胶质瘤能量代谢与放射敏感度的研究进展

牟福玲，钟佳伟，孙鹏飞

0 引言

脑胶质瘤是中枢神经系统最常见的原发性恶性肿瘤，而胶质母细胞瘤（glioblastoma,GBM）是中枢神经系统肿瘤中最具侵袭性的肿瘤，占所有原发性恶性脑肿瘤的47.1%[1-2]，其中位生存时间为12.1～14.6月[3]。目前，手术、放疗和化疗为主的综合治疗是脑胶质瘤的标准治疗策略，然而因肿瘤很难完全切除、放疗和化疗敏感度较低，胶质瘤、尤其GBM的预后仍然较差[4]。放疗作为脑胶质瘤术后重要的辅助治疗手段，但其疗效并不理想。肿瘤生长侵袭过程中能量代谢的改变以及肿瘤微环境，尤其肿瘤组织的乏氧状态是导致肿瘤异形性增加、易发生浸润和转移，以及导致放化疗拮抗的重要因素。影响肿瘤放射敏感度的因素及其机制研究，以及放射增敏剂的研究已成为放射肿瘤学的研究热点之一。

1 胶质瘤细胞能量代谢特征

胶质瘤细胞需要独特的生物学能量和生物合成，以支撑其快速和无限制地增殖。肿瘤微环境有限的血管生成不能维持肿瘤细胞增殖、生长的需要，同时微循环效力较差、供氧不足使得胶质瘤细胞能量代谢发生改变-糖酵解能力增强，即使在有氧条件下也优先利用糖酵解途经供能，以支持胶质瘤细胞的能量快速生成和生物大分子的高效合成，即沃伯格效应（Warburg Effect）[5]。因此，胶质瘤细胞的主要能量是通过高消耗葡萄糖并通过糖酵解将其转化为乳酸而获得，而非正常细胞所特有的线粒体氧化磷酸化供能；沃伯格效应亦通过提供DNA和脂质合成所需生物大分子，以促进胶质瘤细胞的生物合成。此外，糖酵解供能形式也是胶质瘤细胞在缺氧微环境中生存的一种适应性反应[6-7]。胶质瘤细胞能量代谢方式的改变受到一系列基因的调控。因此，针对胶质瘤细胞能量代谢途径的研究是胶质瘤靶向治疗的新热点。

2 缺氧微环境与胶质瘤细胞能量代谢

肿瘤乏氧微环境与肿瘤细胞的生物学特性密切相关：（1）缺氧导致线粒体产生大量的活性氧（reactive oxygen species,ROS），ROS能够稳定缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1 alpha,HIF-1α），使其免于被迅速降解；（2）缺氧诱导HIF-1α过量表达可刺激下游多种与血管形成相关的因子表达，如血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）是目前肿瘤血管新生过程中活性和特异性最强的血管生长因子，同时也是HIF-1α调控的重要靶基因之一；（3）乏氧微环境使某些原癌基因激活或抑癌基因失活，如抑癌基因p53（protein 53）失活、B细胞淋巴瘤-2（B-cell lymphoma-2,Bcl-2）过表达等；（4）缺氧促进肿瘤细胞能量代谢由线粒体氧化磷酸化向糖酵解途径转换，从而抑制线粒体氧化磷酸化，导致细胞凋亡减少。

GBM的特征是肿瘤组织广泛缺氧，甚至肿瘤邻近脑组织的氧浓度亦明显低于环境空气氧浓度[8]。缺氧微环境与胶质瘤细胞的增殖、凋亡、侵袭、迁移、血管生成及耐药性等密切相关[9]。恶性肿瘤细胞的物质与能量代谢对葡萄糖的需求是正常体细胞的10～50倍[10]。正常细胞主要通过线粒体氧化磷酸化（oxidative phosphorylation,OXPHOS）产生腺苷5'-三磷酸（adenosine 5'-triphosphate,ATP）。而大多数恶性肿瘤细胞主要通过加速糖酵解产生能量，就一分子葡萄糖产生的ATP量而言，Warburg效应与OXPHOS相比效率低。因此，胶质瘤细胞在缺氧环境下，通过显著促进糖酵解途径，来提供细胞生长所需的ATP。胶质瘤细胞在糖酵解过程产生大量乳酸，其浓度高于正常组织20倍。乳酸在肿瘤微环境中的过度积累会导致淋巴样细胞内与细胞外环境之间的乳酸梯度破坏，T细胞不能再有效地输出细胞内乳酸，使得代谢过程中断，进而导致T细胞功能下降。乳酸作用于肿瘤相关巨噬细胞（Tumor-associated macrophages,TAMs），使其处于极化状态，通过依赖于HIF-1α的机制提高了肿瘤的生长率。此外，过多的乳酸积累亦可促使胶质瘤细胞能量代谢方式由糖酵解转化为OXPHOS。有研究[11]表明在葡萄糖缺乏和乳酸酸中毒环境下，U251胶质瘤细胞能量代谢途径从糖酵解转化为OXPHOS，以产生细胞增殖所需的ATP。这种能量代谢的双重特性赋予胶质瘤细胞适应不断变化的缺氧微环境。因此，改变能量代谢途径以适应特定的肿瘤微环境是胶质瘤细胞的一个重要特征[11]。

