酸中毒在結(jié)直腸惡性腫瘤中的研究進(jìn)展

王洋 綜述 李國東 湯慶超 劉明 審校

酸中毒是由于癌細(xì)胞(和癌癥相關(guān)細(xì)胞)代謝加劇和腫瘤血管的結(jié)構(gòu)紊亂所致，它限制了氧氣的獲取，阻礙了包括質(zhì)子(H+)和CO2在內(nèi)的廢物的快速清除，是腫瘤微環(huán)境(TME)的標(biāo)志之一[1-2]。腫瘤酸中毒可以反過來影響癌細(xì)胞的代謝[3]。葡萄糖代謝產(chǎn)生乳酸有關(guān)的H+是細(xì)胞內(nèi)H+最常見的來源，但代謝中間產(chǎn)物脫羧產(chǎn)生的CO2分子的水合也會導(dǎo)致H+的產(chǎn)生[4-5]。乳酸的產(chǎn)生使TME酸化，創(chuàng)造了一種可以增強(qiáng)腫瘤侵襲力的環(huán)境條件[6]，有文獻(xiàn)證明，H+和乳酸在TME中的積累會減少一些免疫細(xì)胞群的細(xì)胞因子的產(chǎn)生[7-8]，而酸激活的蛋白酶促進(jìn)了癌細(xì)胞的遷移[9]。相比之下，酸性pH下的代謝特點與局部侵襲性之間的關(guān)系才剛剛開始被探索[10]。酸中毒與結(jié)直腸腫瘤密切相關(guān)，為結(jié)直腸腫瘤疾病提供了新的治療策略。

1 結(jié)直腸癌糖酵解性酸中毒的機(jī)制

1.1 結(jié)直腸癌糖酵解性酸中毒的關(guān)鍵酶

磷酸丙糖異構(gòu)酶(TPI)是腫瘤細(xì)胞糖酵解的必需酶，它優(yōu)先選擇有氧糖酵解來獲得能量，糖酵解與惡性腫瘤的生存和增殖密切相關(guān)[11]。TPI還負(fù)責(zé)從糖酵解中獲得ATP，并在有氧和無氧條件下為每個葡萄糖分子產(chǎn)生額外的丙酮酸分子[12]。與結(jié)直腸腺瘤相比，TPI在結(jié)直腸癌中表達(dá)上調(diào)，表明TPI與CRC從腺瘤向癌的進(jìn)展有關(guān)[13]。TPI可作為癌基因，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲，是調(diào)節(jié)結(jié)直腸癌糖酵解所致酸中毒的分子靶點。

抑制碳酸酐酶IX(CAIX)會影響適應(yīng)細(xì)胞外酸中毒環(huán)境癌細(xì)胞的生存能力。低氧通過對HIF-1α的嚴(yán)格調(diào)控，成為CAIX表達(dá)的主要誘導(dǎo)者。酸中毒抑制HIF-1α的表達(dá)，并將腫瘤細(xì)胞代謝狀態(tài)從糖酵解重新轉(zhuǎn)化為氧化代謝[14]。研究發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)條件下(pH：7.4±0.1)培養(yǎng)的細(xì)胞相比，結(jié)直腸癌細(xì)胞在酸性介質(zhì)(pH：6.7±0.1)中短暫和長期暴露時，CAIX的表達(dá)顯著增加。此外，CAIX抑制劑FC16-670不僅可以阻止酸中毒條件下CAIX表達(dá)的增加，而且只在酸化的癌細(xì)胞中促進(jìn)凋亡和壞死程序[15]。因此，CAIX可以成為酸性癌細(xì)胞的選擇性靶點，而FC16-670A抑制劑可以作為有效的工具來影響這一以常規(guī)治療逃逸為特征的侵襲性亞群。

1.2 糖酵解介導(dǎo)的結(jié)直腸癌酸中毒的分子通路

結(jié)直腸癌糖代謝受AMPK和PI3K/Akt/mTOR信號通路影響。由PI3K/AKT/mTOR組成的信號通路被證明與缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)的上調(diào)有關(guān)，而HIF-1α的激活也參與了結(jié)直腸癌的Warburg效應(yīng)[16]。AMPK途徑是mTOR激活的主要調(diào)節(jié)因子，mTOR在腫瘤細(xì)胞中高度激活，有助于細(xì)胞的生存和生長[17]。以往的研究表明，AMPK和mTOR基因的表達(dá)在癌細(xì)胞代謝向糖酵解的轉(zhuǎn)變和促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵作用[18]，利用糖代謝與AMPK和mTOR通路之間的關(guān)系可以為癌癥治療提供新的思路。

