以異常能量代謝為靶點治療惡性腫瘤的研究進展

劉小軍（綜述） 趙 達（審校）

（蘭州大學第一醫院腫瘤內科 蘭州 730000）

充足的能量和營養供應是癌細胞得以無限增殖、進而浸潤和轉移的前提。癌細胞的糖、脂肪和蛋白質代謝都存在一定程度的異常改變，尤以糖代謝異常為主要特征。惡性腫瘤對葡萄糖的利用和攝取增多，這種特性被應用于癌癥患者的正電子發射體層掃描檢查中。早在20世紀20年代，Warburg等［1］就已發現即使在有氧環境下，癌細胞優先進行糖酵解，稱之為“有氧糖酵解（aerobic glycolysis）”，亦稱為“Warberg效應”。

癌細胞可通過多種方式實現這種能量代謝的轉變，如癌細胞膜葡萄糖轉運蛋白的活性增強、糖酵解關鍵酶活性增強。原癌基因的異常活化或抑癌基因的失活往往是這種轉變的始動因素。癌組織中普遍存在的缺氧微環境會進一步增加這些基因和酶的活性。近年來，以異常能量代謝過程中的載體或酶為靶點對各種惡性腫瘤進行的體內、外治療研究取得了積極進展，分述如下。

以糖酵解關鍵酶或載體為靶點

以葡萄糖轉運載體為靶點 研究表明，癌細胞葡萄糖的攝取增加，而葡萄糖轉運體－1（glucose transport 1，GluT－1）在癌細胞葡萄糖轉運和代謝中扮演著重要角色［2］。GluT－1在多種腫瘤中呈高表達，并且與不良預后相關［3－4］。Amann等［5－6］研究發現，GluT－1在肝癌組織和肝癌細胞系均呈高表達，并與分期晚、分化差、Ki－67標記指數高等因素相關，運用RNA干擾技術沉默GluT－1基因后肝癌細胞的生長增殖及黏附能力下降；并導致葡萄糖攝取和乳酸生成減少；缺氧可通過缺氧誘導因子－1α上調GluT－1的表達。因此認為GluT－1有望成為肝癌新的治療靶標。Liu等［7］應用針對GluT－1的反義寡核苷酸對HepG－2細胞進行轉染，發現癌細胞GluT－1mRNA和蛋白含量減少，葡萄糖攝取減少。

以乳酸脫氫酶－A為靶點 乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）催化乳酸脫氫生成丙酮酸，是糖酵解關鍵酶之一，幾乎存在于所有組織細胞中。乳酸脫氫酶存在5種同工酶，其中LDH－A與惡性腫瘤關系密切。LDH－A的抑制劑有草氨酸、二氯乙酸及丙醇二酸等。

Fiume等［8］研究發現，使用LDH－A抑制劑草氨酸和丙醇二酸可抑制人肝癌細胞HepG2及PLC／PRF／5的生長，通過減少癌細胞ATP水平而增加化療藥物的敏感性，同時不影響正常細胞的糖代謝。Fiume等［9］另外研究還發現，使用 LDH－A抑制劑草氨酸可增加體外培養PLC／PRF／5細胞對酪氨酸激酶抑制劑，如索拉非尼、舒尼替尼及伊馬替尼的敏感性；草氨酸不影響正常細胞三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）的合成，再次證明正常細胞不依賴于有氧糖酵解產生能量，所以阻斷LDH不影響正常細胞的代謝。

Xie等［10］研究發現，遺傳性平滑肌瘤和腎癌LDH－A表達增高，而這兩種腫瘤的發生均為延胡索酸水合酶缺失所致，使用LDH－A抑制劑可誘導癌細胞凋亡，在FH缺失情況下敲除LDH－A基因可使相應裸鼠移植腫瘤的生長減慢。

