二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的应用研究进展

吴广博 综述 罗蒙 审校

恶性肿瘤是全世界的重大公共卫生问题，极大地危害人类的生命健康。放疗是恶性肿瘤治疗的重要方法之一，但存在放射抵抗、不良反应较多和治疗效果较差等问题［1］。现有的放疗增敏药物仅能部分改善放疗敏感性，且伴随着严重的不良反应，在临床上的应用具有一定的局限性［2］。近年来，糖尿病治疗药物二甲双胍（C4H11N5）不仅在降糖、心血管保护和抗炎等方面展现出众多的潜能，而且在恶性肿瘤治疗相关基础研究和临床应用也越来越广泛，特别在恶性肿瘤放疗中表现出一定的疗效［3-4］。本文就二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的潜在作用机制及其研究进展进行综述，以期为二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的临床应用提供理论依据。

1 二甲双胍

自1957年法国医生Jean Sterne 首次将二甲双胍应用到临床至今，二甲双胍因其可以改善胰岛素抵抗、降糖效果好和不良反应少的优势，成为治疗非胰岛素依赖型糖尿病或2 型糖尿病最常用的降糖药物［5］。在人体内，二甲双胍主要在小肠上端和十二指肠部位被吸收，之后迅速分布到胃肠道、肝脏、肾脏和胰腺等组织中，其转运进入细胞均需要有机阳离子转运体的参与。二甲双胍不同于其他药物，不经过肝脏代谢，也无法通过肝组织或胆汁进行排泄，主要以原始形式从肾脏消除［6］。二甲双胍最常见的不良反应为轻度到中度的胃肠道不适，且常具有自限性，二甲双胍最严重的不良反应为乳酸中毒，但治疗人群中罕有发生［7］。60 多年的临床经验和试验数据表明，二甲双胍是一种不良反应少、临床安全风险低的药物。

2005年，Evans 等［8］通过评估二甲双胍与糖尿病患者肿瘤风险的关系，发现二甲双胍可以降低糖尿病患者的肿瘤发病率。随后，二甲双胍在恶性肿瘤治疗中的价值越来越受到人们的关注。目前，美国食品药品监督管理局（FDA）已经批准了300 多项关于二甲双胍对肿瘤治疗影响的临床试验［9］。二甲双胍在抗肿瘤方面的证据越来越多，已有研究表明在确诊肺癌前和早期肺癌时服用二甲双胍可显著降低患者的死亡率，且二甲双胍的服用时间与患者的生存率呈正相关［10］。此外，二甲双胍的辅助治疗可促进不典型子宫内膜增生组织向正常化转变，降低与肿瘤进展相关的生物标志物的水平，同时可提高子宫内膜癌患者的整体生存率［11］。在探究二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的作用时发现，二甲双胍可以明显增强肿瘤细胞放疗的敏感性，从而改善患者预后，具有潜在的抗肿瘤价值。临床回顾性研究也显示，接受放疗的糖尿病肿瘤患者若服用二甲双胍临床获益更为显著［12-13］。

2 二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的作用机制

2.1 抑制DNA损伤修复

DNA 的损伤修复机制是放疗抵抗的直接原因。放射线可以导致DNA 分子的损伤断裂，而二甲双胍可以抑制DNA 的损伤修复，从而令DNA 在此基础上产生持续性损伤［14］。有研究发现，二甲双胍可以抑制胰腺癌细胞DNA 同源重组修复蛋白Rad51 的表达，延缓辐射诱导的DNA损伤修复，从而增强胰腺癌细胞对放疗的敏感性［15］。在对鼻咽癌细胞射线照射的基础上增加二甲双胍治疗时发现，细胞中DNA 损伤相关蛋白（p-ATM、p-ATR和γ-H2AX）的表达显著增加；而且DNA修复信号通路被抑制，断裂双链DNA的修复过程受阻，鼻咽癌细胞的放射敏感性增强［16］。

2.2 细胞周期阻滞

肿瘤细胞处于G2～M 期时，对放疗的敏感性较高。有研究表明，放疗联合二甲双胍治疗可使处于G2～M 期的肝癌细胞比例增加35%，肝癌细胞对放疗的敏感性增加［17］。放疗联合二甲双胍治疗也可导致骨肉瘤细胞U2OS 和143B 分裂停滞于G2～M 期，抑制细胞增殖，对骨肉瘤的生长起到明显抑制作用［18］。除此之外，盐酸二甲双胍也可以通过将宫颈癌细胞HeLa的细胞周期阻滞于G2～M期，以及下调血管内皮生长因子蛋白的表达，来提高细胞对放疗的敏感性并诱导细胞发生凋亡［19］。

