能量代謝轉換在多發性骨髓瘤發生發展中的作用

莫楠 李艷純 岳娟清 楊慧 童樂 王瑩*

多發性骨髓瘤是一種惡性漿細胞的克隆性增殖性疾病，是第二常見的血液系統惡性腫瘤，其特征是單克隆漿細胞在骨髓內積聚。多發性骨髓瘤會導致轉化的漿細胞分泌無功能的單克隆免疫球蛋白（Ig）。這種異常的Ig 會導致與多發性骨髓瘤相關的并發癥，如腎功能障礙、神經病變和高粘血癥。另外，骨髓中的骨髓瘤細胞生長以及轉化細胞和骨髓微環境中的其他細胞產生的細胞因子會導致活動性多發性骨髓瘤的典型臨床癥狀：溶骨性骨病變、高鈣血癥、貧血、腎功能損害［1-2］。雖然目前有可行的治療方法，如蛋白酶體抑制劑、免疫調節藥物、靶向腫瘤細胞的單克隆抗體、自體干細胞移植，但由于不可避免的復發和化療耐藥性的存在，多發性骨髓瘤仍被認為是無法治愈的［3］。研究發現，改變的葡萄糖和谷氨酰胺代謝是多發性骨髓瘤中研究最充分的途徑。本文探討多發性骨髓瘤的能量代謝模式的改變，及其在多發性骨髓瘤發展中的作用，為多發性骨髓瘤的個性化治療提供思路。

1 腫瘤的能量代謝轉換類型

能量代謝是指有機體在物質代謝過程中能量的產生、釋放、轉換及利用的過程。腫瘤細胞的能量代謝轉換包括有氧糖酵解、谷氨酰胺分解、三羧酸循環（TCA 循環）等。正常細胞主要以葡萄糖的有氧氧化作為供能方式，而腫瘤細胞的能量代謝特點則明顯有別于正常細胞，即使在氧氣充足的情況下，腫瘤細胞仍以糖酵解作為主要的產能方式，即Warburg效應。此外，雖然腫瘤細胞偏好于利用糖酵解作為主要的產能方式，但線粒體氧化磷酸化仍為一種高效的產能方式，為腫瘤細胞的生長提供能量供應。

1.1 糖酵解 （1）概述：腫瘤特異性代謝改變是由德國生物化學家Otto Warburg 及其同事于1920 年首次發現。對于普通細胞而言，當氧氣充足時葡萄糖經徹底氧化產生32 分子三磷酸腺苷（ATP），當氧氣供應不足時僅通過糖酵解產生2 分子ATP，因此，普通細胞只有在缺氧情況下才使用糖酵解這種低效率的產能途徑，而大多數腫瘤細胞即使在氧氣存在的情況下也傾向于主要通過糖酵解產生能量，而不是線粒體氧化磷酸化（OXPHOS），這是一種重新編程的代謝，因此，“Warburg效應”也被稱為“有氧糖酵解”。（2）ATP 供應：與線粒體氧化磷酸化相比，“Warburg 效應”在ATP 的生產效率較低。目前研究表明，大多數腫瘤細胞的線粒體功能未受損。那為什么腫瘤細胞仍選擇低效的糖酵解來進行能量生產［4-8］？事實上，不僅是糖酵解，TCA 循環、脂肪酸β-氧化和合成代謝都被重新編程以適應腫瘤細胞的新功能。為了增殖腫瘤細胞，復制所有細胞成分，其對核苷酸、脂質和氨基酸有大量需求，如果主要通過OXPHOS 產生ATP，生物大分子合成的碳源將受到嚴重限制。另一方面，如果利用有氧糖酵解為主要的能量來源，源自“Warburg 效應”的過量乳酸也可用于ATP 生產和生物大分子合成，以此來提高能量效率，滿足腫瘤細胞增殖的能量需求。這是腫瘤細胞以有氧糖酵解為主要能量代謝的原因［9-10］。（3）調節糖酵解的相關蛋白：腫瘤細胞具有獨特的能量代謝現象，其特點是腫瘤細胞內參與氧化代謝的相關蛋白下調，葡萄糖轉運蛋白和單羧酸轉運蛋白上調。哺乳動物正常細胞（紅細胞、骨骼肌細胞、心肌細胞、肝細胞）中糖酵解通量的主要控制步驟是葡萄糖轉運蛋白（GLUT）、己糖激酶（HK）和磷酸果糖激酶1（PFK-1）。在快速生長的腫瘤細胞中，這三種蛋白質數倍過表達且活性增強，對腫瘤細胞糖酵解調控起主要作用，其余的糖酵解酶也在腫瘤細胞中過度表達，但程度較低。