以己糖激酶－2為靶點 己糖激酶（hexokinase，HK）催化己糖的磷酸化反應，存在2種同工酶——HK－1和HK－2。3－溴丙酮酸是丙酮酸的類似物，傳統認為可抑制HK－2活性、抑制糖酵解，對線粒體氧化磷酸化也具有抑制作用，具體作用機制不詳［11］。也有報道認為3－溴丙酮酸不是HK－2的抑制劑，而是3－磷酸甘油醛脫氫酶的抑制劑。

3－溴丙酮酸具有烷化作用，在體內具有強大的抗腫瘤效應。Pereira等［12］的研究則表明，3－溴丙酮酸對肝癌細胞的琥珀酸脫氫酶和糖酵解都具有抑制作用，繼而抑制葡萄糖的氧化磷酸化，誘導癌細胞死亡。

以丙酮酸脫氫酶激酶為靶點 丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）具有調節線粒體丙酮酸脫氫酶復合體、催化丙酮酸脫羧氧化的活性，進一步將糖酵解與三羧酸循環及ATP的生成聯系在一起。臨床上二氯乙酸（dichloroacetic acid，DCA）用于治療人乳酸酸中毒，因其具有抑制PDK活性而用于抗腫瘤治療研究。Bonnet等［13］對此進行了大量研究，結果表明，DCA可通過“正常化”癌細胞異常能量代謝而殺傷癌細胞。研究也表明，DCA可抑制癌細胞糖酵解，促進氧化磷酸化，增加線粒體H2O2，激活電壓門控K＋通道［14］。

Michelakis等［15］研究了DCA對人腦惡性膠質細胞瘤的治療作用。發現DCA可在體外或體內逆轉膠質瘤細胞線粒體的超極化，增加線粒體活性氧水平，誘導腫瘤細胞凋亡。DCA也可抑制HIF－α活性，增加P53表達，抑制血管新生。DCA的劑量限制性毒性為劑量依賴的、可逆性外周神經病變，無肝、腎及心臟等毒性發生。總之，DCA是腦膠質細胞瘤非常有希望的治療藥物，值得進一步研究。

同理，糖酵解的其他關鍵酶如磷酸果糖激酶Ⅰ也可作為治療的潛在靶點［16］。

以氨基酸代謝為靶點

以天冬氨酸氨基轉移酶為靶點 天冬氨酸氨基轉移酶（aspartic acid amino transferase，AAT）催化氨基從天冬氨酸轉移到α－酮戊二酸上的轉氨基反應。前述的草氨酸不僅可抑制LDH，也可抑制AAT，羥乙酸氨也被認為可抑制AAT活性。

Thornburg等［17］研究了草氨酸、羥乙酸氨及AAT特異性的siRNA對體外培養乳腺癌細胞株MDA－MB－231的作用，以及前兩者對乳腺癌裸鼠抑制模型的作用。結果表明，草氨酸無助于降低乳酸的產生，但確有抗代謝效應；羥乙酸氨也具有抗代謝效應；兩者均可降低葡萄糖的攝取和利用，降低氧消耗；兩者均可抑制體外培養和裸鼠抑制模型癌細胞的生長；AAT特異性的siRNA可抑制體外培養乳腺癌細胞的增殖。

使用綠茶中的表沒食子兒茶素有可能抑制轉氨酶的活性，體內實驗證實可發揮抗腫瘤作用，但具體分子靶點仍不明確［18］。

以谷氨酰胺酶為治療靶點 谷氨酰胺與癌細胞的代謝密切相關。谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）催化谷氨酰胺轉化為谷氨酸，進而分解為α－酮戊二酸，進入三羧酸循環。小分子化合物968可通過抑制GLS活性，對myc誘導的人類伯基特淋巴瘤模型產生治療作用［19］。

以脂肪代謝為靶點 脂質對細胞膜的合成和一些蛋白質的轉錄后修飾至關重要。ATP檸檬酸裂合酶（ATP citrate lyase，ACL）催化檸檬酸分解為乙酰輔酶A的反應，是連接糖代謝和脂肪合成的關鍵酶。

