能量代謝轉(zhuǎn)換在多發(fā)性骨髓瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

莫楠 李艷純 岳娟清 楊慧 童樂 王瑩*

多發(fā)性骨髓瘤是一種惡性漿細(xì)胞的克隆性增殖性疾病，是第二常見的血液系統(tǒng)惡性腫瘤，其特征是單克隆漿細(xì)胞在骨髓內(nèi)積聚。多發(fā)性骨髓瘤會導(dǎo)致轉(zhuǎn)化的漿細(xì)胞分泌無功能的單克隆免疫球蛋白（Ig）。這種異常的Ig 會導(dǎo)致與多發(fā)性骨髓瘤相關(guān)的并發(fā)癥，如腎功能障礙、神經(jīng)病變和高粘血癥。另外，骨髓中的骨髓瘤細(xì)胞生長以及轉(zhuǎn)化細(xì)胞和骨髓微環(huán)境中的其他細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子會導(dǎo)致活動性多發(fā)性骨髓瘤的典型臨床癥狀：溶骨性骨病變、高鈣血癥、貧血、腎功能損害［1-2］。雖然目前有可行的治療方法，如蛋白酶體抑制劑、免疫調(diào)節(jié)藥物、靶向腫瘤細(xì)胞的單克隆抗體、自體干細(xì)胞移植，但由于不可避免的復(fù)發(fā)和化療耐藥性的存在，多發(fā)性骨髓瘤仍被認(rèn)為是無法治愈的［3］。研究發(fā)現(xiàn)，改變的葡萄糖和谷氨酰胺代謝是多發(fā)性骨髓瘤中研究最充分的途徑。本文探討多發(fā)性骨髓瘤的能量代謝模式的改變，及其在多發(fā)性骨髓瘤發(fā)展中的作用，為多發(fā)性骨髓瘤的個性化治療提供思路。

1 腫瘤的能量代謝轉(zhuǎn)換類型

能量代謝是指有機體在物質(zhì)代謝過程中能量的產(chǎn)生、釋放、轉(zhuǎn)換及利用的過程。腫瘤細(xì)胞的能量代謝轉(zhuǎn)換包括有氧糖酵解、谷氨酰胺分解、三羧酸循環(huán)（TCA 循環(huán)）等。正常細(xì)胞主要以葡萄糖的有氧氧化作為供能方式，而腫瘤細(xì)胞的能量代謝特點則明顯有別于正常細(xì)胞，即使在氧氣充足的情況下，腫瘤細(xì)胞仍以糖酵解作為主要的產(chǎn)能方式，即Warburg效應(yīng)。此外，雖然腫瘤細(xì)胞偏好于利用糖酵解作為主要的產(chǎn)能方式，但線粒體氧化磷酸化仍為一種高效的產(chǎn)能方式，為腫瘤細(xì)胞的生長提供能量供應(yīng)。

