膠質(zhì)瘤能量代謝與放射敏感度的研究進(jìn)展

牟福玲，鐘佳偉，孫鵬飛

0 引言

腦膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的原發(fā)性惡性腫瘤，而膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（glioblastoma,GBM）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中最具侵襲性的腫瘤，占所有原發(fā)性惡性腦腫瘤的47.1%[1-2]，其中位生存時(shí)間為12.1～14.6月[3]。目前，手術(shù)、放療和化療為主的綜合治療是腦膠質(zhì)瘤的標(biāo)準(zhǔn)治療策略，然而因腫瘤很難完全切除、放療和化療敏感度較低，膠質(zhì)瘤、尤其GBM的預(yù)后仍然較差[4]。放療作為腦膠質(zhì)瘤術(shù)后重要的輔助治療手段，但其療效并不理想。腫瘤生長侵襲過程中能量代謝的改變以及腫瘤微環(huán)境，尤其腫瘤組織的乏氧狀態(tài)是導(dǎo)致腫瘤異形性增加、易發(fā)生浸潤和轉(zhuǎn)移，以及導(dǎo)致放化療拮抗的重要因素。影響腫瘤放射敏感度的因素及其機(jī)制研究，以及放射增敏劑的研究已成為放射腫瘤學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。

1 膠質(zhì)瘤細(xì)胞能量代謝特征

膠質(zhì)瘤細(xì)胞需要獨(dú)特的生物學(xué)能量和生物合成，以支撐其快速和無限制地增殖。腫瘤微環(huán)境有限的血管生成不能維持腫瘤細(xì)胞增殖、生長的需要，同時(shí)微循環(huán)效力較差、供氧不足使得膠質(zhì)瘤細(xì)胞能量代謝發(fā)生改變-糖酵解能力增強(qiáng)，即使在有氧條件下也優(yōu)先利用糖酵解途經(jīng)供能，以支持膠質(zhì)瘤細(xì)胞的能量快速生成和生物大分子的高效合成，即沃伯格效應(yīng)（Warburg Effect）[5]。因此，膠質(zhì)瘤細(xì)胞的主要能量是通過高消耗葡萄糖并通過糖酵解將其轉(zhuǎn)化為乳酸而獲得，而非正常細(xì)胞所特有的線粒體氧化磷酸化供能；沃伯格效應(yīng)亦通過提供DNA和脂質(zhì)合成所需生物大分子，以促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的生物合成。此外，糖酵解供能形式也是膠質(zhì)瘤細(xì)胞在缺氧微環(huán)境中生存的一種適應(yīng)性反應(yīng)[6-7]。膠質(zhì)瘤細(xì)胞能量代謝方式的改變受到一系列基因的調(diào)控。因此，針對(duì)膠質(zhì)瘤細(xì)胞能量代謝途徑的研究是膠質(zhì)瘤靶向治療的新熱點(diǎn)。

2 缺氧微環(huán)境與膠質(zhì)瘤細(xì)胞能量代謝

腫瘤乏氧微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)特性密切相關(guān)：（1）缺氧導(dǎo)致線粒體產(chǎn)生大量的活性氧（reactive oxygen species,ROS），ROS能夠穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia inducible factor-1 alpha,HIF-1α），使其免于被迅速降解；（2）缺氧誘導(dǎo)HIF-1α過量表達(dá)可刺激下游多種與血管形成相關(guān)的因子表達(dá)，如血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）是目前腫瘤血管新生過程中活性和特異性最強(qiáng)的血管生長因子，同時(shí)也是HIF-1α調(diào)控的重要靶基因之一；（3）乏氧微環(huán)境使某些原癌基因激活或抑癌基因失活，如抑癌基因p53（protein 53）失活、B細(xì)胞淋巴瘤-2（B-cell lymphoma-2,Bcl-2）過表達(dá)等；（4）缺氧促進(jìn)腫瘤細(xì)胞能量代謝由線粒體氧化磷酸化向糖酵解途徑轉(zhuǎn)換，從而抑制線粒體氧化磷酸化，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡減少。

