精氨酸剝奪在惡性腫瘤治療中的研究進展

洪 羽綜述，鄧述愷審校

（四川醫科大學附屬第一醫院呼吸內一科，四川瀘州646000）

精氨酸剝奪在惡性腫瘤治療中的研究進展

洪 羽綜述，鄧述愷審校

（四川醫科大學附屬第一醫院呼吸內一科，四川瀘州646000）

精氨酸； 亞胺類； 精氨酸酶； 腫瘤/病理學； 氨基酸類/代謝； 藥物耐受性； 綜述

大量體內外試驗已證實，通過干擾體內腫瘤細胞特定氨基酸代謝可顯著影響腫瘤增殖和凋亡。雖然導致腫瘤細胞代謝缺陷的機制還不清楚，但是針對腫瘤細胞這種代謝特點，已經開發出了通過酶解法消耗某一特定氨基酸的治療方法，如精氨酸的剝奪治療（arginine deprivation therapy）。近年來，精氨酸剝奪治療已是抗腫瘤代謝的研究熱點，本文就精氨酸剝奪在腫瘤治療中的新進展作一綜述。

1 精氨酸代謝及精氨酸剝奪治療

精氨酸是健康人體內的一種非必需氨基酸，主要來源于自身蛋白質降解、飲食攝入。其參與體內許多重要生理過程，不僅在能量代謝及蛋白質的合成起著關鍵作用，還參與一氧化氮（nitric oxide，NO）、多胺、核酸、肌酸、脯氨酸、谷氨酸和精胺等物質的合成。精氨酸的一個重要功能是參與生物體內的尿素循環。細胞通過尿素循環降低體內氨的水平，該酶促反應過程主要由2個關鍵酶來調節的，即精氨酸琥珀酸合成酶（arginosuccinate syntheteasl，ASS）及精氨琥珀酸裂解酶（arininosuccinate lyase，ASL），前者可催化瓜氨酸和天冬氨酸形成精氨琥珀酸，后者使精氨酸琥珀酸裂解為精氨酸及延胡索酸，從而為機體提供內源性的精氨酸。

Feun等[1]研究發現，部分惡性腫瘤細胞缺乏尿素循環中的關鍵限速酶ASS1，因此腫瘤細胞不能通過尿素循環來合成精氨酸，必須通過利用體外供給精氨酸才能滿足生長、增殖的需求，這種依賴外源性精氨酸生長的腫瘤也被稱為精氨酸營養缺陷型腫瘤。已有研究證實，ASS1的失活是由于腫瘤細胞內ASS1基因啟動子甲基化，導致ASS1轉錄受阻[2]。目前發現精氨酸營養缺陷型腫瘤的種類很多，包括晚期黑色素瘤、胰腺癌、前列腺癌、間皮瘤、肝細胞癌及淋巴瘤等[3]。針對ASS1缺乏的精氨酸營養缺陷型腫瘤，研究者能夠通過重組精氨酸降解酶來破壞血液中精氨酸，限制腫瘤細胞從血液中攝取足夠精氨酸，從而抑制腫瘤細胞的生長，這種方法稱為精氨酸剝奪療法，而該過程不影響正常細胞精氨酸代謝。研究發現[4]，腫瘤細胞ASS1的低表達是臨床上預測精氨酸剝奪治療有效性的主要指標。與傳統腫瘤治療方法相比，精氨酸剝奪療法具有高效、高特異性及毒性作用小的特點。目前臨床試驗中研究最深入精氨酸剝奪治療的精氨酸降解酶主要包括兩大類：來源于細菌的精氨酸脫亞氨酶（arginine deiminase，ADI）和來源于人體的精氨酸酶-1（arginase-1，Arg-1）。

2 精氨酸剝奪的抗腫瘤機制

精氨酸缺乏抑制惡性腫瘤細胞生長機制還未完全清楚。精氨酸降解酶可以通過降低血清精氨酸水平，直接抑制腫瘤細胞蛋白質合成，影響腫瘤細胞生長及增殖；也可能通過影響細胞內谷氨酰胺代謝及胸腺嘧啶核苷的合成，導致腫瘤細胞凋亡[5]；Kim等[6]發現，來源于乳酸球菌的ADI可以使胃癌細胞阻滯于G0/G1期，上調細胞周期抑制因子p53和p27Kip1的表達，并且進一步引起細胞核的皺縮及碎裂，促使細胞發生凋亡；在體外內皮細胞及異種移植的黑素瘤的研究中證實ADI具有抑制血管內皮細胞生長，降低內皮細胞遷移及血管形成能力，減少新生血管的形成，從而抑制腫瘤細胞的生長[7-8]；同時在神經膠質母細胞瘤研究中還發現精氨酸缺乏能夠影響微絲骨架功能，抑制腫瘤細胞侵襲及增殖能力[9]。

