單羧酸轉運蛋白在惡性膠質瘤中的研究進展

馬瑞爽，陶慶松，龔升平，朱挺，葛小琴，趙陽，高翔，郭建新#

寧波市第一醫院1放化療科，2神經外科，浙江 寧波 315010

腫瘤多呈現高度異質性的代謝表型，主要歸因于原癌基因和抑癌基因突變的積累。這種異質性增加了微環境的壓力，如暴露于缺氧、葡萄糖、其他營養物質耗竭和酸中毒環境[1]。由于致癌過程中的選擇性壓力，糖酵解表型賦予腫瘤細胞優于正常細胞的優勢。為維持腫瘤細胞增殖和腫瘤生長，腫瘤細胞增加其糖酵解活性以允許碳水化合物重新定向至生物合成途徑[2]。與多數實體腫瘤一樣，惡性膠質瘤表現為以活躍糖酵解為基礎的代謝重塑，增加葡萄糖攝取，并轉化成乳酸或丙酮酸，對糖代謝有更高的依賴性[3]。研究表明，代謝狀態失調及表觀遺傳狀態改變與神經膠質瘤的發生發展過程密切相關，如異檸脫氫檬酸酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）突變和丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2）表達異常[4]。單羧酸轉運蛋白（monocarboxylate transporter，MCT）是乳酸等單羧酸化合物的快速轉運載體，在糖代謝過程中發揮重要功能。近期研究表明，MCT在惡性膠質瘤中特異性表達，并促進惡性膠質瘤的發生發展過程。

1 膠質細胞-神經元乳酸穿梭

與周圍組織不同，正常神經星形膠質細胞表現出活躍的葡萄糖攝取能力，以糖酵解的方式為自身提供能量，同時生成并釋放大量的乳酸，然后被神經元主動消耗和氧化，稱為星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭[5-7]。神經元將星形膠質細胞產生的乳酸視為主要的能量來源，進行充分氧化磷酸化供能，這種模式類似于實體瘤的代謝重排。腦代謝的異質性依賴于星形膠質細胞和神經元中不同糖酵解酶的表達[8]。神經元需要大量的能量來維持細胞膜電位和神經傳導。但大腦的血氧和葡萄糖是相當有限的，在維持低能量生存的前提下，星形膠質細胞將乳酸作為高能底物貢獻給神經元，不僅作為能量供應，且作為脂肪酸、核酸和蛋白質生物合成途徑所需的前體[9]。因此，一個葡萄糖分子可以被重復使用，并使氧在神經元中的應用最大化。星形膠質細胞和神經元之間存在如此顯著不同的代謝模式，表明乳酸產生細胞和乳酸消耗細胞間存在動態調節的代謝交換。

乳酸不應再被簡單地視為神經元的能量底物，更是一種重要的信號分子，它可以獨立于代謝效應來調節細胞生物學活動[10]。研究表明，星形膠質細胞釋放并被神經元吸收的乳酸是維持神經元活動所必需的[11]，乳酸能夠維持神經元的可塑性和記憶[12]。乳酸通過放大N-甲基-D-天冬氨酸受體受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR）介導的電流并增加細胞內鈣濃度，調節神經元的興奮性[13]。乳酸對大鼠大腦皮層暴露于高濃度谷氨酸引起的興奮毒性有神經保護作用[14]；同時在短暫性大腦中動脈閉塞的中風模型中也發揮神經保護功能[15]。

2 MCT與惡性膠質瘤的關系

2.1 MCT與乳酸轉運和腫瘤代謝

MCT是一類實現丙酮酸、乳酸、酮體及短鏈脂肪酸等單羧酸類化合物快速通過細胞膜，在保證碳水化合物、脂質及氨基酸正常代謝中發揮重要作用的轉運蛋白家族成員[16]。MCT家族成員的主要生物學功能包括促進營養物質吸收、維持細胞的代謝與酸堿平衡、細胞間氧化還原物質交換、輔助藥物吸收等，在糖酵解及糖異生過程中都發揮重要作用[17]。