2.3 降低细胞内耗氧率

肿瘤内的缺氧微环境是放疗耐受的发生条件之一，也是放疗耐受最重要的环境因素。二甲双胍和苯甲双胍被认为是线粒体电子传递链复合体Ⅰ的抑制剂，多项研究发现二者均可以显著阻断多种肿瘤细胞的呼吸过程，降低细胞内氧耗率，从而对抗低氧状态下的细胞放疗耐受［20-21］。也有研究发现，放疗联合二甲双胍治疗可以显著降低前列腺癌和直肠癌异种移植瘤模型的肿瘤氧耗率，增加肿瘤细胞对放疗的敏感性，且在小鼠放疗前给予二甲双胍治疗可以提高放疗的疗效［22］。

2.4 诱导活性氧的生成

二甲双胍可以抑制肿瘤细胞线粒体电子传递链复合体Ⅰ，降低细胞内的耗氧量，导致细胞内活性氧（ROS）水平提高，而细胞内增加的ROS会进一步导致DNA 的损伤，最终引起肿瘤细胞死亡［23］。在骨肉瘤细胞系中添加ROS清除剂N-乙酰基-L-半胱氨酸和c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）抑制剂SP600125 后，二甲双胍诱导的肿瘤细胞自噬和凋亡作用明显减弱；进一步研究发现，二甲双胍可以通过依赖于ROS 的JNK/c-Jun 级联反应诱导骨肉瘤细胞周期阻滞和程序性细胞死亡，并且可以在体内安全剂量下抑制骨肉瘤的生长［18］。也有研究表明，二甲双胍可以减少肿瘤细胞内谷胱甘肽的表达，谷胱甘肽的减少可导致细胞内ROS 水平的升高，从而提高肿瘤细胞的固有辐射敏感性［13］。

2.5 改变肿瘤细胞代谢

肿瘤细胞代谢的改变可以影响细胞的放疗敏感性。在存在二甲双胍的基础上，照射乳腺癌MCF-7细胞时，放射诱导的胞内糖原含量显著减少，二甲双胍对糖原的抑制作用可以增加细胞的放疗敏感性［24］。另外，体内异种移植瘤实验发现，在低氧和低葡萄糖的条件下，单次大剂量放疗和二甲双胍联合治疗可以显著提高肿瘤细胞的死亡率［25］。

2.6 激活细胞内通路

二甲双胍联合放疗可以激活腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK）信号通路，导致哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）失活，并抑制其下游蛋白S6K1 和4EBP1 的表达，抑制肿瘤细胞增殖和存活［26］，也可以通过激活AMPK/mTOR/p70S6K信号通路以抑制下游Wee1激酶的表达，从而发挥作用［15］。此外，二甲双胍的放射增敏作用也涉及PI3K/AKT/mTOR通路的失活［27］。

3 二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的研究进展

3.1 肺癌

在放疗前，有研究者［28］用二甲双胍、顺铂或二甲双胍联合顺铂对顺铂耐药的人非小细胞肺癌（nonsmall cell lung cancer，NSCLC）A549 细胞和对顺铂敏感的人NSCLC H460细胞进行预处理，发现二甲双胍可以显著增加细胞的放射敏感性。进一步的机制研究证明，二甲双胍可以增加顺铂与DNA的交叉联合，进而破坏DNA的功能，并伴随着切除修复交叉互补1蛋白的表达减少。二甲双胍联合顺铂可使细胞内放疗诱导的DNA同源重组修复蛋白Rad51表达显著降低。总之，二甲双胍可以增强顺铂联合放疗治疗对NSCLC 的治疗效果，尤其增加对顺铂耐药的肺癌细胞的放射敏感性。

一项共纳入682 例局部晚期NSCLC 患者的回顾性临床研究中［29］，所有患者均接受放化疗，其中59例在放化疗的同时接受二甲双胍治疗，623例未接受二甲双胍治疗。5年随访研究显示，相比于未使用二甲双胍的患者，在放化疗期间使用二甲双胍的患者虽然在无复发生存期和总体生存期方面无显著性差异，但二甲双胍治疗组患者的2年无肿瘤远处转移生存期和无肿瘤进展期明显好转，其中无肿瘤进展期平均增加26个月。这一研究与越来越多的二甲双胍对NSCLC 疗效的临床证据相结合，二甲双胍可能作为一种抗癌药物加入现有的治疗方案。此外，有研究［30］将120例NSCLC 患者随机分为放化疗组（60例）和二甲双胍联合同步放化疗组（60例），该研究显示，使用二甲双胍联合同步放化疗的患者临床疗效更好，不良反应更轻，患者生存时间更长。

