乳酸与肿瘤生物学特性的研究进展

董琪，周辰康，任浩东，李宗禹，吴志浩

（1.皖南医学院临床医学院临床医学专业2016 级本科生，安徽芜湖 241002；2.检验学院医学检验技术专业2018 级本科生；3.药学院药学专业2018 级本科生；4.影像学院医学影像专业2016 级本科生；5.肿瘤微环境研究室）

癌症作为全球第二大致死疾病，现已成为全球最严峻的公共卫生问题之一。癌症的发生发展是多基因、多阶段、多系统参与的连续、渐进过程，这其中包括多基因突变的积累，能量代谢的重编程，血管的生成，局部侵袭浸润，免疫逃逸和转移灶的形成等［1］。

肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME），即由多种细胞和细胞外基质以及多种细胞因子为肿瘤细胞生长提供的特殊环境［2］。肿瘤细胞为了满足其恶性增殖的需要，往往表现出葡萄糖摄取量的异常增高、糖酵解的增强和乳酸的大量堆积，形成了肿瘤微环境中缺乏氧气、营养以及呈现酸性微环境的特点［2］。

乳酸在过去一直被认为是细胞糖酵解所产生的代谢废物和恶性肿瘤的生物学标志物。然而Martinez－Zaguilan 等［3］的研究发现，肿瘤外乳酸的蓄积与肿瘤患者较高的转移发生率以及患者总体生存率降低密切相关。也有研究表明，乳酸可作为重要的信号分子影响周围细胞［4］。而且在肿瘤免疫逃逸、血管生成、代谢调节中发挥重要作用［5］。因此，本文就乳酸与肿瘤生物学效应的关系进行综述。

1 Warburg 效应与乳酸的产生

癌细胞可以通过代谢重编程以长期维持自身的生长、存活和增殖。这种代谢改变的共同特征是葡萄糖摄取增加以及葡萄糖不被彻底氧化而是发酵成乳酸，即使存在完全起作用的线粒体，也可以观察到这种现象，被称为Warburg 效应［6－8］。肿瘤细胞如果想要获取与正常细胞相同的能量，也就意味着肿瘤细胞需要利用更多葡萄糖来弥补这种代谢方式的“缺陷”，无氧糖酵解的速率比氧化磷酸化快100 倍，使肿瘤细胞能够在缺乏足够氧气的情况下，以消耗更多葡萄糖为代价，生成大量的氨基酸、脂质、核苷酸等中间产物以满足短期能量需求与快速生长。

随着氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（Fluorodeoxygucose positron emission tomography） 技术［9－10］的发展，利用实体瘤大量摄取葡萄糖成像与周围组织对比来诊断肿瘤大小位置的方式已经被广泛运用于临床［11］，这也进一步证明了Warburg效应在肿瘤代谢中的普遍性。

2 乳酸转运体

肿瘤以糖酵解作为能量代谢的主要方式，这个过程中产生了大量的乳酸。为了避免胞质被过度酸化，肿瘤细胞必须通过羧酸转运体（monocarboxylate transporters，MCTs），将乳酸转运出细胞。同时由于肿瘤组织缺乏血管输送的营养，肿瘤细胞也需要经MCTs 摄取乳酸作为呼吸燃料。单羧酸转运体是分子量在50 kD 左右的12 次跨膜蛋白，属于溶质运载蛋白家族（solute carrier family，SLC） SLC16A 亚家族成员［12］，目前该家族具有14个成员。MCTs 在肿瘤组织中表达异常增高，有4个成员（MCT1－4） 与单羧酸盐偶联质子转运有关［13］。经过人表达序列标签 （EST） 数据库的Northern blot 分析和检查表明，MCT2 在人组织中几乎不表达，MCT3 的表达局限于视网膜色素上皮细胞和脉络丛上皮细胞［14］。MCT3 与MCT1 的共同作用，与维持视网膜组织的pH 有关［15］。有研究表明，同种MCT 在不同种类的细胞中对乳酸的转运方向不同，而且MCT 与乳酸的亲和力决定了乳酸的转运方向［16］。有研究发现，MCT4 对乳酸具有低亲和力，肿瘤组织内部细胞糖酵解产生的乳酸主要经MCT4 流出［17］；MCT1 对乳酸具有高亲和力，肿瘤外的乳酸经MCT1 转运入胞，这些乳酸被乳酸脱氢酶B （lactate dehydrogenase B，LDHB） 催化成丙酮酸经过三羧酸循环而被肿瘤细胞所利用［18］。

