腫瘤微環境調控能量代謝的機制及分子影像在該領域的研究進展

張國建，白智剛，王文睿，王雪梅，魯海文

(內蒙古醫科大學附屬醫院 a.核醫學科，b.影像教研室，呼和浩特 010050)

據估計，2018年我國新發癌癥4 285 033例，有2 865 174例癌癥患者死亡，約占全球癌癥發病和死亡的23.7%和30.0%[1]。雖然針對腫瘤治療方法進行了各種治療模式的研究和嘗試，但腫瘤的總體生存率仍沒有明顯改善。基因突變是腫瘤發生的重要原因，是細胞惡化的驅動力，基因突變的產生改變了細胞內一系列重要復雜信號通路，促進了腫瘤的形成。基于此，一些重要突變基因已被用作腫瘤治療靶點，如吉非替尼片和鹽酸厄洛替尼片是針對表皮生長因子受體突變的腫瘤靶向治療藥物，雖然此類藥物針對性強、不良反應小，但仍存在一些局限，如腫瘤細胞耐藥性的產生、基因組不穩定性的增加等，給腫瘤治療帶來新問題[2]。基因突變引起的一系列信號通路的改變會直接或間接改變腫瘤細胞能量代謝途徑，其中一些代謝途徑的改變廣泛存在于腫瘤細胞內，且這些改變對腫瘤的惡性轉化必不可少。能量代謝可以影響腫瘤發生、發展的各個環節。因此，對腫瘤能量代謝機制的深入探索將有益于人們從能量代謝角度制訂個體化、特異性的腫瘤治療策略[3]，從能量代謝的角度為腫瘤精準靶向治療提供有效靶點。而分子影像作為一種無創性檢查方法，可以準確評估腫瘤的能量代謝。現就腫瘤微環境調控能量代謝的機制以及分子影像在腫瘤能量代謝方面的評估價值及研究進展予以綜述。

1 腫瘤微環境與能量代謝

1.1腫瘤能量代謝 糖代謝是人體細胞的主要能量來源，葡萄糖在體內分解的主要途徑是糖酵解與氧化磷酸化。與正常細胞相比，腫瘤細胞具有快速增殖的特性，因此需要消耗大量的能量來維持細胞分裂，導致胞內葡萄糖攝入量增高、糖酵解活性升高和乳酸堆積等。關于腫瘤代謝的相關問題許多研究者進行了研究。Warburg[4]闡述了關于體內腫瘤細胞代謝的相關問題，他認為腫瘤利用葡萄糖的形式與正常細胞不同，腫瘤細胞主要利用糖酵解方式產能，即使在氧氣充足的區域腫瘤仍以糖酵解的方式來獲取能量，這種代謝稱為有氧糖酵解，即“Warburg效應”；同時研究發現，腫瘤細胞的有氧呼吸均受損，故認為線粒體有氧代謝的不可逆性損傷是腫瘤共同的起因。Lisanti等[5]研究發現，有氧糖酵解不是在腫瘤細胞內發生，而是發生在腫瘤細胞周圍微環境的成纖維細胞內，相關成纖維細胞的有氧糖酵解產生高能量的代謝產物(如乳酸和丙酮酸)被轉移到相鄰的上皮癌細胞內，再通過癌細胞內有氧線粒體代謝，此方式將增加癌細胞內ATP的產生，能夠進一步促進腫瘤的生長及轉移，研究者將這種新的想法稱為“反向Warburg效應”。

近年來，國內外一些科學家針對腫瘤細胞能量代謝形式進行了探索，很多研究人員開始質疑單一糖酵解方式能否適應腫瘤組織在復雜的周圍微環境下的生存與增殖[5-6]。通過不斷探索發現腫瘤細胞不但存在有氧糖酵解，還可以發生氧化磷酸化，兩者互相協調、共存。腫瘤組織常常處于復雜的微環境中，包括缺氧、酸中毒和營養缺乏等，Xie等[7]證實，正常培養條件下，腫瘤細胞利用糖酵解為細胞供能，而在高乳酸培養基中發現，部分腫瘤細胞氧化磷酸化的代謝途徑顯著增強，培養條件的改變使腫瘤細胞能量代謝方式發生轉變，提示在外界環境改變下，腫瘤細胞能量代謝是可以發生轉換的，具有雙重代謝特征。另有研究發現，根據含氧量不同腫瘤組織內分為乏氧區和富氧區，富氧區的主要能量來源為氧化磷酸化，而乏氧區的主要產能方式是糖酵解途徑，且乏氧區產生的乳酸被富氧區腫瘤細胞攝取，用于氧化磷酸化產生ATP，供細胞生存[8-9]。腫瘤細胞能夠根據不同的外部條件調控自身的能量代謝，以糖酵解途徑為主的腫瘤細胞，暴露在血管完善及富氧區域時，轉變為氧化磷酸化的產能途徑，同時腫瘤細胞的侵襲與轉移能力會提高[10]。有研究證實，如果糖酵解型細胞在高度乳酸化微環境中有氧糖酵解代謝產能所占比重從85%降至20%，代謝表型以氧化磷酸化為主能幫助腫瘤細胞逃脫細胞凋亡[11]。

