代謝可塑性在腫瘤生長與轉(zhuǎn)移中的研究進(jìn)展

張譯勻 綜述 吳華星 審校

腫瘤異質(zhì)性是由癌細(xì)胞亞群中的遺傳和表觀遺傳改變的特殊組合引起的。除遺傳異質(zhì)性之外，腫瘤代謝的改變與腫瘤細(xì)胞為適應(yīng)環(huán)境做出代謝調(diào)整的能力，也決定了腫瘤異質(zhì)性。代謝異質(zhì)性是通過腫瘤內(nèi)不同腫瘤細(xì)胞群之間或腫瘤與基質(zhì)之間的代謝相互作用產(chǎn)生以及維持的[1]。

腫瘤生長過程中，癌細(xì)胞不僅對ATP的需求增高，還需要高水平的大分子(脂類和氨基酸)、還原當(dāng)量(NADH，NADPH，F(xiàn)ADH2)以及其他代謝反應(yīng)所需要的因子以維持腫瘤細(xì)胞增殖[2]。癌細(xì)胞必須平衡能源生產(chǎn)和消耗過程以維持腫瘤的生長，同時還要適應(yīng)自身快速生長所產(chǎn)生的營養(yǎng)和供氧變化。本文總結(jié)了腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)移過程中代謝方式的改變，以及這些代謝的適應(yīng)性改變是如何與腫瘤微環(huán)境相互影響從而調(diào)控腫瘤轉(zhuǎn)移的。

1 腫瘤形成過程中的代謝策略

雖然正常的細(xì)胞可以氧化不同的底物產(chǎn)生能量，但葡萄糖仍是主要的能量來源。未癌變的細(xì)胞主要通過線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)產(chǎn)生大量的ATP，它使得葡萄糖最有效率的生產(chǎn)ATP。氧分子是在氧化磷酸化生成ATP時所必需的，當(dāng)氧分子受到限制時，如在缺氧條件下，分化的細(xì)胞將利用無氧糖酵解的方式使葡萄糖代謝為乳酸，這使得葡萄糖分解產(chǎn)生的ATP減少(每分子葡萄糖產(chǎn)生2分子ATP)。近年來，許多與代謝可塑性相關(guān)的基因被研究發(fā)現(xiàn)，其中包括一些重要的轉(zhuǎn)錄因子、microRNA以及LncRNA，這些研究成果為我們今后研究糖代謝可塑性提供了重要方向。

1.1 糖酵解

與未癌變的細(xì)胞相比，即使在供氧充足的條件下，腫瘤細(xì)胞也表現(xiàn)出較高葡萄糖攝取率，并將葡萄糖在線粒體中產(chǎn)生丙酮酸的過程轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)生乳酸的過程，這種代謝策略被稱為“有氧糖酵解”或溫伯格效應(yīng)，是最常見的癌癥細(xì)胞糖代謝的改變，這一過程可以快速生成ATP并合成大量細(xì)胞分裂所需的大分子。因此，糖酵解增加與腫瘤高度增殖性有關(guān)，并且與許多癌癥預(yù)后不良呈正相關(guān)[3]。一些LncRNA能夠作為糖代謝的重要調(diào)控因子，進(jìn)而影響腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)行為，例如：LncRNA MACC1-AS1通過AMPK/LI28信號通路調(diào)節(jié)MACC1 mRNA的穩(wěn)定性，從而促進(jìn)胃癌細(xì)胞糖酵解過程，促進(jìn)胃癌進(jìn)展[4]。miRNA在抑制細(xì)胞糖酵解的過程中也扮演著不可或缺的角色，例如：miR-181d通過增強(qiáng)c-Myc的穩(wěn)定性從而介導(dǎo)了Cyr2和FbxL3的轉(zhuǎn)錄抑制，并進(jìn)一步在結(jié)腸癌中產(chǎn)生了代謝抑制作用[5]。miR-361-5p通過靶向抑制FGFR1和MMP-1的表達(dá)從而抑制乳腺癌細(xì)胞的糖酵解、增殖和侵襲[6]。HIF-1α與c-Myc作為兩個重要的轉(zhuǎn)錄因子，對糖酵解過程也有著重要的調(diào)控作用，二者的過表達(dá)能夠促進(jìn)多種糖酵解相關(guān)酶的上調(diào)，如：LDHA、PKM2和PDK1等[7]。這些糖酵解分子機(jī)制的研究對于靶向作用糖酵解過程有著重要意義。

