二甲雙胍抗腫瘤機制研究進展

劉相良，朱梅開,2，蘆晉，楊帥，崔久嵬，李薇

(1 吉林大學第一醫(yī)院，長春130021；2 吉林大學臨床醫(yī)學院)

二甲雙胍為雙胍類半合成口服降糖藥，主要用于2型糖尿病(T2DM)，尤其是肥胖型患者，亦可用于胰島素治療的患者，以減少胰島素用量。統(tǒng)計學顯示，T2DM患者罹患惡性腫瘤的風險大大增加，與二者存在一些共同的危險因素有關。近些年，研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍能夠降低T2DM患者許多惡性腫瘤的發(fā)病風險，即二甲雙胍有獨立于降糖之外的抗癌效果，而這種作用往往是其他降糖藥物所不具備的。目前，關于二甲雙胍抗癌機制的研究越來越深入?，F(xiàn)對二甲雙胍抗腫瘤機制的研究進展綜述如下。

1 二甲雙胍對腫瘤細胞的直接作用

1.1 激活腺苷活化蛋白激酶(AMPK)抑制腫瘤細胞增殖 該途徑是二甲雙胍抗腫瘤作用的一種重要方式，其激活AMPK的途徑有直接和間接兩種，直接途徑為肝臟激酶B1(LKB1)-AMPK途徑。LKB1是腫瘤抑制基因，也是AMPK主要的上游激活劑。LKB1-AMPK信號通路可通過抑制蛋白質(zhì)的合成來抑制細胞的生長和增殖[1]，而在腫瘤細胞中此信號通路微弱甚至失活。研究表明，在多種惡性腫瘤中，二甲雙胍可通過LKB1基因來活化AMPK。線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所，有氧呼吸依靠線粒體上的線粒體呼吸鏈進行，線粒體呼吸酶復合物Ⅰ是這條鏈上的關鍵酶之一[2]。二甲雙胍通過抑制細胞線粒體呼吸酶復合物Ⅰ，減少ATP形成，導致AMP/ATP升高，從而激活細胞內(nèi)的AMPK。AMPK可通過與AMPK因子相關的多種途徑來發(fā)揮抗腫瘤作用：①AMPK可直接或間接抑制其下游的哺乳類動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)來影響細胞代謝過程。有研究表明，二甲雙胍可以抑制乳腺癌MCF-7細胞的翻譯起始過程,而該過程是激活AMPK后通過抑制mTOR來實現(xiàn)的[3]。②當細胞出現(xiàn)DNA損傷、癌基因激活、缺氧或細胞衰老等情況時，p53基因可對此作出應激反應來抑制細胞向腫瘤細胞發(fā)展。但是，在約50%腫瘤中p53基因處于失活狀態(tài)。AMPK可通過磷酸化p53的46位絲氨酸來促進其表達，進而發(fā)揮抗腫瘤作用。③炎性因子環(huán)氧氏酶2(COX-2)在多種腫瘤細胞中高表達，與腫瘤形成有關。最近研究發(fā)現(xiàn)，AMPK激活劑的使用可降低腫瘤細胞COX-2的表達，但具體機制尚不明確[4]。

1.2 調(diào)控胰島素/胰島素樣生長因子1(IGF-1)軸 胰島素和IGF-1是刺激細胞生存和有絲分裂的潛在生長因子，胰島素和IGF-1受體(IGF-1R)在乳腺癌、肝癌、結(jié)腸癌、胰腺癌和皮膚癌等腫瘤細胞中高表達。當IGF-1與IGF-1R結(jié)合后，可激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/AKT,形成IGF-1/PI3K/AKT通路[5]。該通路可激活MAPK/細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)信號通路，促進腫瘤細胞轉(zhuǎn)錄，而AKT是主要的抗凋亡調(diào)節(jié)器，在腫瘤細胞中可以促進糖酵解和葡萄糖吸收[6]。二甲雙胍通過促進葡萄糖攝取及利用，抑制葡萄糖生成，進而間接降低胰島素水平，胰島素減少會抑制IGF-1誘導的AKT磷酸化[7]。另有研究表明，二甲雙胍可以阻斷IGF-1R信號通路的反饋調(diào)節(jié),與IGF-1R抑制劑合用產(chǎn)生協(xié)同作用殺傷腫瘤細胞[8]