Hatzivassiliou等［20］運用ACL特異性RNA干擾對肺腺癌細胞系A549進行瞬時轉染，發現細胞活力下降，增殖減少，同時細胞乙酰輔酶A減少；運用shRNA對肺腺癌細胞系A549裸鼠移植模型進行穩定敲除，發現腫瘤生長減慢，同時還可誘導癌細胞發生分化；應用ACL特異性shRNA作用于白血病細胞系K562，發現可誘導癌細胞發生分化；無論對體外培養腫瘤細胞，還是相應細胞的裸鼠抑制模型，ACL特異性化學抑制劑SB－204990都體現了抗腫瘤效應。

以線粒體復合體I為靶點甲福明本為治療非胰島素依賴糖尿病的藥物，但該藥的作用機制一直未明。Owen等［21］的研究表明，甲福明可抑制肝臟糖異生，增加糖的利用，并探明其機制至少部分是通過抑制線粒體呼吸鏈復合體I來發揮作用。

DeCensi等［22］針對2型糖尿病患者使用甲福明的癌癥發病和死亡情況進行了薈萃分析，共有11個原始研究納入其中，共計分析4042例癌癥患者，其中529例患者因癌癥死亡。與使用其他降糖藥物相比，甲福明可使癌癥發生和死亡的總相對危險性下降31%（RR：0．69，95%CI：0．61～0．79）。這種相反關系存在于胰腺癌、肝細胞肝癌，且存在劑量依賴性關系的趨勢，在結腸癌、乳腺癌和前列腺癌中未能得到體現。與其他降糖藥相比，甲福明可降低糖尿病患者癌癥發生率。但考慮到納入的原始研究多為回顧性分析，且對照組的治療藥物亦有可能升高癌癥發病率，所以未來需要進行設計良好的前瞻性Ⅱ期臨床試驗進一步驗證。

小結 能量代謝異常是癌細胞普遍存在的特征。早在20世紀20年代，癌細胞的能量代謝研究就曾引起廣泛關注，此后分子生物學研究異軍突起，癌細胞能量代謝研究似乎被人們所遺忘。近年來此類研究又引起人們的廣泛關注，Hanahan等［23］在2011年將能量代謝異常歸為癌細胞的十大特征之一。此外，癌細胞異常能量代謝的遺傳和環境背景，以及與信號轉導通路的關系也得到廣泛的研究。這為以異常能量代謝為靶點對癌癥進行分子靶向治療提供了理論依據。

近年來，一些學者進行了以癌細胞能量代謝為靶點的治療研究，對一些糖、氨基酸和脂肪代謝的關鍵酶進行治療干預，取得了一定的成果，其中尤以針對糖酵解的治療研究引人注目。甲福明治療惡性腫瘤的研究甚至進入了臨床試驗階段，對一些目前仍缺乏有效治療手段的惡性腫瘤治療帶來了希望。當然，癌細胞的能量代謝存在著巨大的異質性，即使是同一種惡性腫瘤也會存在差異，這又給以能量代謝為靶點進行治療帶來了挑戰。一些分子靶向藥物，如哺乳動物雷帕霉素靶點抑制劑等，對癌細胞能量代謝的影響也有待進一步研究。

［1］ Warburg O，Wind F，Negelein E．The metabolism of tumors in the body［J］．J General Physiol，1927，8（6）：519－530．

［2］ Zhou S，Wang S，Wu Q，et al．Expression of glucose transporter－1and－3in the head and neck carcinoma－the correlation of the expression with the biological behaviors［J］．ORL J Otorhinolaryngol Relat Spec，2008，70（3）：189－194．

［3］ Demasi AP，Costa AF，Altemani A，et al．Glucose transporter protein 1expression in mucoepidermoid carcinoma of salivary gland：correlation with grade of malignancy［J］．Int J Exp Pathol，2010，91（2）：107－113．

［4］ Endo M，Tateishi U，Seki K，et al．Prognostic implications of glucose transporter protein－1 （glut－1）overexpression in bone and soft－tissue sarcomas［J］．Jpn J Clin Oncol，2007，37（12）：955－960．

［5］ Amann T，Hellerbrand C．GLUT1as a therapeutic target in hepatocellular carcinoma［J］．Expert Opin Ther Tarets，2009，13（12）：1411－1427．