大多數腫瘤細胞在氧氣充足的條件下仍以異常活躍的糖酵解來提供快速生長與增殖所需要的能量，即Warburg效應。這種供能方式可導致乳酸的生成大量增加，如不進行有效的轉運，乳酸堆積將影響腫瘤細胞生長與增殖，甚至導致腫瘤細胞死亡[18-20]。低氧區的糖酵解腫瘤細胞產生的乳酸與氫離子通過MCT4排出至腫瘤微環境中，然后被表達MCT1的外周氧化型腫瘤細胞攝取，由乳酸脫氫酶還原成丙酮酸與還原型輔酶Ⅰ（NADH），進入三羧酸循環，成為呼吸作用的燃料[21]。MCT1和MCT4是高糖酵解狀態下腫瘤細胞排出乳酸、維持細胞內環境穩態的主要轉運體，并在多數腫瘤中表達上調；抑制其功能將導致腫瘤細胞內乳酸堆積[22-24]。過量的乳酸一方面使糖酵解失活造成細胞供能不足，另一方面使細胞內酸性增強影響多種代謝途徑，最終造成腫瘤細胞死亡。

在基因突變的腫瘤中，MCT1與乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）表達明顯增加，促進了乳酸在腫瘤內部的轉運和再利用，以維持高糖酵解活性供腫瘤細胞的能量消耗[25]。MCT維持腫瘤細胞高速的糖酵解，為正常供應能量提供保證。Doherty和Cleveland[26]發現，MCT1的活性被抑制后，糖酵解中間產物發生顯著改變：葡萄糖轉運減少，ATP、NADPH及谷胱甘肽水平降低。

2.2 MCT與大腦發育

MCT在神經系統中顯示出細胞特異性分布，低親和力的MCT1和MCT4存在于星形膠質細胞中，高親和力MCT2存在于神經元中[27]。在大腦發育過程中可以觀察到不同MCT亞型的表達，目前臨床已在胚胎和成人腦血管中檢測到MCT1的表達[28]。研究顯示，MCT2的分布受到發展和區域的調控。出生時，幾乎所有的大腦區域都有高水平的MCT2表達，如小腦和新皮質。生長發育過程中，海馬中的MCT2表達增加，但在多數成年人的腦組織中表達水平較低，在分化的神經元中表達更高[29]。與MCT2相似，MCT4在發育過程中表達也發生變化，但與MCT2相比，其表達被延遲。

在成年人腦組織，MCT1在微血管內皮細胞和星形膠質細胞中表達，MCT2在神經元中表達，MCT4僅存在于星形膠質細胞中[30]。有研究在成年大鼠大腦皮層、海馬和小腦中發現了MCT1的表達[31]。毛細血管周圍的神經膠質末梢和腦實質細胞中也發現了MCT1的表達。MCT2在小鼠腦中主要表達于皮質、海馬和小腦。MCT2的主要定位在神經元的突觸后密度中，并在小腦的浦肯野纖維中發現了MCT2的表達[32]。MCT4的表達已在成年大鼠和小鼠大腦皮質、紋狀體、海馬、下丘腦室旁核的星形膠質細胞中得到證實[31]。因此，MCT細胞特異性表達和每種亞型的Km值支持星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭的假設。研究顯示，星形膠質細胞具有更高的糖酵解活性，通過MCT1和MCT4將乳酸釋放到間質液中，而相鄰的氧化神經元通過MCT2吸收乳酸，氧化成丙酮酸，然后進行三羧酸循環提供ATP[33]。MCT不僅對外周神經系統中的乳酸轉運至關重要，對髓鞘形成也有重要影響[34]。研究表明，腦內皮細胞通過上調MCT1的表達維持乳酸穩態并控制成年海馬神經生長[35]。

2.3 MCT與惡性膠質瘤

Vallée等[36]研究表明，惡性膠質瘤生物學行為與WNT信號通路的激活、誘導關鍵代謝酶的變化、增加MCT基因轉錄密切相關。敲減MCT1的表達，降低惡性膠質瘤細胞葡萄糖消耗率，可明顯減少乳酸外流，降低細胞增殖活性及克隆形成率[37]。Mathupala等[38]也證實，降低MCT1蛋白的表達、阻斷乳酸流、降低細胞內的PH值，可抑制腫瘤細胞的生長。因此，MCT1能夠影響惡性膠質瘤糖代謝表型，維持穩定乳酸流和細胞內PH值。研究表明，缺氧誘導因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）、MCT1或MCT4高表達提示膠質母細胞瘤（glioblastoma，GBM）患者預后不良[39]。HIF-1α、MCT4和LDH在GBM組織內部區域高表達，而在外側區域表達降低；MCT1在內側區不表達，在外側區高表達。因此，GBM的不同區域有不同的能量代謝途徑。Lai等[40]研究表明，缺氧時MCT4表達升高，MCT4水平與惡性膠質瘤臨床病理分級呈正相關。敲除MCT4基因可降低GBM細胞遷移能力和單核細胞的粘附性。