1.3 阻滯腫瘤細胞周期以及誘導細胞凋亡 細胞周期是指細胞從一次分裂完成開始到下一次分裂結(jié)束所經(jīng)歷的全過程，依次包括間期(G1期、S期、G2期)和分裂期(M期)。許多化療藥物都是通過阻滯細胞周期發(fā)揮抗癌作用，如抗葉酸類、抗嘌呤類、抗嘧啶類。二甲雙胍可活化抑癌基因p53的絲氨酸位點及其下游的p21靶點，從而阻遏了Cyclin D與細胞周期分裂蛋白CDK4/6結(jié)合，Cyclin D1蛋白水平受到影響將會抑制癌基因PRB表達，導致轉(zhuǎn)錄受阻[9]。Rattan等[10]對卵巢癌的研究表明，二甲雙胍可減少與G0/G1期相關的Cyclin D1表達，細胞周期調(diào)節(jié)因子p21表達增加，從而使滯留在G1期的卵巢癌細胞數(shù)增加，而進入S期的細胞數(shù)減少。但是，最近Yasmeen等[11]發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍引起卵巢癌細胞株停滯在S期和G2/M期，G0/G1期細胞數(shù)反而減少，可能與細胞膜上決定二甲雙胍吸收、分布的有機陽離子轉(zhuǎn)運體(OCT1)基因存在多態(tài)性有關。在結(jié)直腸腫瘤的研究中，Liang等[12]發(fā)現(xiàn)，細胞周期調(diào)控因子p27Kip1在調(diào)節(jié)細胞進程中發(fā)揮重要作用，其高表達導致細胞周期停滯，低表達或不表達導致細胞凋亡；二甲雙胍可通過AMPK介導p27Kip1磷酸化，促進p27Kip1穩(wěn)定，在營養(yǎng)匱乏的環(huán)境下發(fā)生自噬。Tanaka等[13]對胰腺癌的研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過抑制致癌性微小RNA-221的表達，進而增加p27的表達，使細胞周期停滯于G1期，從而抑制腫瘤細胞增殖。二甲雙胍不僅有抗腫瘤細胞增殖作用，還能促進細胞凋亡。李軍麗[14]研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可以促進子宮內(nèi)膜癌細胞自發(fā)的啟動凋亡程序，形成凋亡小體，最終導致細胞凋亡。在胰腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可通過一系列反應促使p53蛋白的乙?；头€(wěn)定性，p21蛋白和Bax蛋白增加[15]，從而使線粒體膜通透性增加，細胞色素C釋放入胞質(zhì)，結(jié)合凋亡蛋白酶激活因子1，激活Caspase-3，促使腫瘤細胞凋亡。此外，二甲雙胍可以增加PARP裂解的數(shù)量，即通過上調(diào)凋亡蛋白促進細胞凋亡[16]

1.4 調(diào)節(jié)能量代謝平衡抑制腫瘤 根據(jù)瓦博格效應，即使在有氧狀態(tài)下，腫瘤細胞也會優(yōu)先進行糖酵解。糖酵解消耗更多葡萄糖，但產(chǎn)生的ATP數(shù)量比較少，故腫瘤細胞往往需要攝取更多的葡萄糖才能維持其正常的生存。胰島素在腫瘤細胞攝取葡萄糖的過程中起了重要作用，并對腫瘤細胞的分裂具有一定的刺激作用。腫瘤細胞對葡萄糖的大量攝取直接影響了正常組織細胞的能量需求，進而導致正常細胞的代謝障礙，而這又反過來為腫瘤細胞的生長提供了合適的微環(huán)境。所以，腫瘤細胞異常代謝所引起的一系列后果與腫瘤細胞的生長兩者互為因果，形成惡性循環(huán)。

