乳酸與腫瘤生物學特性的研究進展

董琪，周辰康，任浩東，李宗禹，吳志浩

（1.皖南醫學院臨床醫學院臨床醫學專業2016 級本科生，安徽蕪湖 241002；2.檢驗學院醫學檢驗技術專業2018 級本科生；3.藥學院藥學專業2018 級本科生；4.影像學院醫學影像專業2016 級本科生；5.腫瘤微環境研究室）

癌癥作為全球第二大致死疾病，現已成為全球最嚴峻的公共衛生問題之一。癌癥的發生發展是多基因、多階段、多系統參與的連續、漸進過程，這其中包括多基因突變的積累，能量代謝的重編程，血管的生成，局部侵襲浸潤，免疫逃逸和轉移灶的形成等［1］。

腫瘤微環境（tumor microenvironment，TME），即由多種細胞和細胞外基質以及多種細胞因子為腫瘤細胞生長提供的特殊環境［2］。腫瘤細胞為了滿足其惡性增殖的需要，往往表現出葡萄糖攝取量的異常增高、糖酵解的增強和乳酸的大量堆積，形成了腫瘤微環境中缺乏氧氣、營養以及呈現酸性微環境的特點［2］。

乳酸在過去一直被認為是細胞糖酵解所產生的代謝廢物和惡性腫瘤的生物學標志物。然而Martinez－Zaguilan 等［3］的研究發現，腫瘤外乳酸的蓄積與腫瘤患者較高的轉移發生率以及患者總體生存率降低密切相關。也有研究表明，乳酸可作為重要的信號分子影響周圍細胞［4］。而且在腫瘤免疫逃逸、血管生成、代謝調節中發揮重要作用［5］。因此，本文就乳酸與腫瘤生物學效應的關系進行綜述。

1 Warburg 效應與乳酸的產生

癌細胞可以通過代謝重編程以長期維持自身的生長、存活和增殖。這種代謝改變的共同特征是葡萄糖攝取增加以及葡萄糖不被徹底氧化而是發酵成乳酸，即使存在完全起作用的線粒體，也可以觀察到這種現象，被稱為Warburg 效應［6－8］。腫瘤細胞如果想要獲取與正常細胞相同的能量，也就意味著腫瘤細胞需要利用更多葡萄糖來彌補這種代謝方式的“缺陷”，無氧糖酵解的速率比氧化磷酸化快100 倍，使腫瘤細胞能夠在缺乏足夠氧氣的情況下，以消耗更多葡萄糖為代價，生成大量的氨基酸、脂質、核苷酸等中間產物以滿足短期能量需求與快速生長。

隨著氟代脫氧葡萄糖正電子發射斷層掃描（Fluorodeoxygucose positron emission tomography） 技術［9－10］的發展，利用實體瘤大量攝取葡萄糖成像與周圍組織對比來診斷腫瘤大小位置的方式已經被廣泛運用于臨床［11］，這也進一步證明了Warburg效應在腫瘤代謝中的普遍性。

2 乳酸轉運體

腫瘤以糖酵解作為能量代謝的主要方式，這個過程中產生了大量的乳酸。為了避免胞質被過度酸化，腫瘤細胞必須通過羧酸轉運體（monocarboxylate transporters，MCTs），將乳酸轉運出細胞。同時由于腫瘤組織缺乏血管輸送的營養，腫瘤細胞也需要經MCTs 攝取乳酸作為呼吸燃料。單羧酸轉運體是分子量在50 kD 左右的12 次跨膜蛋白，屬于溶質運載蛋白家族（solute carrier family，SLC） SLC16A 亞家族成員［12］，目前該家族具有14個成員。MCTs 在腫瘤組織中表達異常增高，有4個成員（MCT1－4） 與單羧酸鹽偶聯質子轉運有關［13］。經過人表達序列標簽 （EST） 數據庫的Northern blot 分析和檢查表明，MCT2 在人組織中幾乎不表達，MCT3 的表達局限于視網膜色素上皮細胞和脈絡叢上皮細胞［14］。MCT3 與MCT1 的共同作用，與維持視網膜組織的pH 有關［15］。有研究表明，同種MCT 在不同種類的細胞中對乳酸的轉運方向不同，而且MCT 與乳酸的親和力決定了乳酸的轉運方向［16］。有研究發現，MCT4 對乳酸具有低親和力，腫瘤組織內部細胞糖酵解產生的乳酸主要經MCT4 流出［17］；MCT1 對乳酸具有高親和力，腫瘤外的乳酸經MCT1 轉運入胞，這些乳酸被乳酸脫氫酶B （lactate dehydrogenase B，LDHB） 催化成丙酮酸經過三羧酸循環而被腫瘤細胞所利用［18］。

