多發(fā)性骨髓瘤有氧糖酵解的研究進(jìn)展

楊夏影 馬銀娟 師麗麗 吉小凡 潘耀柱

多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma，MM)是一種漿細(xì)胞惡性克隆增殖性疾病，是臨床上常見的全身性血液系統(tǒng)疾病之一，僅次于淋巴瘤，多發(fā)于老年，目前仍無法治愈[1]。復(fù)發(fā)或難治性MM患者中位總生存期僅有8個(gè)月[2]。常見的癥狀包括骨髓瘤相關(guān)器官功能損傷的表現(xiàn)，即“CRAB”癥狀[血鈣增高(calcium elevation)、腎功能損害(renal impairment)、貧血(anemia)、骨病(bone disease)]以及繼發(fā)淀粉樣變性等[1]。因此尋求新的治療策略迫在眉睫。目前以18F-FDG作為標(biāo)準(zhǔn)核醫(yī)學(xué)成像方式的PET/CT越來越多地應(yīng)用于MM的早期診斷、療效評(píng)估、預(yù)后判斷以及LDH在修訂的國際分期系統(tǒng)(R-ISS)中被視為影響預(yù)后的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[1,3]。相信糖酵解酶與MM的發(fā)生、發(fā)展有著千絲萬縷的聯(lián)系。故本文就有氧糖酵解在MM中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述如下。

一、有氧糖酵解途徑

1924年，德國生物化學(xué)家Otto Heinrich Warburg研究發(fā)現(xiàn)，肝癌細(xì)胞的糖酵解較正常肝細(xì)胞活躍，并首次提出在氧氣充足條件下，惡性腫瘤細(xì)胞糖酵解同樣活躍的觀點(diǎn)。這種有氧糖酵解的代謝特征被稱為瓦博格(Warburg)效應(yīng)。正常細(xì)胞在有氧條件下通過氧化磷酸化代謝葡萄糖，1mol葡萄糖徹底氧化凈生成30mol或32mol ATP，而通過糖酵解途徑最終只能生成2mol ATP。糖酵解是一種低產(chǎn)能的代謝模式，為何腫瘤細(xì)胞卻如此偏愛后者？研究發(fā)現(xiàn)，代謝最終產(chǎn)物乳酸形成的酸性微環(huán)境有利于腫瘤細(xì)胞的迅速生長及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移；用于滿足惡性增殖的生物大分子可以通過糖酵解中間代謝產(chǎn)物進(jìn)行合成；抑制了線粒體功能可使活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成減少，從而減輕ROS的細(xì)胞毒性以抵抗凋亡[4]。那么，葡萄糖是如何進(jìn)入細(xì)胞代謝并生成乳酸及ATP的呢？首先，葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞是在葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporters，GLUTs)的輔助下實(shí)現(xiàn)的；其次，在己糖激酶(hexokinase，HKs)、磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFKs)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PKs)等關(guān)鍵酶調(diào)控下促進(jìn)丙酮酸生成并逐步釋放能量，最終生成的丙酮酸經(jīng)三羧酸循環(huán)途徑代謝或者由乳酸脫氫酶(lactic dehydrogenase, LDHs)催化生成乳酸。在此過程中，由限速酶參與的不可逆反應(yīng)起了重要的調(diào)節(jié)作用。

