葡萄糖代謝重編程在子宮內膜異位癥中的研究進展

劉君君，張玲，劉義

子宮內膜異位癥（endometriosis，EMs）是指有活性的子宮內膜細胞種植在子宮內膜以外的位置而形成的一種常見婦科疾病。EMs 的病理過程與腫瘤相似，病灶可以逃避免疫監(jiān)視異位種植，并在局部增殖、遷移和侵襲，但其并不具有腫瘤的無限增殖、全身轉移等惡性特征。葡萄糖代謝重編程被認為是腫瘤發(fā)生的標志，其發(fā)生主要是由于糖酵解途徑的關鍵酶表達發(fā)生了改變[1]。EMs 患者異位病灶中也存在葡萄糖代謝重編程現(xiàn)象[2]，表現(xiàn)為有氧糖酵解（aerobic glycolysis）增強，即葡萄糖攝取增加及乳酸產生增加；同時線粒體氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）受到抑制，活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生減少。葡萄糖代謝重編程不僅能促進EMs 的發(fā)生發(fā)展，還與EMs 病灶中巨噬細胞極化有關[3]。與葡萄糖代謝重編程相關的卵細胞質量下降和子宮內膜容受性受損是導致EMs 患者不孕的原因[4]。因此，葡萄糖代謝重編程在EMs 的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，本文對葡萄糖代謝重編程在EMs 中的研究進展進行綜述，為深入了解EMs 的發(fā)病機制和EMs 的臨床治療提供策略。

1 葡萄糖代謝重編程概述

正常細胞在有氧條件下通過呼吸作用，即三羧酸循環(huán)/氧化磷酸化產生腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），在缺氧條件下通過糖酵解產能。但是腫瘤細胞即使在有氧情況下也通過糖酵解產生ATP，即有氧糖酵解，這一過程稱為葡萄糖代謝重編程，又稱為瓦爾堡效應（Warburg effect）[5]。腫瘤細胞傾向于有氧糖酵解的原因可能是為了減輕氧化應激產生的ROS 對細胞造成的損傷，同時有氧糖酵解過程中產生的代謝產物也可作為其他生物大分子合成的前體[6]。腫瘤細胞的葡萄糖代謝重編程受磷脂酰肌醇3 激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B/mammalian target of rapamycin，PI3K/Akt/mTOR）信號通路、缺氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）以及癌基因和抑癌基因等調控[1]。同時，腫瘤細胞的免疫逃逸也與腫瘤微環(huán)境中免疫細胞的葡萄糖代謝重編程有關[7]。

除腫瘤外，葡萄糖代謝重編程在非腫瘤疾病[神經系統(tǒng)疾病、骨骼疾病、泌尿系統(tǒng)疾病、循環(huán)系統(tǒng)疾病及新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）等]中也廣泛存在，如：小鼠小膠質細胞的葡萄糖代謝重編程參與阿爾茨海默病的發(fā)生發(fā)展[8]；人體破骨細胞的葡萄糖代謝重編程參與骨質疏松、骨轉移、炎癥性骨侵蝕等病理過程[9]；葡萄糖代謝重編程介導的腎纖維化促進慢性腎臟疾病的病情發(fā)展[10]；冠狀動脈性心臟病中動脈粥樣硬化斑塊的形成與巨噬細胞的葡萄糖代謝重編程密切相關[11]。值得一提的是，關于COVID-19 的研究發(fā)現(xiàn)了病毒感染的細胞也出現(xiàn)葡萄糖代謝的顯著變化，因此阻斷被感染細胞的葡萄糖代謝重編程以對抗病毒復制將為COVID-19 的治療提供可能[12]。由此可見，由于葡萄糖代謝重編程在疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，針對葡萄糖代謝重編程的研究為疾病的治療提供了前景。

EMs 中的葡萄糖代謝重編程現(xiàn)象已被證實，近幾年的研究集中于EMs 病灶中葡萄糖代謝重編程的分子機制，一些藥物可通過調控糖酵解抑制EMs的發(fā)生發(fā)展，靶向糖酵解通路中關鍵分子的藥物有望用于EMs 治療的新方案。

2 EMs 與葡萄糖代謝重編程

2.1 EMs 病灶中氧化磷酸化向有氧糖酵解轉變總的來說，EMs 病灶中的葡萄糖代謝重編程表現(xiàn)為氧化磷酸化向有氧糖酵解的轉變。研究證實，EMs 異位病灶中細胞葡萄糖攝取和乳酸產生增加，同時氧化磷酸化過程及ROS 產生受到抑制[13]。有氧糖酵解途徑由葡萄糖攝取開始，以產生乳酸結束。葡萄糖攝取增加、乳酸產生增加、ROS 產生減少是EMs 病灶中葡萄糖代謝重編程的三大特征性表現(xiàn)。