腫瘤包含氧合區和缺氧區。因此，根據氧、葡萄糖和乳酸的可用性，存在具有不同代謝特征的異質腫瘤細胞群。有學者提出腫瘤中有兩種代謝類型的腫瘤細胞，一種是糖酵解型，另一種是氧化磷酸化型。它們之間利用乳酸的轉運相互“配合” 以達到營養的充分利用［19］。也有學者提出這是同一種細胞在不同環境下因代謝重組所表現出的兩種形式［18］，這兩種說法都有待進一步的探究證明。但無可爭議的是缺氧和氧化在癌細胞之間存在共生關系，這種關系依賴于MCTs 的活性。

3 乳酸受體GPR81

傳統研究中，乳酸被視為代謝廢物。近年來，乳酸受體的發現提示：乳酸作為信號分子在細胞偶聯中發揮重要作用。GPR81 （HCA1） 是乳酸特異性受體，屬于G 蛋白偶聯受體 （G proteincoupled receptors，GPCRs） 家族。研究表明，乳酸通過GPR81／Gi 通路下調cAMP 來促進脂肪細胞脂質的儲存，乳酸還可將GPR81 作為其調節腦血流量、神經元代謝的遞質［20］。近年來研究發現，GPR81 與腫瘤的關系更加密切。有研究表明，GPR81 廣泛存在于結腸癌、乳腺癌、肺癌、肝細胞癌、唾液腺癌、宮頸癌和胰腺癌細胞系中，胰腺癌患者高表達GPR81 達到了94%［21］。Christina等［21］發現，在高葡萄糖的環境下沉默GPR81 對胰腺癌細胞幾乎沒有影響，但是在低葡萄糖并且補充乳酸來模擬腫瘤微環境的條件下沉默GPR81，癌細胞快速死亡；GPR81 沉默后，乳酸誘導的基因表達受限而且腫瘤細胞線粒體活性也降低。GPR81 還可調節MCT1 和MCT4 的表達來調節腫瘤的能量代謝以及穩態的維持［22］。不管在體內還是體外高表達GPR81 的腫瘤細胞都具有更強的轉移侵襲能力和更強的環境適應能力［21］。這些研究都表明，乳酸代謝在腫瘤細胞中的重要性以及GPR81 是腫瘤微環境中癌細胞存活的重要調節因子。

4 乳酸與腫瘤的轉移、免疫逃逸及血管生成

具有侵襲轉移的能力是惡性腫瘤的主要特征之一。Rofstad 等［23］發現，在裸鼠尾靜脈注射前用酸性pH 預處理黑色素瘤細胞可以提高其轉移部位的存活率。上皮－間質轉化（epithelial－mesenchymal transition，EMT） 是腫瘤細胞轉移所必需經歷的過程［24］。研究表明，腫瘤細胞外間隙酸化會上調金屬蛋白酶的表達，金屬蛋白酶參與基底膜的降解與組織的重塑［25］。此外，我們研究發現，乳酸可以通過誘導肺癌細胞釋放TGF－β 來上調Snail 從而獲得間質表型促進轉移［26］。經過EMT 后，腫瘤細胞將面臨免疫系統的清掃。

