糖酵解重編程在口腔鱗狀細胞癌中的研究進展

李 婷 ，郭維華

（1）四川大學華西口腔醫(yī)院國家口腔再生醫(yī)學工程實驗室;2）四川大學華西口腔醫(yī)院口腔轉化醫(yī)學工程研究中心;3）四川大學華西口腔醫(yī)院口腔疾病國家重點實驗室;4）國家口腔疾病臨床研究中心;5）四川大學華西口腔醫(yī)院兒童口腔科，四川 成都 610041;6）昆明醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院，云南口腔醫(yī)學重點實驗室，昆明 云南 650500）

口腔鱗狀細胞癌（oral squamous cell carcinoma，OSCC）是口腔頜面部最常見的惡性腫瘤，約占頭頸部惡性腫瘤的90%，且近年來發(fā)病率持續(xù)上升[1]。OSCC 主要治療方式包括手術、術后化療和放療，患者的5 a 生存率保持在50%左右。為了進一步提高OSCC 患者的診治效率，尋找更有效的診斷及治療靶標仍是研究重點。

口腔鱗癌的發(fā)生是一個復雜多變的過程，惡性表型細胞的典型特征包括無限的復制能力，避免凋亡的生長信號，組織侵襲和轉移等[2]。為了使惡性細胞獲得和維持這些特性所需的能量和材料，必須對自身代謝途徑進行重編程。癌細胞代謝過程不同于正常的組織細胞，糖酵解和葡萄糖代謝是癌細胞中改變最顯著的代謝途徑[3]。糖酵解Warburg 效應表明，腫瘤細胞更傾向于高活性糖酵解來滿足其生存需求[4]。這些通路的重編程涉及到復雜的機制和多種信號分子的協(xié)調，了解糖酵解在口腔鱗癌發(fā)生發(fā)展過程中的機制為進一步尋找口腔鱗癌的治療方法提供了一種新的思路。但目前關于糖酵解在OSCC 發(fā)生發(fā)展中的作用尚不清楚。本文總結了OSCC 中發(fā)生的糖酵解代謝特點和關鍵因子，以及各種可用于OSCC 診斷和臨床治療的方法，為抗腫瘤治療藥物的開發(fā)提供思路。

1 糖酵解和Warburg 效應

葡萄糖是能量生成代謝的首選底物，在正常情況下，細胞通過有氧呼吸的方式產生能量，當氧氣不足時，細胞利用糖酵解產生能量。然而癌細胞的葡萄糖代謝不同于正常細胞，Warburg 針對癌細胞的代謝轉變發(fā)現了Warburg 效應[3]，Warburg 效應是癌癥代謝領域的一個關鍵概念，表明即使在有氧條件下，腫瘤細胞也會通過糖酵解途徑產生乳酸和能量[3]。這種代謝方式的轉變?yōu)榘┘毎焖佼a生能量，實現腫瘤快速增殖提供了一個巨大的生長優(yōu)勢。同時這一轉變引起的高乳酸酸性微環(huán)境，加強了癌細胞的侵襲性和轉移性[5]。

近年來，越來越多的證據表明有氧糖酵解促進OSCC 的上皮間充質轉化（epithelium-mesenchymal transition，EMT），在OSCC 的發(fā)生、發(fā)展和預后中起著重要作用。其中涉及到復雜的機制和多種信號分子的調控，主要包括葡萄糖轉運體（GLUTs）、糖酵解己糖激酶2（HK2）、磷酸果糖激酶（PFK）、乳酸脫氫酶A（LDHA）和丙酮酸脫氫酶激酶1（PDK1）等。分析OSCC 的代謝特征成為了一種診斷和判斷OSCC 預后的有效方式[6]。

2 糖酵解代謝與OSCC 的發(fā)生

酒精是口腔鱗癌的危險因素之一，乙醇會增強癌細胞的侵襲性[7]。Anthony 等[8]將OSCC 癌癥干細胞（cancer stem cell，CSC）暴露于乙醇中，發(fā)現乙醇暴露激活了OSCC 中的促腫瘤侵襲的活化T細胞的核因子（nuclear factor of activated T cell，NFAT）信號通路，從而激活了癌細胞的有氧糖酵解，增加了CSC 群體干性特征，包括自我更新能力、干細胞標記物的表達和遷移能力。這表明癌癥干性和代謝重編程之間存在分子耦合，CSC 代謝重編程在酒精介導的癌變分子機制中發(fā)揮作用，參與OSCC 的發(fā)生發(fā)展。高膽固醇（high cholesterol，HC）和維生素D 缺乏病（vitamin d deficiency，VDD）在口腔癌發(fā)生過程中的協(xié)同作用主要是通過改變癌細胞的糖酵解來實現，說明誘發(fā)口腔癌的危險因素可以通過調控癌細胞的糖酵解途徑促進口腔鱗癌的發(fā)生。