2.1.1 葡萄糖攝取增加 EMs 患者的異位內膜細胞葡萄糖攝取增加，表明細胞內的有氧糖酵解高速進行。葡萄糖轉運體（glucose transporter，GLUT）作為細胞膜上的葡萄糖轉運蛋白，其表達水平影響細胞的葡萄糖攝取。與正常女性的子宮內膜相比，GLUT3在EMs 患者異位內膜組織中的表達顯著升高；EMs患者的異位組織中亦可以觀察到GLUT1 高表達；此外，在同一EMs 患者的配對異位和在位子宮內膜中，異位內膜GLUT3、GLUT4 和GLUT5 的表達量明顯高于在位內膜[14]。更多研究發(fā)現(xiàn)，腹膜型EMs 患者的腹膜液中轉化生長因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）水平高于無EMs 女性，提取腹膜型EMs 患者異位病灶中的腹膜間皮細胞（peritoneal mesothelial cells，PMC）后，在PMC 培養(yǎng)基中加入TGF-β1 培養(yǎng)可提高GLUT1 的表達水平[2]，提示GLUT1 受TGF-β1 調控。在治療方面，目前已有研究證實在大鼠EMs 模型中，阿托伐他?。╝torvastatin）和白藜蘆醇（resveratrol）能夠抑制異位病灶的生長，其機制可能是通過抑制GLUT1 和GLUT3 的表達從而降低大鼠異位病灶中的糖酵解水平[15]。用桂枝茯苓膠囊治療EMs 模型大鼠可以顯著降低大鼠異位病灶中TGF-β1 和GLUT4 的表達，從而影響其糖酵解[16]。因此，通過抑制GLUT 介導的葡萄糖攝取而抑制糖酵解為EMs 的治療提供了新思路。

2.1.2 乳酸產生增加 EMs 患者的腹膜液和異位內膜中乳酸水平均升高[2，13]，提示EMs 患者病灶中存在乳酸堆積。導致乳酸產生增加的一個重要原因是乳酸脫氫酶A（lactate dehydrogenase A，LDHA）水平增加。LDHA 在異位內膜和原代異位子宮內膜基質細胞（ectopic endometrial stromal cells，EcESC）中的表達均顯著高于正常內膜，TGF-β1 亦可以調控LDHA表達[2，17]。在腫瘤細胞中，LDHA 能夠促進腫瘤細胞的增殖、遷移和侵襲，并與血管生成相關，是抗癌藥物設計的可行靶點[18]。除此之外，丙酮酸脫氫酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase 1，PDK1）是使葡萄糖代謝從氧化磷酸化轉變?yōu)橛醒跆墙徒獾年P鍵開關，EMs 病灶中PDK1 表達增加也是導致乳酸產生增加的重要原因[19]。研究證實，PDK1 抑制劑二氯乙酸（dichloroacetate）可以抑制EMs 患者異位病灶中EcESC 和PMC 的乳酸生成[19-20]。在小鼠EMs 模型中，口服二氯乙酸可降低小鼠腹膜液中的乳酸水平，減小EMs 病灶體積[20]，提示二氯乙酸具有抑制EMs病灶發(fā)生發(fā)展的作用。綜上，EMs 患者異位病灶中的乳酸堆積是葡萄糖代謝重編程的重要特征，LDHA和PDK1 可作為調控EMs 葡萄糖代謝重編程的關鍵靶點。

2.1.3 ROS 產生減少 EMs 病灶中發(fā)生的葡萄糖代謝重編程表現(xiàn)為氧化磷酸化向有氧糖酵解的轉變，這一過程抑制了氧化磷酸化過程中ROS 的形成。ROS 是氧化磷酸化產生ATP 過程中的副產物，其會損傷線粒體DNA，誘導細胞死亡，克服線粒體ROS引起的氧化損傷可能是子宮內膜異位細胞存活的關鍵。EMs 異位病灶細胞通過LDHA 和PDK1 等關鍵分子調控氧化磷酸化向有氧糖酵解轉換，抑制線粒體代謝中ROS 的產生，提示葡萄糖代謝重編程是EMs 異位病灶的適應性改變[21]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在EMs 異位病灶中線粒體代謝途徑的生物合成減少，提示線粒體中的代謝活動減弱[22]，這表明EMs 具有與腫瘤發(fā)生葡萄糖代謝重編程相似的原因，即傾向于有氧糖酵解而不是氧化磷酸化，從而避免ROS 產生過多引起的細胞死亡。尋找使EMs 異位病灶細胞氧化磷酸化正常的策略，以激活ROS 產生從而誘導異位細胞死亡，或能成為治療EMs 的新方法。