MCT在維持膠質瘤干細胞性中也發揮重要作用。研究顯示，MCT1在GBM干細胞中表達上調，敲減MCT1可抑制GBM干細胞的活性[41]。Ghosh等[42]證實，MCT1和HMOX1與GBM干細胞性相關。敲除MCT4基因與表達干細胞標志物CD133的細胞百分比降低和凋亡率增加有關[43]。敲減MCT4的表達，可嚴重阻礙GBM干細胞的自我更新，降低細胞侵襲性、致瘤性和耐藥性[44]。此外，MCT1不僅可介導膠質瘤細胞與腦內皮細胞間的乳酸信號，還能促進腫瘤血管生成[45]。GBM細胞分泌的支鏈酮酸通過MCT1轉運，能夠改變腫瘤相關巨噬細胞表型并降低其吞噬功能[46]。

3 MC T抑制劑

有證據表明，靶向腫瘤代謝，特別是影響酸性微環境，增加了替莫唑胺在GBM中的抗腫瘤作用[47]。Miranda-Gon?alves等[48]使用α-氰基-4-羥萘酸（α-cyano-4-hydroxycinnamate，CHC）抑制MCT活性增強了替莫唑胺在神經膠質瘤細胞中的作用（協同作用）。體內模型中使用CHC能夠延緩腫瘤生長，增加腫瘤細胞對輻射的敏感性，并減少腫瘤侵襲[49]。因此，靶向MCT，特別是GBM中的MCT1，成為治療GBM的有吸引力的潛在靶點，導致細胞內的酸堿度和乳酸轉運的降低，從而降低糖酵解速率，可能有助于增強化療藥物（如替莫唑胺）和放療效果，以及GBM中的抗血管生成治療的效果。但CHC對各MCT亞型的特異性較低，且抑制線粒體丙酮酸轉運體和陰離子泵1，因此，CHC的療效不穩定、不良反應明顯[50]。此外，CHC通常在較高的微摩爾濃度才發揮作用，臨床應用價值有限。ARC155858和AZD3965是較新的高效MCT1/MCT2抑制劑，其中AZD3695在目前研究中較為常用，且正在進行多項臨床試驗[51]。但由于MCT4的代償作用，細胞內外乳酸還能夠在一定程度上進行交換，這些化合物的治療作用有限。近期有研究發現了一種新的MCT抑制劑家族，7ACC2是其中的代表，其能夠選擇性抑制MCT1和MCT4的表達，顯著減少腫瘤細胞的乳酸攝取[52]，其治療效果和臨床應用還需要進一步的體內研究證明。

進一步研究發現，常用的抗高血壓藥物昔洛舍平是一種雙重MCT1和MCT4抑制劑（對MCT4的抑制效率比MCT1高60倍）[53]。昔洛舍平作用于腫瘤細胞，引起細胞內乳酸水平升高，抑制細胞生長，其與二甲雙胍的聯合治療時，可抑制乳酸脫氫酶和線粒體NADH脫氫酶的活性，導致糖酵解所需的NAD+再生能力下降，從而阻滯了糖酵解的進程，造成腫瘤細胞ATP耗盡和死亡。

4 小結

傳統的腫瘤治療方法如手術、放化療存在療效不一和不良反應大的問題，近年來興起的靶向治療因其特異性的抗腫瘤作用得到了醫務人員與患者的青睞。MCT是腫瘤靶向治療的潛在靶點，多項研究成果也證實，抑制MCT1或MCT4的表達可以控制惡性膠質瘤細胞增殖及轉移。抑制MCT1表達提供了同時靶向腫瘤代謝和影響血管形成的機會，并能增強惡性膠質瘤對放療和化療的敏感性。MCT的靶向抑制治療也可與生酮療法等同樣聚焦于腫瘤Warburg效應的新興治療策略聯合應用，獲得更佳的治療效果。進一步探究MCT的表達與活性調節及在腫瘤發生發展中的機制與作用，對在惡性膠質瘤中的效果進行全方位的評估，開發與傳統治療方法的聯合治療策略，為研發更具特異性、更安全的靶向藥物提供了理論基礎。

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