GBM的特征是腫瘤組織廣泛缺氧，甚至腫瘤鄰近腦組織的氧濃度亦明顯低于環(huán)境空氣氧濃度[8]。缺氧微環(huán)境與膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖、凋亡、侵襲、遷移、血管生成及耐藥性等密切相關(guān)[9]。惡性腫瘤細(xì)胞的物質(zhì)與能量代謝對(duì)葡萄糖的需求是正常體細(xì)胞的10～50倍[10]。正常細(xì)胞主要通過線粒體氧化磷酸化（oxidative phosphorylation,OXPHOS）產(chǎn)生腺苷5'-三磷酸（adenosine 5'-triphosphate,ATP）。而大多數(shù)惡性腫瘤細(xì)胞主要通過加速糖酵解產(chǎn)生能量，就一分子葡萄糖產(chǎn)生的ATP量而言，Warburg效應(yīng)與OXPHOS相比效率低。因此，膠質(zhì)瘤細(xì)胞在缺氧環(huán)境下，通過顯著促進(jìn)糖酵解途徑，來提供細(xì)胞生長所需的ATP。膠質(zhì)瘤細(xì)胞在糖酵解過程產(chǎn)生大量乳酸，其濃度高于正常組織20倍。乳酸在腫瘤微環(huán)境中的過度積累會(huì)導(dǎo)致淋巴樣細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞外環(huán)境之間的乳酸梯度破壞，T細(xì)胞不能再有效地輸出細(xì)胞內(nèi)乳酸，使得代謝過程中斷，進(jìn)而導(dǎo)致T細(xì)胞功能下降。乳酸作用于腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（Tumor-associated macrophages,TAMs），使其處于極化狀態(tài)，通過依賴于HIF-1α的機(jī)制提高了腫瘤的生長率。此外，過多的乳酸積累亦可促使膠質(zhì)瘤細(xì)胞能量代謝方式由糖酵解轉(zhuǎn)化為OXPHOS。有研究[11]表明在葡萄糖缺乏和乳酸酸中毒環(huán)境下，U251膠質(zhì)瘤細(xì)胞能量代謝途徑從糖酵解轉(zhuǎn)化為OXPHOS，以產(chǎn)生細(xì)胞增殖所需的ATP。這種能量代謝的雙重特性賦予膠質(zhì)瘤細(xì)胞適應(yīng)不斷變化的缺氧微環(huán)境。因此，改變能量代謝途徑以適應(yīng)特定的腫瘤微環(huán)境是膠質(zhì)瘤細(xì)胞的一個(gè)重要特征[11]。

3 免疫微環(huán)境與膠質(zhì)瘤能量代謝

能量代謝改變并非癌細(xì)胞所獨(dú)有，其能夠支持包括免疫細(xì)胞在內(nèi)的各種正常細(xì)胞的生物能量需求[12]。免疫系統(tǒng)是一個(gè)異質(zhì)性的細(xì)胞群體，通常情況下處于平衡狀態(tài)，但其可對(duì)炎性反應(yīng)迅速作出反應(yīng)。例如，樹突狀細(xì)胞的主要功能是通過在T細(xì)胞表面處理和呈遞抗原以啟動(dòng)T細(xì)胞反應(yīng)，通常氧化線粒體中的葡萄糖，并產(chǎn)生少量乳酸。T細(xì)胞激活后表現(xiàn)出廣泛而快速的增殖，其很大程度上依賴于糖酵解代謝的增強(qiáng)。此外，糖酵解代謝途徑的轉(zhuǎn)變亦發(fā)生于其他免疫細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞。葡萄糖代謝在啟動(dòng)有效免疫反應(yīng)中具有重要的作用，而GBM中糖酵解增強(qiáng)使得微環(huán)境葡萄糖耗竭，因此，免疫抑制是腫瘤代謝向有氧糖酵解轉(zhuǎn)變、葡萄糖耗竭的結(jié)果。另外，腫瘤組織中葡萄糖的快速利用和氧氣需求的增加會(huì)導(dǎo)致微環(huán)境缺氧，誘導(dǎo)HIF-1α和TGF-β的合成，從而進(jìn)一步抑制NK細(xì)胞，并激活免疫抑制T細(xì)胞。腫瘤細(xì)胞有氧糖酵解產(chǎn)生的乳酸累積亦有直接的免疫抑制作用，包括抑制單核細(xì)胞向樹突狀細(xì)胞分化、增加白介素-23等促腫瘤細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄和分泌，以及抑制T細(xì)胞免疫反應(yīng)[13]。

