乳酸代谢在前列腺癌发生发展中的研究进展

张 鹏，刘同族

(武汉大学中南医院泌尿外科，湖北武汉 430071)

前列腺癌(prostate cancer，PCa)是欧美国家成年男性最常见的恶性肿瘤，也是导致男性死亡的第2大肿瘤，随着我国经济发展和人民生活方式的改变，该病的发病率和死亡率逐年上升[1-2]。在生理情况下细胞通过线粒体呼吸链及三羧酸循环产生能量，而肿瘤细胞具有独特的能量代谢模式，在氧气充足的条件下肿瘤细胞并不依靠线粒体进行氧化磷酸化供能，而是摄取大量葡萄糖并产生乳酸和能量，该现象称为“有氧糖酵解”或“Warburg效应”，这是肿瘤细胞最为基础的代谢改变之一[3]。在该过程中，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)将葡萄糖转化为丙酮酸后不通过线粒体的三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)进行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)，而是由乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase，LDH)将丙酮酸转化为乳酸，肿瘤组织中的乳酸堆积是其恶性生物学行为的标志之一[4]。

长期以来，乳酸在肿瘤发生发展过程中扮演的角色一直被低估，主要被作为糖酵解产生的代谢废物或不良预后的标志物。近年来，乳酸被发现在肿瘤生长、免疫逃逸、血管生成、侵袭转移、代谢调节以及肿瘤微环境细胞间的相互作用等方面发挥着关键作用[5-6]。本文对乳酸调控PCa恶性生物学行为的相关研究进行综述。

1 乳酸与前列腺癌

1.1 乳酸在肿瘤能量代谢中的生物学作用乳酸(2-羟基丙酸)是以2种同分异构体存在于人体内的羟基酸：主要来源于细胞丙酮酸无糖酵解产生的L-乳酸和主要由胃肠道细菌发酵产生的D-乳酸。哺乳动物细胞产生的乳酸主要是L-乳酸，血液中L-乳酸含量约为D-乳酸含量的100倍[7]。葡萄糖在细胞质中主要有2种分解途径：糖酵解和磷酸戊糖途径，乳酸是二者共同的终末产物，也是线粒体呼吸和氧化磷酸化通路的底物[8]。尽管L-乳酸是参与肿瘤细胞能量代谢的主要分子，但是有研究发现前列腺癌PCa-3细胞线粒体中较正常前列腺上皮PNT1A细胞表达更多的D-乳酸脱氢酶，从而使肿瘤细胞能更为有效地进行D-乳酸代谢[9]。随着人们对肿瘤异质性和肿瘤微环境认识的不断深入，研究发现实体肿瘤生长速度超过其滋养血管生成速度，距离血管近的肿瘤细胞处于相对“常氧(normoxia)” 状态而远离血管的肿瘤细胞则因缺乏充足氧气供应而处于“低氧(hypoxia)” 状态：这导致处于不同状态的细胞低氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)表达和代谢模式不尽相同；然而研究发现不同亚群的肿瘤细胞在乳酸代谢上却表现出某些共性，上皮肿瘤细胞氧化应激诱导肿瘤相关基质细胞发生自噬，后者糖酵解生成大量乳酸给肿瘤细胞供能，即“反Warburg效应”[10]。此外，最近一项研究颠覆了人们对细胞能量代谢的认知：研究人员发现循环乳酸而非葡萄糖是肿瘤及多数正常组织三羧酸循环和能量的主要来源[11]。因此乳酸代谢调控是一个复杂的生物学过程。