1.2腫瘤微環境 腫瘤微環境是指腫瘤所處的內環境，主要是由基質細胞、細胞外基質、血管、淋巴管等組成，通過與腫瘤細胞之間的相互作用共同構成了維持腫瘤生長的復雜微環境，促進腫瘤的增殖、侵襲、遷移及新生血管的形成[12]。腫瘤不僅由癌細胞組成，且由正常細胞組成，構建腫瘤微環境的非癌細胞主要有癌相關成纖維細胞、內皮細胞、巨噬細胞、T細胞等免疫細胞，非癌細胞在腫瘤微環境中受癌細胞的影響[13-15]。腫瘤細胞的微環境與正常組織不同，因其生長、增殖的形式特殊，打破了正常組織的內環境，不斷地創造有利于本身生長的內環境，這種內環境伴有乏氧、酸中毒、大量生長因子、間質高壓和免疫炎癥反應等。研究表明，腫瘤微環境與能量代謝之間相互聯系，微環境能夠調控腫瘤能量代謝的途徑選擇，腫瘤細胞處于這種惡劣微環境中，但其代謝依然旺盛，增殖迅速，腫瘤細胞有較強的適應惡劣微環境而快速生長的特征，這種適應性通過改變腫瘤細胞能量代謝方式來實現，稱為能量代謝重編程[9]。在腫瘤的演進過程中，能量代謝重編程具有重要意義，腫瘤細胞通過對癌基因的激活及抑癌基因的失活調控實現對腫瘤細胞能量代謝的自主性調節[16]。能量代謝重編程是腫瘤細胞的重要特征，通過能量代謝重編程調控自身代謝方式，以保證能量的供給充足，提高腫瘤細胞對周圍生存微環境的耐受性而不斷生長、快速增殖。

1.3腫瘤微環境對能量代謝的調控作用 腫瘤能量代謝是根據自身所處環境的不同而選擇最優的代謝方式供自己存活，以適應應激的狀態。通過能量代謝重編程，可以滿足腫瘤細胞快速增殖的基本需求：①能夠維持細胞內氧化還原環境穩定；②ATP快速合成以維持細胞能量需求；③合成生物大分子增加[17]。與此同時，腫瘤細胞代謝重編程也可改變腫瘤細胞所處的微環境，為腫瘤的進一步發生、發展創造更為適宜的外部條件。乏氧是腫瘤微環境最重要的特征之一，也是腫瘤能量代謝重要的影響因素。乏氧被認為是實體腫瘤快速生長和侵襲性的一個重要特征，是腫瘤中氧氣供應和消耗不平衡的結果[18]。腫瘤細胞在其起源地快速生長并無限增殖，使得腫瘤組織形成致密的團塊，而血管運輸營養和氧氣脈管系統的發展速度遠遠不及腫瘤的生長速度，因此腫瘤處于一種營養匱乏、乏氧的環境，細胞能量來源受到極大限制，此時在外界低氧環境下低氧誘導因子1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)得以誘導表達[19]。HIF-1主要由HIF-1α和HIF-1β兩個亞單位組成，是低氧應激反應的核心轉錄因子，能夠參與調控氧傳遞、血管生成以及細胞分裂、增殖、代謝等能量產生，它能使機體在不同氧濃度環境中快速有效地獲得ATP而維持細胞存活。HIF-1α能夠促進葡萄糖轉運蛋白的轉錄，大幅增加細胞對葡萄糖的攝取，從而增強糖酵解途徑；同時HIF-1α還能誘導關鍵血管生成因子(如血管內皮生長因子)的表達，從而刺激新生血管形成，為腫瘤帶來更多的氧氣與營養物質，特別是葡萄糖，最終保證糖酵解原料的有效供應[19]。此外，HIF-1α還可以促進糖酵解通路及葡萄糖轉運蛋白中多個代謝酶的基因表達，促進糖酵解，如通過提高丙酮酸脫氫酶激酶1表達，從而上調乳酸脫氫酶A和乳酸轉運蛋白單羧酸轉運體4基因表達，抑制丙酮酸參加三羧酸循環，進而降低細胞耗氧量[20]。在低氧壓力條件下，腫瘤細胞通過攝取乙酰乙酸來生成乙酰輔酶A，為自身存活提供能量及生物大分子，促進自身存活[21-24]。

