腫瘤能量代謝異常及其中醫(yī)治療研究

龐皓玥， 胡凱文， 周天

1.北京中醫(yī)藥大學(xué)，北京 100029；2.北京中醫(yī)藥大學(xué)東方醫(yī)院，北京 100078

能量代謝異常是腫瘤細(xì)胞重要的生物學(xué)特性，其幾乎參加了腫瘤細(xì)胞從增殖、轉(zhuǎn)移到凋亡的全部生理過程。1920 年以來，德國科學(xué)家Otto Warburg發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞在有氧條件下，相較于正常細(xì)胞，其糖酵解代謝途徑增強(qiáng)，并認(rèn)為是線粒體損傷的結(jié)果[1]。近十年來證實(shí)，這種代謝模式更好地為腫瘤細(xì)胞提供了物質(zhì)與能量支持，并使其能夠在缺氧微環(huán)境生存，是腫瘤細(xì)胞的能量代謝重編程，而開啟了腫瘤生物學(xué)特征研究的新紀(jì)元[2]。中醫(yī)藥作為腫瘤臨床治療的重要組成部分，其機(jī)制研究對臨床腫瘤治療的發(fā)展具有重要意義。近年來，關(guān)于中藥影響細(xì)胞代謝的研究取得了一定進(jìn)展，本文將就腫瘤細(xì)胞能量代謝重編程的特點(diǎn)及中醫(yī)藥治療對其產(chǎn)生影響的可能機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 腫瘤細(xì)胞的能量代謝異常

在漫長的生命進(jìn)化過程中，細(xì)胞主要發(fā)展出了兩種能量獲取途徑，分別是氧化磷酸化與糖酵解。正常細(xì)胞通過有氧代謝途徑，以氧化磷酸化的代謝模式完全氧化葡萄糖，而腫瘤細(xì)胞在有氧條件下，仍偏向用糖酵解途徑產(chǎn)生能量，這種現(xiàn)象被稱為有氧糖酵解或Warburg 效應(yīng)[3]。然而，現(xiàn)代研究認(rèn)為，這是腫瘤細(xì)胞在營養(yǎng)物質(zhì)有限及缺氧的條件下，為滿足自身增殖需求而進(jìn)行的戰(zhàn)略性選擇[4]。這些研究成果也改變了醫(yī)學(xué)界對待腫瘤能量代謝模式的態(tài)度，從而產(chǎn)生了將能量代謝途徑有效靶點(diǎn)作為臨床控制腫瘤的新研究方向。

1.1 能量代謝異常與腫瘤發(fā)生發(fā)展

1.1.1 有氧糖酵解是腫瘤能量代謝異常的典型表現(xiàn)

腫瘤細(xì)胞仍采取氧化磷酸化與糖酵解共存的能量代謝模式。然而相較于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞在有氧條件下也使用糖酵解途徑供能，其對腫瘤細(xì)胞總ATP 的貢獻(xiàn)最多可達(dá)50%～60%[5]。有研究顯示，lncRNA CYTOR 通過下調(diào)miR-125b-5p，來上調(diào)HK2 表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)宮頸癌細(xì)胞有氧糖酵解活性，從而促進(jìn)宮頸癌的惡性表型[6]。另有研究表明，亞砷酸鹽能夠引起糖酵解相關(guān)基因高表達(dá)，誘導(dǎo)Warbug 效應(yīng)的發(fā)生與乳酸分泌增加，最終促進(jìn)肝細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化引起肝癌[7]。這說明了有氧糖酵解在腫瘤細(xì)胞生理活動中具有重要地位，極有可能是腫瘤細(xì)胞發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.1.2 腫瘤能量代謝模式為其生長提供能量與物質(zhì)基礎(chǔ)

研究發(fā)現(xiàn)，正常組織會限制營養(yǎng)供應(yīng)以防止細(xì)胞過度生長，而無限增殖的細(xì)胞可以不斷攝取營養(yǎng)物質(zhì)[8，9]。因此，腫瘤細(xì)胞即使采用較低效的能量代謝途徑，也可獲得充足的能量供應(yīng)。同時，糖酵解過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物大部分被用于合成腫瘤細(xì)胞生長增殖所必需的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等大分子物質(zhì)[10]。糖酵解代謝積累的中間產(chǎn)物，通過磷酸戊糖途徑，產(chǎn)生還原型輔酶（nicotinamide adenine dinucleotied phosphate，NADPH）與核糖-5-磷酸（ribose-5-phosphate，R5P），R5P 能夠補(bǔ)充核酸與脂質(zhì)的生物合成，而NADPH 作為電子供體參與脂質(zhì)合成、核苷酸代謝并減少活性氧水平過高帶來的損傷[11]。因此，有氧糖酵解不僅更好地滿足腫瘤細(xì)胞迅速生長的能量需求，且能量代謝過程副產(chǎn)物為腫瘤生長提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.1.3 腫瘤能量代謝與周圍環(huán)境產(chǎn)生相互影響

