腫瘤FDG代謝與己糖激酶—Ⅱ關系的研究進展

摘要：18F脫氧葡萄糖（FDG）PET/CT將PET的功能顯像與CT的解剖成像有機融合， 不僅能有效顯示腫瘤的代謝、增生、乏氧和細胞凋亡狀態，而且在腫瘤患者的診斷、分期、指導治療、療效監控和預后評價等方面， 都具有重要的臨床應用價值， 然而腫瘤FDG聚集的具體機制目前尚不清楚。己糖激酶-Ⅱ（HK-Ⅱ）作為腫瘤FDG代謝相關的重要免疫分子之一，成為了目前研究的熱點。本文旨在對腫瘤中HK-2表達、與FDG代謝關系及靶向治療做一綜述。

關鍵詞：PET/CT；腫瘤；FDG聚集；己糖激酶-Ⅱ；靶向治療

1 PET/CT顯像及在腫瘤學中的應用

PET/CT是正電子發射計算機斷層顯像（PET）與計算機體層掃描（CT）的有機結合，將極其微量的正電子示蹤劑注射到人體內，然后用特殊的體外探測儀器（ PET） 探測這些正電子核素在人體全身臟器的分布情況，再結合 CT 的精確定位，這樣在對病灶進行定性的同時還能準確定位，大大提高了診斷的準確性及臨床實用價值。目前，PET-CT檢查臨床應用最廣泛的示蹤劑（顯像劑）是18F-脫氧葡萄糖（18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG，以下簡稱FDG）。FDG是葡萄糖的類似物，第二位碳原子相連的OH基脫氧后H被18F 取代生成2-脫氧-2-18F 脫氧葡萄糖， 在體內的生物學行為與葡萄糖相似。它可在腫瘤病灶內大量積聚，原理在于大多數腫瘤細胞葡萄糖酵解能力明顯高于正常組織細胞。在PET 圖像上我們通常根據病灶部位攝取18F-FDG的比值來進行半定量分析，即最大標準化攝取值（SUVmax，簡寫SUV ）。18F-FDG PET /CT的全身顯像廣泛應用于腫瘤的診斷與鑒別診斷、分期、復發以及療效評估等方面[1-5]，其臨床價值已得到確認。近年來，關于18F-FDG聚集的研究越來越多，然而腫瘤FDG聚集的具體機制目前尚不清楚。在靜脈給藥后，18F-FDG與葡萄糖一樣在細胞膜外表面的葡萄糖轉運體的作用下進入細胞內，在己糖激酶的作用下磷酸化形成FDG-6-磷酸。由于FDG-6-磷酸的空間構型發生改變，不能再進行下一步代謝，如糖酵解、糖原生成及磷酸戊糖途徑等；另一方面，由于組織中磷酸酶的含量較低，使得FDG-6-磷酸的反向轉變和離開細胞的速率很低，基本可以忽略不計，因此，FDG以FDG-6-磷酸的形式沉積在細胞內，而在PET圖像上表現為濃聚/高攝取，即高代謝。可見，18F-FDG聚集主要取決于葡萄糖從胞外向胞內的轉運速度以及己糖激酶活性[6，8]。HK-Ⅱ作為與FDG代謝相關的重要免疫分子之一，成為了目前研究的熱點。

2己糖激酶的生物學特征

在哺乳動物體內共有四種亞型的己糖激酶（HKⅠ-Ⅳ）[9，10]，己糖激酶-Ⅰ、己糖激酶-Ⅱ和己糖激酶-Ⅲ的分子量大約為 100kDa，己糖激酶-Ⅳ分子量為 50kDa。其中，HKⅠ～HKⅢ對葡萄糖的親和力比HKⅣ高約250 倍。人類的己糖激酶的N端和C端有著廣泛的相似性，C端為催化位點具有結合葡萄糖的能力，N端為調節位點具有 6-磷酸葡萄糖結合位點，同時也是己糖激酶與線粒體結合的必要結構[11]，在腫瘤中表現為促進糖酵解和抗凋亡的作用，具有重要的意義。己糖激酶在體內分布具有一定的組織差異和特異性[12]。HK-Ⅰ主要在腦組織中表達，HK-Ⅱ主要存在于心肌、骨骼肌， HK-Ⅲ存在于腎臟、肝臟和腸組織中，HK-Ⅳ在肝臟和胰腺中表達。己糖激酶在組織中的分布具有隨年齡的變化而變化的趨勢[12，13]，在新生小鼠的肝臟中含有較多的HK-Ⅱ，而HK-Ⅳ含量較低；成年小鼠肝臟中HK-Ⅳ增高而HK-Ⅱ含量低。HK-Ⅰ及HK-Ⅱ存在于細胞內線粒體外膜及細胞質內，HK-Ⅲ主要存在于細胞核周圍，而HK-IV位于肝臟和胰腺的細胞質內。HK-Ⅰ雖與HK-Ⅱ一樣能與線粒體結合，但其在100 kDa 的結構中只在C端具有催化活性，而HKⅡ則在兩端均保留催化活性，這使得葡萄糖-6-磷酸的生成速率增加。