靶向作用于糖酵解代謝很可能提供了一種治療某些癌癥的有效手段。例如通過抑制2-脫氧-D-葡萄糖(2-DG)從而抑制糖酵解，促進(jìn)其向氧化磷酸化的代謝轉(zhuǎn)變，減少乳酸的產(chǎn)生，從而抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移[10]。事實(shí)上，一些作用于關(guān)鍵糖酵解酶和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的抑制劑目前正在臨床前研究及臨床試驗(yàn)中單獨(dú)或與其他抗癌藥物聯(lián)合使用，其中包括GLUT1(WZB117)、己糖激酶II(2-DG，氯尼達(dá)明)、磷酸果糖激酶(3PO)、3-磷酸甘油醛脫氫酶(3-BP)和乳酸脫氫酶的抑制劑(FX11，草氨酸鹽)[8-10]。

1.2 氧化磷酸化

除了溫伯格效應(yīng)，腫瘤細(xì)胞也進(jìn)行其它能支持其生長的代謝途徑。氧化磷酸化的重要性在腫瘤代謝中一直被低估，有證據(jù)表明在多種腫瘤細(xì)胞系中，氧化磷酸化均能更有效率的生成ATP，例如乳腺癌細(xì)胞中80%的ATP是依賴氧化磷酸化的代謝產(chǎn)生的，這種依賴葡萄糖、脂肪酸或谷氨酰胺的氧化磷酸化產(chǎn)生ATP的腫瘤被稱為“氧化腫瘤”[11]。

1.3 不同類型腫瘤的代謝異質(zhì)性

癌細(xì)胞不同的代謝特征可以用來判斷組織來源[7]。事實(shí)上，肺、肝、結(jié)腸癌和白血病主要依賴糖酵解[11-16]；而淋巴瘤、黑色素瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤被認(rèn)為是氧化腫瘤。近來有證據(jù)表明，特定類型腫瘤中的不同亞型也可以采用不同的代謝策略。例如，三陰性乳腺癌(TNBC)通常進(jìn)行有氧糖酵解，而雌激素受體(ER)陽性的乳腺癌則依賴于氧化磷酸化[11，17-21]。研究表明糖酵解速率與TNBCs增殖指數(shù)呈正相關(guān)[18]，而激活氧化磷酸化代謝的TNBCs則可以抑制原發(fā)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移灶形成[19]。與大多數(shù)細(xì)胞不同，正常的前列腺上皮細(xì)胞高度依賴糖酵解代謝。在病變早期，前列腺癌細(xì)胞開始逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾囇趸姿峄拇x。然而前列腺癌細(xì)胞在癌癥進(jìn)程的晚期階段，由于對2-DG敏感而優(yōu)先進(jìn)行糖酵解代謝[11，22-25]。因此，前列腺癌細(xì)胞表現(xiàn)出一種混合代謝表型，即在疾病進(jìn)展的不同階段分別利用糖酵解和氧化磷酸化供應(yīng)能量[11]。

1.4 同種腫瘤的代謝異質(zhì)性

在原發(fā)腫瘤中，氧含量、pH值、葡萄糖的濃度以及其他的代謝產(chǎn)物能顯著影響代謝的異質(zhì)性，腫瘤細(xì)胞亞群針對不同的環(huán)境因素可以采用不同的代謝方式供能。缺氧是影響腫瘤細(xì)胞代謝狀態(tài)的主要因素，缺氧條件下缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性高從而促進(jìn)糖酵解。假定一種“兩艙”的代謝模型，其中富氧微環(huán)境的癌細(xì)胞與相鄰缺氧區(qū)的癌細(xì)胞之間存在一種共生關(guān)系。在這個模型中，腫瘤細(xì)胞的“糖酵解亞群”暴露于低氧環(huán)境時釋放乳酸作為副產(chǎn)物，為“富氧”癌細(xì)胞亞群氧化磷酸化代謝提供能源[26]。

1.5 癌細(xì)胞和基質(zhì)之間的代謝偶聯(lián)

代謝共生并不僅限于腫瘤細(xì)胞不同的亞群之間，也延伸到腫瘤與基質(zhì)間。基質(zhì)成分主要為腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(CAF)、自適應(yīng)與先天免疫細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的內(nèi)皮細(xì)胞，不同腫瘤中其成分構(gòu)成略有不同。癌細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞之間的雙向作用是通過各種可溶物質(zhì)和囊泡的分泌實(shí)現(xiàn)的，可以促進(jìn)腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移及出現(xiàn)抗治療反應(yīng)(例如耐藥和抗輻射)[27]。

