRSI)，將超極化[1-13C]丙酮酸注射至患者來源移植瘤模型(patient-derived xenografts，PDX)中，該分子被腫瘤細(xì)胞穩(wěn)定攝取并迅速在乳酸脫氫酶A(LDHA)的作用下代謝成為[1-13C]乳酸，發(fā)現(xiàn)AR依賴的CRPC模型在低雄激素(動(dòng)物去勢(shì))狀態(tài)下乳酸生成水平顯著高于AR非依賴的AVPC模型[16]。通過三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)培養(yǎng)不同級(jí)別PCa手術(shù)標(biāo)本組織，通過HP13C MRSI檢測(cè)證實(shí)乳酸代謝水平隨著腫瘤惡性程度的增加(良性、Gleason評(píng)分≤3+4、Gleason評(píng)分≥4+3)而顯著升高[17]。以上研究表明，乳酸作為腫瘤代謝通路的“crosstalk”，在PCa的發(fā)生發(fā)展和異質(zhì)性中具有重要意義，通過HP13C MRSI技術(shù)敏銳檢測(cè)機(jī)體乳酸代謝狀況，已在臨床中用于對(duì)PCa和乳腺癌患者進(jìn)行早期診斷和治療反應(yīng)評(píng)估[18]。

2 乳酸生成與PCa——LDH

2.1 LDH的生物學(xué)特性LDH是由乳酸脫氫酶A(LDHA)和乳酸脫氫酶B (LDHB)兩種亞基組成的四聚體，有5種同工酶：LDH1由4個(gè)LDHB亞基組成，LDH2由1個(gè)LDHA和 3個(gè)LDHB亞基組成，LDH3含有2個(gè)LDHA和2個(gè)LDH亞基，LDH4包含3個(gè)LDHA和1個(gè)LDHB亞基，LDH5則含有4個(gè)LDHA亞基，在腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移、代謝異常、血管生成、免疫逃逸等惡性生物學(xué)行為中具有重要作用[19]。當(dāng)葡萄糖被腫瘤細(xì)胞攝取并氧化為丙酮酸后并沒有進(jìn)入線粒體進(jìn)行氧化磷酸化，而是由LDHA將丙酮酸分解為乳酸并產(chǎn)生輔酶Ⅰ或稱為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)及少量腺苷三磷酸(adenosine triphosphoric acid，ATP)[20]。對(duì)于某些氧化磷酸化水平較高的腫瘤，其遠(yuǎn)離血管區(qū)域處于相對(duì)“低氧”狀態(tài)的腫瘤細(xì)胞通過上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(glucose transporter，GLUT)攝取大量葡萄糖，經(jīng)糖酵解產(chǎn)生的乳酸被排入細(xì)胞間質(zhì)后又被鄰近血管豐富區(qū)域的腫瘤細(xì)胞攝取，此時(shí)乳酸作為主要供能物質(zhì)同NAD+在LDHB的作用下重新轉(zhuǎn)變成還原型輔酶Ⅰ(NADH)、H+和丙酮酸并進(jìn)入線粒體進(jìn)行氧化磷酸化[21]。

2.2 LDH在PCa乳酸調(diào)控中的作用和機(jī)制薈萃分析顯示轉(zhuǎn)移性PCa患者血清LDH水平的升高與患者更低的總體生存(overall survival，OS)和無進(jìn)展生存(progression-free survival，PFS)顯著相關(guān)[22]；且無論在激素敏感性前列腺癌(hormone-sensitive prostate cancer，HSPC)或者CRPC患者中，LDH均是影響OS的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[23]。在CRPC藥物治療的效果評(píng)估方面，LDH被證實(shí)能夠預(yù)測(cè)接受阿比特龍-恩雜魯胺序貫治療患者的PFS[24]，還能預(yù)測(cè)接受卡巴他賽化療患者的PFS和OS[25]。進(jìn)一步研究表明血清LDH≥450 U/L預(yù)示接受多西他賽治療后患者在PFS和OS方面預(yù)后不佳且對(duì)姑息放療反應(yīng)性更差；二代測(cè)序顯示這些患者的穿刺標(biāo)本中更易出現(xiàn)DNA修復(fù)相關(guān)基因(BRCA1/2、ATM、CHEK2、Fanconi anaemia)的突變[26]。