肿瘤包含氧合区和缺氧区。因此，根据氧、葡萄糖和乳酸的可用性，存在具有不同代谢特征的异质肿瘤细胞群。有学者提出肿瘤中有两种代谢类型的肿瘤细胞，一种是糖酵解型，另一种是氧化磷酸化型。它们之间利用乳酸的转运相互“配合” 以达到营养的充分利用［19］。也有学者提出这是同一种细胞在不同环境下因代谢重组所表现出的两种形式［18］，这两种说法都有待进一步的探究证明。但无可争议的是缺氧和氧化在癌细胞之间存在共生关系，这种关系依赖于MCTs 的活性。

3 乳酸受体GPR81

传统研究中，乳酸被视为代谢废物。近年来，乳酸受体的发现提示：乳酸作为信号分子在细胞偶联中发挥重要作用。GPR81 （HCA1） 是乳酸特异性受体，属于G 蛋白偶联受体 （G proteincoupled receptors，GPCRs） 家族。研究表明，乳酸通过GPR81／Gi 通路下调cAMP 来促进脂肪细胞脂质的储存，乳酸还可将GPR81 作为其调节脑血流量、神经元代谢的递质［20］。近年来研究发现，GPR81 与肿瘤的关系更加密切。有研究表明，GPR81 广泛存在于结肠癌、乳腺癌、肺癌、肝细胞癌、唾液腺癌、宫颈癌和胰腺癌细胞系中，胰腺癌患者高表达GPR81 达到了94%［21］。Christina等［21］发现，在高葡萄糖的环境下沉默GPR81 对胰腺癌细胞几乎没有影响，但是在低葡萄糖并且补充乳酸来模拟肿瘤微环境的条件下沉默GPR81，癌细胞快速死亡；GPR81 沉默后，乳酸诱导的基因表达受限而且肿瘤细胞线粒体活性也降低。GPR81 还可调节MCT1 和MCT4 的表达来调节肿瘤的能量代谢以及稳态的维持［22］。不管在体内还是体外高表达GPR81 的肿瘤细胞都具有更强的转移侵袭能力和更强的环境适应能力［21］。这些研究都表明，乳酸代谢在肿瘤细胞中的重要性以及GPR81 是肿瘤微环境中癌细胞存活的重要调节因子。

4 乳酸与肿瘤的转移、免疫逃逸及血管生成

具有侵袭转移的能力是恶性肿瘤的主要特征之一。Rofstad 等［23］发现，在裸鼠尾静脉注射前用酸性pH 预处理黑色素瘤细胞可以提高其转移部位的存活率。上皮－间质转化（epithelial－mesenchymal transition，EMT） 是肿瘤细胞转移所必需经历的过程［24］。研究表明，肿瘤细胞外间隙酸化会上调金属蛋白酶的表达，金属蛋白酶参与基底膜的降解与组织的重塑［25］。此外，我们研究发现，乳酸可以通过诱导肺癌细胞释放TGF－β 来上调Snail 从而获得间质表型促进转移［26］。经过EMT 后，肿瘤细胞将面临免疫系统的清扫。