二、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與MM

葡萄糖吸收入血后首先進(jìn)入細(xì)胞，這是依賴GLUTs實(shí)現(xiàn)的。GLUTs由13個(gè)成員、3個(gè)亞類組成，包括作為葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的GLUTs：GLUT1、GLUT2、GLUT3、GLUT4；作為果糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的GLUTs：GLUT5、GLUT7、GLUT9、GLUT11；結(jié)構(gòu)不典型且迄今定義不明確的GLUTs：GLUT6、GLUT8、GLUT10、GLUT12和肌醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(HMITL1)。有研究證實(shí)，與非惡性腫瘤組織比較，GLUT1、GLUT3、GLUT4、GLUT6在惡性腫瘤中表達(dá)上調(diào)，如子宮內(nèi)膜癌、乳腺癌等[5]。在營養(yǎng)缺乏的癌細(xì)胞中，Akt信號(hào)增加可過度表達(dá)GLUT1，PI3K/Akt信號(hào)通過GLUT1膜定位調(diào)節(jié)葡萄糖攝取增加糖酵解速率，由此對(duì)抗細(xì)胞凋亡。GLUT1的表達(dá)也因缺氧誘導(dǎo)因子(HIFs)的增加而增加。Matsumoto等[6]研究發(fā)現(xiàn)，一些骨髓瘤細(xì)胞系如NCI-H929和RPMI8226細(xì)胞通過GLUT1結(jié)合葡萄糖，與正常細(xì)胞比較增加了葡萄糖攝取能力。應(yīng)用GLUT1特異性抑制劑STF-31后發(fā)現(xiàn)，GLUT1高表達(dá)的骨髓瘤細(xì)胞死亡，而對(duì)GLUT1低表達(dá)細(xì)胞，如來自健康供體的外周血單個(gè)核細(xì)胞(PBMC)沒有顯示毒性作用。這一結(jié)果表明，STF-31誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡與細(xì)胞內(nèi)葡萄糖缺失相關(guān)且與GLUT1的表達(dá)水平呈正相關(guān)。同時(shí)協(xié)同STF-31增強(qiáng)了美法侖(Mel)、阿霉素和硼替佐米(Bort)誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。GLUT4對(duì)MM細(xì)胞存活也是非常重要的。McBrayer等[7]進(jìn)行基因表達(dá)譜研究，發(fā)現(xiàn)MM中失調(diào)的GLUTs家族成員，并證明骨髓瘤細(xì)胞依賴結(jié)構(gòu)性細(xì)胞表面定位的GLUT4來消耗基礎(chǔ)葡萄糖，維持Mcl-1表達(dá)、細(xì)胞生長和存活。隨后Cao等[8]對(duì)MM細(xì)胞增殖與GLUT4表達(dá)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，通過抑制基因轉(zhuǎn)錄途徑中關(guān)鍵因子PGC-1α降低了GLUT4的表達(dá)，抑制了RPMI8226細(xì)胞的增殖。由此可知，不同或相同的骨髓瘤細(xì)胞可能表達(dá)不同的GLUTs，故在應(yīng)用GLUTs靶向治療時(shí)應(yīng)評(píng)估負(fù)責(zé)腫瘤細(xì)胞葡萄糖攝取的轉(zhuǎn)運(yùn)體。

三、糖酵解關(guān)鍵酶與MM

1.己糖激酶(HKs)：葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞后發(fā)生磷酸化反應(yīng)，生成葡糖-6-磷酸(G-6-P)，該反應(yīng)不可逆，是糖酵解的第1個(gè)限速步驟，由HKs催化，Mg2+參與。HKs已知有5種不同的類型，是由不同染色體的不同基因控制。在哺乳動(dòng)物中分別為HK1、HK2、HK3、HK4、HK5，又稱己糖激酶結(jié)構(gòu)域蛋白1(HKDC1)，HK1和HKDC1基因首尾相連排列，顯示它們是通過串聯(lián)基因復(fù)制而形成的產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)，HK2在多種實(shí)體瘤中高表達(dá)，如肺癌、胰腺癌、肝癌等。在哺乳動(dòng)物正常細(xì)胞中低表達(dá)，也是HK2抑制劑臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)。HK2不僅可促進(jìn)葡萄糖發(fā)生磷酸化反應(yīng)，在MM細(xì)胞中，高表達(dá)HK2與線粒體外膜中的電壓依賴性陰離子通道(VDAC)相互作用，并驅(qū)動(dòng)糖酵解途徑。細(xì)胞周期蛋白D1與HIF1α結(jié)合在基因轉(zhuǎn)錄水平上控制了HK2的表達(dá)并通過增強(qiáng)糖酵解途徑及新生血管的形成，導(dǎo)致MM細(xì)胞具有抗凋亡表型[9]。除此之外，Ikeda等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在MM細(xì)胞中，缺氧誘導(dǎo)HK2的高表達(dá)，并通過HK2-mTORC1途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬功能由此對(duì)抗細(xì)胞凋亡。因此靶向HK2具有重要的臨床意義。