3 OSCC 糖酵解重編程中的關鍵基因

越來越多的證據表明，有氧糖酵解在OSCC的發(fā)生、發(fā)展和預后中起著重要作用。采用帶有加權基因共表達網絡分析（single-sample gene-set enrichment analysis，ssGSEA）的單樣本基因集富集分析（weighted gene co-expression network analysis，WGCNA）算法對糖酵解的程度進行量化，并確定與糖酵解相關性最大的關鍵模塊，發(fā)現OSCC 中的多種基因表達與有氧糖酵解有關[9]。主要包括原癌基因Myc、轉錄因子缺氧誘導因子1（HIF-1）、PI3K/Akt/mTOR 通路和腫瘤抑制因子p53[10-11]等。通過這些調節(jié)機制，腫瘤細胞調控了糖酵解酶的水平來調節(jié)腫瘤細胞的代謝[12-13]。

低氧是腫瘤細胞獨特的微環(huán)境，會影響口腔癌細胞的基因表達。缺氧可以促進OSCC 細胞PKD1 基因的激活和表達。沉默PKD1 基因會促進OSCC 細胞發(fā)生凋亡。PKD1 基因敲低會降低癌細胞缺氧誘導因子1α（HIF-1α）和丙酮酸激酶M2（PKM2）的表達，減少口腔鱗癌細胞的糖酵解活性并抑制腫瘤細胞的增殖[14]，細胞的葡萄糖攝取減少，乳酸產生增多，糖酵解酶（GLUT-1 和LDHA）表達增加。這結果表明，在低氧條件下抑制PKD1 的表達后，OSCC 細胞的生長和代謝受到明顯抑制。此外有研究發(fā)現PKD1 不僅通過調節(jié)HIF-1α 和糖酵解酶的表達來調節(jié)癌細胞的缺氧糖酵解代謝，還參與酸性腫瘤微環(huán)境的重塑[15]。

PER1 和PER2 基因是一種生物節(jié)律基因，研究發(fā)現其還與腫瘤的發(fā)生有關[16-17]，并在OSCC中顯著下調。PER1 和PER2 基因的下調明顯促進了OSCC 細胞中的糖酵解過程、葡萄糖攝取、細胞增殖和PI3K/AKT 通路，促進腫瘤的生長。PER2 的過表達顯著抑制OSCC 細胞增殖和糖酵解，促進細胞凋亡，并降低PI3K、蛋白激酶B、HK2、LDHA 的表達和PKM2 的磷酸化[18]。因此PER1和PER2 可能是OSCC 中有價值的治療靶點。

STAT3 是一種促腫瘤蛋白，參與癌細胞的糖酵解過程。Zhen 等[19]證明STAT3 在口腔鱗癌的發(fā)生發(fā)展上具有重要作用。STAT3 敲低后會上調FoxO1 來抑制OSCC 細胞的遷移、侵襲，抑制EMT 標志物的表達，減少口腔癌細胞的葡萄糖消耗和減弱細胞的有氧糖酵解。

4 糖酵解代謝關鍵酶與OSCC

在OSCC 細胞中已觀察到有氧糖酵解顯著增加。與糖酵解過程有關的限速酶在OSCC 細胞中表達水平發(fā)生變化，進而影響口腔癌的遷移和侵襲行為。研究發(fā)現，糖酵解相關蛋白（PKM、LDHA、PDK-1、HK2、FBP、MCT、GLUT-1、PGK1、ME1、ALDO）等在OSCC 的致癌過程中顯著變化[20]。

丙酮酸是一種主要的糖酵解代謝物，可以通過乳酸脫氫酶（LDHA）或乙酰輔酶A 轉化為乳酸，腫瘤細胞外的乳酸堆積與腫瘤的遠處轉移和侵襲有關[21]。丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）催化糖酵解的最后一步，主要有兩種亞型：PKM1 和PKM2。PKM1 可以通過增加腫瘤細胞的抗藥性，增強自噬作用和葡萄糖代謝促進細胞的侵襲。PKM2 在腫瘤細胞中的表達更高，PKM2 介導的異常葡萄糖代謝促進細胞增殖和遷移以及減少細胞凋亡在OSCC 的發(fā)生和進展中發(fā)揮重要作用，它的過度表達與腫瘤的侵襲性和較差的預后相關[22-23]。在許多癌細胞中觀察到細胞代謝從PKM1 到PKM2 的轉變，OSCC 細胞中的PKM2/PKM1 比率高于周圍正常細胞[24]。這種代謝的轉變影響了癌細胞的糖酵解過程，促進了口腔癌的生長和侵襲。LDHA 通過催化丙酮酸向乳酸的轉化來促進糖酵解過程，在OSCC 組織和細胞系中均過表達，通過促進糖酵解和EMT 促進OSCC 惡性發(fā)展，LDHA 可能是潛在的抗癌治療靶點[25，26]。

