乳酸对恶性肿瘤生物学行为的影响

白小芳综述 张俊萍审校

作者单位：030001 太原1山西医科大学；2山西医科大学附属大医院肿瘤内二科

综述

乳酸对恶性肿瘤生物学行为的影响

白小芳1综述 张俊萍2审校

作者单位：030001 太原1山西医科大学；2山西医科大学附属大医院肿瘤内二科

高速率的糖酵解是肿瘤细胞代谢的标志。正常细胞将葡萄糖代谢为丙酮酸，在有氧条件下转换为二氧化碳并用于氧化磷酸化，在缺氧条件下，丙酮酸代谢为乳酸。而癌细胞具有有氧糖酵解的特点，在氧气充分供应的条件下，癌细胞会产生大量乳酸，即“Warburg效应”。研究表明，乳酸有助于肿瘤的生长，且高水平的乳酸与临床不良预后相关。本文就乳酸对恶性肿瘤的生物学行为进行综述。

肿瘤代谢；有氧糖酵解；乳酸；单羧酸转运蛋白

有氧糖酵解是肿瘤细胞普遍存在的一个特征。在超过70%的癌症中，糖酵解相关基因呈过度表达［1］。为了满足快速增长的需要，癌细胞通过增加葡萄糖摄取产生大量乳酸。这一现象表明，乳酸并不仅仅是一种代谢产物，还与肿瘤的侵袭、转移、血管生成和免疫逃逸等相关［2］。本文就乳酸对恶性肿瘤的生物学行为作一综述。

1 乳酸的来源与代谢

乳酸（2-羟基丙酸）是一种羟基酸，以两种同分异构体的形式存在于人体内：一种为L-乳酸，产生于体内丙酮酸的无糖酵解，哺乳类动物细胞产生的乳酸几乎全是L-乳酸；另一种为D-乳酸，为L-乳酸浓度的1%～5%，主要由胃肠道细菌发酵产生。其他生成D-乳酸的途径包括从食物中摄取、甲基乙二醛通过乙二醛的途径产生。通常情况下，哺乳动物组织不能或仅能缓慢代谢D-乳酸，这是因为哺乳类动物体内只有L-乳酸脱氢酶，缺乏D-乳酸脱氢酶，D-乳酸通过D-α-乳酸脱氢酶代谢为丙酮酸盐，后者在丙酮酸脱氢酶的作用下变为乙酰辅酶A而进入三羧酸循环，少量经尿液排出［3］。肿瘤细胞具有高速率糖酵解的特点，其中间产物磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油糖不仅通过糖酵解途径生成L-乳酸，也在甲基乙二醛合酶的作用下生成甲基乙二醛［4-5］。虽然甲基乙二醛具有细胞毒性作用，可通过多种途径发挥抗肿瘤的作用［6-11］，但肿瘤细胞普遍存在乙二醛酶1高表达，部分还高表达乙二醛酶2［12］，生成的甲基乙二醛与还原性谷胱甘肽在乙二醛酶1的作用下生成S-D-乳酸谷胱甘肽，然后在乙二醛酶2的作用下生成D-乳酸［13］。D-乳酸通过单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporter，MCTs）转运到细胞内，使DNA修复基因上调，提高化疗后肿瘤细胞的存活，导致肿瘤细胞对化疗药物耐药［14］。另外，肿瘤细胞还可以在有氧条件下通过上调非葡萄糖依赖途径获取能量。因此，肿瘤细胞通过有氧糖酵解及增加谷氨酰胺生成和分泌乳酸，导致肿瘤细胞微环境酸化，其pH值可从正常细胞的7.5降至6～6.5，从而妨碍机体正常的免疫功能［15-17］。

2 乳酸对恶性肿瘤生物学行为的影响

2.1 促进肿瘤血管生成

血管生成是肿瘤生长、浸润和转移的前提之一。肿瘤血管生成不仅有利于肿瘤细胞的分裂繁殖，而且增加了肿瘤转移的可能性。在肿瘤血管形成过程中，血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）发挥着关键作用。乳酸可通过刺激巨噬细胞分泌VEGF促进内皮细胞迁移和聚集血管中的祖细胞影响促血管生成活动，从而促进肿瘤的转移。Milovanova等［18］研究发现乳酸通过刺激基质细胞衍生因子-1、VEGF的合成引起血管内皮细胞聚集，促进肿瘤血管形成。另外，把一些肿瘤细胞株暴露于乳酸中，可使VEGF生成增加。Sonveaux等［19］发现肿瘤细胞排到组织间隙的乳酸可以借助MCT1被内皮细胞摄取，细胞内乳酸抑制非乏氧状态下内皮细胞缺氧诱导因子-1α的降解，使内皮细胞产生的VEGF和成纤维细胞生长因子显著上调。Vegran等［20］将乳酸诱导内皮细胞NF-κB活化与IL-8自分泌血管生成联系起来，表明乳酸可通过这一通路驱动体外内皮细胞迁移和血管形成，诱导体内肿瘤血管生成。该研究还发现通过给免疫缺陷小鼠注射含人脐静脉内皮细胞和Warburg WiDr肿瘤细胞，使用MCT4缺陷的肿瘤细胞（不能释放乳酸）、MCT1缺乏的内皮细胞（无法摄取乳酸）或IL-8阻断抗体，都能抑制肿瘤血管生成与肿瘤生长。