3 HK-Ⅱ在腫瘤中的表達

HK-Ⅱ在腫瘤組織和正常組織中的表達不同。Warburg 發現肝癌細胞中糖酵解增加伴隨HK-Ⅱ活性增高[14]。此外，多個研究發現HK-Ⅱ在原發性乳腺癌、肝癌、胃癌[15]、結腸癌[16]、肺癌及宮頸癌[17]等多種腫瘤細胞中表達增加，并以線粒體結合型為主[18，19]，而正常體內HK-Ⅱ僅在心臟、脂肪組織和骨骼肌中呈現少量表達[20]，多數以細胞質內游離形式存在。在惡性腫瘤細胞中，HK-Ⅰ和HK-Ⅱ表達均有升高，但以HK-Ⅱ的表達與惡性腫瘤相關性最明顯[13，19，21-23]。腫瘤 HK-Ⅱ分布在腫瘤中央部分表達高于腫瘤邊緣部分，腫瘤中的壞死部分高于周邊部分[24，25]，可能是由于低氧狀態誘導的HK-Ⅱ高表達。

細胞高表達HK-Ⅱ受多因素調控。在基因水平上，腫瘤細胞表現為HK-Ⅱ基因拷貝數增多。通過Southern blot及熒光原位雜交分析發現大鼠肝癌細胞的HK-Ⅱ基因擴增數要遠高于正常肝細胞[26]。在轉錄水平上，HK-Ⅱ基因的啟動子可被多種信號激活，如：葡萄糖、胰島素及低氧條件等等[19]，從而使得HK-Ⅱ基因的轉錄水平明顯提高。另外，有研究人員對正常鼠肝細胞和AS-30D肝癌細胞的HK-ⅡDNA進行甲基化，發現在前者啟動子區域內含有甲基化位點，而后者，即肝癌細胞中并沒有發現甲基化[27]，由此看出，遺傳調控對腫瘤細胞HK-Ⅱ的表達也具有一定影響。

4 HK-Ⅱ與腫瘤FDG代謝

18F-FDG PET/CT檢查已廣泛應用于臨床，不同腫瘤FDG代謝各不相同，有些腫瘤組織FDG代謝明顯升高，而部分腫瘤組織FDG代謝較正常組織無明顯差異，甚至出現降低。影響腫瘤FDG代謝的因素較多，HK-Ⅱ作為己糖激酶家族中重要的一員，是FDG代謝的關鍵酶，對FDG代謝發揮一定作用，目前受到越來越多的關注。腫瘤PET影像與病理學檢查相關對比研究顯示，部分惡性腫瘤組織SUV值與病理檢測的HK-Ⅱ蛋白表達水呈正相關[28-31]。在腫瘤中HK-Ⅱ與FDG有著不同的關系。Park SG[32]指出在黑色素瘤中SUV值與Glut-Ⅰ表達相關，而與HK-Ⅱ表達無關。Charnley N[33]指出在神經膠質瘤中，SUV與 Glut-Ⅰ及HK-Ⅱ的表達均無關，Tian M等人[34]的研究表明在口腔上皮細胞癌中，FDG代謝與HK-Ⅱ表達亦無關系。然而有研究指出，胸腺瘤[35]、骨巨細胞瘤[36]、肺癌[8]及骨骼肌腫瘤[4]中FDG聚集與HK-Ⅱ表達有關。因此HK-Ⅱ對FDG代謝所發揮的作用并不相同。此外仍有研究指出，除了HK-Ⅱ外， FDG代謝可能受Glut-1、Glut-3等因素的影響，關于FDG代謝的分子學機制有待進一步研究。

5 HK-Ⅱ靶向治療

有實驗指出，對于常規抗腫瘤藥物敏感性降低的腫瘤細胞表現出對 HK-Ⅱ抑制劑敏感性增加[37]，針對 HK-Ⅱ以及HK-Ⅱ與線粒體的結合從而破壞腫瘤的能量代謝，最終殺傷腫瘤細胞是具有潛力的新的治療策略。