［6］ Amann T，Maegdefrau U，Hartmann A，et al．GLUT1 expression is increased in hepatocellular carcinoma and promotes tumorigenesis［J］．Am J Pathol，2009，174（4）：1544－1552．

［7］ Liu TQ，Fan J，Zhou L，et al．Effects of suppressing glucose transporter－1by an antisense oligodeoxynucleotide on the growth of human hepatocellular carcinoma cells［J］．Hepatobiliary Pancreat Dis Int，2011，10（1）：72－77．

［8］ Fiume L，Manerba M，Vettraino M，et al．Impairment of aerobic glycolysis by inhibitors of lactic dehydrogenase hinders the growth of human hepatocellular carcinoma cell lines［J］．Pharmacology，2010，86（3）：157－162．

［9］ Fiume L，Vettraino M，Manerba M，et al．Inhibition of lactic dehydrogenase as a way to increase the antiproliferative effect of multi－targeted kinase inhibitors［J］．Pharmacol Res，2010，63（4）：328－334．

［10］ Xie H，Valera VA，Merino MJ，et al．LDH－A inhibition，a therapeutic strategy for treatment of hereditary leiomyomatosis and renal cell cancer［J］．Mol Cancer Therap，2009，8（3）：626－635．

［11］ Ko YH，Pedersen PL，Geschwind J．Glucose catabolism in the rabbit VX2tumor model for liver cancer：characterization and targeting hexokinase［J］．Cancer Letters，2001，173（1）：83－91．

［12］ Pereira da Silva AP，El－Bacha T，Kyaw N，et al．Inhibition of energy－producing pathways of HepG2cells by 3－bromopyruvate1［J］．Biochem J，2009，417（3）：717．

［13］ Bonnet S，Archer SL，Allalunis－Turner J，et al．A mitochondria－K＋channel axis is suppressed in cancer and its normalization promotes apoptosis and inhibits cancer growth［J］．Cancer cell，2007，11（1）：37－51．

［14］ Michelakis E，Webster L，Mackey J．Dichloroacetate（DCA）as a potential metabolic－targeting therapy for cancer［J］．Br J Cancer，2008，99（7）：989－994．

［15］ Michelakis ED，Sutendra G，Dromparis P，et al．Metabolic modulation of glioblastoma with dichloroacetate［J］．Sci Transl Med，2010，2（31）：31ra34－31ra34．

［16］ Dang CV，Hamaker M，Sun P，et al．Therapeutic targeting of cancer cell metabolism［J］．J Molecul Med，2011，89（3）：205－212．

［17］ Thornburg JM，Nelson KK，Clem BF，et al．Targeting aspartate aminotransferase in breast cancer［J］．Breast Cancer Res，2008，10（5）：R84．

［18］ Yang CS，Wang X，Lu G，et al．Cancer prevention by tea：animal studies，molecular mechanisms and human relevance［J］．Nature Reviews Cancer，2009，9（6）：429－439．

［19］ Wang JB，Erickson JW，Fuji R，et al．Targeting mitochondrial glutaminase activity inhibits oncogenic transformation［J］．Cancer Cell，2010，18（3）：207－219．

［20］ Hatzivassiliou G，Zhao F，Bauer DE，et al．ATP citrate lyase inhibition can suppress tumor cell growth［J］．Cancer Cell，2005，8（4）：311－321．

［21］ Owen MR，Doran E，Halestrap AP．Evidence that metformin exerts its anti－diabetic effects through inhibition of complex 1of the mitochondrial respiratory chain［J］．Biochem J，2000，348（Pt 3）：607－614．

［22］ DeCensi A，Puntoni M，Goodwin P，et al．Metformin and cancer risk in diabetic patients：a systematic review and meta－analysis［J］．Cancer Prev Res，2010，3（11）：1451－1461．

［23］ Hanahan D，Weinberg RA．Hallmarks of cancer：the next generation［J］．Cell，2011，144（5）：646－674．