含有4個(gè)LDHA亞基的LDH5同工酶過表達(dá)是PCa組織具有高度增殖能力的分子特征，與患者接受放療后的局部進(jìn)展和生化復(fù)發(fā)高風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)[27]。由β-catenin/myc信號(hào)介導(dǎo)的PCa中LDHA過表達(dá)通過強(qiáng)化細(xì)胞代謝重編程促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)，該作用能被具有poly(A)聚合酶活性的糖酵解調(diào)節(jié)因子46序列相似的家庭成員B(family with sequence similarity 46 member B，F(xiàn)AM46B)抑制[28]。如前文所述，腫瘤細(xì)胞LDHB執(zhí)行與LDHA相反的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)PCa低轉(zhuǎn)移潛能LNCaP細(xì)胞表達(dá)LDHB而高轉(zhuǎn)移潛能LNCaP-LN3細(xì)胞未見明顯的表達(dá)，DNA去甲基化制劑阿扎胞苷能夠誘導(dǎo)LNCaP-LN3細(xì)胞LDHB的表達(dá)；此外PCa組織中LDHB啟動(dòng)子超甲基化水平顯著高于癌旁組織和前列腺增生組織；而LDHB蛋白表達(dá)水平則呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，即在骨轉(zhuǎn)移灶標(biāo)本中未見明顯LDHB蛋白表達(dá)，因此PCa的LDHB基因啟動(dòng)子超甲基化導(dǎo)致蛋白表達(dá)缺失可能是腫瘤進(jìn)展的重要機(jī)制之一[29]。

鑒于LDH異構(gòu)體的功能差異，研究逐漸開始關(guān)注PCa中LDHA/LDHB比例的分子調(diào)控。異常的成纖維生長(zhǎng)因子受體1(fibroblast growth factor receptor 1，F(xiàn)GFR1)信號(hào)通過酪氨酸磷酸化LDHA增加其在PCa細(xì)胞中的穩(wěn)定性，同時(shí)促進(jìn)LDHB啟動(dòng)子甲基化抑制LDHB蛋白表達(dá)，這導(dǎo)致細(xì)胞能量代謝模式從氧化磷酸化進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒跆墙徒?，并增加患者的生化?fù)發(fā)和總體死亡風(fēng)險(xiǎn)[30]。后來的研究發(fā)現(xiàn)，PCa患者前列腺液和腫瘤組織標(biāo)本中LDHA/LDHB比例升高與腫瘤的不良預(yù)后相關(guān)，芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT)通過激活CC型趨化因子配體18(CC-chemokine ligand 18，CCL18)/CC型趨化因子受體8(C-C motif chemokine receptor 8，CCR8)通路上調(diào)LDHA并下調(diào)LDHB的表達(dá)，從而促進(jìn)PCa細(xì)胞乳酸生成、增殖和侵襲能力增強(qiáng)[31]。

3 乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)與PCa——單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體

3.1 單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的生物學(xué)特性乳酸的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)依靠單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(monocarboxylate transporter，MCT)，由溶質(zhì)載體(solute carrier，SLC)16基因家族編碼，其中MCT1(SLC16A1)、MCT2(SLC16A7)、MCT3(SLC16A8)、MCT4(SLC16A3)4個(gè)亞型被證實(shí)能夠?qū)Ρ岷腿樗徇M(jìn)行雙向跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)[32]。研究發(fā)現(xiàn)MCT1和MCT4在多種癌組織中過表達(dá)，與患者的不良預(yù)后和高死亡風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。雖然二者在腫瘤細(xì)胞和腫瘤相關(guān)基質(zhì)細(xì)胞之間的代謝調(diào)控中發(fā)揮重要作用，但其調(diào)控機(jī)制和生物學(xué)功能不盡相同[33]。在糖酵解水平較高的腫瘤細(xì)胞中，HIF-1通過強(qiáng)化MCT4基因的轉(zhuǎn)錄促進(jìn)乳酸從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)；在氧化磷酸化水平較高的腫瘤細(xì)胞中，MCT1過表達(dá)主要受c-myc和p53的正向調(diào)控，從而增加細(xì)胞對(duì)乳酸的攝取并在一定程度上參與乳酸外排；值得注意的是，MCT1/4需要在細(xì)胞表面糖蛋白CD147的協(xié)同調(diào)節(jié)下(分子伴侶)發(fā)揮作用[10]。當(dāng)乳酸被MCT4轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外并在腫瘤微環(huán)境中堆積時(shí)，處于相對(duì)“常氧”狀態(tài)的腫瘤細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞通過MCT1將乳酸輸送至細(xì)胞內(nèi)作為氧化磷酸化的能量來源，從而避免“低氧”細(xì)胞大量消耗葡萄糖[34]。