5.1抑制HK-Ⅱ表達 實驗證明通過基因沉默方法抑制HK-Ⅱ基因的表達從而靶向抑制惡性腫瘤增殖是可行的。有研究報道，RNA干擾HK-Ⅱ基因表達可明顯抑制人肺癌細胞增殖[38]，（但關于沉默HK-Ⅱ基因對腫瘤細胞生物學特性的影響及機制尚不清楚，有待于進一步探討。）在肝癌細胞系中，通過siRNA抑制作用可以抑制HK-Ⅱ表達，在該研究中，雖然初期HK-Ⅱ基因沉默后可以明顯抑制腫瘤的增殖，但后續觀察發現，腫瘤細胞恢復了增殖能力，這可能是通過上調或穩定HK-Ⅱ的基因表達來實現的。

5.2抑制HK-Ⅱ活性 3-溴丙酮酸（3-BrPA）[41]可以抑制HK-Ⅱ的活性從而達到抑制腫瘤活躍的糖酵解。3-BrPA是一種烷化劑，能與HK-Ⅱ活性部位的XH基結合，抑制HK-Ⅱ活性，引起腫瘤細胞內ATP耗竭和細胞死亡[29，39， 40]。在兔VX2肝癌模型中，發現VX2腫瘤植入兔子的肝臟組織后有導致HK-Ⅱ高表達，而3-BrPA能較大程度抑制HK-Ⅱ參與的糖酵解，導致細胞能量供應不足，促進惡性腫瘤細胞的死亡。另有實驗報道，在19例晚期腫瘤動物模型，用3-BrPA治療得到完全緩解[30]。由于糖酵解不活躍的正常組織對3-BrPA攝入非常少，實驗中沒有發現對正常組織的損害和副作用。關于使用3-BrPA抗多種腫瘤的臨床前期研究正在多個實驗室進行。對于常規抗腫瘤藥物效果不佳的部分腫瘤，通過抑制HK-II活性從而影響腫瘤細胞糖代謝的治療策略被普遍關注。

關于2-脫氧葡萄糖用于腫瘤治療的研究也逐漸增多，作為一種葡萄糖類似物，可與葡萄糖競爭性結合 HK-Ⅱ。在細胞中2-脫氧葡萄糖在己糖激酶作用下生成磷酸2-脫氧葡萄糖，后者在細胞內蓄積，可抑制 HK-Ⅱ活性，最終引起腫瘤內能量耗盡，導致腫瘤細胞死亡[33]，研究指出，在常規化療藥物基礎上加用2-脫氧葡萄糖，能明顯提高化療療效。

5.3促進HK-2與線粒體分離 通過分離 HK-Ⅱ與線粒體的結合，可破壞腫瘤細胞糖代謝。另外 HK-Ⅱ與線粒體VDAC （voltage-dependent anion channel 電壓依賴的離子通道）的相互作用也會對惡性腫瘤的細胞凋亡產生影響，干擾兩者之間的作用能加快惡性腫瘤細胞凋亡的速度。最近有研究指出，在一些糖酵解增加的惡性腫瘤中，多種藥物，如克霉唑聯用聯苯芐唑[41]、甲基茉莉酮酸醋[37]及可與HK-Ⅱ的N端相結合的肽序列[42]可誘導目標腫瘤細胞的凋亡，在對抗腫瘤中發揮一定作用。單獨應用克霉唑類抗真菌藥可發揮抗腫瘤作用，然而目前研究發現[43]，這種作用可能跟VDAC無關，特異性抑制HK-Ⅱ與VDAC相互作用的抗腫瘤藥物有待進一步研究。

6總結與展望

PET/CT是根據惡性腫瘤葡萄糖高攝取狀態，使用腫瘤組織不能代謝的葡萄糖類似物顯影，它的成功應用，為腫瘤的診斷及分級提供了有力的手段。在一些腫瘤中，HK-Ⅱ與腫瘤18F-FDG代謝具有明顯相關性，可以通過影響腫瘤細胞的能量代謝從而導致惡性腫瘤自我滅亡，以 HK-Ⅱ為靶點的新的治療策略對于常規化療放療無效的惡性腫瘤提供了新的、有效的治療的策略和方向，成為今后腫瘤研究的新熱點，但具體臨床應用價值有待大量實驗進一步研究。

另外，隨著18F-FDG PET/CT的廣泛應用，我們也發現它對腫瘤的診斷缺乏特異性，會出現一些假陰性[44，45]及假陽性。因此，近年來，一些新的示蹤劑開始進入人們的視野，如18F-乙酸鹽、11C-乙酸鹽、18F-膽堿、11C-膽堿、18F-氟脫氧胸苷（18F-FLT， 胸腺嘧啶的類似物）及99mTc-HL91（乏氧組織顯像劑）等等。它們與18F-FDG 反映細胞代謝的路徑、機理不同，可在不同程度上彌補18F-FDG 反映的來自細胞的信息，相信未來PET/CT顯像將會有更廣闊的應用與發展。

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