1.1 糖酵解 （1）概述：腫瘤特異性代謝改變是由德國生物化學(xué)家Otto Warburg 及其同事于1920 年首次發(fā)現(xiàn)。對于普通細(xì)胞而言，當(dāng)氧氣充足時葡萄糖經(jīng)徹底氧化產(chǎn)生32 分子三磷酸腺苷（ATP），當(dāng)氧氣供應(yīng)不足時僅通過糖酵解產(chǎn)生2 分子ATP，因此，普通細(xì)胞只有在缺氧情況下才使用糖酵解這種低效率的產(chǎn)能途徑，而大多數(shù)腫瘤細(xì)胞即使在氧氣存在的情況下也傾向于主要通過糖酵解產(chǎn)生能量，而不是線粒體氧化磷酸化（OXPHOS），這是一種重新編程的代謝，因此，“Warburg效應(yīng)”也被稱為“有氧糖酵解”。（2）ATP 供應(yīng)：與線粒體氧化磷酸化相比，“Warburg 效應(yīng)”在ATP 的生產(chǎn)效率較低。目前研究表明，大多數(shù)腫瘤細(xì)胞的線粒體功能未受損。那為什么腫瘤細(xì)胞仍選擇低效的糖酵解來進(jìn)行能量生產(chǎn)［4-8］？事實上，不僅是糖酵解，TCA 循環(huán)、脂肪酸β-氧化和合成代謝都被重新編程以適應(yīng)腫瘤細(xì)胞的新功能。為了增殖腫瘤細(xì)胞，復(fù)制所有細(xì)胞成分，其對核苷酸、脂質(zhì)和氨基酸有大量需求，如果主要通過OXPHOS 產(chǎn)生ATP，生物大分子合成的碳源將受到嚴(yán)重限制。另一方面，如果利用有氧糖酵解為主要的能量來源，源自“Warburg 效應(yīng)”的過量乳酸也可用于ATP 生產(chǎn)和生物大分子合成，以此來提高能量效率，滿足腫瘤細(xì)胞增殖的能量需求。這是腫瘤細(xì)胞以有氧糖酵解為主要能量代謝的原因［9-10］。（3）調(diào)節(jié)糖酵解的相關(guān)蛋白：腫瘤細(xì)胞具有獨特的能量代謝現(xiàn)象，其特點是腫瘤細(xì)胞內(nèi)參與氧化代謝的相關(guān)蛋白下調(diào)，葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白和單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白上調(diào)。哺乳動物正常細(xì)胞（紅細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、心肌細(xì)胞、肝細(xì)胞）中糖酵解通量的主要控制步驟是葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（GLUT）、己糖激酶（HK）和磷酸果糖激酶1（PFK-1）。在快速生長的腫瘤細(xì)胞中，這三種蛋白質(zhì)數(shù)倍過表達(dá)且活性增強，對腫瘤細(xì)胞糖酵解調(diào)控起主要作用，其余的糖酵解酶也在腫瘤細(xì)胞中過度表達(dá)，但程度較低。