3.2 單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體在PCa乳酸調(diào)控中的作用和機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)PCa具有獨(dú)特的能量代謝模式：在疾病的早期階段，腫瘤主要通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化供能，而進(jìn)展期腫瘤則主要利用有氧糖酵解供能，近年來發(fā)現(xiàn)MCT可能是導(dǎo)致PCa獨(dú)特代謝特征的機(jī)制之一[35]。雖然MCT1和MCT4在正常前列腺、PCa原發(fā)灶和轉(zhuǎn)移灶組織中均有表達(dá)，MCT1僅表達(dá)于上皮來源的組織中，而MCT4在腫瘤和間質(zhì)組織中均有表達(dá)；并且高水平的腫瘤MCT1和腫瘤間質(zhì)MCT4共表達(dá)與PCa患者生化復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)正相關(guān)[36]。PCa組織中MCT1的高表達(dá)導(dǎo)致乳酸水平升高，且乳酸水平隨Gleason評(píng)分的升高而增加，在PTEN缺失的標(biāo)本中亦能檢測(cè)到更高的乳酸含量[37]。而MCT4在轉(zhuǎn)移性CRPC患者和糖酵解程度高的組織標(biāo)本中表達(dá)更為顯著，是這類患者不良預(yù)后的危險(xiǎn)因素[38]。

在體外實(shí)驗(yàn)中，PCa轉(zhuǎn)移性DU145細(xì)胞MCT1和MCT4表達(dá)水平明顯高于局限性22RV1細(xì)胞，沉默MCT1和MCT4均能抑制乳酸外排和細(xì)胞生長(zhǎng)[39]。在荷瘤小鼠模型中，低級(jí)別和高級(jí)別腫瘤區(qū)域的pH值不同，高表達(dá)MCT4區(qū)域的細(xì)胞外pH值更低，表明MCT4是導(dǎo)致細(xì)胞外酸中毒的因素之一[40]。用反義寡核苷酸沉默PCa-3、DU145和C4-2細(xì)胞MCT4的表達(dá)能顯著降低細(xì)胞增殖能力，并抑制PCa-3細(xì)胞荷瘤小鼠的腫瘤生長(zhǎng)[41]。研究認(rèn)為，與MCT1相比，以糖酵解為主要供能模式的腫瘤細(xì)胞傾向于通過MCT4排出乳酸，因此MCT4是進(jìn)展性PCa組織乳酸外排的主要轉(zhuǎn)運(yùn)體[39]。有趣的是，雄激素能上調(diào)PCa激素依賴性LNCaP細(xì)胞MCT4表達(dá)，促進(jìn)乳酸外排，提示MCT4可能是AR通路的下游分子，有望成為包括CRPC在內(nèi)的進(jìn)展性PCa治療的靶點(diǎn)[42]。

4 展 望

代謝綜合征與PCa有著千絲萬縷的聯(lián)系，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)通過調(diào)節(jié)機(jī)體代謝狀態(tài)改善PCa內(nèi)分泌治療的不良反應(yīng)和患者預(yù)后[43]。早期一項(xiàng)研究用每周進(jìn)行5次規(guī)律有氧代謝運(yùn)動(dòng)和久坐人群的血清分別培養(yǎng)LNCaP細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)與久坐人群的血清相比，規(guī)律有氧運(yùn)動(dòng)人群的血清能抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)并促進(jìn)其凋亡[44]。推測(cè)機(jī)體對(duì)糖酵解和乳酸代謝異常的適應(yīng)在一定程度上影響著PCa的發(fā)生發(fā)展和預(yù)后。

“癌癥是一種代謝病”這一觀點(diǎn)已被學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可，而越來越多的研究也認(rèn)為乳酸是腫瘤異常代謝調(diào)控的驅(qū)動(dòng)因素[45]。針對(duì)乳酸代謝通路探索PCa治療靶點(diǎn)和預(yù)防策略具有重要意義。