研究發(fā)現(xiàn)，HK2抑制劑3-溴代丙酮酸(3-BrPA)可導(dǎo)致骨髓瘤細(xì)胞內(nèi)ATP嚴(yán)重耗竭及抑制藥物流出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，具有顯著的抗腫瘤作用。與Bort協(xié)同增強(qiáng)了促細(xì)胞凋亡作用；與Bort聯(lián)合增強(qiáng)了后者在耐藥患者中的促細(xì)胞凋亡作用，單用也具有同樣效應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)，HK2抑制劑非諾貝特、葡萄糖類似物2-脫氧葡萄糖(2-DG)等均具有顯著的抗腫瘤作用并應(yīng)用于治療舌腫瘤及晚期肺癌、乳腺癌的臨床實(shí)驗(yàn)中[11]。除3-BrPA外，希望有更多安全的HK2抑制劑應(yīng)用于MM臨床實(shí)驗(yàn)中。此外，HK2的表達(dá)與MM預(yù)后具有顯著相關(guān)性。Caillot等[9]通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)HK2高表達(dá)，MM患者的無事件生存期(EFS)和總生存期(OS)明顯縮短。Abe等[12]對(duì)90例初診的MM患者進(jìn)行分析并首次發(fā)現(xiàn)低表達(dá)HK2相關(guān)的假陰性PET/CT與患者較好預(yù)后具有相關(guān)性。

2.磷酸果糖激酶(PFKs)：PFKs又稱6-磷酸果糖激酶-1(PFK-1)是糖酵解的第2個(gè)關(guān)鍵酶，催化果糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?1,6二磷酸(F-1,6-BP)，該反應(yīng)不可逆，是糖酵解的第2個(gè)限速步驟。在人類中有3種亞型：PFKL(肝臟型)、PFKM(肌肉型)和PFKP(血小板型)。PFK-1的動(dòng)力學(xué)和調(diào)控特性是由細(xì)胞內(nèi)不同亞基的類型和比例所決定的。PFK-1活性受細(xì)胞內(nèi)中間代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)，如ATP、ADP、果糖-6-磷酸和果糖-2,6-雙磷酸(F-2,6-BP)。與正常細(xì)胞比較，來自大鼠甲狀腺癌、人白血病及膠質(zhì)瘤的PFK-1受F-2,6-BP的激活更敏感。PFKFB-PFK-2/果糖二磷酸酶-2，是負(fù)責(zé)F-2,6-BP合成和降解的雙功能酶。PFKFB3普遍表達(dá)且具有較高的激酶活性，其通過促進(jìn)F-2,6-BP的合成，間接影響PFK-1的表達(dá)是調(diào)控糖酵解速率至關(guān)重要的方式。