腫瘤細(xì)胞極活躍地代謝活動，造成了周圍環(huán)境的低氧狀態(tài)，而這種缺氧環(huán)境也增強(qiáng)了腫瘤糖酵解的過程。腫瘤細(xì)胞激活缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α以適應(yīng)乏氧環(huán)境，而HIF-1α 通過與靶基因上的DNA 結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，誘導(dǎo)糖酵解酶類基因的表達(dá)，增加糖酵解過程[12]。腫瘤細(xì)胞還可以將胞內(nèi)糖酵解過程產(chǎn)生的大量乳酸泵出胞外，最終表現(xiàn)為胞外酸性，胞內(nèi)中性至堿性的離子梯度[13]。這種乏氧酸性環(huán)境的產(chǎn)生，也更加有利于癌細(xì)胞的生存。研究顯示，缺氧可以誘導(dǎo)腫瘤的異質(zhì)性，增加基因高甲基化，促進(jìn)非正常血管的生成，并抑制腫瘤周圍免疫功能，而酸性pH值可以通過降低腫瘤細(xì)胞對化療藥物的攝取降低化療效果[14-21]，影響抗癌藥物的療效。因此，有氧糖酵解不僅在腫瘤細(xì)胞與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)中起到重要作用，也是使腫瘤細(xì)胞能夠從中獲益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2 腫瘤能量代謝異常與線粒體損傷

腫瘤細(xì)胞線粒體普遍存在著線粒體DNA 突變、酶功能異常、膜通透性改變、活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成增加等損傷，線粒體的功能障礙限制了丙酮酸的進(jìn)入，而使更多的丙酮酸在胞質(zhì)內(nèi)通過糖酵解途徑釋放能量。丙酮酸與呼吸鏈解偶聯(lián)后，使三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物恰好成為合成代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)[22]。氧化應(yīng)激反應(yīng)也是線粒體功能損傷的重要表現(xiàn)。研究顯示，線粒體Ca2+上調(diào)促進(jìn)ROS 生成并激活HIF-1α 信號通路，有助于腫瘤生長與轉(zhuǎn)移[23]等。還有部分研究顯示，低水平ROS有利于腫瘤的發(fā)生發(fā)展，Warburg效應(yīng)能夠限制丙酮酸進(jìn)入線粒體氧化代謝，避免產(chǎn)生過量ROS，從而使癌細(xì)胞獲得失巢抗性和轉(zhuǎn)移的生存優(yōu)勢[24]。腫瘤細(xì)胞線粒體的損傷不僅影響了腫瘤細(xì)胞的能量代謝途徑，還參與了細(xì)胞骨架重排和信號通路調(diào)控，有利于細(xì)胞遷移、侵襲和抗凋亡等生物行為[25]，從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

2 中醫(yī)藥治療研究進(jìn)展

中醫(yī)藥在惡性腫瘤的治療領(lǐng)域有著悠久的歷史，對于其作用機(jī)制的研究也是近年來的研究熱點(diǎn)。結(jié)合腫瘤能量代謝重編程的生物學(xué)特性，目前已有研究證實(shí)主要有以下幾種治法的抗腫瘤作用相關(guān)機(jī)制。

2.1 健脾益氣

由于惡性腫瘤在快速生長的過程中，常過度消耗機(jī)體內(nèi)營養(yǎng)和能量，使腫瘤患者常有氣血不足，正虛不固等表現(xiàn)，故而臨床常用健脾益氣等藥物固護(hù)人體正氣，以抵抗腫瘤的生長侵襲。研究發(fā)現(xiàn)，健脾益氣藥通過調(diào)節(jié)線粒體功能和腫瘤能量代謝以發(fā)揮抗癌作用，如參芪扶正注射液能夠協(xié)同阿霉素誘導(dǎo)肺癌耐藥細(xì)胞內(nèi)ROS 合成增加，線粒體Ca2+-ATP酶活性下降，造成細(xì)胞鈣超載，激活凋亡基因Caspase，啟動凋亡偶聯(lián)反應(yīng)，從而抑制腫瘤生長[26]。扶正清解方可通過下調(diào)Bcl-2的表達(dá)、上調(diào)Bax 的表達(dá)，使二者作用于線粒體膜，使得線粒體膜電位下降，進(jìn)一步使得線粒體膜通透性改變，釋放促凋亡因子，啟動Caspase 級聯(lián)反應(yīng)，并活化Caspase-9，進(jìn)一步活化Caspase-3使得細(xì)胞DNA 降解而最終發(fā)生凋亡[27]。黃芪顆粒可以抑制肝癌細(xì)胞H22 荷瘤小鼠化療后糖酵解相關(guān)磷酸甘油酸激酶1（phosphoglycerate kinase 1，PGK1）表達(dá)，進(jìn)而抑制有氧糖酵解和腫瘤發(fā)展[28]。