2.2 促进肿瘤侵袭及转移

肿瘤微环境的变化赋予肿瘤细胞增殖优势从而有利于侵犯癌旁正常组织。在细胞外低pH环境下通过诱导VEGF和IL-8的表达促进血管生成，通过激活蛋白水解酶促进细胞外基质降解，以及抑制抗肿瘤免疫反应，从而促进肿瘤的侵袭及转移。其中最重要的是细胞外酸化促进细胞外基质的降解及重塑，从而促进肿瘤的转移。细胞外低pH值为蛋白酶的激活提供一个良好的微环境，包括基质金属蛋白酶、尿激酶纤溶酶原激活剂、组织蛋白酶-B、组织蛋白酶-D和组织蛋白酶-L。通过激活这些酶，可促进细胞外基质的降解及重塑，促进肿瘤转移。例如，基质金属蛋白酶-3的最适pH值为5.75～6.25，当癌细胞生成的乳酸导致微环境酸化时，通过激活蛋白水解酶的级联反应转换前基质金属蛋白酶为基质金属蛋白酶，可促进癌细胞外基质的降解和癌细胞侵袭及转移，因此，通过提高癌细胞外的pH值可以抑制肿瘤的转移［21］。pH值调节剂的质子泵、钠质子交换家族、碳酸氢盐转运蛋白家族和MCT家族已被证实在肿瘤细胞中呈高表达［22］。调节碳酸氢盐已被证明能增加肿瘤的pH值，降低转移性乳腺癌小鼠模型自发转移的形成，降低淋巴结转移率［23］。组蛋白乙酰化也能调节细胞内pH值。由于pH值下降，组蛋白通过组蛋白乙酰化酶全部脱乙酰化，并且释放乙酸阴离子，通过MCTs与质子共输出细胞外，防止pH值进一步降低［24］。但Xu等［25］利用MDA-MB231和MCF-7细胞株构建的小鼠移植瘤，发现低转移能力的MCF-7小鼠移植瘤可产生更多的乳酸，表明恶性肿瘤细胞的侵袭转移与乳酸之间的关系受两种细胞株乳酸脱氢酶活性以及摄取丙酮酸的能力不同而不同，仍有待进一步研究。

2.3 免疫逃逸作用

肿瘤细胞通过糖酵解生成的大量乳酸，通过增加Ⅰ型精氨酸酶的表达抑制机体的免疫反应、激活IL-23/IL-17通路，促进肿瘤微环境中的慢性炎性反应，从而促进肿瘤的进展［26］。一方面高浓度的乳酸使M2型巨噬细胞标志分子Ⅰ型精氨酸酶表达水平增加、M1型巨噬细胞标志分子一氧化氮合酶减少和M1型细胞因子分泌减少；另一方面乳酸降低肿瘤相关巨噬细胞MHC I和MHCⅡ分子的表达，削弱巨噬细胞的抗原递呈能力，从而使肿瘤细胞逃脱免疫杀伤作用［27］。另外，乳酸还可以通过抑制CD8+T细胞的增殖，减少细胞因子IFN-γ的分泌，削弱CD8+T细胞的细胞毒性，以及抑制NK细胞的活性［28-29］，从而削弱机体的免疫功能。肿瘤微环境中的pH值低至6.0～6.5时可使T细胞以及小鼠浸润淋巴细胞的活性丧失［30］。

2.4 诱导耐药

Wagner等［14］研究发现L-乳酸和D-乳酸通过单羧酸转运蛋白转运到细胞内抑制Ⅰ、Ⅱ类组蛋白去乙酰化酶的活性，使组蛋白H3和H4乙酰化、染色质松弛、DNA修复基因上调、DNA-PKcs激活，使乳酸创建的微环境能刺激DNA修复，并能显著增强化疗后肿瘤细胞的存活。这种乳酸诱导肿瘤细胞DNA修复的作用受羟基酸受体1/单羧酸转运蛋白轴的调节，因此乳酸受体下调或抑制MCT对乳酸的转运，可以显著影响DNA修复效率，从而延缓耐药。

3 展望

肿瘤细胞通过重组能量代谢生成乳酸，乳酸作为一种免疫抑制代谢产物和血管生成启动子对肿瘤的生长起关键的作用。另外，已经证实MCT1和MCT4是不同代谢行为的癌细胞之间、癌细胞和间质细胞之间的乳酸转运体，能选择性抑制乳酸转运蛋白，与调节乳酸的多种生物活性相关，如抑制肿瘤免疫反应及抗肿瘤血管生成等。因此，靶向改变肿瘤细胞产生乳酸的代谢途径、抑制乳酸转运蛋白的活性及表达可作为肿瘤治疗的一种方法。目前有氧糖酵解抑制剂（如miR-34a制剂）已经进入I期临床试验（http://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01829971），第一个MCT1抑制剂AZD3965已进入I期晚期实体肿瘤的临床试验（NCT01791595），LDH抑制剂AT-101已进入Ⅱ期临床试验［31］，这些研究结果将为乳酸作为肿瘤治疗新靶点的临床应用奠定更坚实的基础。

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［2016-08-19收稿］［2016-10-21修回］［编辑 江德吉］

R730.2

A

1674-5671（2016）06-03

10.3969/j.issn.1674-5671.2016.06.15

张俊萍。E-mail：junpingzhang_118@163.com