Warburg效應在腫瘤耐藥中的研究進展

田瓔 吳杰 鄒暢

[摘要]?腫瘤細胞的增殖和生長需要營養(yǎng)物質(zhì)的支持，并進行能量代謝重編程。其中，線粒體功能改變是多種類型腫瘤發(fā)生的標志之一。Warburg效應是指腫瘤細胞通過激活乳酸脫氫酶、抑制丙酮酸代謝而產(chǎn)生大量乳酸，并在線粒體中進行能量代謝重編程的過程。腫瘤耐藥是當前腫瘤臨床治療中較為棘手的問題之一。研究發(fā)現(xiàn)Warburg效應與抗腫瘤藥物的耐藥性息息相關(guān)。本文闡述Warburg效應在腫瘤耐藥中的研究進展，為臨床攻克腫瘤耐藥提供新思路。

[關(guān)鍵詞]?Warburg效應；腫瘤耐藥；葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白；細胞凋亡；有氧糖酵解

[中圖分類號]?R979.1??????[文獻標識碼]?A??????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2024.16.033

1956年，Warburg[1]研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞存在一種特殊的代謝特征，即在氧氣充足的情況下腫瘤細胞優(yōu)先選擇產(chǎn)能率相對較低的糖酵解途徑為自身供能，削弱有氧呼吸，產(chǎn)生大量腺苷三磷酸（adenosine-?triphosphate，ATP），稱作Warburg效應。Warburg效應也被稱為有氧糖酵解，其可滿足腫瘤細胞快速生長對能量和代謝物質(zhì)的需求，有助于維持細胞內(nèi)部的氧化還原穩(wěn)態(tài)。腫瘤是嚴重威脅人類生命健康的疾病之一。藥物治療在腫瘤臨床治療中占據(jù)重要地位，然而藥物耐藥也給腫瘤治療帶來困擾[2]。Warburg效應與腫瘤耐藥密切相關(guān)。研究表明Warburg效應可增強結(jié)直腸癌細胞對抗腫瘤藥物的抵抗力，且在對抗腫瘤藥物抵抗力更強的腫瘤中糖酵解作用更明顯，磷酸果糖激酶-1可增強Warburg效應，促進結(jié)直腸癌細胞對表皮生長因子受體抑制劑的耐藥性[3]；M2型丙酮酸激酶（pyruvate?kinase?M2，PKM2）是Warburg效應中的糖酵解酶，其在膀胱癌中表達上調(diào)，導致膀胱癌順鉑耐藥[4]；葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白在多種惡性腫瘤中過度表達，易導致順鉑耐藥，在頭頸部鱗狀細胞癌中，沉默WNT2B可逆轉(zhuǎn)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白過表達導致的順鉑耐藥[5]。Warburg效應還在乳腺癌、肝細胞癌和宮頸癌等腫瘤耐藥中發(fā)揮顯著作用[6-8]。腫瘤細胞中的Warburg效應可增強腫瘤細胞對抗腫瘤藥物的耐藥性，且腫瘤細胞中的糖酵解反應更多[9-10]。本文對Warburg效應和腫瘤耐藥的特點及Warburg效應對腫瘤耐藥的調(diào)控機制研究進展進行闡述，為提高臨床靶向治療療效提供參考。

1??Warburg效應概述

腫瘤細胞利用大量的營養(yǎng)物質(zhì)維持其無限增殖和生長，能量代謝重編程被認為是腫瘤發(fā)生的標志之一[11]。能量代謝的改變導致營養(yǎng)缺乏和代謝廢物積累，影響腫瘤細胞附近非腫瘤細胞的生物學行為[12]。在糖酵解過程中，葡萄糖分解產(chǎn)生丙酮酸和少量ATP。在正常細胞中，丙酮酸進入三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量；而在腫瘤細胞中，無論氧氣水平如何，細胞都表現(xiàn)出高糖酵解活性，通過激活乳酸脫氫酶、抑制丙酮酸代謝產(chǎn)生大量乳酸[10]。Warburg效應表明細胞利用能量的方式由氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒?，被視為腫瘤的一大特征[11]。Warburg效應的內(nèi)在機制十分復雜，尚未完全明確。研究證實K-ras突變及抑癌基因p53表達異常與Warburg效應有關(guān)[13-14]；糖代謝中關(guān)鍵酶的改變也與Warburg效應有關(guān)[15]。

2??腫瘤耐藥概述

耐藥一般是指病原體與藥物多次接觸后對藥物的敏感度降低或無效。腫瘤耐藥可分為內(nèi)源性耐藥（在化療藥物應用前便存在耐藥因素）和獲得性耐藥（在化療藥物應用后產(chǎn)生的適應性反應）。腫瘤耐藥發(fā)生機制如下。

2.1??P-糖蛋白

抗腫瘤藥物進入細胞后被識別并外排，彌散到漿膜時遇到多藥耐藥運載體，多藥耐藥運載體利用兩個ATP結(jié)合位點上的能量將藥物泵出細胞外?；熕幬锛捌渌幬飭我磺议L期應用可激活P-糖蛋白活性，減少藥物在細胞內(nèi)的積蓄，從而產(chǎn)生腫瘤多藥耐藥。

2.2??表觀遺傳學改變

在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中，非DNA序列改變引起的基因表達變化主要有DNA甲基化、非編碼RNA和組蛋白修飾等表觀遺傳學改變。腫瘤細胞可通過DNA高甲基化抑制抑癌基因的表達。腫瘤細胞系中ATP結(jié)合盒亞家族B成員1基因過表達可導致腫瘤細胞內(nèi)抗腫瘤藥物毒性降低，這是獲得多重耐藥的主要原因[16]。