Liu等[13]在人MM細(xì)胞系RPMI8226、ARP-1、OPM2及健康志愿者的PBMC中發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組比較，PFKFB3在MM細(xì)胞系中的表達(dá)更高，通過抑制PFKFB3，降低了細(xì)胞內(nèi)F-2,6-BP水平，從而抑制葡萄糖攝取并加速M(fèi)M細(xì)胞的凋亡。3PO作為PFKFB3的小分子拮抗劑可部分和短暫減少糖酵解,且對(duì)正常組織無嚴(yán)重毒性作用。PFK15作為3PO衍生物，具有更高的選擇性，抑制效果增加了約100倍，與二甲雙胍聯(lián)合具有協(xié)同抗骨髓瘤作用。PFK158是一種新型PFKFB3抑制劑并在實(shí)體瘤中進(jìn)行Ⅰ期臨床試驗(yàn)(NCT02044861)，目前尚未報(bào)道出嚴(yán)重的不良事件，有望用于多發(fā)性骨髓瘤的治療[14]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌中存在PFK-1類型轉(zhuǎn)換，即從PFKL到PFKP是糖酵解程度增強(qiáng)主要因素[15]。在急性髓性白血病中發(fā)現(xiàn)PFKL水平可顯著升高。Ganapathy-Kanniappan等[16]應(yīng)用臨床樣本以及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn)肺癌中的PFKP表達(dá)與OS相關(guān)，PFKP的下調(diào)具有顯著抗癌效應(yīng)。那么，骨髓瘤中是否也存在類型轉(zhuǎn)換及關(guān)鍵酶作用如何仍有待進(jìn)一步研究。靶向PFK-1在骨髓瘤治療方面具有廣闊前景，未來也有望成為疾病監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。

3.丙酮酸激酶(PKs)：PKs是糖酵解的第3個(gè)限速酶，作用于有氧糖酵解途徑的倒數(shù)第2步，催化磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，此反?yīng)不可逆。PKs包括4種同工酶：PKL型(肝臟型)、PKR型(紅細(xì)胞型)、PKM型(肌肉型)，M型又分為M1型(PKM1)和M2型(PKM2)。PKM1和PKM2是由PKM基因經(jīng)不同剪接方式編碼而生成的產(chǎn)物。PKM2低活性的二聚體形式有助于癌細(xì)胞增殖所需物質(zhì)積累；高活性的四聚體形式具有很強(qiáng)的催化活性，導(dǎo)致ATP合成和分解代謝。PKM2主要分布在快速增殖的胚胎組織和腫瘤細(xì)胞，在細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞核中均有分布。先前有研究報(bào)道PKM2主要在細(xì)胞核中發(fā)揮作用，主要與細(xì)胞增殖相關(guān)。然而，He等[17]利用PKM2 siRNA轉(zhuǎn)染RPMI8226細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)，PKM2表達(dá)降低，細(xì)胞周期阻滯，生長速率明顯受抑。利用PKM2 siRNA干擾RPMI8226和U266細(xì)胞，PKM2下調(diào)提高了細(xì)胞的黏附率，黏附狀態(tài)下的MM細(xì)胞 PKM2核聚集，且對(duì)Bort、Mel和米托蒽醌(Mito)的敏感度低于懸浮細(xì)胞，從而證實(shí)了通過沉默PKM2提高了細(xì)胞黏附率并促進(jìn)耐藥性的產(chǎn)生，其可能通過核PKM2發(fā)揮藥物抵抗作用。

目前PKM2在MM中的研究尚不充分，具體作用機(jī)制有待于進(jìn)一步探索。在MM中,為適應(yīng)其增殖和代謝需要，也存在PKM1向PKM2亞型的轉(zhuǎn)變。Gu等[18]在NEK2過表達(dá)的人骨髓瘤細(xì)胞ARP1、OPM2中研究發(fā)現(xiàn)，NEK2通過與異質(zhì)性胞核核糖核蛋白(hnRNP)A1/2的相互作用調(diào)控了MM細(xì)胞PKM未成熟RNA的選擇性剪接，上調(diào)了PKM2的表達(dá)，增加了PKM2/PKM1的比值，促進(jìn)了有氧糖酵解，促進(jìn)了細(xì)胞增殖并增強(qiáng)了其致癌活性。同時(shí)對(duì)351例新診斷的MM患者進(jìn)行了EFS和OS的Kaplan-Meier分析顯示，高NEK2、PKM2組的EFS和OS明顯縮短。由此而知，PKM2與MM的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切。靶向PKM2在治療MM中有望成為有效的治療措施，還需更多的基礎(chǔ)和臨床研究來探索。