2.2 葡萄糖代謝重編程促進EMs 發(fā)生發(fā)展有氧糖酵解為EMs 異位病灶中的細胞提供能量，促進異位病灶的建立和發(fā)展。研究表明，有氧糖酵解中的若干關鍵分子上調均具有促進EMs 發(fā)生發(fā)展的作用。首先，糖酵解關鍵酶LDHA 和PDK1 表達增加可以抑制人子宮內膜基質細胞系（human endometrial stromal cells，HESC）的凋亡，促進異位病灶生長[17，19]。核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）可誘導丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2，PKM2）表達，促進異位子宮內膜組織存活。相反，肉桂酸（cinnamic acid）可通過抑制PKM2 的轉錄，抑制EcESC（從EMs 患者的異位病灶中提取的原代子宮內膜基質細胞，具有有限的傳代能力）的增殖、遷移和侵襲，從而抑制EMs 的發(fā)生發(fā)展[23]。除此之外，己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）和6-磷酸果糖-2 激酶/果糖-2,6-二磷酸酶（6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase，PFKFB）的上調同樣能夠促進HESC 增殖、遷移和侵襲[24]，PFKFB3 受熱休克因子1（heat shock factor 1，HSF1）調控[25]；而PFKFB4 可被癌基因PIM2 磷酸化激活[26]。HK2 抑制劑2-脫氧葡萄糖（2-DG）和3-溴丙酮酸（3-BP）能夠抑制小鼠EMs 異位病灶生長，提示HK2 抑制劑或許也可在EMs 的治療中發(fā)揮重要作用。綜上，葡萄糖代謝重編程中的若干關鍵酶協(xié)同作用，共同促進EMs 異位病灶的種植和生長，推動EMs 的疾病進展，糖酵解關鍵酶的抑制劑對EMs 的治療作用前景廣闊。值得思考的是，目前關于EMs 中減弱的氧化磷酸化的具體研究仍然匱乏，線粒體代謝中關鍵分子如何發(fā)揮作用還有待進一步研究。

2.3 葡萄糖代謝重編程促進巨噬細胞極化EMs異位病灶中免疫微環(huán)境的改變是促進異位病灶建立與發(fā)展的另一關鍵因素，其中巨噬細胞的改變具有重要意義。巨噬細胞根據其作用分為具有促炎活性的M1 型和發(fā)揮抗炎作用的M2 型。異位病灶中的M1 型巨噬細胞在EMs 發(fā)展過程中逐漸減少，而M2 型巨噬細胞的比例逐漸增多，并最終占據主導位置[27-28]。M2 型巨噬細胞具有抗炎、免疫抑制、促血管生成和神經纖維生長等作用，促進異位病灶的種植和生長[29]。有研究將人子宮內膜組織移植到免疫缺陷小鼠的模型中，發(fā)現(xiàn)異位病灶中巨噬細胞的表型隨著時間的推移從M1 型轉變?yōu)镸2 型[30]。因此，巨噬細胞從M1 型向M2 型極化是EMs 發(fā)生發(fā)展中至關重要的病理生理過程。EMs 患者的EcESC 發(fā)生葡萄糖代謝重編程導致病灶中乳酸堆積，最近Gou 等[31]通過在巨噬細胞培養(yǎng)液中加入EcESC 培養(yǎng)上清液、乳酸和糖酵解抑制劑2-DG，發(fā)現(xiàn)EcESC 分泌的乳酸顯著增加了M2 型巨噬細胞標記物的表達，提示EcESC 的葡萄糖代謝重編程能夠驅動病灶中巨噬細胞向M2 型極化。