丙酮酸脫氫酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK-1）在維持口腔鱗癌糖酵解中起著重要作用。研究發(fā)現PDK-1 在OSCC 中表達上調，與腫瘤的不良預后有關[27]。下調PDK-1 后可以下調口腔鱗癌中PDK1/CD47/Akt 介導的糖酵解信號通路，從而改善順鉑治療口腔鱗狀細胞癌的療效[28]。因此，PDK-1 抑制劑具有進一步的研究價值。

己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）己糖激酶是催化己糖磷酸化的酶，是糖酵解途徑的第一個酶，也是糖酵解途徑的限速酶，現已被認為是各種癌癥的治療靶點[29-30]?？拱┒喾樱‥GCG）是茶多酚發(fā)揮抗癌作用的關鍵因子，研究發(fā)現HK2 是EGCG 誘導的人舌癌細胞糖酵解抑制的關鍵調節(jié)因子，并且Akt 信號通路參與其中。這一結果表明，靶向代謝酶HK2 可能是這類腫瘤的一種新的預防和治療靶點[31]。

果糖-1，6-二磷酸酶（Fructose-1，6-bisphosphatase，FBP）不僅是糖異生的限速酶，還被發(fā)現是一種在多種癌癥中下調的腫瘤抑制因子。有研究表明[32]，FBP 在OSCC 組織和細胞中的表達顯著下調。FBP 可以通過下調c-Myc 抑制OSCC 細胞的增殖、遷移和糖酵解[32]。FBP-c-Myc 信號軸調控OSCC 糖酵解，并可能為OSCC 治療提供一種潛在的干預策略。

與糖酵解代謝有關的酶特別是單羧酸轉運蛋白（monocarboxylate transporter，MCT）在癌細胞中的表達不同于正常細胞，特別是MCT1、MCT2和MCT4 三種亞型在OSCC 細胞中明顯增加，在腫瘤代謝中起著重要作用，與腫瘤的分期和預后有關[33]。研究發(fā)現抑制MCT，特別是MCT4 可以調節(jié)腫瘤細胞的糖酵解，抑制乳酸代謝從而增加腫瘤細胞對放療的敏感性。

葡萄糖轉運蛋白（glucose transporter，GLUT）是糖酵解途徑中的主要樞紐。在口腔鱗癌的發(fā)生過程中存在葡萄糖代謝的變化，特別是GLUT1的RNA 和蛋白水平與正常細胞相比發(fā)生了明顯地上調[34-35]。GLUT1 的高表達對于確保能量產生，加速細胞生長，促進腫瘤惡性轉化和進展是必不可少的。GLUT4 具有最高的葡萄糖親和力，GLUT4在OSCC 細胞株中的過表達提高了細胞的增殖速率和遷移能力[36]。

研究發(fā)現磷酸甘油酸激酶1（phosphoglycerate kinase1，PGK1）、蘋果酸酶1（malic enzyme1，ME1）、醛縮酶（aldolase，ALDO）在OSCC 中均為高表達狀態(tài)。通過激活OSCC 中的Akt 信號來促進OSCC 糖酵解、增強干細胞樣特性和EMT[37-39]，與OSCC 的進展和預后有關。

5 針對OSCC 糖酵解代謝的治療干預措施

有氧糖酵解是癌細胞中獨特的代謝標志，并且在癌細胞中檢測到谷氨酸表達上調，表明癌細胞的存活高度依賴于葡萄糖攝取[40-41]，糖酵解失調可能導致癌細胞的抗藥性增加。已有許多研究證實了糖酵解途徑在診斷和治療癌癥中的價值[42-44]。

順鉑（DDP）是治療OSCC 的一種有效的一線化療藥物，提高腫瘤細胞對DDP 的藥物敏感性可有效促進OSCC 的化療效果。Liu 等[45]發(fā)現長鏈非編碼RNA 中的lncRNA-MIR600HG 下調可提高miR-125a-5p 的表達，降低環(huán)指蛋白44 的表達，從而抑制OSCC 細胞的糖酵解，提高DDP 敏感性。有研究發(fā)現葛根素通過FBXW7/mTOR 信號抑制糖酵解并增加口腔鱗狀細胞癌中的順鉑化學敏感性[44]。

