PKM2和PET/CT在肺癌糖代謝方面的研究與應用進展

周鑫，游金輝

(川北醫學院附屬醫院核醫學科，四川 南充 637000)

肺癌是目前世界上最常見的惡性腫瘤之一，包括鱗狀細胞癌(鱗癌)、腺癌、大細胞癌、未分化癌、肺泡細胞癌等，其中肺腺癌是最常見的組織學類型[1]。盡管肺癌的早期診斷和治療取得了一定進展，但5年生存率仍然很低，這可能與肺癌的高轉移率和對化療藥物的耐藥性有關[2]。腫瘤細胞的糖代謝率顯著高于正常細胞，在氧充足的情況下也可以進行糖酵解，稱為Warburg效應[3]。M2型丙酮酸激酶(pyruvate kinase M2，PKM2)是糖酵解過程中將磷酸烯醇丙酮酸轉化為丙酮酸的關鍵酶。PKM2在許多惡性腫瘤中過表達，可以增加腫瘤細胞核酸的生成，并促進腫瘤細胞的糖酵解，對腫瘤的生物學行為有重要影響[4]。有研究表明，通過檢測PKM2的含量，可以預測腫瘤的存在[5]，而調節PKM2活性的靶向分子療法可以提高化療藥物的療效[6]。正電子發射計算機斷層掃描/計算機斷層掃描(positron emission tomography/computed tomography，PET/CT)將PET與CT結合，由PET提供病灶詳盡的功能與糖代謝等分子信息，而CT提供病灶的精確解剖定位，一次顯像可獲得全身各方位的斷層圖像，具有靈敏、準確、特異及定位精確等特點。18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)PET/CT顯像就是利用腫瘤的糖代謝特點來診斷良惡性腫瘤。近年來，18F-FDG PET/CT在診斷和指導治療腫瘤方面已顯示出獨特的優越性，是非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)淋巴結分期的首選診斷技術[7]。現就PKM2、18F-FDG PET/CT顯像在肺癌糖代謝方面的研究進展予以綜述。

1 PKM2的結構與功能調節

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是控制糖酵解的關鍵酶和限速酶之一[8]。在哺乳動物細胞中PK存在4種同工酶，即M、R及L型同工酶，其中M型同工酶又分為了M1和M2亞型，它們的表達具有組織特異性，并且受到不同啟動子的調節，PKL在肝臟、胰腺、腸和腎的一些細胞中表達，PKR在紅細胞中表達[9]。PKM1、PKM2由PKM基因編碼，是相互排斥的可變剪接外顯子9以及外顯子10的產物，兩種PKM同種型都具有相同的催化功能；PKM1是組成型活性四聚體酶，PKM2可以四聚體、二聚體或單聚體的形式存在于細胞中，但四聚體的活性最高，四聚體PKM2可促進ATP的產生，而二聚體PKM2則可提高生物合成速率[10]。在正常機體環境中，四聚體與二聚體PKM2維持著動態平衡，一旦該平衡被打破，腫瘤的生長就會增強。

研究表明，PKM2在胚胎細胞、成體干細胞和癌細胞中表達[11]。在胚胎細胞中，隨著胚胎的發育與成熟，PKM2的表達逐漸下降，但當細胞癌變后，PKM2的表達重新升高[12]。Christofk等[13]使用短發夾RNA法敲低人癌細胞中的PKM2表達，并用PKM1替代PKM2，結果發現，PKM2表達對于有氧糖酵解是必需的，并且PKM2為體內腫瘤細胞提供選擇性生長優勢，表明PK的活性能力對于活躍增殖的細胞中十分重要。當PKM2低活性誘導的糖酵解增加時，可以為癌細胞提供快速增殖所必需的各種底物資源[14]。通過基因工程改造以表達PKM1代替PKM2時，癌細胞從有氧糖酵解轉變為線粒體呼吸，并且在異種移植后不能形成腫瘤[15]。

PKM2的活性可受多種因子調控，其中酪氨酸磷酸化蛋白通過與PKM2結合可以抑制PKM2活性，從而降低磷酸化-酪氨酸介導的生長信號轉導[16]；缺氧誘導因子-1是能量代謝的主要調節因子，可通過調節乙醇酸轉移的重編程引起糖酵解增加[17]；Myc可直接結合PKM基因啟動子的Myc響應元件，促進轉錄后剪接時產生PKM2信使RNA；哺乳動物雷帕霉素靶蛋白可以通過激活缺氧誘導因子-1和Myc基因間接調控PKM2的表達[18]。

2 PKM2與肺癌糖代謝

有氧糖酵解是腫瘤的常見特征。Warburg[3]在進行腫瘤細胞檢測時發現，即使在大量氧存在的情況下，腫瘤細胞的葡萄糖代謝也存在有氧糖酵解。有學者用薄層丙烯酰胺膽堿凝膠等電聚焦法檢測PKM2發現，與正常肌肉組織相比，橫紋肌肉瘤組織中PKM2高表達，但在小鼠模型中，PKM2對乳腺腫瘤及白血病的形成是可有可無的[5]。有研究通過免疫組織化學法發現，PKM2在舌癌以及食管鱗癌患者中高表達，并與患者預后呈負相關[19]。Zhang等[20]通過免疫組織化學法發現，在肝細胞癌組織中PKM2的表達顯著增加，并與高腫瘤TNM分期和血管侵襲水平相關，提示PKM2可作為肝細胞癌預后和治療靶點的生物標志物。