3.2 结直肠癌

孙玉成等［31］研究发现，相比于放疗组和二甲双胍组，二甲双胍联合放疗组的直肠癌SW1463细胞的存活率更低、细胞凋亡率更高，体内研究也发现，二甲双胍联合放疗组的裸鼠移植瘤体积更小、质量更轻。进一步研究发现，二甲双胍对直肠癌SW1463细胞及其裸鼠移植瘤的放疗增敏作用可能与抑制细胞DNA损伤修复和细胞周期阻滞相关。在另一项研究中［27］，与单独的放疗组细胞相比，放疗联合二甲双胍治疗后的结直肠癌细胞SW480、HT29 和HCT116 的细胞活力均明显降低；体内研究进一步发现，放疗联合二甲双胍治疗组和放疗联合5-氟尿嘧啶组的裸鼠瘤体体积无显著性差异，并且在标准放疗联合5-氟尿嘧啶组中添加二甲双胍不能改善肿瘤反应。由此可见，二甲双胍可以增强体内外肿瘤细胞对放疗的反应，是一种潜在的放射增敏剂。

在一项纳入543 例接受根治性手术和新辅助放化疗的直肠癌患者的回顾性研究中［32］，通过4年随访证实，尽管服用二甲双胍的糖尿病患者的总生存期、无复发生存期和病理完全缓解等方面未改善，但二甲双胍组的降期率（85.7%）明显高于非二甲双胍组（51.7%）和非糖尿病组（73.1%），并且放疗后肿瘤消退分级（tumor regression grading，TRG）升高。该研究的多因素分析证明，二甲双胍与肿瘤分期降低和TRG 升高相关，可以增强直肠癌合并糖尿病患者放疗的临床疗效。

3.3 肝癌

二甲双胍联合放疗可以显著增强细胞的放疗敏感性，增强对肝癌细胞的杀伤作用。一方面，二甲双胍可通过抑制放疗引起的DNA损伤修复以增强细胞的放射敏感性，另一方面可通过诱导肝癌细胞周期阻滞并提高细胞内ROS 水平，从而导致肝癌细胞凋亡［33］。Kim等［34］研究发现，用二甲双胍对肝癌细胞进行预处理，可以增加辐射诱导肝癌细胞的DNA 损伤和细胞凋亡，增强肝癌细胞对γ射线的放射敏感性。

在一项纳入了217例无法手术、接受立体定向放疗或超常规放疗的肝癌患者的回顾性研究中［35］，患者分为二甲双胍组（19例）和非二甲双胍组（198例），其中包括29 例糖尿病患者和169 例非糖尿病患者。2年的随访研究显示，与未使用二甲双胍的患者相比，使用二甲双胍的患者总生存率高出39%，而且调整后的比例风险回归模型显示二甲双胍的使用是影响死亡率的重要因素。

3.4 前列腺癌

Hedgehog 信号通路是与肿瘤细胞辐射敏感性相关的重要靶点。有研究［14］发现，在前列腺癌中二甲双胍可以抑制胶质瘤相关肿瘤基因同源物1（Gli1）而与Hedgehog 信号通路相互作用。与单药相比，二甲双胍和Hedgehog 信号通路抑制剂GANT61 联合使用可显著降低前列腺癌细胞的存活率，抑制其生长，并且可以增强前列腺癌细胞的放射敏感性。然而，在体内未观察到联合治疗的生长抑制作用或放射增敏作用，因此还需要更多的研究。

近年来，越来越多的临床回顾性分析提示，合并糖尿病的前列腺肿瘤患者放疗同期服用二甲双胍，其疗效明显提高。一项包含2 441例前列腺癌患者的临床研究［36］发现，二甲双胍使用者肿瘤复发的风险显著降低，生化复发率降低50%，同时生存期更长。该研究在多变量分析中显示，糖尿病患者的总生存期相较非糖尿病患者更短，但是服用二甲双胍的糖尿病患者比不服用的糖尿病患者总体生存率更高。Spratt等［37］分析了1992年至2008年间接受放疗的2 901例局限性前列腺癌患者的数据发现，二甲双胍可以改善前列腺癌患者的前列腺特异性抗原无复发生存率、远处无转移生存期、前列腺癌特异性死亡率和总生存期，并降低去势抵抗性前列腺癌的发展。