2.1 ADI的研究進展 ADI是精氨酸降解酶中的研究熱點，其可以將精氨酸分解為瓜氨酸和氨，最早在銅綠假單胞菌細胞中發現，其廣泛存在于細菌、支原體、厭氧真核生物中，在哺乳動物中尚未發現。支原體來源的ADI可顯著的抑制體內惡性黑色素瘤、腦膠質瘤、膀胱癌、肝細胞癌、纖維黏液肉瘤及鼻咽癌等多種惡性腫瘤細胞的生長[10]。由于ADI的高抗原性，ADI可誘導人體及動物產生抗體及發生嚴重過敏反應，使其在臨床中運用受到限制。經聚乙二醇（PEG）修飾改良后的ADIPEG20，在保留其生物活性的基礎上，不僅能降低免疫原性，而且進一步延長其作用半衰期。ADI-PEG20應用于肝細胞癌的Ⅰ期和Ⅱ期臨床試驗已在美國、意大利等地完成，研究納入了超過180例患者，研究結果表明，ADI-PEG20對肝細胞癌患者治療是安全有效的，能持續降低血清精氨酸水平，患者疾病的控制率為31%～63%[11-13]，ADI-PEG20與安慰劑療效的對照Ⅲ期臨床試驗正在進行之中。針對晚期黑色素瘤的Ⅰ期和Ⅱ期臨床研究也已經在美國和意大利完成，Ott等[14]發現，晚期黑色素瘤患者中對高劑量的ADI-PEG20耐受性良好，能夠引起一致但短暫的精氨酸清除的效果，Feun等[15]研究顯示，在低表達ASS的晚期黑色素瘤患者中，ADIPEG20療效與藥物劑量有明顯量效關系；關于ADIPEG20聯合多西他賽在晚期惡性實體腫瘤中的Ⅰ期臨床試驗也正在進行之中。值得注意的是，ADI-PEG20已成為FDA批準藥物，被認為是目前最適用于臨床精氨酸剝奪治療的精氨酸降解酶，具有良好的應用前景。

2.2 精氨酸酶的臨床研究進展 Arg-1在人體肝臟中高表達，無明顯抗原性，能將精氨酸轉化為鳥氨酸和尿素，對氨有重要的解毒作用。重組精氨酸酶（recombinant human arginase，rhArg1）已經在枯草芽孢桿菌及大腸埃希菌等中成功克隆和表達。精氨酸酶在正常生理pH下酶活性低、半衰期短，不利于在體內環境下發揮作用，經納米藥物及PEG修飾處理后可克服上述的缺點，使之能應用于臨床研究。在惡性黑色素瘤、急性T淋巴細胞白血病、胰腺癌及前列腺癌等研究中[16]，rhArg1均能顯著抑制腫瘤細胞生長；在肝細胞癌的Ⅰ期臨床試驗中[17]，PEG化重組人長效精氨酸酶（PEG-rhArg1）對血液中精氨酸水平有持續的抑制效果，治療期間患者血液中精氨酸含量很低，幾乎不能檢測出，血清檢測也未發現相關的中和抗體，結合實際的療效情況，給Ⅱ期臨床試驗推薦的最適給藥濃度是1 600 U/kg。此外，Cheng等[18]發現，rhArg能夠抑制某些高表達ASS1的腫瘤細胞生長，這可能與鳥氨酸轉氨甲酰酶（ornithine transcarbamylase）缺失有關，需試驗進一步證實。而目前Arg-1還未成為FDA批準藥物，相對于ADI-PEG20，PEG-rhArg還需要更加深入臨床研究。

3 腫瘤的耐藥及聯合用藥

3.1 腫瘤細胞的耐藥 Long等[19]研究發現，與常規的化療相類似，在進行精氨酸剝奪治療一段時間后，腫瘤細胞有耐藥的情況產生，目前耐藥機制還不清楚。在黑色素瘤ADI-PEG20的臨床試驗中，耐藥細胞株中出現了ASS1表達的上調，導致腫瘤細胞重新利用瓜氨酸合成精氨酸，相關機制可能是由于Ras/P13K/ERK信號通路的激活，誘導了c-myc原癌基因的持續穩定表達，導致ASS1啟動子激活，促進ASS1轉錄，提高了腫瘤細胞內的ASS1蛋白水平；Szlosarek[20]研究發現精氨酸的缺失、內環境營養缺乏誘導惡性腫瘤細胞發生細胞自噬，腫瘤細胞利用自身細胞質及細胞器的蛋白降解所產生的精氨酸存活，導致精氨酸剝奪治療的失效；還有研究發現ADI-PEG20能誘導機體產生ADI中和抗體，抑制精氨酸酶的活性，導致血清精氨酸水平很快回升，也可能是導致耐藥現象的原因之一。