肺癌大致分為小細胞肺癌(約15%)和NSCLC(約85%)[1]。NSCLC的主要組織學亞型是腺癌和鱗癌，其次還有大細胞癌、未分化癌、肺泡細胞癌等，但大多數NSCLC的糖代謝高于正常組織[21]。有研究發現，PKM2在肺腺癌患者中過表達，與PKM2低表達患者相比，PKM2高表達患者的總生存率和無病生存率均降低(P=0.017，P=0.027)；通過小干擾RNA技術剔除PKM2，發現腫瘤細胞的增殖、葡萄糖攝取以及ATP生成均顯著降低[22]。Zhou等[23]對76例接受18F-FDG PET/CT術前分期的肺腺癌患者進行回顧性分析發現，腫瘤中PKM2的表達高于腫瘤周圍組織。Zhou等[24]研究表明，降低PKM2表達可抑制肺鱗癌細胞的生長和遷移，而肺鱗癌細胞中PKM2過表達會導致患者對藥物的耐藥性。

敬懷志等[25]的研究表明，PKM2表達陽性率在肺腺癌和鱗癌之間差異有統計學意義(57.1%比87.5%，P=0.008)，基于免疫組織化學分析及統計學計算發現，PKM2表達在大多數肺癌分化、淋巴結轉移和遠處轉移(TNM分期)之間差異有統計學意義(P<0.05)，而在年齡、性別、腫瘤大小或遠處轉移之間的差異無統計學意義(P>0.05)。Rzechonek等[26]研究表明，與正常人肺組織相比，肺鱗癌患者的PKM2也存在高表達，并與腫瘤的TNM分期相關，分期越晚，PKM2的表達相對越高；同時采用分光光度法對65例肺癌患者的PKM2血清活性進行評估發現，與健康人群對照組相比，腺癌患者的PKM2活性平均為136%，而鱗癌患者的PKM2活性為126%，較高的PKM2活性與癌癥的Ⅲ期相關(P<0.001)；PKM2作為腫瘤標志物診斷腺癌的靈敏度為79%，診斷鱗癌的靈敏度為81%。

通過測定肺癌患者治療前、治療后緩解期以及復發時血漿中PKM2水平發現，治療前及復發肺癌患者的PKM2高表達，且進行性肺癌患者的PKM2表達顯著增加[27]。有報道顯示，肺癌合并胸腔積液患者胸腔積液PKM2檢測的靈敏度更優于血漿，在腫瘤TNM分期中，Ⅲ～Ⅳ期肺癌患者胸腔積液PKM2陽性率(66.6%)顯著高于Ⅰ～Ⅱ期患者(33.3%)；與癌胚抗原(carcinoembryonic antigen，CEA)相比，PKM2診斷肺癌的靈敏度較高(82.14%比71.42%)，特異度相同(90.0%比90.0%)[28]。周瑩艷等[29]采用酶聯免疫吸附試驗檢測62例肺癌患者的PKM2水平，并聯合CEA及神經元特異性烯醇化酶進行研究，結果發現，PKM2診斷肺癌的陽性率為64.5%(40/62)，靈敏度為64.5%(40/62)，特異度為93.3%(56/60)；CEA診斷肺癌的靈敏度為61.3%(38/62)，特異度為91.3%(58/60)；神經元特異性烯醇化酶診斷的靈敏度為38.7%(24/62)，特異度為98.7%(58/60)；三者聯合診斷的靈敏度為87.1%(54/62)，特異度為86.7%(52/60)。

PKM2作為肺癌的腫瘤標志物，對肺癌患者的動態監測、療效評價及預后判斷具有一定的應用價值，與目前臨床上常用的肺癌標志物聯合可提高診斷的靈敏度。但PKM2與肺癌組織類型的關系以及可否用于良、惡性腫瘤的區分等方面還需要進一步研究。

3 18F-FDG PET/CT顯像與肺癌糖代謝

18F-FDG PET/CT顯像是反映腫瘤糖代謝水平的分子影像學技術，是目前肺癌檢出最為理想的功能分子顯像方法。葡萄糖是腫瘤細胞的主要能量底物(Warburg效應)，多數癌細胞生長嚴重依賴于葡萄糖代謝。脫氧葡萄糖是葡萄糖的類似物，18F-FDG攝取增加是許多惡性腫瘤(如肺癌)預后不良的指標[30]。18F-FDG PET/CT顯像在肺癌診斷局部腫瘤范圍、縱隔淋巴結受累和遠處轉移等方面顯示出了獨特的優越性。18F-FDG PET/CT病灶探測率很高，靈敏度在90%以上，特異度約為70%；對淋巴結及遠處轉移灶檢出更敏感，評估更準確，可提高約30%的腫瘤病灶分期；PET或PET/CT是目前NSCLC患者淋巴結分期的首要技術，PET/CT可發現<1 cm的淋巴結轉移[7]。