1.2 線粒體氧化磷酸化 （1）概述：線粒體是真核生物進(jìn)行氧化代謝的部位，是糖類、脂肪和氨基酸最終氧化釋放能量的場所。線粒體負(fù)責(zé)的最終氧化的共同途徑是TCA 循環(huán)與OXPHOS。OXPHOS 代謝在較多腫瘤中功能良好，甚至以5'-三磷酸腺苷（ATP）的形式提供比糖酵解更多的生物能量。OXPHOS 的多種代謝程序在基因轉(zhuǎn)錄水平由關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄共激活因子控制，這些共激活因子通過增加多個代謝基因的表達(dá)來整合和輸出上游致癌信號，提供了關(guān)閉致癌代謝過程的機會。且這些共激活因子與各種轉(zhuǎn)錄因子（TF）相互作用并增強轉(zhuǎn)錄活性。另外，能量穩(wěn)態(tài)、線粒體生物發(fā)生和OXPHOS 的轉(zhuǎn)錄程序由多個TF 介導(dǎo)，其激活統(tǒng)一需要轉(zhuǎn)錄輔激活因子的參與，即過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活因子-1α（PGC-1α）。因此，PGC-1α 被認(rèn)為是OXPHOS 的核心調(diào)節(jié)因子，且在包括癌癥在內(nèi)的各種疾病中失調(diào)［11］。（2）乳酸：乳酸僅被認(rèn)為是有氧糖酵解產(chǎn)生的“代謝廢物”，然而，現(xiàn)在有明確證據(jù)證明，乳酸可以納入TCA 循環(huán)并成為能量來源。葡萄糖是大多數(shù)實體瘤中產(chǎn)生乳酸的主要來源，谷氨酰胺也是腫瘤細(xì)胞中少量乳酸的來源之一。綜上，乳酸被視為癌癥代謝重編程中的重要致癌代謝物，由于乳酸的大量存在，腫瘤微環(huán)境中的細(xì)胞外pH 值酸化，這種酸中毒有利于轉(zhuǎn)移、血管生成以及免疫抑制等過程，并且與較差的臨床預(yù)后有關(guān)。因此，乳酸在促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖和致癌信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)移和腫瘤耐藥性方面起著關(guān)鍵作用［12-13］。（3）谷氨酰胺：谷氨酰胺是血液循環(huán)中最豐富的氨基酸，其對大多數(shù)細(xì)胞的增殖和一些對谷氨酰胺成癮的癌細(xì)胞的生存至關(guān)重要。谷氨酰胺代謝可以支持ATP 的產(chǎn)生和蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸的生物合成，促進(jìn)癌細(xì)胞持續(xù)生長和增殖，還可以調(diào)節(jié)氧化還原穩(wěn)態(tài)并影響信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的活性。其是癌癥治療中成功靶向的代謝途徑之一，較多血液學(xué)和實體腫瘤對谷氨酰胺的依賴性與線粒體谷氨酰胺酶（GLS）活性有關(guān)，谷氨酰胺酶使谷氨酰胺能夠進(jìn)入TCA 循環(huán)，產(chǎn)生ATP 和NADPH，并調(diào)節(jié)谷胱甘肽穩(wěn)態(tài)和活性氧（ROS），一些癌癥可以重新編程其代謝以避免這種代謝陷阱，如硼替佐米耐藥的骨髓瘤細(xì)胞系顯示出主要由谷氨酰胺增強的線粒體功能增強。因此，谷氨酰胺代謝的改變可能與治療效果和耐藥性有關(guān)［14-15］。（4）脂肪和氨基酸合成：脂肪酸由長鏈烴和位于烴末端的羧酸基團(tuán)組成，其功能是穩(wěn)定細(xì)胞膜，也是長期能量儲備的重要組成部分。脂肪酸/脂質(zhì)代謝是對能量產(chǎn)生很重要的第三條代謝途徑，合成以乙酰-CoA 和丙二酰-ACP 之間的反應(yīng)開始，產(chǎn)生乙酰-ACP 和CO2，最終結(jié)束于甘油磷脂、甘油三酯、磷脂和磷脂酰膽堿的合成。脂肪酸的代謝主要取決于能量庫，每當(dāng)需要增加能量時，就會產(chǎn)生ATP 分子以加速脂肪酸降解。氨基酸參與蛋白質(zhì)和激素的合成，在能量饑餓的情況下，脂肪酸先被耗盡，然后蛋白質(zhì)被降解以平衡能量缺口。增加的脂肪酸和氨基酸合成可能是由于谷氨酰胺分解增加并促進(jìn)癌細(xì)胞存活。此外，源自骨髓脂肪細(xì)胞的脂肪酸可以維持骨髓瘤細(xì)胞的存活和繁殖［16］。