3.5 胶质母细胞瘤

放化疗期间，二甲双胍能够延长胶质母细胞瘤患者的无进展生存期。此外，二甲双胍与其他药物联合放疗的治疗方式对胶质母细胞瘤具有协同作用。Adeberg 等［38］研究发现，二甲双胍联合替莫唑胺和放疗诱导的肿瘤细胞可出现G2～M 期阻滞，该治疗方法可以增强胶质母细胞瘤细胞的放射敏感性。另有研究发现，二甲双胍与双硫氰酸铜的协同应用增加了对胶质母细胞瘤的细胞毒性作用，两种药物联合使用可以显著抑制肿瘤细胞的生长，导致细胞凋亡蛋白的表达增加，促进细胞凋亡，改善肿瘤细胞的放射敏感性［39］。

3.6 乳腺癌

近年来，越来越多的研究证实，二甲双胍对乳腺癌具有抑制作用，同时在新辅助化疗以及放疗中可发挥重要的协同作用。有研究［40］发现，2 mmol/L二甲双胍和20 mmol/L 2-脱氧葡萄糖与2 Gy 放疗联合使用，乳腺癌细胞中与放疗相关的γH2AX 蛋白表达量显著增加，对乳腺癌细胞的放射增敏效果可有助于减少60Co 的辐射暴露，同时也有利于钠-碘同向转运体阳性的乳腺癌患者接受靶向放射性碘治疗。二甲双胍对不同雌激素受体状态乳腺癌细胞（MCF-7 和MDA-MB-231）均有放射增敏作用，其作用机制可能是通过激活AMPK 或非AMPK 依赖的途径，抑制mTOR 信号级联通路，以及增加细胞G2～M 期阻滞，诱导细胞凋亡等途径实现的［41］。

3.7 其他恶性肿瘤

胰腺癌是一种恶性程度高，诊断和治疗都很困难的消化系统恶性肿瘤。研究［15］发现，5 mmol/L二甲双胍可以激活上游AMPK/mTOR/p70S6K 信号通路，抑制Wee1激酶的表达，阻断细胞周期中G2期检查点和抑制同源重组修复蛋白Rad51的表达，导致放疗后胰腺癌细胞DNA 的持续损伤，从而使胰腺癌细胞对放疗的敏感性增强。由于胰腺癌细胞自身放射抵抗性较高，而且胰腺周围空腔脏器难以耐受高剂量放疗，因此目前与胰腺癌放疗相关的临床研究较少，但也提示应该重视对胰腺癌细胞放疗增敏的研究，进一步改善胰腺癌放疗效果。

Rao等［42］荟萃分析并系统评价了17项关于二甲双胍在不同种类肿瘤中的放疗增敏作用的队列研究，其中包括4项前列腺癌研究、4项头颈部肿瘤研究、2项直肠癌研究、3项肺癌研究、3项食管癌研究和1项肝癌研究。结果发现，接受二甲双胍治疗的糖尿病肿瘤患者的肿瘤反应优于未接受二甲双胍治疗的糖尿病肿瘤患者和非糖尿病肿瘤患者。此外，与未接受二甲双胍治疗的患者相比，接受二甲双胍的患者在2年和5年生存率方面优势显著。由此证实，二甲双胍可以改善癌症和糖尿病患者对放疗的治疗反应，并部分提高患者的生存率，但这些回顾性数据存在偏倚的风险，仍需要前瞻性随机对照试验探究二甲双胍对接受放疗的恶性肿瘤患者的影响，同时进一步阐明二甲双胍增强放射敏感性的相关分子机制。

4 结语

二甲双胍在恶性肿瘤放疗中可以通过抑制DNA损伤修复、调节细胞周期分布、诱导活性氧的生成以及改变肿瘤细胞代谢等方面增强肿瘤细胞对射线的敏感性，二甲双胍可以作为一种有效的放射增敏剂，在恶性肿瘤的治疗中具有重要的潜在应用价值。二甲双胍具有不良反应少、临床安全风险低和患者耐受性好等治疗特性，尤其是对于2型糖尿病伴恶性肿瘤患者，二甲双胍可以在控制患者血糖的同时增加患者在肿瘤治疗中的临床获益。目前，二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的增敏作用的研究仍存在一些问题，如二甲双胍增强放疗敏感性的分子机制尚未完全阐明，通过体内外研究探究的治疗方法还不能直接转化到临床应用，前瞻性临床随机对照研究的证据不足等。因此，应积极探究二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的作用及其分子机制，进一步中开展多中心、前瞻性临床研究，为二甲双胍在恶性肿瘤放疗中的临床应用提供理论基础和实践指导。