酸中毒與酸傳遞離子通道(ASIC)、鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/NFAT(C/N)通路相關(guān)。NFAT調(diào)控受到T細(xì)胞酸化的限制，酸化過程也會阻礙NFAT以鈣調(diào)磷酸酶的形式向細(xì)胞核轉(zhuǎn)移[19]。酸刺激導(dǎo)致ASIC家族成員ASIC2上調(diào)，從而增強(qiáng)結(jié)直腸癌細(xì)胞的侵襲能力[20]。鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶-NFAT途徑通常被ASIC2調(diào)節(jié)，該途徑對葡萄糖的消耗產(chǎn)生酸性副產(chǎn)物乳酸[21]。此外，ASIC2在酸中毒時通過激活C/N通路促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，而結(jié)直腸癌標(biāo)本中ASIC2表達(dá)的增加與預(yù)后不良、復(fù)發(fā)和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移有關(guān)[22]。

Wnt信號通路被認(rèn)為與糖酵解和乳酸的產(chǎn)生有關(guān)。典型的Wnt/β-連環(huán)蛋白信號通路通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄以驅(qū)動糖酵解調(diào)節(jié)劑的持續(xù)表達(dá)。此外，Wnt通過mTORC2途徑，激活RAC來增加細(xì)胞質(zhì)中糖酵解酶的蛋白水平[23]。這兩條信號通路可以增強(qiáng)結(jié)腸腫瘤的糖酵解代謝和增殖能力[24-25]。研究表明，Wnt信號高表達(dá)的結(jié)腸癌細(xì)胞具有極強(qiáng)的有氧糖酵解信號。

MicroRNAs(miRNAs)介導(dǎo)結(jié)直腸癌糖酵解途徑和乳酸產(chǎn)生，其中miR-124、miR-137、miR-340抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞的生長[26]，而miR-182促進(jìn)結(jié)直癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[27]。miR-124、miR-137和miR-340將PKM基因的表達(dá)從PKM2轉(zhuǎn)換為PKM1，高比例的PKM1/PKM2抑制糖酵解速率，但提高了葡萄糖進(jìn)入氧化磷酸化的通量。miRNAs(miR-124、miR-137和miR-340)通過調(diào)節(jié)PKM基因的選擇性剪接而抵消Warburg效應(yīng)[28]，從而抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞的生長。

1.3 結(jié)直腸癌糖酵解酸中毒的其他相關(guān)因素

THP-1單核細(xì)胞與糖酵解酸中毒相關(guān)，結(jié)直腸癌細(xì)胞中的乳酸被分泌到微環(huán)境中，并被周圍的人類單核細(xì)胞(THP-1)通過MCT1攝取[29]。THP-1單核細(xì)胞中的乳酸被循環(huán)用于糖異生途徑，并再次用于合成葡萄糖。研究發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞分泌的乳酸可通過糖酵解、乳酸和丙酮酸的產(chǎn)物穩(wěn)定HIF-1α，從而促進(jìn)單核細(xì)胞前列腺素E2(PGE2)的合成[30]。

線粒體氧化受糖酵解酸中毒的調(diào)節(jié)，糖酵解代謝和低氧微環(huán)境導(dǎo)致結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞外酸中毒。缺氧和酸中毒影響還原或氧化物種的平衡，這被認(rèn)為是導(dǎo)致結(jié)直腸癌進(jìn)展和耐藥性的原因之一[6]。由于乳酸脫氫酶(LDH)活性的增加導(dǎo)致乳酸產(chǎn)量的增加，結(jié)直腸癌細(xì)胞表面的氧氣消耗也是糖酵解細(xì)胞酸化的原因。異常組織氧化還原狀態(tài)的變化會影響生物細(xì)胞狀態(tài)，如細(xì)胞增殖或分化、壞死或凋亡。當(dāng)缺氧誘導(dǎo)的厭氧糖酵解主導(dǎo)線粒體氧化磷酸化和/或有氧糖酵解率增加時，腫瘤中的乳酸含量也很高[31]。