有研究表明，18F-FDG PET/CT顯像的最大標準化攝取值(maximum standardized uptake value，SUVmax)可作為獨立的生存預后因素，治療前SUVmax值與肺癌患者生存時間呈負相關[7]。Liu等[31]的研究表明，標準化攝取值指數(SUVindex，即淋巴結SUVmax/原發腫瘤SUVmax×腫瘤最大直徑)可能是肺癌患者縱隔惡性淋巴結轉移的預測指標。Putora等[32]對27例肺癌患者行PET/CT顯像發現，高SUVmax與肺癌基因突變相關(P<0.008)，而突變狀態也與原發腫瘤位置有關(P=0.001)，中央型肺癌突變基因常為間變性淋巴瘤激酶，而周圍型肺癌突變基因為表皮生長因子受體。Hsu等[33]對35例多原發肺癌患者行術前PET/CT顯像，評估SUVmax與手術結果、預后判斷和腫瘤影像學結果之間的關系，受試者工作特征曲線顯示，SUVmax預測復發的最佳閾值為3.1，其靈敏度為92.3%(95%CI83.5%～100.0%)，特異度為72.7%(95%CI58.0%～87.4%)；預測無復發生存率的SUVmax曲線下面積為0.86(95%CI0.74～0.99，P<0.001)；在多變量分析中，高SUVmax值與復發獨立相關(P<0.01)，危險比為8.24(95%CI1.03～65.74)；高SUVmax值的復發率為6.79%；SUVmax越高，總生存率越低(5年生存率為53.3%)。Kohutek等[34]通過對211例接受立體定向放療并行PET/CT檢查的NSCLC患者進行研究發現，若原發灶SUVmax>3.0，立體定向放療后的生存率較低，局部復發率高，遠處轉移的可能較大；且治療前原發灶SUVmax值越大，復發轉移的可能性越高；治療后病灶SUVmax值越小，局部腫瘤活性控制越高。但糖代謝高的結核、真菌感染病灶SUV值增高明顯，而高分化且糖代謝低的腫瘤病灶卻表現出相反的顯像特點，即SUVmax值增高并不明顯，如支氣管肺泡癌18F-FDG攝取較低，且支氣管肺泡癌中實性成分的百分比與SUVmax值呈負相關[35]。

PKM2作為糖代謝的關鍵酶之一，在腫瘤細胞中的表達會影響患者的預后及診療方案。研究發現，可以通過測定18F-FDG PET/CT顯像肺癌病灶的SUVmax值來預測PKM2的表達，PKM2表達越低，患者預后及生存越好，可更好地制定診療策略[36]。Takamoch等[37]對術前2個月內接受了18F-FDG PET/CT顯像的734例肺腺癌患者病灶組織進行免疫組織化學研究發現，PKM2的表達與SUVmax呈正相關(r=0.62，P<0.05)。De Rosa等[38]對NSCLC小鼠進行18F-FDG PET/CT顯像時發現，18F-FDG攝取增加至(23.51±9.72)%時，用厄洛替尼或載體治療后，18F-FDG攝取減少；進一步研究顯示，18F-FDG攝取減少與PKM2下調呈正相關。An等[39]通過免疫組織化學法研究了57例NSCLC患者病灶組織的PKM2與SUVmax值(0.7～24，平均值為6.56)之間的關系，通過Spearman相關性分析發現，PKM2與SUVmax呈弱相關(r=0.21，P=0.06)，而SUVmax與葡萄糖轉運體1的表達呈正相關(r=0.551，P=0.001)。但Zhou等[23]通過免疫組織化學法分析了72例PET/CT顯像的肺腺癌患者，發現SUVmax值與PKM2的表達無相關性(r=0.176，P=0.190)，而與葡萄糖轉運體1呈正相關(r=0.551，P<0.001)。可見，目前有關SUVmax與PKM2在肺癌患者中的相關性仍存在爭議。

4 小 結

PKM2的表達與腫瘤分化、淋巴結轉移和TNM分期相關，這可能與腫瘤的進展、負荷增加以及大量腫瘤細胞壞死或轉移過程中釋放更多的PKM2有關。在肺癌臨床診治中，確定PKM2的表達狀態非常重要。使用免疫組織化學法評估患者腫瘤組織中PKM2的表達情況，涉及侵入性操作，并且受到腫瘤組織可用性的限制。若采用非侵入性技術(如PET/CT的參數)預測腫瘤PKM2的表達水平可避免這種限制；反之，若通過測定組織或血液中的PKM2表達來反映腫瘤的糖代謝狀況(如SUVmax)，也可進一步提高惡性腫瘤的診治效能。但反映惡性腫瘤患者腫瘤糖代謝水平的SUVmax與糖代謝關鍵酶PKM2之間的關系并不明確，PKM2聯合PET/CT對肺癌的診斷是否有益還有待進一步研究。