靶向胰腺癌代谢的治疗价值

高先春 聂勇战

多数胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocar-cinoma, PDAC)诊断时已处于晚期，失去了手术治疗机会，且对化疗、放疗和靶向治疗等均反应较差，急需寻求新的治疗方法以改善目前的治疗困境。PDAC作为乏血供肿瘤，肿瘤细胞需要面对营养物质剥夺、低氧、高氧化应激等严峻挑战。为满足新陈代谢和增殖生长的能量需求，癌细胞需要进行代谢重编程，重塑其能量代谢途径。该途径与正常组织细胞代谢间的差异表现为葡萄糖有氧糖酵解增强，谷氨酰胺分解代谢活跃，自噬增强等[1]。近几年大量研究结果表明，靶向PDAC的癌细胞独立依赖的代谢途径将可能为胰腺癌治疗提供新的方向。

一、PDAC的代谢特征

1．组织学特征：PDAC组织内除癌细胞外还存在大量的成纤维细胞、炎症细胞等非肿瘤细胞，其周围包绕了由I型胶原、透明质酸等纤维化成分构成的致密的细胞外基质，使胰腺癌组织内的压力升高达正常胰腺组织的近10倍[2]。较高的肿瘤内压力，加之PDAC组织内微血管密度较低，导致PDAC组织内灌注不足，造成癌细胞内氧供不足和营养缺乏的肿瘤微环境，因此癌细胞需要更加高效地利用有限的能源以维持肿瘤细胞新陈代谢和生长增殖。

2．代谢重编程的分子基础：K-ras、p16/CDKN2A、p53和SMAD4等多种基因突变与PDAC的发生关系密切，其中K-ras是PDAC发生过程中最早突变的基因之一，90%以上的浸润性胰腺癌存在K-ras点突变[3]。K-ras基因编码的蛋白是一种在细胞信号转导中发挥重要作用的小GTP酶，其主要通过丝裂原激活蛋白激酶改变PDAC癌细胞代谢途径以适应肿瘤微环境[4]。因此K-ras基因突变在代谢重编程中发挥重要作用。

3．葡萄糖代谢：葡萄糖是重要的能源物质，PDAC癌细胞通过改变多种关键代谢酶的活性调控葡萄糖流向。正常细胞内的葡萄糖主要在线粒体中进行氧化磷酸化，为细胞提供能量。而PDAC肿瘤细胞内的葡萄糖则大量进入产能效率较低的糖酵解途径生成乳酸，即使是在有氧条件下也如此。这种有氧糖酵解或Warburg效应[5]的代谢途径不仅可以为细胞提供能量，同时产生大量碳源用于合成氨基酸、脂类和核酸等物质。K-ras突变一方面可以通过上调葡萄糖转运蛋白GLUT1表达，增加对细胞外葡萄糖的摄取能力，另一方面可通过上调己糖激酶表达，促进糖酵解的发生[6]。此外，低氧和K-ras突变可促进葡萄糖流向氨基自己糖途径和磷酸戊糖途径，分别为蛋白糖基化和核酸合成提供底物[6]。丙酮酸激酶催化糖酵解的最后一步反应中的M2型丙酮酸激酶(PKM2)在促进PDAC癌细胞增殖中具有重要作用。研究发现，近70%的PDAC高表达PKM2，而阻断PKM2表达可抑制肿瘤细胞增殖并促进细胞凋亡[7]。基于癌细胞对葡萄糖摄取增加的原理设计的18-氟脱氧葡萄糖(FDG)PET/CT可通过观察肿瘤细胞对18-FDG的摄取能力判断肿瘤性质，但仅50% PDAC为阳性，说明PDAC能量供应除了利用葡萄糖外，可能还利用其他能源物质。

(聂勇战，主任医师、 教授，西京消化病医院十科肿瘤病区主任、消化内科副主任，肿瘤生物学国家重点实验室副主任。2002年至2009年留学美国耶鲁大学医学院。长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获者、首届国家万人计划入选者、国家百千万人才工程入选者，中华医学会消化学分会青委副主任委员、中国抗癌协会整合肿瘤学分会主任委员、中国医师协会结直肠癌专委会常委、中国临床肿瘤学会(CSCO)理事和肿瘤免疫治疗专家委员会委员。国家十三五重点研发计划慢病专项消化道肿瘤标志物研发首席负责人，国家自然科学基金重点项目和国际合作项目负责人， 牵头和参与多项国家级多中心临床试验。临床专长于消化系统病诊治、胃肠道肿瘤诊治疗及其临床研究。主要研究方向为肝脏糖脂代谢调控机制、消化道肿瘤诊断标志物发现验证和机制研究、肿瘤细胞免疫治疗的临床转化研究。以通信作者或第一作者在Nature Cell Biology、Journal of Cell Biology、Hepatology、Journal of Hepatology、Oncogene等发表SCI论著110余篇。被引用3 400余次。)