除了子宮內膜基質細胞的葡萄糖代謝重編程能夠影響巨噬細胞極化外，巨噬細胞的極化也建立在自身葡萄糖代謝重編程的基礎之上。巨噬細胞極化相關的葡萄糖代謝重編程研究大多集中于腫瘤學領域，EMs 中巨噬細胞自身葡萄糖代謝重編程的研究仍處于起步階段。就對腫瘤的研究來看，在M1 型巨噬細胞中，細胞代謝從線粒體氧化磷酸化轉變?yōu)橛醒跆墙徒猓咸烟菙z取和乳酸生成增加，放大了先天防御機制和免疫監(jiān)測；而在M2 型巨噬細胞中，氧化磷酸化是主要的代謝途徑，丙酮酸被運輸?shù)骄€粒體中并轉化為乙酰輔酶A[3]。因此，目前仍需研究EMs病灶中的巨噬細胞發(fā)生極化時，其自身是否存在葡萄糖代謝重編程以及具體機制，這將有助于對EMs異位病灶中免疫抑制的理解。

3 EMs 相關不孕與葡萄糖代謝重編程

不孕是嚴重影響EMs 患者身心健康的并發(fā)癥。EMs 通過影響卵細胞質量和子宮內膜容受性影響母體妊娠并導致不良結局[4]。有研究發(fā)現(xiàn)，與非EMs 患者相比，EMs 患者的顆粒細胞中有氧糖酵解增強，葡萄糖消耗和乳酸產生增加，糖酵解相關酶表達異常，提示EMs 患者的卵細胞質量受損可能與顆粒細胞的葡萄糖代謝重編程有關[32]。除此之外，Pocate-Cheriet 等[33]對50 例EMs 患者和29 例輸卵管梗阻導致不孕癥患者的卵泡液樣本進行代謝組學分析發(fā)現(xiàn)，EMs 患者的卵泡液中葡萄糖濃度降低，丙酮酸和乳酸濃度升高，這表明EMs 患者的卵泡環(huán)境中也存在線粒體氧化磷酸化向有氧糖酵解的轉變，卵泡液中的葡萄糖代謝重編程與卵母細胞生長發(fā)育的關系還有待進一步研究。

子宮內膜容受性是指子宮內膜允許胚胎黏附、侵入并誘導子宮內膜間質發(fā)生蛻膜化等變化，最終植入內膜的能力。良好的子宮內膜狀態(tài)是成功妊娠的關鍵，而子宮內膜容受性不佳會影響胚胎著床和發(fā)育，EMs 患者的子宮內膜容受性受損是導致其不孕的重要原因之一[4]。在正常妊娠的早期，母體子宮通過有氧糖酵解產生大量乳酸，促進胚胎著床[34]；蛻膜化過程中HIF-1α 和PKM2 表達上調，促進了蛻膜化細胞的有氧糖酵解[35]，提示子宮內膜容受性的維持可能依賴于有氧糖酵解。然而目前缺乏EMs 患者子宮內膜容受性的改變與有氧糖酵解間關系的研究，研究有氧糖酵解在EMs 患者子宮內膜容受性的作用機制將為EMs 相關不孕提供更深的理解。

4 結語與展望

綜上所述，EMs 病灶中存在與腫瘤相似的葡萄糖代謝重編程，表現(xiàn)為線粒體氧化磷酸化轉變?yōu)橛醒跆墙徒?，這一行為是異位內膜組織為種植和生長而做出的適應性改變。有氧糖酵解通過促進細胞的增殖、侵襲和遷移等促進EMs 的發(fā)生發(fā)展，并在巨噬細胞極化導致的免疫抑制方面發(fā)揮重要作用。在EMs 相關不孕中，母體卵細胞質量下降和子宮內膜容受性受損與葡萄糖代謝重編程相關。基于以上理論依據，研究葡萄糖代謝重編程將為EMs 疾病本身及其相關不孕提供新的干預靶點。事實上，隨著對“代謝重編程”這一概念相關研究的不斷深入，研究者們在腫瘤疾病中還發(fā)現(xiàn)了脂代謝重編程、氨基酸代謝重編程等其他代謝物的重編程，同時腫瘤細胞也并不是在所有階段、所有狀態(tài)下都處于有氧糖酵解占主導的狀態(tài)，在不同癌癥類型、發(fā)展階段和外部干預下，腫瘤細胞會根據情況在有氧糖酵解和氧化磷酸化之間發(fā)生轉換。遺憾的是在EMs 目前的研究中還僅限于對葡萄糖代謝重編程經典途徑的研究，未來仍需研究EMs 病灶中更多代謝物的代謝重編程，為深入了解EMs 的發(fā)病機制和診療提供策略。當然，隨著高通量測序、代謝組學、單細胞基因組學等新的科研技術的應用，關于EMs 代謝重編程的研究也將更趨向于精準化、多元化。相信在不久的將來，新的研究成果將造福更多的EMs 患者。