二甲雙胍可抑制肝臟糖異生關鍵基因的轉(zhuǎn)錄并促進骨骼肌攝取葡萄糖，進而降低空腹血糖和胰島素水平；此外，二甲雙胍可以增加T2DM患者胰島素受體對胰島素的親和力，減輕高胰島素血癥并改善胰島素抵抗，促進正常細胞攝取葡萄糖，從而使腫瘤細胞攝取的葡萄糖相對減少，抑制其能量代謝[17]。二甲雙胍自身也可促進葡萄糖進入細胞內(nèi)，這雖然會在短時間內(nèi)增加部分患者腫瘤細胞的糖酵解，甚至造成乳酸中毒；但從長期看，體內(nèi)血糖降低可減少腫瘤細胞的能量來源，過量的乳酸亦可反過來抑制腫瘤細胞的糖酵解過程，抑制腫瘤細胞能量代謝。

線粒體作為產(chǎn)生ATP的主要細胞器，對細胞的能量供應起著巨大作用。Ota等[18]研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可通過抑制線粒體Ⅰ的活性，從而降低腫瘤細胞內(nèi)氧化磷酸化水平減少ATP的生成，另外還可降低糖酵解過程的關鍵酶葡萄糖-6-磷酸酶表達，從而抑制該過程。線粒體產(chǎn)生活性氧可促進IL-6的釋放，而IL-6信號在腫瘤細胞中具有極強的潛能來促進腫瘤的生長、發(fā)展。最新研究表明，二甲雙胍阻礙線粒體電子鏈，抑制了活性氧的產(chǎn)生，使得鈣釋放激活通道(CARC)無法發(fā)揮作用，從而阻斷IL-6的釋放[19]。另有實驗表明[20]，二甲雙胍可使FTC-133 OCR值、ATP產(chǎn)生量、基礎呼吸量、最大呼吸量等反應線粒體呼吸的指標下降，且呈劑量依賴性。

2 二甲雙胍對腫瘤細胞的間接作用

2.1 免疫激活作用 在人體免疫系統(tǒng)中CD8+腫瘤浸潤T淋巴細胞(TILs)是一種特殊的腫瘤攻擊性免疫細胞，其存在的數(shù)量與患者生存率增高密切相關。程序性細胞死亡蛋白1(PD-1)可抑制T細胞增殖和干擾素γ(IFN-γ)、TNF-α和IL-2的產(chǎn)生，并降低T細胞存活率。PD-1及其配體(PD-L1)是T細胞耗竭過程中最主要的抑制性受體。最近的一項研究表明，二甲雙胍進入腫瘤細胞后激活AMPK，AMPK導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中PD-L1蛋白前體195號位上的絲氨酸(S195)磷酸化，進而導致PD-L1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中不能正確的糖基化而滯留并最終被降解[21]，從而阻止TILs凋亡，防止TILs的免疫耗盡。

近期研究發(fā)現(xiàn)，胰島素可促進T細胞在免疫器官中的增殖和分裂，還可促進其分泌炎性因子IFN-γ和IL-2，這兩種因子均有抗腫瘤的作用[22]；而T2DM患者由于存在胰島素抵抗，減弱了T細胞的功能。二甲雙胍可改善患者體內(nèi)的胰島素抵抗現(xiàn)象，促進了T淋巴細胞分裂增殖，并釋放抗癌因子對抗腫瘤。

2.2 調(diào)節(jié)腸道菌群 Sivan等[23]認為，雙歧桿菌是與腫瘤微環(huán)境中活性特異性抗原T細胞積累有明顯關聯(lián)的惟一關鍵菌群，該菌能通過與漫游的樹突狀細胞相互作用觸發(fā)免疫反應，激活腫瘤殺傷性T細胞，而在糖尿病患者腸道中雙歧桿菌數(shù)量明顯減少。研究表明，糖尿病患者接受二甲雙胍治療后，其腸道細菌組成及功能均發(fā)生改變，細菌(如AKK菌)生成某些類型短鏈脂肪酸(SCFAs)的能力增強。在對抗腫瘤細胞的過程中，SCFAs充當兩種G蛋白偶聯(lián)受體(GPR41，GPR43)的配體。AKK菌產(chǎn)生丙酸鹽，通過GPR43抑制組蛋白脫乙酰基酶(HDACs)活性，從而誘導組蛋白高度乙酰化，并進一步刺激細胞周期抑制劑p21上調(diào)，減少某些細胞凋亡抑制蛋白家族成員及其Caspase下調(diào)，最終誘導腫瘤細胞凋亡。