1.2 線粒體氧化磷酸化 （1）概述：線粒體是真核生物進行氧化代謝的部位，是糖類、脂肪和氨基酸最終氧化釋放能量的場所。線粒體負責的最終氧化的共同途徑是TCA 循環與OXPHOS。OXPHOS 代謝在較多腫瘤中功能良好，甚至以5'-三磷酸腺苷（ATP）的形式提供比糖酵解更多的生物能量。OXPHOS 的多種代謝程序在基因轉錄水平由關鍵轉錄共激活因子控制，這些共激活因子通過增加多個代謝基因的表達來整合和輸出上游致癌信號，提供了關閉致癌代謝過程的機會。且這些共激活因子與各種轉錄因子（TF）相互作用并增強轉錄活性。另外，能量穩態、線粒體生物發生和OXPHOS 的轉錄程序由多個TF 介導，其激活統一需要轉錄輔激活因子的參與，即過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活因子-1α（PGC-1α）。因此，PGC-1α 被認為是OXPHOS 的核心調節因子，且在包括癌癥在內的各種疾病中失調［11］。（2）乳酸：乳酸僅被認為是有氧糖酵解產生的“代謝廢物”，然而，現在有明確證據證明，乳酸可以納入TCA 循環并成為能量來源。葡萄糖是大多數實體瘤中產生乳酸的主要來源，谷氨酰胺也是腫瘤細胞中少量乳酸的來源之一。綜上，乳酸被視為癌癥代謝重編程中的重要致癌代謝物，由于乳酸的大量存在，腫瘤微環境中的細胞外pH 值酸化，這種酸中毒有利于轉移、血管生成以及免疫抑制等過程，并且與較差的臨床預后有關。因此，乳酸在促進腫瘤細胞增殖和致癌信號轉導、轉移和腫瘤耐藥性方面起著關鍵作用［12-13］。（3）谷氨酰胺：谷氨酰胺是血液循環中最豐富的氨基酸，其對大多數細胞的增殖和一些對谷氨酰胺成癮的癌細胞的生存至關重要。谷氨酰胺代謝可以支持ATP 的產生和蛋白質、脂質和核酸的生物合成，促進癌細胞持續生長和增殖，還可以調節氧化還原穩態并影響信號轉導通路的活性。其是癌癥治療中成功靶向的代謝途徑之一，較多血液學和實體腫瘤對谷氨酰胺的依賴性與線粒體谷氨酰胺酶（GLS）活性有關，谷氨酰胺酶使谷氨酰胺能夠進入TCA 循環，產生ATP 和NADPH，并調節谷胱甘肽穩態和活性氧（ROS），一些癌癥可以重新編程其代謝以避免這種代謝陷阱，如硼替佐米耐藥的骨髓瘤細胞系顯示出主要由谷氨酰胺增強的線粒體功能增強。因此，谷氨酰胺代謝的改變可能與治療效果和耐藥性有關［14-15］。（4）脂肪和氨基酸合成：脂肪酸由長鏈烴和位于烴末端的羧酸基團組成，其功能是穩定細胞膜，也是長期能量儲備的重要組成部分。脂肪酸/脂質代謝是對能量產生很重要的第三條代謝途徑，合成以乙酰-CoA 和丙二酰-ACP 之間的反應開始，產生乙酰-ACP 和CO2，最終結束于甘油磷脂、甘油三酯、磷脂和磷脂酰膽堿的合成。脂肪酸的代謝主要取決于能量庫，每當需要增加能量時，就會產生ATP 分子以加速脂肪酸降解。氨基酸參與蛋白質和激素的合成，在能量饑餓的情況下，脂肪酸先被耗盡，然后蛋白質被降解以平衡能量缺口。增加的脂肪酸和氨基酸合成可能是由于谷氨酰胺分解增加并促進癌細胞存活。此外，源自骨髓脂肪細胞的脂肪酸可以維持骨髓瘤細胞的存活和繁殖［16］。