表1 不同腫瘤優(yōu)先的代謝策略Table 1 Metabolic strategies that are prioritized by different cancers

2 反溫伯格效應(yīng)

2009年，Lisanti和他的同事們提出，腫瘤細(xì)胞能促進(jìn)周邊CAFS的溫伯格效應(yīng)，此過程被稱為反溫伯格效應(yīng)。CAF分泌能量豐富的代謝產(chǎn)物，如酮體、乳酸和丙酮酸，這些產(chǎn)物又被癌細(xì)胞攝取并在線粒體內(nèi)氧化產(chǎn)生能量。與腫瘤細(xì)胞不同，CAFS內(nèi)糖酵解增加與自身增殖升高并不相關(guān)，但卻有效的促進(jìn)腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移[28]。由CAFS分泌的乳酸誘導(dǎo)的局部微環(huán)境酸化，可以增強(qiáng)細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白降解，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞獲得耐藥性。

除了上述的CAFS，其他基質(zhì)細(xì)胞如脂肪細(xì)胞，通過分解釋放游離脂肪酸，這些游離脂肪酸通過β-氧化被癌細(xì)胞攝取用以維持腫瘤的生長。腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM)內(nèi)的能量代謝改變可導(dǎo)致這些炎性細(xì)胞出現(xiàn)明顯不同的功能。M1巨噬細(xì)胞(抗腫瘤)優(yōu)先參與糖酵解，然而M2巨噬細(xì)胞(促腫瘤)主要參與氧化磷酸化[29]。癌細(xì)胞也可通過抑制細(xì)胞毒性的腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞(TIL)利用葡萄糖從而鈍化抗腫瘤的T細(xì)胞反應(yīng)，通過饑餓TILS創(chuàng)造免疫抑制的環(huán)境，從而有利于腫瘤增長[30-31]。因此，癌細(xì)胞與基質(zhì)細(xì)胞間的代謝相互作用可以促進(jìn)腫瘤的生長，并維持其與轉(zhuǎn)移的微環(huán)境之間的共生關(guān)系。

3 轉(zhuǎn)移過程中的代謝可塑性

3.1 轉(zhuǎn)移過程中代謝的變化

可逆的上皮-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化(EMT)是一種提高癌細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移表型的機(jī)制。已經(jīng)證實(shí)，進(jìn)行EMT的乳腺腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出糖酵解的增強(qiáng)，并伴隨著合成代謝途徑的抑制。相比之下，從血液中分離的處于轉(zhuǎn)移過程中的腫瘤細(xì)胞與原發(fā)腫瘤或肺轉(zhuǎn)移灶的腫瘤細(xì)胞比較時，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)先進(jìn)行依賴氧化磷酸化，強(qiáng)化了癌細(xì)胞在轉(zhuǎn)移過程的各個不同階段的代謝可塑性的概念[32]。

3.2 為特定癌細(xì)胞代謝的模式選擇不同的轉(zhuǎn)移微環(huán)境

獲得了轉(zhuǎn)移潛能的乳腺癌細(xì)胞亞群表現(xiàn)出不同的代謝特點(diǎn)，成瘤但無轉(zhuǎn)移的乳腺癌細(xì)胞與正常乳腺上皮細(xì)胞相比，可以觀察到其向有氧糖酵解的轉(zhuǎn)變，獲得了轉(zhuǎn)移表型的細(xì)胞則進(jìn)一步向同時進(jìn)行糖酵解和氧化磷酸化的過程發(fā)展。增加的氧化磷酸化和線粒體代謝也被證明是轉(zhuǎn)移表型所需的[32]。高轉(zhuǎn)移性的乳腺癌細(xì)胞通過組合糖酵解與氧化磷酸化作為其提高轉(zhuǎn)移能力的代謝策略。已經(jīng)證明，轉(zhuǎn)移的乳腺癌細(xì)胞能根據(jù)轉(zhuǎn)移部位的不同而選擇不同的代謝方式。從骨或肺轉(zhuǎn)移灶中分離的乳腺癌細(xì)胞優(yōu)先進(jìn)行氧化磷酸化，而肝轉(zhuǎn)移灶的乳腺癌細(xì)胞優(yōu)先糖酵解。