2.3??細胞凋亡

研究發(fā)現(xiàn)腫瘤耐藥與細胞凋亡相關(guān)基因如抗凋亡基因Bcl-2、p53等的過表達有關(guān)，細胞凋亡相關(guān)基因也可作為耐藥的靶分子，與其他途徑共同介導細胞生物功能[17]。

3??Warburg效應調(diào)控腫瘤耐藥的機制

3.1??致癌蛋白和腫瘤因子

腫瘤中的細胞代謝重編程受致癌蛋白和腫瘤因子的調(diào)控。缺氧誘導因子（hypoxia-inducible?factor，HIF）在Warburg效應中發(fā)揮重要作用，可促進三羧酸循環(huán)和糖酵解的斷開，誘導還原性酵解[18-19]。研究發(fā)現(xiàn)Warburg效應可激活HIF-1α介導的信號通路，抑制糖酵解和細胞自噬，使宮頸癌HeLa-R細胞對紫杉醇重獲敏感[8]。在卵巢癌中，HIF-1α、K-ras和磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide?3-kinase，PI3K）等致癌基因表達的改變通過直接調(diào)節(jié)糖酵解酶，如己糖激酶2（hexokinase?2，HK2）和乳酸脫氫酶A促進有氧糖酵解[20-21]。同時，可通過丙酮酸脫氫酶激酶1（pyruvate?dehydrogenase?kinase?1，PDK1）抑制丙酮酸脫氫酶促進還原代謝[22]；PDK1可被HIF-1α、蛋白激酶B（protein?kinase?B，PKB，又稱Akt）和磷酸甘油酸激酶1進一步激活，從而促進腫瘤耐藥[23]。

研究表明PI3K/Akt信號通路可介導腫瘤耐藥[24]。結(jié)腸癌轉(zhuǎn)移相關(guān)基因1可通過PI3K/Akt信號通路促進Warburg效應，進一步增強胃癌細胞曲妥珠單抗耐藥[25]。PI3K/Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白及Ras/促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated?protein?kinase，MAPK）信號通路通過激活糖酵解過程促進原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤衍生細胞對甲氨蝶呤耐藥[26]。研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)纖維瘤蛋白1可激活間變性淋巴瘤激酶（anaplastic?lymphoma?kinase，ALK）的K-ras突變，這是驅(qū)動神經(jīng)母細胞瘤中ALK抑制劑耐藥的真正臨床原因，Ras/MAPK信號通路下游信號傳導的重新激活是ALK抑制劑耐藥的發(fā)生機制[27]。維生素C可能對腫瘤治療有積極作用，其機制是通過下調(diào)K-ras突變腫瘤中的關(guān)鍵代謝檢查點導致Warburg效應中斷，而不殺死人類永生化結(jié)直腸癌細胞。維生素C誘導Ras脫離細胞膜，抑制胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2和PKM2磷酸化，繼而下調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1和PKM2-PTB依賴蛋白的表達，Warburg效應中斷導致能量應激而產(chǎn)生耐藥[28]。

3.2??葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白

葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白在人體組織和器官中廣泛表達，是主要的葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運蛋白。研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白可促進有氧糖酵解，產(chǎn)生更多的丙酮酸對抗活性氧（reactive?oxygen?species，ROS）誘導的壞死性細胞凋亡，并使細胞周期處于靜止狀態(tài)[29-30]。在Warburg效應中，生長因子可促進PI3K/Akt信號通路的活化，Akt可提高葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的活性，已糖激酶、磷酸果糖激酶、糖酵解酶可促進糖酵解的發(fā)生。另一項研究發(fā)現(xiàn)高葡萄糖可減弱5-氟尿嘧啶在人結(jié)腸癌細胞中的抗增殖作用和細胞毒性[31]。

3.3??細胞凋亡

細胞凋亡指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細胞自主有序死亡。細胞凋亡信號通路的失調(diào)使腫瘤細胞產(chǎn)生耐藥性。研究發(fā)現(xiàn)Warburg效應可通過抑制細胞凋亡抵抗細胞死亡的誘導[32]。增強糖酵解代謝可降低細胞內(nèi)ROS水平，ROS被認為是誘導細胞凋亡的重要因素[33-34]；糖酵解酶還可通過直接調(diào)節(jié)細胞凋亡挽救ROS誘導的細胞凋亡[35]。PKM2可易位至線粒體并磷酸化Bcl-2，促進Bcl-2的表達，抑制細胞凋亡[35]。HK2也可轉(zhuǎn)移到線粒體保護腫瘤細胞免于凋亡[36]。相反，抑制人結(jié)直腸癌細胞的糖酵解可導致細胞凋亡增加，降低對5-氟尿嘧啶的抵抗[37]。有氧糖酵解的減少伴隨細胞凋亡的增加[38]。

4??小結(jié)與展望

腫瘤細胞能量代謝與正常細胞不同，是一個復雜的過程，尤其是葡萄糖代謝過程。糖酵解不僅可提供能量，還可提供細胞生物合成所需中間產(chǎn)物，為腫瘤細胞的快速增殖提供能量和營養(yǎng)，幫助腫瘤細胞逃避代謝壓力，促進腫瘤細胞免疫逃逸等。因此，研究Warburg效應中的關(guān)鍵調(diào)控點可為腫瘤的耐藥治療提供方向和策略。多種蛋白和信號通路參與Warburg效應調(diào)控腫瘤耐藥，隨著研究的深入，Warburg效應參與腫瘤耐藥的機制更加明晰，將為臨床靶向藥物的選擇提供更多幫助，給患者帶來更好的治療效果。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

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（收稿日期：2023–08–27）

（修回日期：2024–05–15）