3 免疫微环境与胶质瘤能量代谢

能量代谢改变并非癌细胞所独有，其能够支持包括免疫细胞在内的各种正常细胞的生物能量需求[12]。免疫系统是一个异质性的细胞群体，通常情况下处于平衡状态，但其可对炎性反应迅速作出反应。例如，树突状细胞的主要功能是通过在T细胞表面处理和呈递抗原以启动T细胞反应，通常氧化线粒体中的葡萄糖，并产生少量乳酸。T细胞激活后表现出广泛而快速的增殖，其很大程度上依赖于糖酵解代谢的增强。此外，糖酵解代谢途径的转变亦发生于其他免疫细胞，如巨噬细胞、中性粒细胞、B淋巴细胞和自然杀伤细胞。葡萄糖代谢在启动有效免疫反应中具有重要的作用，而GBM中糖酵解增强使得微环境葡萄糖耗竭，因此，免疫抑制是肿瘤代谢向有氧糖酵解转变、葡萄糖耗竭的结果。另外，肿瘤组织中葡萄糖的快速利用和氧气需求的增加会导致微环境缺氧，诱导HIF-1α和TGF-β的合成，从而进一步抑制NK细胞，并激活免疫抑制T细胞。肿瘤细胞有氧糖酵解产生的乳酸累积亦有直接的免疫抑制作用，包括抑制单核细胞向树突状细胞分化、增加白介素-23等促肿瘤细胞因子的转录和分泌，以及抑制T细胞免疫反应[13]。

色氨酸2,3-双加氧酶（tryptophan 2,3-dioxygenase,TDO）通过犬尿氨酸途径催化色氨酸分解代谢，激活活化芳基的色氨酸代谢产生促肿瘤细胞运动，并抑制抗肿瘤免疫反应的碳氢化合物受体（aryl hydrocarbon receptor,AHR）。AHR和HIF-1α可通过胶质瘤细胞和免疫细胞发挥作用，进而协同调节GBM的恶性生长方式。色氨酸代谢在GBM中上调，其通过消耗必需氨基酸-色氨酸并产生免疫调节性色氨酸代谢产物，如犬尿氨酸（kynurenine,Kyn），以产生免疫抑制性微环境，从而抑制T细胞功能，并诱导其凋亡。有研究[14]表明GBM在缺氧环境下，通过HIF-1α调节TDO的表达，参与GBM的抗肿瘤免疫调节。富氧微环境中肿瘤细胞可以利用TDO-Kyn-AHR轴来抑制免疫系统，而缺氧微环境下低氧可控制免疫系统，而肿瘤细胞以HIF-1α依赖性方式下调TDO的表达[15]。

4 胶质瘤能量代谢影响放射敏感度的机制

4.1 Warburg效应与胶质瘤放射敏感度

所有有核细胞都具有感知和响应氧浓度变化的能力，细胞对缺氧的转录调节主要由HIF介导[16]，HIF是由HIF-1α和HIF-1β两个亚基组成的异二聚体转录子，其活性主要依赖于HIF-1α的表达水平。HIF-1α是调节肿瘤细胞缺氧反应的主要转录因子，是缺氧细胞适应性反应的主要调节剂，被确认为是肿瘤细胞代谢重编程的重要参与者[17-18]。HIF-1α在常氧条件下与VHL-E3泛素连接酶（VHL-E3 ubiquitin ligase）结合泛素化后被降解，泛素C-末端水解酶-L1（Ubiquitin C-terminal hydrolase-L1,UCHL1）是泛素C-末端水解酶家族中的一员，可以将泛素从泛素前体蛋白移除。UCHL1在睾丸、卵巢和神经细胞中呈高表达。此外，UCHL1在结肠癌、乳腺癌、子宫内膜癌、肺癌[19]等恶性肿瘤中呈高表达。亦有研究[20]表明UCHL1是一种新型的HIF-1激活剂，它具有去泛素化酶的作用。UCHL1过表达后HIF-1α蛋白表达也显著增加，有研究[21]证实UCHL1具有稳定HIF-1α蛋白结构的功能。UCHL1过表达状态下葡萄糖代谢途径中间代谢物的定量分析显示：UCHL1基因诱导了从线粒体氧化磷酸化到糖酵解的葡萄糖代谢途径的重编程过程，从而加速了糖酵解及其伴随戊糖磷酸途径的激活，导致烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和抗氧化剂还原型谷胱甘肽（GSH）的生成。该实验亦证实UCHL1过表达显著增加了GSH水平，进而诱导癌细胞的放射拮抗性。