4在特定的轉(zhuǎn)移微環(huán)境中腫瘤和基質(zhì)細(xì)胞的代謝方式

最先由Stephen Paget首先提出的“種子和土壤”假說，經(jīng)過后人的不斷探索及發(fā)展，可以理解為一旦轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞外滲到不同的組織，他們能否成功地定植和生長取決于他們應(yīng)對及影響新微環(huán)境的能力。因此，能否形成轉(zhuǎn)移灶主要取決于腫瘤細(xì)胞和其新微環(huán)境之間的相容性[33]。

4.1 擴(kuò)散的癌細(xì)胞對特定的轉(zhuǎn)移微環(huán)境的代謝適應(yīng)

以腦轉(zhuǎn)移瘤的研究為例，大腦對于葡萄糖的利用有獨(dú)特的代謝特點(diǎn)，如星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間的代謝偶聯(lián)，通常被稱為“乳酸穿梭”：星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的乳酸由神經(jīng)元攝取并作為氧化磷酸化的原料[1]。因此，作為乳酸穿梭的后果，葡萄糖的濃度會限制腦轉(zhuǎn)移瘤的生長。然而，腦組織間隙中含有高水平的谷氨酰胺和支鏈氨基酸，可作為替代能量底物為定植于大腦的轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞提供能量。腦轉(zhuǎn)移瘤也可能通過在三羧酸循環(huán)(TCA)中氧化醋酸以適應(yīng)有限的葡萄糖水平[34]。

最近的研究表明，轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌細(xì)胞能影響肝細(xì)胞衍生的代謝產(chǎn)物以使癌細(xì)胞成功的定植并形成肝轉(zhuǎn)移灶。已證實(shí)，轉(zhuǎn)移細(xì)胞釋放腦型肌酸激酶，使肝臟來源的肌酸生成磷酸肌酸，并隨后進(jìn)入轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌細(xì)胞內(nèi)生成ATP[35]。因此，癌細(xì)胞可利用微環(huán)境中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物以應(yīng)對在不同的轉(zhuǎn)移部位遇到的代謝應(yīng)激。

4.2 癌細(xì)胞對不同轉(zhuǎn)移部位的基質(zhì)細(xì)胞的代謝的影響

癌細(xì)胞不僅對轉(zhuǎn)移微環(huán)境有反應(yīng)，也能影響基質(zhì)細(xì)胞的代謝。腫瘤來源的外泌體來自內(nèi)吞途徑，代表著癌細(xì)胞及其微環(huán)境之間的通訊效應(yīng)。乳腺癌細(xì)胞的囊泡可以抑制轉(zhuǎn)移灶中的其他細(xì)胞對葡萄糖的攝取，包括肺成纖維細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，從而允許轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞優(yōu)先攝取葡萄糖。這些囊泡含有高水平的miR-122，可以通過下調(diào)糖酵解酶如丙酮酸激酶來抑制基質(zhì)細(xì)胞攝取葡萄糖[36]。這些發(fā)現(xiàn)表明，在腫瘤微環(huán)境中影響基質(zhì)細(xì)胞的代謝是癌細(xì)胞利于自身生長一個代謝適應(yīng)過程。

5 小結(jié)與展望

大量研究表明了癌細(xì)胞采取的代謝策略的多樣性，包括在腫瘤內(nèi)及腫瘤與基質(zhì)之間的代謝相互作用。除了有氧糖酵解，轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞還可以采取互補(bǔ)的代謝策略，如氧化磷酸化，以提高癌細(xì)胞的代謝靈活性，使其能夠應(yīng)對迅速變化的代謝需求和/或代謝條件。整個轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的過程中都需要代謝適應(yīng)，并且這一過程對于轉(zhuǎn)移的成功至關(guān)重要，根據(jù)轉(zhuǎn)移的部位不同，轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞有區(qū)別的采取不同的代謝策略以確保其存活。我們未來的挑戰(zhàn)是去更充分地了解腫瘤細(xì)胞是如何通過影響腫瘤微環(huán)境以最大限度地利用現(xiàn)有資源(如CAFs、巨噬細(xì)胞、脂肪細(xì)胞)來維持自己的生存和增殖的。理解轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞代謝適應(yīng)的機(jī)制，確定癌細(xì)胞和周圍的基質(zhì)之間的代謝依賴共生機(jī)制可能為轉(zhuǎn)移性疾病的治療提供新途徑。