2 多發性骨髓瘤發生發展的能量代謝模式改變

2.1 調節多發性骨髓瘤能量代謝的關鍵蛋白 （1）葡萄糖轉運蛋白（GLUT）：與癌細胞相似，骨髓瘤細胞依賴于將葡萄糖轉化為乳酸的有氧糖酵解，且容易受到糖酵解抑制劑的影響，如GLUT 抑制劑［17］。研究表明，多發性骨髓瘤細胞中mRNA 和蛋白質的GLUT 水平高于正常健康組織，主要的過表達亞型是GLUT1，GLUT1 亞型的上調提高葡萄糖攝取，因此GLUT1 抑制可能會誘導骨髓瘤細胞死亡［16］。CD28 是典型的T 細胞共刺激分子，在骨髓瘤疾病進展期間增加，與不良預后相關，并在體外和體內為骨髓瘤細胞提供促生存信號，在骨髓瘤細胞系中，CD28 能夠增加葡萄糖轉運蛋白GLUT1 的表達。另外，CD28 的激活誘導多發性骨髓瘤中的線粒體生物合成，且增加基礎耗氧量和最大呼吸能力，其中研究發現用FDA批準的類風濕性關節炎藥物阿巴西普阻斷CD28 介導的代謝適應性可能會增強硼替佐米和其他利用多發性骨髓瘤在疾病進展過程中的代謝需求的治療策略的療效。且GLUT1 的上調也依賴于磷酸肌醇3-激酶（PI3k）。PI3K/AKT 信號通路的激活，可以上調GLUT）的表達并增強己糖激酶（HK）對葡萄糖進入細胞質的捕獲，以及激活磷酸果糖激酶（PFK），在一定程度上導致多發性骨髓瘤細胞對高水平葡萄糖的依賴，進而促進有氧糖酵解［18-19］。多發性骨髓瘤細胞表現出依賴組成型細胞表面定位的GLUT4 來消耗基礎葡萄糖。研究發現了一種對GLUT4 具有脫靶抑制作用的HIV 蛋白酶抑制劑利托那韋。用生理上可達到的濃度利托那韋處理多發性骨髓瘤細胞會阻斷葡萄糖進入，從而導致多發性骨髓瘤細胞死亡或生長抑制，這也為多發性骨髓瘤的治療提供了可能的發展方向［9］。（2）AMP 活化蛋白激酶（AMPK）：AMPK 是能量狀態的重要傳感器，其充當代謝檢查點，調節細胞對能量可用性的反應，通常在細胞能量水平較低時被激活。一些致癌基因能夠抑制AMPK 信號，使多發性骨髓瘤細胞即使在高能應激條件下也能分裂。研究發現，AMPK 的缺失導致哺乳動物雷帕霉素靶標（mTOR）的激活，隨后激活HIF-1。因此，AMPK 的失活有助于轉變為有氧糖酵解，促進多發性骨髓瘤細胞的生長、繁殖［20］。（3）HK：哺乳動物細胞具有4 種HK 同工酶，定義為HK-I-V［4］。糖酵解的第一個酶促步驟，即葡萄糖轉化為6-磷酸葡萄糖，由己糖激酶（HK）家族的成員催化。由于HK2 在大多數正常組織中不表達，因此靶向HK2 已成為癌癥治療方法的熱門目標。研究表明來自幾乎所有組織的癌癥都有HK1-HK2+腫瘤的子集。把線粒體復合物I 抑制劑二苯碘鎓（DPI）、臨床藥物perhexiline（PER）作為抑制HK1-HK2+腫瘤進展的協同伙伴，發現通過HK2shRNA/DPI/PER 組合可以有效阻斷HK1 HK2+腫瘤進展。再使用HK2 反義寡核苷酸（ASO）HK2-ASO1 來抑制人類HK2 的表達，用FDA 批準的線粒體復合物I 抑制劑二甲雙胍（MET）替代DPI。綜上，HK2-ASO/MET/PER 組合可能是治療HK1 HK2+多發性骨髓瘤的一種有前途的轉化精準醫學療法［21］。