3.2 聯合用藥 Yoon等[21]認為針對精氨酸剝奪治療可向聯合用藥的方向發展。精氨酸降解酶與傳統化療藥物及相關通路抑制劑的聯合應用，可以加速細胞凋亡，延緩或者阻滯耐藥產生，增強化療藥物的效果。Tsai等[22]發現，將Ras/ERK通路抑制劑與ADI聯合用藥后，ASS1陰性的黑色素瘤小鼠黑色素瘤細胞耐藥明顯降低，Ras/ ERK抑制劑與ADI產生協同效應；You等[23]研究發現，加用長春新堿后，骨髓微環境中間充質干細胞的功能受到抑制，可以提高急性淋巴細胞白血病患者對于PEGArg在精氨酸剝奪治療中的敏感性；此外，ADI-PEG20與順鉑的聯合用藥，對于ASS1缺乏的惡性腫瘤，可以發揮各自優點，增強抗腫瘤效果[24]。

另一方面，聯用抑制細胞自噬的藥物可能成為一種新的有效的聯合用藥方式。Syed等[25]研究表明，在ADIPEG20惡性腦膠質瘤治療中，氯喹通過阻斷細胞自噬來增加細胞凋亡；Wang等[26]發現，環孢霉素A抑制腫瘤細胞的自噬作用，從而增強與rhArg兩者聯合應用時的抗腫瘤效應；此外，Allen等[27]發現細胞凋亡相關的腫瘤壞死因子（TNF-related apoptosis inducing ligand，TRAIL）可以抑制2種自噬相關基因Beclin-1和Atg5的表達，因而TRAIL聯合ADI-PEG20可抑制細胞自噬功能，加快腫瘤細胞凋亡。

4 小 結

精氨酸剝奪治療是一種非常有研究前景的治療惡性腫瘤的方法，將這種治療方法在臨床有效、合理運用，還需要進一步明確ADI和Arg抗腫瘤作用機制、改良和優化ADI和Arg在體內的代謝，采取合理、有效的聯合用藥方式克服腫瘤的耐藥機制。隨著研究的深入，新技術、新試驗方法及新藥物的出現，精氨酸剝奪治療在抗腫瘤治療中有可能進一步發揮積極作用。

[1]Feun L，You M，Wu CJ，et al.Arginine deprivation as a targeted therapy for cancer[J].Curr Pharm Des，2008，14（11）：1049-1057.

[2]Huang HY，Wu WR，Wang YH，et al.ASS1 as a novel tumor suppressor gene in myxofibrosarcomas：aberrant loss via epigenetic DNA methylation confers aggressive phenotypes，negative prognostic impact，and therapeutic relevance[J].Clin Cancer Res，2013，19（11）：2861-2872.

[3]Stasyk OV，Boretsky YR，Gonchar MV，et al.Recombinant arginine-degrading enzymes in metabolic anticancer therapy and bioanalytics[J].Cell Biol Int，2015，39（3）：246-252.

[4]Delage B，Fennell DA，Nicholson L，et al.Arginine deprivation and argininosuccinate synthetase expression in the treatment of cancer[J].Int J Cancer，2010，126（12）：2762-2772.

[5]Phillips MM，Sheaff MT，Szlosarek PW.Targeting arginine-dependent cancers with arginine-degrading enzymes：opportunities and challenges[J]. Cancer Res Treat，2013，45（4）：251-262.

[6]Kim JE，Kim SY，Lee KW，et al.Arginine deiminase originating from Lactococcus lactis ssp.lactis American Type Culture Collection（ATCC）7962 induces G1-phase cell-cycle arrest and apoptosis in SNU-1 stomach adenocarcinoma cells[J].Br J Nutr，2009，102（10）：1469-1476.

[7]Stelter L，Evans MJ，Jungbluth AA，et al.Imaging of tumor vascularization using fluorescence molecular tomography to monitor arginine deiminase treatment in melanoma[J].Mol Imaging，2013，12（1）：67-73.

[8]Park IS，Kang SW，Shin YJ，et al.Arginine deiminase：a potential inhibitorof angiogenesis and tumour growth[J].Br J Cancer，2003，89（5）：907-914.

[9]Pavlyk I，Rzhepetskyy Y，Jagielski AK，et al.Arginine deprivation affects glioblastoma cell adhesion，invasiveness and actin cytoskeleton organization by impairment of β-actin arginylation[J].Amino Acids，2015，47（1）：199-212.