丹參酮IIA（Tan IIA）減少了腫瘤細胞葡萄糖消耗和乳酸的產生，并促進了OSCC 細胞的凋亡。其機制在于抑制Akt-c-Myc 信號傳導并促進c-Myc 泛素化和降解，最終在轉錄水平上降低HK2表達從而抑制HK2 介導的糖酵解，可以作為是OSCC 的潛在抗腫瘤化合物[46]。丹參酚酸B（Sal-B）是丹參中最豐富和生物活性最強的水溶性化合物，已被報道在多項研究中抑制化學誘導的口腔癌發(fā)生。Sal-B 通過PI3K/Akt/HIF-1α 信號通路調節(jié)異常的葡萄糖代謝，降低OSCC 細胞中的代謝紊亂，降低細胞的糖酵解水平，發(fā)揮抗癌活性[47-48]。

作為糖酵解的有效抑制劑，2-脫氧-d-葡萄糖（2-deoxy-D-glucose，2DG）已被提議用于癌癥治療，并已在臨床中進行了廣泛研究。2DG 損害了OSCC 細胞中關鍵致癌受體Axl 和Met 的N-聯糖基化，發(fā)揮抗癌作用[49]。

川楝素是一種多甲氧基黃酮類化合物，被用作治療各種疾病的重要中藥。用其處理腫瘤細胞后發(fā)現，細胞的磷酸化PKA 和磷酸化CREB 的水平降低，葡萄糖消耗改變，丙酮酸和乳酸的生成增多，抑制OSCC 細胞增殖，可成為一種潛在的臨床治療藥物[50]。

Garcinol 是從Garcinia indica 的干果皮中提取的天然聚異戊二烯二苯甲酮，經Garcinol 處理OSCC 細胞后可以抑制細胞的線粒體氧化磷酸化，促進OSCC 細胞糖酵解，增加乳酸含量和丙酮酸激酶的活性，促進GLUT 以及糖酵解途徑相關的幾個重要基因HIF-1α、Akt 和PTEN 的表達[51]。

利用苦瓜提取物（bitter melon extract，BME）處理口腔癌細胞系后可顯著降低關鍵糖酵解基因SLC2A1、GLUT-1、PFKP、LDHA、PKM 和PDK3 的mRNA 和蛋白質表達水平。BME 治療后口腔癌細胞的丙酮酸和乳酸水平以及糖酵解速率降低，因此，BME 介導的口腔癌細胞代謝重編程與常規(guī)療法聯合將具有重要的預防和治療意義[52]。

放療是治療口腔癌的一種有效手段，但是目前關于抑制糖酵解提高放療的療效在OSCC 中存在爭議，仍需要進一步的研究[53]。

6 小結

綜上所述，糖酵解重編程是OSCC 進展的一個重要標志，它使癌細胞即使是在缺氧等條件下依然能夠持續(xù)高速生長。口腔癌的糖酵解變化主要包括線粒體缺陷，對缺氧腫瘤微環(huán)境的適應以及酶的信號傳導和表達異常。已知的參與OSCC中葡萄糖代謝的關鍵因素主要有PKD1、PKM、GLUT-1、HK2、FBP、MCTs、LDHA、PGK1、ME1、ALDO 等。這些因子的異常表達影響了OSCC 的糖酵解過程和能量代謝，進而調控腫瘤進展和預后，但是各關鍵酶與腫瘤微環(huán)境、免疫因子及信號通路之間的機制尚不明確，依然需要進一步的研究。

OSCC 是一種具有高發(fā)病率和死亡率的口腔腫瘤，目前的治療方式主要集中在手術和放化療等。雖然這些治療方式取得一定成效，但由于OSCC 發(fā)病機制極其復雜，總生存率提高的并不明顯，腫瘤細胞代謝作為新發(fā)現的生物標志物和治療干預的新領域正在被深入研究。許多臨床廣泛應用的藥物如順鉑（DDP）、抗癌多酚（EGCG）、丹參酮IIA、2-脫氧-d-葡萄糖（2DG）等均可通過抑制口腔癌細胞的糖酵解過程，發(fā)揮抗癌作用。OSCC 糖酵解途徑為今后OSCC 的治療提供可靠策略。尋找有效的糖酵解關鍵酶抑制劑作為OSCC 分子靶向藥物或者與腫瘤藥物聯合運用，有望成為OSCC 治療的最佳方案。