色氨酸2,3-雙加氧酶（tryptophan 2,3-dioxygenase,TDO）通過犬尿氨酸途徑催化色氨酸分解代謝，激活活化芳基的色氨酸代謝產(chǎn)生促腫瘤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，并抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)的碳?xì)浠衔锸荏w（aryl hydrocarbon receptor,AHR）。AHR和HIF-1α可通過膠質(zhì)瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞發(fā)揮作用，進(jìn)而協(xié)同調(diào)節(jié)GBM的惡性生長方式。色氨酸代謝在GBM中上調(diào)，其通過消耗必需氨基酸-色氨酸并產(chǎn)生免疫調(diào)節(jié)性色氨酸代謝產(chǎn)物，如犬尿氨酸（kynurenine,Kyn），以產(chǎn)生免疫抑制性微環(huán)境，從而抑制T細(xì)胞功能，并誘導(dǎo)其凋亡。有研究[14]表明GBM在缺氧環(huán)境下，通過HIF-1α調(diào)節(jié)TDO的表達(dá)，參與GBM的抗腫瘤免疫調(diào)節(jié)。富氧微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞可以利用TDO-Kyn-AHR軸來抑制免疫系統(tǒng)，而缺氧微環(huán)境下低氧可控制免疫系統(tǒng)，而腫瘤細(xì)胞以HIF-1α依賴性方式下調(diào)TDO的表達(dá)[15]。

4 膠質(zhì)瘤能量代謝影響放射敏感度的機(jī)制

4.1 Warburg效應(yīng)與膠質(zhì)瘤放射敏感度

所有有核細(xì)胞都具有感知和響應(yīng)氧濃度變化的能力，細(xì)胞對(duì)缺氧的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)主要由HIF介導(dǎo)[16]，HIF是由HIF-1α和HIF-1β兩個(gè)亞基組成的異二聚體轉(zhuǎn)錄子，其活性主要依賴于HIF-1α的表達(dá)水平。HIF-1α是調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞缺氧反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄因子，是缺氧細(xì)胞適應(yīng)性反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)劑，被確認(rèn)為是腫瘤細(xì)胞代謝重編程的重要參與者[17-18]。HIF-1α在常氧條件下與VHL-E3泛素連接酶（VHL-E3 ubiquitin ligase）結(jié)合泛素化后被降解，泛素C-末端水解酶-L1（Ubiquitin C-terminal hydrolase-L1,UCHL1）是泛素C-末端水解酶家族中的一員，可以將泛素從泛素前體蛋白移除。UCHL1在睪丸、卵巢和神經(jīng)細(xì)胞中呈高表達(dá)。此外，UCHL1在結(jié)腸癌、乳腺癌、子宮內(nèi)膜癌、肺癌[19]等惡性腫瘤中呈高表達(dá)。亦有研究[20]表明UCHL1是一種新型的HIF-1激活劑，它具有去泛素化酶的作用。UCHL1過表達(dá)后HIF-1α蛋白表達(dá)也顯著增加，有研究[21]證實(shí)UCHL1具有穩(wěn)定HIF-1α蛋白結(jié)構(gòu)的功能。UCHL1過表達(dá)狀態(tài)下葡萄糖代謝途徑中間代謝物的定量分析顯示：UCHL1基因誘導(dǎo)了從線粒體氧化磷酸化到糖酵解的葡萄糖代謝途徑的重編程過程，從而加速了糖酵解及其伴隨戊糖磷酸途徑的激活，導(dǎo)致煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和抗氧化劑還原型谷胱甘肽（GSH）的生成。該實(shí)驗(yàn)亦證實(shí)UCHL1過表達(dá)顯著增加了GSH水平，進(jìn)而誘導(dǎo)癌細(xì)胞的放射拮抗性。