[10]Feun LG，Kuo MT，Savaraj N.Arginine deprivation in cancer therapy[J]. Curr Opin Clin Nutr Metab Care，2015，18（1）：78-82.

[11]Yang TS，Lu SN，Chao Y，et al.A randomised phaseⅡstudy of pegylated arginine deiminase（ADI-PEG 20）in Asian advanced hepatocellular carcinoma patients[J].Br J Cancer，2010，103（7）：954-960.

[12]Izzo F，Marra P，Beneduce G，et al.Pegylated arginine deiminase treatment of patients with unresectable hepatocellular carcinoma：results from phaseⅠ/Ⅱstudies[J].J Clin Oncol，2004，22（10）：1815-1822.

[13]Glazer ES，Piccirillo M，Albino V，et al.PhaseⅡstudy of pegylated arginine deiminase for nonresectable and metastatic hepatocellular carcinoma[J]. J Clin Oncol，2010，28（13）：2220-2226.

[14]Ott PA，Carvajal RD，Pandit-Taskar N，et al.PhaseⅠ/Ⅱstudy of pegylated arginine deiminase（ADI-PEG 20）in patients with advanced melanoma[J]. Invest New Drugs，2013，31（2）：425-434.

[15]Feun LG，Marini A，Walker G，et al.Negative argininosuccinate synthetase expression in melanoma tumours may predict clinical benefit from argininedepleting therapy with pegylated arginine deiminase[J].Br J Cancer，2012，106（9）：1481-1485.

[16]Zeng X，Li Y，Fan J，et al.Recombinant human arginase induced caspasedependent apoptosis and autophagy in non-Hodgkin′s lymphoma cells[J]. Cell Death Dis，2013，4：e840.

[17]Yau T，Cheng PN，Chan P，et al.A phase 1 dose-escalating study of pegylated recombinant human arginase 1（Peg-rhArg1）in patients with advanced hepatocellular carcinoma[J].Invest New Drugs，2013，31（1）：99-107.

[18]Cheng PN，Lam TL，Lam WM，et al.Pegylated recombinant human arginase（rhArg-peg5，000mw）inhibits the in vitro and in vivo proliferation of human hepatocellular carcinoma through arginine depletion[J].Cancer Res，2007，67（1）：309-317.

[19]Long Y，Tsai WB，Wangpaichitr M，et al.Arginine deiminase resistance in melanoma cells is associated with metabolic reprogramming，glucose dependence，and glutamine addiction[J].Mol Cancer Ther，2013，12（11）：2581-2590.

[20]Szlosarek PW.Arginine deprivation and autophagic cell death in cancer[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2014，111（39）：14015-14016.

[21]Yoon JK，Frankel AE，Feun LG，et al.Arginine deprivation therapy for malignant melanoma[J].Clin Pharmacol，2013，5：11-19.

[22]Tsai WB，Aiba I，Long Y，et al.Activation of Ras/PI3K/ERK pathway induces c-Myc stabilization to upregulate argininosuccinate synthetase，leading to arginine deiminase resistance in melanoma cells[J].Cancer Res，2012，72（10）：2622-2633.

[23]You M，Savaraj N，Kuo MT，et al.TRAIL induces autophagic protein cleavage through caspase activation in melanoma cell lines under arginine deprivation[J].Mol Cell Biochem，2013，374（1/2）：181-190.

[24]Savaraj N，Wu C，Li YY，et al.Targeting argininosuccinate synthetase negative melanomas using combination of arginine degrading enzyme and cisplatin[J].Oncotarget，2015，6（8）：6295-6309.

[25]Syed N，Langer J，Janczar K，et al.Epigenetic status of argininosuccinate synthetase and argininosuccinate lyase modulates autophagy and cell death in glioblastoma[J].Cell Death Dis，2013，4：e458.

[26]Wang Z，Shi X，Li Y，et al.Involvement of autophagy in recombinant human arginase-induced cell apoptosis and growth inhibition of malignant melanoma cells[J].Appl Microbiol Biotechnol，2014，98（6）：2485-2494.

[27]Allen MD，Luong P，Hudson C，et al.Prognostic and therapeutic impact of argininosuccinate synthetase 1 control in bladder cancer as monitored longitudinally by PET imaging[J].Cancer Res，2014，74（3）：896-907.

10.3969/j.issn.1009-5519.2015.20.018

A

1009-5519（2015）20-3094-03

2015-05-27）

洪羽（1988-），女，四川涼山人，在讀碩士研究生，主要從事肺癌基礎與臨床的相關研究；E-mail：1633573684@qq.com。

鄧述愷（E-mail：dsk_lan@163.com）。