脂肪酸對糖代謝和乳酸發(fā)酵影響顯著，脂肪酸代謝酶與結(jié)直腸癌的預(yù)后和進(jìn)展有關(guān)[32]。中鏈脂肪酸(MCFAs)和酮體可以作為一種工具，誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞在糖酵解和氧化磷酸化之間切換以產(chǎn)生能量[33]。此外，酮體和MCFAs通過能量代謝從糖酵解-乳酸發(fā)酵向氧化磷酸化轉(zhuǎn)變而發(fā)揮抗癌作用。

2 酸中毒環(huán)境增加結(jié)直腸癌侵襲性

2.1 TGF-β2通過促進(jìn)脂滴(LD)的形成增加酸適應(yīng)性結(jié)直腸癌細(xì)胞的侵襲性

LD是增加侵襲力的關(guān)鍵驅(qū)動因素。研究發(fā)現(xiàn)自分泌轉(zhuǎn)化生長因子β2(TGF-β2)信號是一種在不同的酸適應(yīng)性癌細(xì)胞中持續(xù)上調(diào)的轉(zhuǎn)錄本，證明脂質(zhì)代謝重排是與部分上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)相關(guān)的。TGF-β2信號促進(jìn)LD形成的機(jī)制有[34]：(1)適應(yīng)酸中毒的癌細(xì)胞會積聚LD；(2)脂肪分解支持癌細(xì)胞存活和侵襲性；(3)TGF-β2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)支持侵襲性和LD的形成；(4)TGF-β2促進(jìn)脂肪酸(FA)攝取和甘油三酯(TG)積累；(5)EMT受TGF-β2刺激的FA代謝控制。LD進(jìn)一步作為能量儲存，支持局部侵襲和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。

2.2 VDR-SOX2信號在酸性微環(huán)境中促進(jìn)結(jié)直腸癌的干細(xì)胞特性和侵襲力

酸性TME為惡性腫瘤的發(fā)展提供了能量來源，細(xì)胞對酸性環(huán)境的適應(yīng)導(dǎo)致了癌癥干細(xì)胞的出現(xiàn)。酸中毒通過下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體δ(PPARD)的表達(dá)來降低維生素D受體(VDR)的表達(dá)。VDR過表達(dá)可有效抑制酸中毒時細(xì)胞的干性和對奧沙利鉑的抗性。VDR是從細(xì)胞核輸出的，VDR的核輸出信號對酸中毒很敏感。分析表明，VDR通過與SOX2啟動子中的維生素D反應(yīng)元件結(jié)合，轉(zhuǎn)錄抑制了SRY-box 2(SOX2)，從而抑制了腫瘤的生長[35]。因此，酸性微環(huán)境的改變和VDR的過度表達(dá)在很大程度上限制了體內(nèi)結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展，酸中毒通過調(diào)節(jié)SOX2的表達(dá)影響結(jié)直腸癌細(xì)胞的干細(xì)胞特性。

2.3 單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白(MCT)增強(qiáng)結(jié)直腸癌細(xì)胞酸中毒時的侵襲性

乳酸轉(zhuǎn)運是通過MCT介導(dǎo)的酸中毒增強(qiáng)過程之一。MCT4在結(jié)直腸癌和肝癌等幾種類型的腫瘤轉(zhuǎn)移中都有高表達(dá)，這種作用是通過促進(jìn)乳酸轉(zhuǎn)運來實現(xiàn)的，乳酸轉(zhuǎn)運增強(qiáng)了轉(zhuǎn)移細(xì)胞的侵襲和遷移。MCT4和MCT1在癌癥患者中的表達(dá)水平升高也與預(yù)后不良相關(guān)[36]。

3 結(jié)直腸癌伴酸中毒的治療進(jìn)展

3.1 結(jié)直腸癌伴發(fā)乳酸酸中毒的臨床治療進(jìn)展

惡性腫瘤相關(guān)的B型乳酸酸中毒是一種危及生命的并發(fā)癥，多見于血液系統(tǒng)惡性腫瘤，但也可見于實體瘤。在一例罕見的嚴(yán)重B型乳酸酸中毒合并結(jié)腸腺癌病例中，患者有廣泛肝臟受累和原因不明的高陰離子間隙代謝性酸中毒，在沒有其他原因的乳酸酸中毒的情況下，結(jié)直腸癌患者都可能出現(xiàn)致死性B型乳酸酸中毒。最廣泛使用的療法是碳酸氫鹽輸注、硫胺素補(bǔ)充、化療和支持性護(hù)理[37]。