4.2 转酮酶与胶质瘤放射敏感度

研究[22]表明无氧糖酵解及其伴随的磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway,PPP）所产生的各种代谢物促进了癌细胞恶性进展，同时也降低了癌细胞对放化疗的敏感度。转酮醇酶（transketolase,TKT）是将PPP与糖酵解联系起来的关键酶，TKT途径亦参与了恶性肿瘤进展和转移。研究[23-25]表明转酮酶样蛋白1（transketolase-like 1,TKTL1）在多种肿瘤中呈高表达，如乳腺癌、结直肠癌、卵巢癌、前列腺癌和黑色素瘤等。此外，亦有研究[26]表明羟基硫胺（硫胺素拮抗剂）对TKT的抑制作用显著降低了胰腺癌细胞的生长。肿瘤乏氧和HIF-1α亦诱导TKTL1的表达，采用shRNA敲低TKTL1基因后增加了细胞对葡萄糖的需求、降低了葡萄糖通过PPP代谢的通量，从而促进了低氧条件下的细胞死亡；LNT-229胶质瘤细胞经X线照射后，TKTL1表达抑制，进而导致ROS水平升高和克隆形成率降低[27]。因此，TKTL1高表达与胶质瘤乏氧微环境和放疗拮抗性密切相关。

4.3 CircRNAs与放射敏感度

环状RNA（circular RNAs,CircRNAs）是一类内源性RNA分子，具有共价闭环结构，在哺乳动物细胞中大量表达[28]。CircRNAs通过多种方式发挥作用，例如作为竞争的内源RNA或转录调节因子，与RNA结合蛋白结合并被翻译成蛋白的转录调节剂[29]。胶质瘤中多个CircRNAs被鉴定为与癌症发生、发展相关。CircHIPK3可通过胰岛素样生长因子2-mRNA结合蛋白3（IGF2BP3）的表达来促进胶质瘤细胞的增殖、侵袭及肿瘤生长[30]。HsA-CIRC-0014359可通过调节miR153/PI3K信号通路在胶质瘤发生、发展中发挥作用[31]。CircPITX1也被命名为hsa-cic-0074026，通过miR1304/ERBB4轴促进胶质瘤的进展，其被作为胶质瘤的预后不良指标[32]。

NIMA相关激酶2（NIMA-related kinase 2,NEK2）在多种人体肿瘤中表达上调，研究[33-34]显示NEK2在胶质瘤中呈高表达，且miR-128可通过靶向NEK2而调节胶质瘤细胞凋亡。因此，NEK2与胶质瘤的恶性生物学行为和较差的预后相关。研究亦证实[34]CircPITX1和NEK2在胶质瘤组织和细胞株中均表达上调，而miR-329-3p可抑制其表达；CircPITX1敲除可抑制胶质瘤细胞活性、糖酵解和克隆形成，而促进胶质瘤细胞放射敏感度，其可能机制为miR-329-3p通过靶向NEK2而增强对胶质瘤细胞糖酵解和放射性拮抗的抑制效应。此外，已证实miR-329-3p是CircPITX1的靶miRNA，miR-329-3p下调可逆转CircPITX1基因敲除所介导的糖酵解抑制和放射抵抗性降低，而采用糖酵解抑制剂2-脱氧-d-葡萄糖（2-deoxy-dglucose,2-DG）可削弱CircPITX1对糖酵解的促进作用[33]。该研究提示CircPITX1敲除通过miR-329-3p/NEK2轴降低糖酵解，进而增加胶质瘤的放射敏感度。

综上所述，胶质瘤能量代谢的改变影响肿瘤的发生、发展，促进肿瘤的恶性表型，并影响胶质瘤的放化疗敏感度。现有研究已表明胶质瘤的能量代谢受一系列基因和信号通路的调控，然而其确切机制仍然不清，因此探寻胶质瘤能量代谢调控通路与胶质瘤放化疗敏感度间的相关性，对于胶质瘤的有效治疗、改善预后具有重要意义。