肿瘤细胞的逃逸机制，包括免疫抑制分子的上调、免疫抑制细胞因子的产生和共刺激分子的下调等。此外，肿瘤特殊的代谢形式也很大程度上赋予了肿瘤细胞免疫逃逸的能力。当免疫细胞靠近肿瘤细胞时，肿瘤间隙的高乳酸环境会阻碍免疫细胞自身乳酸的清除导致其免疫效能减退或致其死亡［27－28］。我们研究发现，乳酸通过GPR81促进TAZ 入核而上调PD－L1 的表达使肺癌肿瘤具有免疫逃逸的能力［29］。

肿瘤形成转移灶的最后一步是血管的重建，Végran 等［30］发现，肺微血管内皮细胞通过MCT1摄取乳酸可激活NF－κB 和上调IL－8 来促进IL－8依赖性的血管生成。也有研究发现，乳酸可以通过激活AKT 促进HIF－1α 上调VEGF 的表达，促进血管生成，HIF－1α 又可以促进Glut1、HK2 等一些参与糖酵解的酶的表达从而加快糖酵解的速率［31］。这也可以很好的解释，肿瘤中葡萄糖向乳酸的高转化率与葡萄糖摄取和葡萄糖磷酸化的高转化率结合在一起这一说法。

5 乳酸与肿瘤的耐药性

化学疗法仍然是目前治疗癌症的主要方法。然而，肿瘤的耐药性仍然是一个相当大的问题，它的产生会严重地限制化疗的有效性。耐药性的分子机制涉及：药物外排率增加，药物代谢改变，药物靶点突变，癌症干细胞的存在，抑制细胞死亡，肿瘤的异质性，肿瘤微环境和活性氧的调节等［32－34］。Wagner 等［35］的研究发现，乳酸可以激活GPR81，诱导宫颈癌细胞上调多药耐药蛋白ABCB1的表达，并通过其外排化疗药物来保护自身。一些化疗药物主要通过损伤肿瘤细胞的DNA 促使细胞凋亡［36］，如铂类的顺铂、卡铂，鬼臼毒素类的依托泊苷等。有研究发现，乳酸可以通过上调组蛋白脱乙酰基酶，从而增强宫颈癌细胞DNA 的修复能力来抵抗顺铂等药的毒性［37］。

分子靶向疗法显著改善了化学疗法在抑制肿瘤进展方面的功效［38］。Apicalla 等［39］研究表明，乳酸通过刺激成纤维细胞，分泌NF－κB 依赖性的肝细胞生长因子HGF，进而诱导EGFR 突变的肝细胞产生对酪氨酸激酶抑制剂（TKI） 的抗性。

6 针对乳酸的靶向治疗策略

目前针对各种致癌基因的靶向疗法已经广泛运用到了临床，并取得良好的效果。令人遗憾的是，目前针对乳酸及肿瘤代谢的靶向药物还未应用于临床，但是广大研究人员对于乳酸与肿瘤的探索成果又让我们看到了新的靶向治疗的希望。Hu 等［40］研究团队运用动脉栓塞的方法，向原发性肝癌部位注射碳酸氢钠的疗法能显著缩小肿瘤的体积。

乳酸脱氢酶 A （lactate dehydrogenase A，LDHA） 是糖酵解过程中丙酮酸向乳酸转化的关键酶，它通过再生NAD 形成NADH 维持糖酵解和ATP 的生成。Baumann 等［41］的研究表明，LDHA缺陷的肿瘤细胞致瘤性明显降低，敲降LDHA 后，细胞的代谢表型被扰乱，增殖能力显著降低。MCT1 与MCT4 作为肿瘤细胞之间以及肿瘤细胞与间充质细胞之间重要的能量代谢与稳态调节器，对肿瘤细胞的生存转移起到了重要作用。靶向乳酸代谢过程及肿瘤细胞间质外的酸性环境是一个潜在治疗肿瘤的新方法。

综上所述，本文概述了乳酸的产生以及与肿瘤的转移、免疫逃逸、血管生成和耐药性的关系。随着乳酸与肿瘤的深入研究，乳酸对肿瘤的影响机制将进一步被阐明，靶向肿瘤细胞乳酸代谢相关的疗法也将会应用于临床并取得良好的疗效。