3.2 靶向糖酵解調(diào)節(jié)結(jié)直腸癌伴酸中毒的基礎(chǔ)研究進(jìn)展

目前主要有三種以糖代謝為靶點來調(diào)節(jié)腫瘤酸中毒的策略。第一種策略旨在通過葡萄糖供應(yīng)和糖酵解直接調(diào)節(jié)腫瘤酸中毒，從而控制結(jié)直腸癌細(xì)胞的能量產(chǎn)生。第二種策略側(cè)重于被認(rèn)為對代謝途徑調(diào)控至關(guān)重要的因子，包括HIF-1α、c-Myc、AKT、mTOR和AMPK[38-39]。這些因素控制著調(diào)節(jié)乳酸和LDHA水平的蛋白豐度，從而控制結(jié)直腸癌細(xì)胞的葡萄糖和能量供應(yīng)。第三種策略是改變腫瘤細(xì)胞的代謝過程，從而改變其增殖、凋亡和侵襲性。

4 酸中毒對結(jié)直腸癌化學(xué)及免疫治療的影響

4.1 乳酸酸中毒對哌立福辛治療的影響

乳酸酸中毒干擾哌立福辛(抗腫瘤藥)對結(jié)直腸癌細(xì)胞的毒性作用。由于乳酸酸中毒干擾了其他Akt激酶抑制劑的細(xì)胞毒性，在進(jìn)一步設(shè)計Akt靶向治療策略時應(yīng)考慮腫瘤外部pH[40]。結(jié)直腸癌細(xì)胞在酸中毒時會表現(xiàn)出更多的遷移、侵襲和增殖，從而進(jìn)一步導(dǎo)致對化療的耐藥性[41]。

4.2 糖酵解酸中毒對CD47為靶點的免疫治療的影響

CD47表達(dá)上調(diào)與結(jié)直腸癌患者預(yù)后不良相關(guān)，酸性微環(huán)境下，CD47表現(xiàn)出更強(qiáng)的促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的生長和轉(zhuǎn)移的能力。CD47與ENO1相互作用，保護(hù)其免受泛素介導(dǎo)的降解，從而促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的糖酵解活性和ERK的磷酸化。抑制ENO1可減弱CD47介導(dǎo)的細(xì)胞生長和遷移。臨床上，CD47和ENO1的聯(lián)合表達(dá)為判斷結(jié)直腸癌患者的預(yù)后提供了可靠的生物標(biāo)志物，靶向CD47-ENO1軸可能為結(jié)直腸癌提供一種新的治療途徑[42]。

5 小結(jié)與展望

結(jié)直腸癌是一種異質(zhì)性疾病，是葡萄糖代謝異常改變的結(jié)果，丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸的過程中產(chǎn)生大量乳酸，從而重塑酸中毒，為腫瘤細(xì)胞提供進(jìn)化優(yōu)勢，甚至增強(qiáng)其侵襲性表型。糖酵解途徑介導(dǎo)的葡萄糖代謝是結(jié)直腸癌腫瘤酸中毒所必需的。因此，通過糖酵解途徑針對這些糖代謝靶點的選擇性代謝抑制劑或藥物可能在臨床上用于調(diào)節(jié)腫瘤的酸性微環(huán)境以用于結(jié)直腸癌治療，并通過癌癥患者個性化的方法識別調(diào)節(jié)腫瘤酸中毒的特定靶點。此外，還需要進(jìn)一步研究與腫瘤酸中毒相關(guān)的結(jié)直腸癌代謝概念，并研究腫瘤葡萄糖代謝的其他方面，如絲氨酸-甘氨酸途徑、糖異生、表觀遺傳學(xué)和遺傳學(xué)代謝調(diào)節(jié)、關(guān)鍵代謝調(diào)節(jié)因子和磷酸戊糖途徑及其酶。改變代謝過程以有效抑制癌細(xì)胞生長和腫瘤進(jìn)展并激活強(qiáng)大的抗癌作用的策略可能為結(jié)直腸癌治療提供更有效的抗腫瘤前景。