2 多發(fā)性骨髓瘤發(fā)生發(fā)展的能量代謝模式改變

2.1 調(diào)節(jié)多發(fā)性骨髓瘤能量代謝的關(guān)鍵蛋白 （1）葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（GLUT）：與癌細(xì)胞相似，骨髓瘤細(xì)胞依賴于將葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸的有氧糖酵解，且容易受到糖酵解抑制劑的影響，如GLUT 抑制劑［17］。研究表明，多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞中mRNA 和蛋白質(zhì)的GLUT 水平高于正常健康組織，主要的過表達(dá)亞型是GLUT1，GLUT1 亞型的上調(diào)提高葡萄糖攝取，因此GLUT1 抑制可能會誘導(dǎo)骨髓瘤細(xì)胞死亡［16］。CD28 是典型的T 細(xì)胞共刺激分子，在骨髓瘤疾病進(jìn)展期間增加，與不良預(yù)后相關(guān)，并在體外和體內(nèi)為骨髓瘤細(xì)胞提供促生存信號，在骨髓瘤細(xì)胞系中，CD28 能夠增加葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1 的表達(dá)。另外，CD28 的激活誘導(dǎo)多發(fā)性骨髓瘤中的線粒體生物合成，且增加基礎(chǔ)耗氧量和最大呼吸能力，其中研究發(fā)現(xiàn)用FDA批準(zhǔn)的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎藥物阿巴西普阻斷CD28 介導(dǎo)的代謝適應(yīng)性可能會增強硼替佐米和其他利用多發(fā)性骨髓瘤在疾病進(jìn)展過程中的代謝需求的治療策略的療效。且GLUT1 的上調(diào)也依賴于磷酸肌醇3-激酶（PI3k）。PI3K/AKT 信號通路的激活，可以上調(diào)GLUT）的表達(dá)并增強己糖激酶（HK）對葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的捕獲，以及激活磷酸果糖激酶（PFK），在一定程度上導(dǎo)致多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞對高水平葡萄糖的依賴，進(jìn)而促進(jìn)有氧糖酵解［18-19］。多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞表現(xiàn)出依賴組成型細(xì)胞表面定位的GLUT4 來消耗基礎(chǔ)葡萄糖。研究發(fā)現(xiàn)了一種對GLUT4 具有脫靶抑制作用的HIV 蛋白酶抑制劑利托那韋。用生理上可達(dá)到的濃度利托那韋處理多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞會阻斷葡萄糖進(jìn)入，從而導(dǎo)致多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞死亡或生長抑制，這也為多發(fā)性骨髓瘤的治療提供了可能的發(fā)展方向［9］。（2）AMP 活化蛋白激酶（AMPK）：AMPK 是能量狀態(tài)的重要傳感器，其充當(dāng)代謝檢查點，調(diào)節(jié)細(xì)胞對能量可用性的反應(yīng)，通常在細(xì)胞能量水平較低時被激活。一些致癌基因能夠抑制AMPK 信號，使多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞即使在高能應(yīng)激條件下也能分裂。研究發(fā)現(xiàn)，AMPK 的缺失導(dǎo)致哺乳動物雷帕霉素靶標(biāo)（mTOR）的激活，隨后激活HIF-1。因此，AMPK 的失活有助于轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒跆墙徒?，促進(jìn)多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞的生長、繁殖［20］。（3）HK：哺乳動物細(xì)胞具有4 種HK 同工酶，定義為HK-I-V［4］。糖酵解的第一個酶促步驟，即葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖，由己糖激酶（HK）家族的成員催化。由于HK2 在大多數(shù)正常組織中不表達(dá)，因此靶向HK2 已成為癌癥治療方法的熱門目標(biāo)。研究表明來自幾乎所有組織的癌癥都有HK1-HK2+腫瘤的子集。把線粒體復(fù)合物I 抑制劑二苯碘鎓（DPI）、臨床藥物perhexiline（PER）作為抑制HK1-HK2+腫瘤進(jìn)展的協(xié)同伙伴，發(fā)現(xiàn)通過HK2shRNA/DPI/PER 組合可以有效阻斷HK1 HK2+腫瘤進(jìn)展。再使用HK2 反義寡核苷酸（ASO）HK2-ASO1 來抑制人類HK2 的表達(dá)，用FDA 批準(zhǔn)的線粒體復(fù)合物I 抑制劑二甲雙胍（MET）替代DPI。綜上，HK2-ASO/MET/PER 組合可能是治療HK1 HK2+多發(fā)性骨髓瘤的一種有前途的轉(zhuǎn)化精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)療法［21］。