腫瘤細胞的逃逸機制，包括免疫抑制分子的上調、免疫抑制細胞因子的產生和共刺激分子的下調等。此外，腫瘤特殊的代謝形式也很大程度上賦予了腫瘤細胞免疫逃逸的能力。當免疫細胞靠近腫瘤細胞時，腫瘤間隙的高乳酸環境會阻礙免疫細胞自身乳酸的清除導致其免疫效能減退或致其死亡［27－28］。我們研究發現，乳酸通過GPR81促進TAZ 入核而上調PD－L1 的表達使肺癌腫瘤具有免疫逃逸的能力［29］。

腫瘤形成轉移灶的最后一步是血管的重建，Végran 等［30］發現，肺微血管內皮細胞通過MCT1攝取乳酸可激活NF－κB 和上調IL－8 來促進IL－8依賴性的血管生成。也有研究發現，乳酸可以通過激活AKT 促進HIF－1α 上調VEGF 的表達，促進血管生成，HIF－1α 又可以促進Glut1、HK2 等一些參與糖酵解的酶的表達從而加快糖酵解的速率［31］。這也可以很好的解釋，腫瘤中葡萄糖向乳酸的高轉化率與葡萄糖攝取和葡萄糖磷酸化的高轉化率結合在一起這一說法。

5 乳酸與腫瘤的耐藥性

化學療法仍然是目前治療癌癥的主要方法。然而，腫瘤的耐藥性仍然是一個相當大的問題，它的產生會嚴重地限制化療的有效性。耐藥性的分子機制涉及：藥物外排率增加，藥物代謝改變，藥物靶點突變，癌癥干細胞的存在，抑制細胞死亡，腫瘤的異質性，腫瘤微環境和活性氧的調節等［32－34］。Wagner 等［35］的研究發現，乳酸可以激活GPR81，誘導宮頸癌細胞上調多藥耐藥蛋白ABCB1的表達，并通過其外排化療藥物來保護自身。一些化療藥物主要通過損傷腫瘤細胞的DNA 促使細胞凋亡［36］，如鉑類的順鉑、卡鉑，鬼臼毒素類的依托泊苷等。有研究發現，乳酸可以通過上調組蛋白脫乙酰基酶，從而增強宮頸癌細胞DNA 的修復能力來抵抗順鉑等藥的毒性［37］。

分子靶向療法顯著改善了化學療法在抑制腫瘤進展方面的功效［38］。Apicalla 等［39］研究表明，乳酸通過刺激成纖維細胞，分泌NF－κB 依賴性的肝細胞生長因子HGF，進而誘導EGFR 突變的肝細胞產生對酪氨酸激酶抑制劑（TKI） 的抗性。

6 針對乳酸的靶向治療策略

目前針對各種致癌基因的靶向療法已經廣泛運用到了臨床，并取得良好的效果。令人遺憾的是，目前針對乳酸及腫瘤代謝的靶向藥物還未應用于臨床，但是廣大研究人員對于乳酸與腫瘤的探索成果又讓我們看到了新的靶向治療的希望。Hu 等［40］研究團隊運用動脈栓塞的方法，向原發性肝癌部位注射碳酸氫鈉的療法能顯著縮小腫瘤的體積。

乳酸脫氫酶 A （lactate dehydrogenase A，LDHA） 是糖酵解過程中丙酮酸向乳酸轉化的關鍵酶，它通過再生NAD 形成NADH 維持糖酵解和ATP 的生成。Baumann 等［41］的研究表明，LDHA缺陷的腫瘤細胞致瘤性明顯降低，敲降LDHA 后，細胞的代謝表型被擾亂，增殖能力顯著降低。MCT1 與MCT4 作為腫瘤細胞之間以及腫瘤細胞與間充質細胞之間重要的能量代謝與穩態調節器，對腫瘤細胞的生存轉移起到了重要作用。靶向乳酸代謝過程及腫瘤細胞間質外的酸性環境是一個潛在治療腫瘤的新方法。

綜上所述，本文概述了乳酸的產生以及與腫瘤的轉移、免疫逃逸、血管生成和耐藥性的關系。隨著乳酸與腫瘤的深入研究，乳酸對腫瘤的影響機制將進一步被闡明，靶向腫瘤細胞乳酸代謝相關的療法也將會應用于臨床并取得良好的療效。