4．谷氨酰胺代谢：谷氨酰胺(Glutamine, Glu)是体内含量最丰富的非必需氨基酸，高度依赖谷氨酰胺提供碳源和氮源用于合成代谢是PDAC癌细胞区别于正常细胞的又一重要代谢特征[8]。对于18-FDG PET/CT阴性的胰腺癌可能就是利用谷氨酰胺作为主要的能源物质[9]。K-ras基因可以促进肿瘤细胞非标准化利用谷氨酰胺调节氧化还原平衡，支持肿瘤细胞增殖[8,10]。大多数细胞利用谷氨酸脱氢酶在线粒体中将谷氨酰胺来源的谷氨酸盐转化成α-酮戊二酸以促进三羧酸循环，而PDAC癌细胞却依靠不同的途径，表现为谷氨酰胺来源的天冬氨酸被转运到细胞质，在细胞质内被天冬氨酸转氨酶转变为草酰乙酸，随后转化成苹果酸，最终转化成丙酮酸，增加可能维持细胞氧化还原状态NADPH/NADP+比例，若抑制这一系列反应中任何组分酶的活性可显著抑制PDAC的生长[8]。此外，缺氧也可诱导谷氨酰胺转化为谷胱甘肽，其作为一种重要的还原剂对抗线粒体产生的活性氧[9]。这种胰腺癌细胞独特依赖的而非正常细胞所必须的通路，将可能成为新的治疗靶点。

5．营养物质再利用的大自噬：大自噬(以下称为自噬)是指由内质网来源的膜包绕细胞器及等待降解的细胞内大分子成分形成自噬体，随后与溶酶体融合并降解其内容物重新变为细胞的营养物质[11]。对正常细胞而言，自噬是免疫监视的必备成分，帮助抑制细胞恶性转化；对于已经恶变的细胞，自噬有助于肿瘤细胞应对细胞内外各种应激，增加肿瘤细胞的抵抗力和支持肿瘤进展。PDAC的K-ras、p53等基因突变及低氧均可诱导自噬发生[12-13]。从胰腺上皮内瘤演变到PDAC，自噬水平逐渐增加[14]。PDAC癌细胞的自噬在维持细胞内氨基酸库稳定、嘌呤核苷酸补救合成中具有重要作用[14]，抑制或清除自噬可导致癌细胞死亡和癌移植瘤体积缩小，降低化疗抵抗[14]。新近研究发现，PDAC癌细胞自噬的发生部分依赖于MiT/TFE家族转录因子的驱动，沉默MiT/TFE基因表达可阻碍癌细胞生长[15]。

6．营养物质摄取的巨胞饮：巨胞饮是一种高度保守的内吞过程，通过细胞膜皱褶形成大且不规则的内吞小泡，可以非选择性地内吞细胞外液体和其中溶解物。K-ras基因可促进PDAC癌细胞以巨胞饮方式摄取细胞外蛋白质，随后通过溶酶体将这些蛋白质分解为氨基酸，维持细胞内氨基酸池的稳定[16]。最近有学者将携带白蛋白的微型装置植入到活体小鼠胰腺癌组织内直接观测到肿瘤细胞通过巨胞饮摄取蛋白质的现象，而癌旁组织和非癌性组织均未观察到这种现象[17]。抑制巨胞饮可降低PDAC癌细胞内氨基酸水平，阻碍癌细胞生长。虽然90%以上的PDAC存在K-ras基因突变，但目前多种试图通过药物靶向K-ras基因的特异性杀伤癌细胞的治疗效果令人失望[18]，而通过外泌体携带靶向K-ras基因的小干扰RNA或短发夹RNA对小鼠PDAC癌细胞移植瘤具有显著的抗肿瘤作用，其作用机制可能与PDAC癌细胞的巨胞饮密切相关[19]。