2.3 抑制腫瘤細胞遷移及轉(zhuǎn)移 上皮細胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)是導致腫瘤細胞遷移的重要原因之一,IL-6可促進肺癌細胞發(fā)生EMT，而二甲雙胍可阻斷IL-6來抑制肺癌細胞EMT的發(fā)生。賀天虎等[24]對子宮內(nèi)膜癌的研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度或長時間的二甲雙胍處理能抑制子宮內(nèi)膜癌細胞的遷移能力，且呈劑量時間依賴性。二甲雙胍還通過Ca2+-依賴的蛋白激酶Cα(PKCα)/ERK和C-Jun氨基端激酶/激活蛋白1(JNK/AP-1)信號通路來抑制佛波醇-12-豆蔻酸-13-醋酸鹽(PMA)誘導的人纖維肉瘤細胞的遷移和侵襲[25]。

2.4 與各類抗腫瘤藥物協(xié)同作用

2.4.1 與靶向藥物聯(lián)合作用 Alimova等[26]研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍抑制HER2陽性乳腺癌細胞株增殖，且產(chǎn)生的部分克隆細胞生長周期停滯于G1檢測點。這說明二甲雙胍通過誘導乳腺癌細胞分裂從G0期進入S期，但阻止細胞分裂從S期進入G1期，將HER2陽性胃癌細胞阻滯于細胞分裂S期，增大其對曲妥珠單抗及其他化療藥物的敏感性。而且，有研究顯示曲妥珠單抗聯(lián)合二甲雙胍作用的體外細胞Cyclin D1、PI3K、mTOR表達量低于單純曲妥珠單抗[27]，說明二甲雙胍聯(lián)合曲妥珠單抗可更好地發(fā)揮抗腫瘤作用。另外，有實驗表明二甲雙胍可延緩靶向藥耐藥，如吉非替尼聯(lián)合二甲雙胍可對EGFR-TKIs原發(fā)性耐藥非小細胞肺癌細胞的耐藥性有抑制作用，其機制為激活線粒體凋亡途徑及逆轉(zhuǎn)EMT發(fā)生[28]。

2.4.2 提升免疫治療類藥物的療效 在腫瘤的免疫治療中，將55例晚期惡性黑色素瘤并接受PD-1抗體治療者分為A組33例、B組22例，B組治療期間至少使用二甲雙胍1周以上。結(jié)果顯示，B組有效率、控制率更高，無疾病進展生存時間、總生存時間更長；生存上的優(yōu)勢，隨著時間的推移兩組差距不斷拉大，第3年兩組生存率差3.5倍。這表明二甲雙胍可以增強PD-1抗體的療效，進而導致PD-L1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中不能正確的糖基化，使其滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中被降解，使更多的PD-1無法結(jié)合到PD-L1上而被PD-1抗體消除，提高PD-1抗體的療效。此外，將二甲雙胍與細胞毒T淋巴細胞相關抗原4(CTLA-4)抑制劑聯(lián)用，也取得了更好的抗腫瘤效果[21]

2.4.3 增強化療藥物的作用 Duan等[29]研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過直接激活AMPK可減少胰腺癌CFPAC-1細胞中致纖維化細胞因子表達，從而增加吉西他濱對胰腺癌的療效。Nangia-Makker等[30]發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍與5氟尿嘧啶和奧沙利鉑聯(lián)合治療結(jié)直腸癌細胞有協(xié)同作用，其可以抑制結(jié)腸癌球體的形成，并加強其裂解。由此可見，二甲雙胍可以通過多種途徑來提升化療藥物的療效。

綜上所述，二甲雙胍作為治療T2DM的一線藥物，除可有效降低血糖外，還可通過激活AMPK等途徑引起一系列系效應，抑制腫瘤細胞增殖，誘導細胞凋亡；此外，二甲雙胍可配合多種化療藥物對腫瘤進行治療，以提高藥物的療效，具有廣闊的應用價值。但是，目前對于二甲雙胍抗腫瘤的研究也存在一定局限，一方面其實驗模型往往只是T2DM患者，另一方面其抗腫瘤的許多機制還有待研究。所以，今后還需進行大量的臨床試驗以及深入的基礎研究，為腫瘤患者的治療提供更多理論依據(jù)。