4.乳酸脫氫酶與MM：LDHs是乳酸生成的關(guān)鍵酶也是細(xì)胞有氧糖酵解的關(guān)鍵限速酶之一。LDH是一類煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性激酶，由LDHA、LDHB、LDHC 3種亞基組成。哺乳動(dòng)物L(fēng)DH是由4個(gè)亞基組成的四聚體，常見的A、B兩種亞基構(gòu)成的5種同工酶，即LDH1、LDH2、LDH3、LDH4、LDH5。對(duì)不同的底物有不同的反應(yīng)性。而C亞基則僅組成一種LDH同工酶即LDH-C4(特異性存在于哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞)。LDH主要存在于細(xì)胞內(nèi)，當(dāng)細(xì)胞受損時(shí)，就會(huì)被釋放入血，導(dǎo)致血清LDH水平增高。LDH通常在造血系統(tǒng)惡性腫瘤患者中升高明顯，如霍奇金淋巴瘤(HL)、非霍奇金淋巴瘤(NHL)或MM。其中LDHA與癌癥的發(fā)生、發(fā)展具有高度相關(guān)性。

與正常細(xì)胞比較，在MM細(xì)胞中，LDHA過表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞具有以糖酵解為主的新陳代謝，其通過增強(qiáng)LDH酶的活性、乳酸的產(chǎn)生，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖，且與氧氣供應(yīng)無關(guān)，PGC1β在此過程中起到了正性調(diào)控作用[19]。此外，LDHA的表達(dá)還受miR-489影響。研究發(fā)現(xiàn)，高表達(dá)miR-489通過下調(diào)LDHA，具有抑制葡萄糖攝取、乳酸分泌和ATP產(chǎn)生的作用，從而抑制有氧糖酵解并導(dǎo)致MM細(xì)胞增殖減少[20]。在腫瘤免疫中，乳酸生成能夠調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞微環(huán)境(TEM)并通過阻止下游通路間接抑制腫瘤細(xì)胞的免疫應(yīng)答，抑制機(jī)體免疫功能，從而幫助細(xì)胞發(fā)生免疫逃逸。同時(shí)酸性TEM的形成，有助于腫瘤細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移[21]。因此，靶向LDHA是抑制腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移，延緩疾病進(jìn)展的基礎(chǔ)。草氨酸鹽、棉酚、棉酚衍生物-FX11、陪黃素等是目前公認(rèn)的LDHA抑制劑，在乳腺癌、肝癌、非小細(xì)胞肺癌等多種腫瘤細(xì)胞中具有很好的抗腫瘤作用，但由于缺乏特異性、作用較弱、不良反應(yīng)多且具有明顯的毒性不良反應(yīng)等特點(diǎn)限制了其在臨床的應(yīng)用[22]。在同樣高表達(dá)的MM中這些藥物是否有效且不影響周圍正常組織有待于進(jìn)一步研究。

四、展 望

MM不僅是基因病也是能量代謝異常性疾病?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在MM中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT、糖酵解關(guān)鍵酶——HK、PFK、PK及乳酸生成關(guān)鍵酶LDH在腫瘤細(xì)胞能量代謝過程中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)前復(fù)發(fā)難治性成為嚴(yán)重影響MM患者生存質(zhì)量及預(yù)后的關(guān)鍵因素。由于此類患者缺乏標(biāo)準(zhǔn)化治療方案，個(gè)體化治療又顯得尤為重要。如何及時(shí)有效掌握病人的病情變化，選擇合適的治療方案是目前急需解決的問題。GLUT、HK、PFK、PK與MM的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切，未來有望成為臨床診治MM的重要生物學(xué)標(biāo)志物并用于指導(dǎo)臨床。