2.2 通過調節因子改變多發性骨髓瘤的能量代謝方向 （1）FOXM1：FOXM1 是骨髓瘤代謝的正向調節因子，主要影響糖酵解和細胞呼吸，通過上調糖酵解和生物能量供應來調控骨髓瘤的代謝。化合物FOXM1 抑制劑NB73 通過促進FOXM1降解來抑制骨髓瘤，HSP90 抑制劑GDA 與NB73 協同下調FOXM1 并抑制骨髓瘤，聯合FOXM1 和HSP90 抑制可能是多發性骨髓瘤的新的治療途徑［22］。（2）PGC-1α：SR18292 是一種新開發的小分子化合物，已被證明可選擇性誘導PGC-1α 乙酰化，從而抑制2 型糖尿病小鼠的PGC-1α 依賴性糖異生基因表達。研究結果表明，PGC-1α 抑制劑SR18292 表現出與OXPHOS 抑制相關的抗骨髓瘤功效，且在體內未表現出明顯的毒性。此外，SR18292 在多發性骨髓瘤模型小鼠中以耐受良好的劑量有效抑制腫瘤生長，這為SR18292 在臨床的應用奠定良好的基礎［21］。（3）HIF-1α：研究發現能量代謝在有氧和厭氧條件下最重要的傳感器是缺氧誘導因子（HIF），其是缺氧條件下負責基因表達變化的主要轉錄因子，骨髓瘤細胞缺氧微環境中厭氧呼吸的增加也被認為與HIF1-a 轉錄因子有關，并導致乳酸產量增加。通常，在含氧量正常的條件下，HIF-1α 會經歷永久性的氧依賴性羥基化，然后被von HippelLindau 腫瘤抑制因子（VHL）識別和泛素化，并最終被降解。然而，HIF-1α 也可以在含氧量正常的情況下被激活，在激活后，HIF-1α 會刺激編碼葡萄糖轉運蛋白和許多糖酵解酶的基因轉錄，并激活丙酮酸脫氫酶激酶（PDK），從而減少葡萄糖衍生的丙酮酸流入TCA 循環。在多發性骨髓瘤中，HIF1-a 活性增加糖酵解代謝物，抑制TCA 中間體的產生，并激活IL-6，從而促進腫瘤生長和存活。綜上，針對HIF-1α 的靶向藥物治療也可能是多發性骨髓瘤有希望的治療途徑［20］。

3 展望

多發性骨髓瘤是一種異質性疾病，雖然有多種治療選擇可以延長患者的生存期，但由于其耐藥性，多發性骨髓瘤仍然被認為是不可治療的疾病。在過去的幾十年中，研究者發現了與正常細胞相比，腫瘤細胞的能量代謝變化，這也同樣適用于多發性骨髓瘤細胞，在過去十年中，在多發性骨髓瘤中發現了幾種促進疾病進展的代謝改變。這為之后靶向骨髓瘤中的代謝途徑阻斷骨髓瘤細胞的增殖和進展提供有前途的方法，如葡萄糖是最重要的能量化合物，對所有正常功能都是必不可少的。因此，針對上述葡萄糖代謝的各個方面可能會產生新的治療選擇。同樣，針對脂質、乳酸、谷氨酰胺代謝的各個方面也可能存在新的治療方法。另外，抗骨髓瘤治療與靶向相關代謝途徑的藥物相結合的聯合療法可能是未來治愈該疾病的潛在策略，但需要進一步研究以適應影響細胞代謝的復雜相互作用。針對GLUT 等上調的轉運蛋白有望成為多發性骨髓瘤治療的藥物靶點，這些轉運蛋白不但是腫瘤細胞進行能量代謝的必要條件，還對腫瘤微環境起著重要的調控作用，對其進行靶向干預可為多發性骨髓瘤的臨床治療提供新的思路與契機。