4.2 轉(zhuǎn)酮酶與膠質(zhì)瘤放射敏感度

研究[22]表明無氧糖酵解及其伴隨的磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway,PPP）所產(chǎn)生的各種代謝物促進(jìn)了癌細(xì)胞惡性進(jìn)展，同時(shí)也降低了癌細(xì)胞對(duì)放化療的敏感度。轉(zhuǎn)酮醇酶（transketolase,TKT）是將PPP與糖酵解聯(lián)系起來的關(guān)鍵酶，TKT途徑亦參與了惡性腫瘤進(jìn)展和轉(zhuǎn)移。研究[23-25]表明轉(zhuǎn)酮酶樣蛋白1（transketolase-like 1,TKTL1）在多種腫瘤中呈高表達(dá)，如乳腺癌、結(jié)直腸癌、卵巢癌、前列腺癌和黑色素瘤等。此外，亦有研究[26]表明羥基硫胺（硫胺素拮抗劑）對(duì)TKT的抑制作用顯著降低了胰腺癌細(xì)胞的生長。腫瘤乏氧和HIF-1α亦誘導(dǎo)TKTL1的表達(dá)，采用shRNA敲低TKTL1基因后增加了細(xì)胞對(duì)葡萄糖的需求、降低了葡萄糖通過PPP代謝的通量，從而促進(jìn)了低氧條件下的細(xì)胞死亡；LNT-229膠質(zhì)瘤細(xì)胞經(jīng)X線照射后，TKTL1表達(dá)抑制，進(jìn)而導(dǎo)致ROS水平升高和克隆形成率降低[27]。因此，TKTL1高表達(dá)與膠質(zhì)瘤乏氧微環(huán)境和放療拮抗性密切相關(guān)。

4.3 CircRNAs與放射敏感度

環(huán)狀RNA（circular RNAs,CircRNAs）是一類內(nèi)源性RNA分子，具有共價(jià)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中大量表達(dá)[28]。CircRNAs通過多種方式發(fā)揮作用，例如作為競爭的內(nèi)源RNA或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，與RNA結(jié)合蛋白結(jié)合并被翻譯成蛋白的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑[29]。膠質(zhì)瘤中多個(gè)CircRNAs被鑒定為與癌癥發(fā)生、發(fā)展相關(guān)。CircHIPK3可通過胰島素樣生長因子2-mRNA結(jié)合蛋白3（IGF2BP3）的表達(dá)來促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖、侵襲及腫瘤生長[30]。HsA-CIRC-0014359可通過調(diào)節(jié)miR153/PI3K信號(hào)通路在膠質(zhì)瘤發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮作用[31]。CircPITX1也被命名為hsa-cic-0074026，通過miR1304/ERBB4軸促進(jìn)膠質(zhì)瘤的進(jìn)展，其被作為膠質(zhì)瘤的預(yù)后不良指標(biāo)[32]。

NIMA相關(guān)激酶2（NIMA-related kinase 2,NEK2）在多種人體腫瘤中表達(dá)上調(diào)，研究[33-34]顯示NEK2在膠質(zhì)瘤中呈高表達(dá)，且miR-128可通過靶向NEK2而調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤細(xì)胞凋亡。因此，NEK2與膠質(zhì)瘤的惡性生物學(xué)行為和較差的預(yù)后相關(guān)。研究亦證實(shí)[34]CircPITX1和NEK2在膠質(zhì)瘤組織和細(xì)胞株中均表達(dá)上調(diào)，而miR-329-3p可抑制其表達(dá)；CircPITX1敲除可抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞活性、糖酵解和克隆形成，而促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞放射敏感度，其可能機(jī)制為miR-329-3p通過靶向NEK2而增強(qiáng)對(duì)膠質(zhì)瘤細(xì)胞糖酵解和放射性拮抗的抑制效應(yīng)。此外，已證實(shí)miR-329-3p是CircPITX1的靶miRNA，miR-329-3p下調(diào)可逆轉(zhuǎn)CircPITX1基因敲除所介導(dǎo)的糖酵解抑制和放射抵抗性降低，而采用糖酵解抑制劑2-脫氧-d-葡萄糖（2-deoxy-dglucose,2-DG）可削弱CircPITX1對(duì)糖酵解的促進(jìn)作用[33]。該研究提示CircPITX1敲除通過miR-329-3p/NEK2軸降低糖酵解，進(jìn)而增加膠質(zhì)瘤的放射敏感度。

綜上所述，膠質(zhì)瘤能量代謝的改變影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展，促進(jìn)腫瘤的惡性表型，并影響膠質(zhì)瘤的放化療敏感度?，F(xiàn)有研究已表明膠質(zhì)瘤的能量代謝受一系列基因和信號(hào)通路的調(diào)控，然而其確切機(jī)制仍然不清，因此探尋膠質(zhì)瘤能量代謝調(diào)控通路與膠質(zhì)瘤放化療敏感度間的相關(guān)性，對(duì)于膠質(zhì)瘤的有效治療、改善預(yù)后具有重要意義。