二、靶向代谢治疗的机遇和挑战

1．靶向葡萄糖代谢酶：糖酵解最后一步是通过乳酸脱氢酶(LDHA)将丙酮酸转化为乳酸，同时将NADH氧化为糖酵解途径生成丙酮酸过程中能量转换的必须物质——NAD+。FX11是一种靶向LDHA的小分子抑制剂，可抑制糖酵解，阻碍乳酸生成，导致氧化还原失衡，从而促进肿瘤细胞凋亡和抑制生长，然而其疗效与p53状态密切相关。野生型p53移植瘤对FX11完全耐药，而p53突变的移植瘤则细胞凋亡增加、增殖指数减低，生长减慢[20]。使用LDHA抑制剂GNE-140干预后，大部分癌细胞通过激活AMPK-mTOR-S6K通路增强线粒体内葡萄糖氧化磷酸化(OXPHOS)进行代偿，但这些细胞对OXPHOS抑制剂苯乙双胍非常敏感[21]。同属双胍类降糖药的二甲双胍可以抑制NADH脱氢酶和线粒体呼吸，对胰腺癌具有抗肿瘤效果[22]。但最近一项评估常规降糖剂量的二甲双胍(1 000 mg，每日2次)联合吉西他滨和埃罗替尼治疗局部晚期或转移性胰腺癌临床研究显示，其6个月整体生存率与安慰剂组的差异无统计学意义(56.7%比63.9%)[23]。最近已有基础研究证实更加强效的双胍类药物或二甲双胍类似物显示出更强的抗增殖效果[24]，但该类药物能否转化应用于临床值得进一步研究。

2．靶向谷氨酰胺代谢酶：在谷氨酰胺的分解代谢中，首先由谷氨酰胺酶将谷氨酰胺转化为谷氨酸盐，抑制谷氨酰胺酶活性可降低PDAC癌细胞抗氧化能力，抑制细胞增殖。虽然靶向谷氨酰胺代谢途径中关键酶的方法在体外细胞实验中显示出良好的效果，但体内试验却几乎无效[10,25]。无论是体外还是体内试验，使用单一药物抑制谷氨酰胺代谢途径中的关键酶，PDAC癌细胞均显示出强大的代谢补偿能力，故难以取得持久的抗肿瘤效果[10]。β-拉帕醌可作为醌氧化还原酶1(NQO1)的底物，在NQO1作用下通过无效的氧化还原循环反应产生大量活性氧自由基，耗竭NAD+。谷氨酰胺酶抑制剂(BPTES或 CB-839)联合β-拉帕醌的抗肿瘤作用显著增强[26]，谷氨酰胺酶抑制剂(BPTES纳米颗粒)联合二甲双胍应用也显示出良好的抗肿瘤疗效[27]，提示谷氨酰胺代谢酶抑制剂与其他抗代谢药物联合应用是一个很好的进一步探索方向。

3．抑制自噬途径：第一项关于抑制自噬治疗胰腺癌的临床试验是使用羟氯喹单药治疗转移性胰腺癌，但2个月无进展生存率仅10%，未见显著性治疗效果[28]。单纯抑制自噬，PDAC仍然可通过其他的能量替代途径进行代偿[13]，因此抑制自噬的单一疗法潜在功效很低。另一项术前给予羟氯喹联合吉西他滨行新辅助化疗的治疗方案在术后无病生存率和无进展生存率方面均显示出积极的效果[29]。

4．利用巨胞饮的富集效应：目前紫杉醇白蛋白结合型已被推荐为胰腺癌化疗的一线药物，它是采用纳米技术将紫杉醇与人血白蛋白结合形成纳米颗粒，利用癌细胞通过巨胞饮大量摄取白蛋白的机制达到紫杉醇在肿瘤细胞内特异性富集的效果[30]。

三、展望

虽然近年来我们对胰腺癌代谢改变的问题有了全新的认识，但是将靶向代谢发展为一种有效的抗癌疗法应用于临床仍面临诸多挑战。紫杉醇白蛋白结合型是目前利用肿瘤细胞不同于正常组织代谢方式所研制的抗肿瘤法的成功范例。由于PDAC中存在复杂的反馈环路以及平行和相互影响的能量供给网络，抑制PDAC能量代谢途径中的单一通路可能难以获得满意的效果。联合应用多种抗代谢药物和多靶点作用具有广阔的发展潜力，基于PDAC肿瘤细胞代谢方式的个体化治疗将可能进一步提高PDAC的治疗效果。

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