2.2 活血化瘀

血瘀證是癌癥患者的常見證型，且現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也發(fā)現(xiàn)這些患者存在血液高凝狀態(tài)[29]。研究顯示，在應(yīng)用活血組方后非小細(xì)胞肺癌患者FIB、GMP-140明顯下降，血液高凝狀態(tài)得到改善，從而最終延長總生存率[30]。局部氣血瘀滯，則血脈不通，氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)缺乏，這與腫瘤缺氧微環(huán)境的形成相似。實(shí)驗(yàn)表明，活血化瘀藥通過抑制缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α表達(dá)，控制腫瘤的生長轉(zhuǎn)移。如低劑量川芎可能通過抑制HIF-1α蛋白表達(dá)，從而抑制腫瘤干細(xì)胞的增殖及轉(zhuǎn)移[31]。丹參可以增加缺氧細(xì)胞的氧分壓從而抑制HIF-1α表達(dá)以阻止腫瘤血管的生成和腫瘤細(xì)胞的增殖[32]。健脾化瘀方治療脾虛瘀毒型腸癌患者的研究顯示，其可能抑制PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α 介導(dǎo)的糖酵解信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，下調(diào)乳酸脫氫酶活性、葡萄糖含量及糖酵解相關(guān)蛋白表達(dá)，從而發(fā)揮抗腫瘤作用[33]。

此外，研究表明，一些破血逐瘀藥可以通過抑制癌細(xì)胞有氧糖酵解，破壞其能量供應(yīng)模式，以降低腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移的能力。斑蝥素可抑制丙酮酸激酶的活性，進(jìn)一步阻斷了丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2，PKM2）在細(xì)胞核的易位，打破葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1與PKM2形成的代謝環(huán)，導(dǎo)致有氧糖酵解轉(zhuǎn)化為氧化代謝，進(jìn)而逆轉(zhuǎn)乳腺癌的轉(zhuǎn)移[34]。莪術(shù)的有效成分β-欖香烯可以增強(qiáng)非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞中腺苷磷酸蛋白激酶α（adenosine phosphate protein kinase，AMPK）的表達(dá)，抑制葡萄糖水平、乳酸水平和代謝相關(guān)酶如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、己糖激酶1 和乳酸脫氫酶A 的表達(dá)水平，減弱細(xì)胞的有氧糖酵解[35]。還有研究發(fā)現(xiàn)β-欖香烯可以通過抑制有氧糖酵解以抑制乳腺癌的轉(zhuǎn)移[36]。

2.3 清熱解毒

清熱解毒是腫瘤的常用治法，其主要針對由腫瘤組織快速生長而引起的局部紅腫熱痛等表現(xiàn)，降低腫瘤活性及周圍炎癥反應(yīng)，抑制腫瘤的生長。如陜重樓乙酸乙酯提取物可通過降低bc1-2/Bax比值，在線粒體途徑促進(jìn)細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮協(xié)同作用，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡[37]。大黃酸可誘導(dǎo)HepG2 細(xì)胞的線粒體膨脹及Ca2+釋放，導(dǎo)致線粒體跨膜電位去極化以及ATP 合成下降。其次，大黃酸可促進(jìn)HepG2 細(xì)胞中Cyto-C 的釋放以及Caspase-3 的激活，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡[38]。雷公藤紅素抑制胃癌細(xì)胞BGC-823 增殖的研究顯示，其作用可能與抑制細(xì)胞有氧糖酵解有關(guān)[39]。蟾酥及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物能夠激活能量代謝調(diào)控激酶AMPK，在糖酵解水平及改變線粒體功能方面，對肺癌A549細(xì)胞產(chǎn)生殺傷作用[40]。綜上可知，清熱解毒類藥物可以通過線粒體途徑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡，并影響癌細(xì)胞的能量合成，抑制腫瘤細(xì)胞的快速增殖。

3 結(jié)論

腫瘤細(xì)胞能量代謝異常的典型表現(xiàn)即為Warburg效應(yīng)，這種能量代謝模式后來被證實(shí)可以更好地保障腫瘤細(xì)胞的能量代謝需求，在為腫瘤細(xì)胞生長提供物質(zhì)基礎(chǔ)、幫助腫瘤細(xì)胞適應(yīng)周圍環(huán)境、及促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移等方面發(fā)揮重要作用。目前認(rèn)為，Warburg效應(yīng)不能夠完全代表腫瘤細(xì)胞的能量代謝模式，腫瘤細(xì)胞通過基因改變，選擇并設(shè)計(jì)了一套適合其生長的新模式，即能量代謝重編程。盡管能量代謝重編程在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用途徑及機(jī)制尚未完全闡明，但是其為臨床開發(fā)治療腫瘤的新手段提供了思路，如針對線粒體靶向治療的研究，成為改善腫瘤能量代謝途徑的重要方式。中醫(yī)藥作為一種腫瘤的全身治療方法，其對腫瘤局部環(huán)境具有重要的調(diào)節(jié)作用。而我們也發(fā)現(xiàn)了健脾益氣、活血化瘀及清熱解毒等常用治法均對能量代謝途徑產(chǎn)生影響，由此可見，中醫(yī)藥可以控制腫瘤及與周圍環(huán)境的相互作用，更全面地抑制腫瘤的生長轉(zhuǎn)移。期待未來有更多對中藥干預(yù)后腫瘤細(xì)胞能量代謝變化的系統(tǒng)性研究，從而揭示中藥抗癌的作用機(jī)制，更好地指導(dǎo)臨床應(yīng)用。