2.2 通過調(diào)節(jié)因子改變多發(fā)性骨髓瘤的能量代謝方向 （1）FOXM1：FOXM1 是骨髓瘤代謝的正向調(diào)節(jié)因子，主要影響糖酵解和細(xì)胞呼吸，通過上調(diào)糖酵解和生物能量供應(yīng)來調(diào)控骨髓瘤的代謝?；衔颋OXM1 抑制劑NB73 通過促進(jìn)FOXM1降解來抑制骨髓瘤，HSP90 抑制劑GDA 與NB73 協(xié)同下調(diào)FOXM1 并抑制骨髓瘤，聯(lián)合FOXM1 和HSP90 抑制可能是多發(fā)性骨髓瘤的新的治療途徑［22］。（2）PGC-1α：SR18292 是一種新開發(fā)的小分子化合物，已被證明可選擇性誘導(dǎo)PGC-1α 乙酰化，從而抑制2 型糖尿病小鼠的PGC-1α 依賴性糖異生基因表達(dá)。研究結(jié)果表明，PGC-1α 抑制劑SR18292 表現(xiàn)出與OXPHOS 抑制相關(guān)的抗骨髓瘤功效，且在體內(nèi)未表現(xiàn)出明顯的毒性。此外，SR18292 在多發(fā)性骨髓瘤模型小鼠中以耐受良好的劑量有效抑制腫瘤生長，這為SR18292 在臨床的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)［21］。（3）HIF-1α：研究發(fā)現(xiàn)能量代謝在有氧和厭氧條件下最重要的傳感器是缺氧誘導(dǎo)因子（HIF），其是缺氧條件下負(fù)責(zé)基因表達(dá)變化的主要轉(zhuǎn)錄因子，骨髓瘤細(xì)胞缺氧微環(huán)境中厭氧呼吸的增加也被認(rèn)為與HIF1-a 轉(zhuǎn)錄因子有關(guān)，并導(dǎo)致乳酸產(chǎn)量增加。通常，在含氧量正常的條件下，HIF-1α 會經(jīng)歷永久性的氧依賴性羥基化，然后被von HippelLindau 腫瘤抑制因子（VHL）識別和泛素化，并最終被降解。然而，HIF-1α 也可以在含氧量正常的情況下被激活，在激活后，HIF-1α 會刺激編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白和許多糖酵解酶的基因轉(zhuǎn)錄，并激活丙酮酸脫氫酶激酶（PDK），從而減少葡萄糖衍生的丙酮酸流入TCA 循環(huán)。在多發(fā)性骨髓瘤中，HIF1-a 活性增加糖酵解代謝物，抑制TCA 中間體的產(chǎn)生，并激活I(lǐng)L-6，從而促進(jìn)腫瘤生長和存活。綜上，針對HIF-1α 的靶向藥物治療也可能是多發(fā)性骨髓瘤有希望的治療途徑［20］。

3 展望

多發(fā)性骨髓瘤是一種異質(zhì)性疾病，雖然有多種治療選擇可以延長患者的生存期，但由于其耐藥性，多發(fā)性骨髓瘤仍然被認(rèn)為是不可治療的疾病。在過去的幾十年中，研究者發(fā)現(xiàn)了與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞的能量代謝變化，這也同樣適用于多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞，在過去十年中，在多發(fā)性骨髓瘤中發(fā)現(xiàn)了幾種促進(jìn)疾病進(jìn)展的代謝改變。這為之后靶向骨髓瘤中的代謝途徑阻斷骨髓瘤細(xì)胞的增殖和進(jìn)展提供有前途的方法，如葡萄糖是最重要的能量化合物，對所有正常功能都是必不可少的。因此，針對上述葡萄糖代謝的各個方面可能會產(chǎn)生新的治療選擇。同樣，針對脂質(zhì)、乳酸、谷氨酰胺代謝的各個方面也可能存在新的治療方法。另外，抗骨髓瘤治療與靶向相關(guān)代謝途徑的藥物相結(jié)合的聯(lián)合療法可能是未來治愈該疾病的潛在策略，但需要進(jìn)一步研究以適應(yīng)影響細(xì)胞代謝的復(fù)雜相互作用。針對GLUT 等上調(diào)的轉(zhuǎn)運蛋白有望成為多發(fā)性骨髓瘤治療的藥物靶點，這些轉(zhuǎn)運蛋白不但是腫瘤細(xì)胞進(jìn)行能量代謝的必要條件，還對腫瘤微環(huán)境起著重要的調(diào)控作用，對其進(jìn)行靶向干預(yù)可為多發(fā)性骨髓瘤的臨床治療提供新的思路與契機。