2 分子影像在腫瘤微環境及能量代謝方面的應用

分子影像學是分子生物學技術和現代醫學影像學相結合的產物，是指運用影像學方法顯示組織水平、細胞和亞細胞水平的特定分子，反映活體狀態下分子水平變化，對活體生物學行為進行定性、定量、動態研究的科學，起連接分子生物學與臨床醫學的橋梁作用。目前分子影像以核醫學、核磁共振、光學成像及多模態分子成像為主，特別是核醫學的正電子發射計算機斷層顯像(positron emission tomography，PET)/CT在腫瘤系統的臨床與基礎研究方面已經非常成熟，通過應用不同的顯像劑，可以從糖代謝、增殖、乏氧、基因、受體等多角度可視化觀察腫瘤。應用分子影像學方法對腫瘤微環境及能量代謝的研究已成為腫瘤機制探索的一個新方向。根據腫瘤發生、發展過程中能量代謝的特點，可以為分子影像診斷、療效評價和預后判斷提供更多的有效生物標志物和靶點。

2.1PET/CT在腫瘤微環境及能量代謝中的應用

PET/CT腫瘤顯像最常用的顯像劑為18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose,18F-FDG)，當18F-FDG靜脈注入生物體后，經細胞膜上的葡萄糖轉運體蛋白進入細胞，在己糖激酶的磷酸化作用下，生成6-磷酸-18F-FDG；由于18F-FDG分子中18F取代了羥基，不能被磷酸己糖異構酶識別、催化轉變為6-磷酸氟代果糖，不僅不能進一步進入糖酵解過程，也不能轉變為糖元和進入葡萄糖代謝旁路，因而大量滯留在細胞內；而在葡萄糖代謝平衡狀態下，6-磷酸氟代果糖的滯留幾乎與組織細胞葡萄糖耗氧量相同，因而可以反映體內葡萄糖的利用和攝取水平[25]。由于腫瘤細胞生長活躍，細胞分裂速度快，需要大量的葡萄糖作為能源，因此，腫瘤細胞內會聚集大量的18F-FDG。在體外，18F所發射的正電子可被正電子探測器PET/CT捕獲顯影，可以顯示腫瘤的部位、形態、大小、數量及腫瘤內葡萄糖代謝的分布。以此評估腫瘤內部能量代謝狀態，并對病灶的良惡性判斷、分期，放療或化療后腫瘤細胞生存狀態、瘤體內部能量代謝區域變化狀況等進行有效評價。PET/CT乏氧顯像能夠通過乏氧代謝分子探針活體檢測腫瘤組織內乏氧狀態，18F-FMISO、18F-HX4、18F-FAZA、64Cu-ATSM等乏氧顯像劑成功用于顯示腫瘤內部的乏氧狀態[26]。腫瘤乏氧狀態的評估對于臨床治療方案的確定(如腫瘤放療靶區的勾畫)具有重要的指導意義。

應用分子影像Micro PET/CT在非小細胞肺癌腫瘤微環境與能量代謝方面的研究表明，PET/CT可以很好地揭示非小細胞肺癌腫瘤內部微環境，同時對微環境與能量代謝之間的關系進行相關研究發現，模型小鼠的飲食狀態對A549非小細胞肺癌腫瘤內18F-FDG的代謝分布發揮了關鍵作用，在模型小鼠空腹狀態下，18F-FDG主要濃聚在缺氧癌細胞組織內(即Warburg效應)，在進食狀態下，18F-FDG濃聚發生變化，主要分布在非癌變腫瘤基質區域(即反向Warburg效應)，表明同一只小鼠在不同飲食狀態影響下，能量代謝會發生動態轉換，而應用分子影像學方法能夠精準地在活體內可視化觀測到腫瘤能量代謝重編程現象[27-29]。

2.2磁共振成像在腫瘤微環境及能量代謝中的應用 磁共振成像有很多乏氧成像方法對腫瘤內乏氧狀態進行檢測，如血氧水平依賴成像、對比增強成像、質子磁共振波譜等成像技術。其中血氧水平依賴成像技術已被廣泛用于臨床對腫瘤乏氧的監測，通過研究去氧血紅蛋白和含氧血紅蛋白比例變化對磁共振成像信號的影響來反映腫瘤組織氧和狀態，此方法常用于檢測腫瘤組織急性乏氧狀況[30]。在腫瘤治療前后用血氧水平依賴成像對腫瘤組織的血氧含量進行實時監測，可以很好地提示治療預后，與PET/CT相比，此方法無需顯影劑，無電離輻射，且靈敏度高，但其特異度相對較低[31]。

3 小 結

腫瘤微環境與能量代謝之間關系復雜、聯系密切。腫瘤乏氧微環境可能是驅動能量代謝的關鍵因素，通過轉錄因子HIF-1調控能量代謝重編程。對腫瘤微環境及能量代謝機制的深入探索，將有助于從能量代謝層面尋找有效的治療靶點，制訂個體化的治療策略，對新型抗腫瘤靶向藥物的研發也具有實際應用價值。同時，應用分子影像無創手段活體檢測、動態觀察、定量評估腫瘤微環境及能量代謝，有助于深入研究腫瘤微環境與腫瘤進展之間的關系，為基礎與臨床研究提供一種可靠的評價手段，推動基礎研究向臨床轉化[32]。隨著分子影像技術的進一步發展，針對腫瘤微環境靶向治療的研究將會取得新進展，不斷推動腫瘤患者的個體化精準治療。