1.2 乳酸在前列腺癌能量代谢中的作用和机制早期研究表明，雄激素信号在正常氧分压下即可促进PCa细胞的葡萄糖摄取和乳酸生成以维持细胞生长[12]。由于PCa复杂的分子亚型，不同患者对不同方式内分泌治疗的反应存在明显异质性：其中雄激素受体(androgen receptor，AR)基因的扩增、点突变和选择性剪接(如AR剪接变异体AR-V7)促进AR依赖性去势抵抗性前列腺癌(castration-resistant prostate cancer，CRPC)的进展，表现为在低/无雄激素时AR及其下游信号通路即可维持肿瘤生长，通过阻遏配体-受体的相互作用不能抑制该生物学过程[13]；而对于具有小细胞癌特性的侵袭性变体前列腺癌(aggressive variant prostate cancer，AVPC)，其AR及抑癌基因PTEN、TP53、RB1缺失，并通过神经内分泌转化或表达神经相关标志物来促进肿瘤AR非依赖性生长[14]。与AR类似，AR-V7亦能导致PCa细胞糖酵解和乳酸水平升高并促进细胞生长、迁移[15]。应用超极化13C磁共振波谱成像技术(hyperpolarized13C magnetic resonance spectroscopy imaging，HP13C MRSI)，将超极化[1-13C]丙酮酸注射至患者来源移植瘤模型(patient-derived xenografts，PDX)中，该分子被肿瘤细胞稳定摄取并迅速在乳酸脱氢酶A(LDHA)的作用下代谢成为[1-13C]乳酸，发现AR依赖的CRPC模型在低雄激素(动物去势)状态下乳酸生成水平显著高于AR非依赖的AVPC模型[16]。通过三维细胞培养技术培养不同级别PCa手术标本组织，通过HP13C MRSI检测证实乳酸代谢水平随着肿瘤恶性程度的增加(良性、Gleason评分≤3+4、Gleason评分≥4+3)而显著升高[17]。以上研究表明，乳酸作为肿瘤代谢通路的“crosstalk”，在PCa的发生发展和异质性中具有重要意义，通过HP13C MRSI技术敏锐检测机体乳酸代谢状况，已在临床中用于对PCa和乳腺癌患者进行早期诊断和治疗反应评估[18]。

2 乳酸生成与PCa——LDH

2.1 LDH的生物学特性LDH是由乳酸脱氢酶A(LDHA)和乳酸脱氢酶B (LDHB)两种亚基组成的四聚体，有5种同工酶：LDH1由4个LDHB亚基组成，LDH2由1个LDHA和 3个LDHB亚基组成，LDH3含有2个LDHA和2个LDH亚基，LDH4包含3个LDHA和1个LDHB亚基，LDH5则含有4个LDHA亚基，在肿瘤细胞增殖、侵袭、转移、代谢异常、血管生成、免疫逃逸等恶性生物学行为中具有重要作用[19]。当葡萄糖被肿瘤细胞摄取并氧化为丙酮酸后并没有进入线粒体进行氧化磷酸化，而是由LDHA将丙酮酸分解为乳酸并产生辅酶Ⅰ或称为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)及少量腺苷三磷酸(adenosine triphosphoric acid，ATP)[20]。对于某些氧化磷酸化水平较高的肿瘤，其远离血管区域处于相对“低氧”状态的肿瘤细胞通过上调葡萄糖转运体(glucose transporter，GLUT)摄取大量葡萄糖，经糖酵解产生的乳酸被排入细胞间质后又被邻近血管丰富区域的肿瘤细胞摄取，此时乳酸作为主要供能物质同NAD+在LDHB的作用下重新转变成还原型辅酶Ⅰ(NADH)、H+和丙酮酸并进入线粒体进行氧化磷酸化[21]。

2.2 LDH在PCa乳酸调控中的作用和机制荟萃分析显示转移性PCa患者血清LDH水平的升高与患者更低的总体生存(overall survival，OS)和无进展生存(progression-free survival，PFS)显著相关[22]；且无论在激素敏感性前列腺癌(hormone-sensitive prostate cancer，HSPC)或者CRPC患者中，LDH均是影响OS的独立危险因素[23]。在CRPC药物治疗的效果评估方面，LDH被证实能够预测接受阿比特龙-恩杂鲁胺序贯治疗患者的PFS[24]，还能预测接受卡巴他赛化疗患者的PFS和OS[25]。进一步研究表明血清LDH≥450 U/L预示接受多西他赛治疗后患者在PFS和OS方面预后不佳且对姑息放疗反应性更差；二代测序显示这些患者的穿刺标本中更易出现DNA修复相关基因(BRCA1/2、ATM、CHEK2、Fanconi anaemia)的突变[26]。

含有4个LDHA亚基的LDH5同工酶过表达是PCa组织具有高度增殖能力的分子特征，与患者接受放疗后的局部进展和生化复发高风险相关[27]。由β-catenin/myc信号介导的PCa中LDHA过表达通过强化细胞代谢重编程促进肿瘤生长，该作用能被具有poly(A)聚合酶活性的糖酵解调节因子46序列相似的家庭成员B(family with sequence similarity 46 member B，FAM46B)抑制[28]。如前文所述，肿瘤细胞LDHB执行与LDHA相反的生物学功能。蛋白质组学研究发现PCa低转移潜能LNCaP细胞表达LDHB而高转移潜能LNCaP-LN3细胞未见明显的表达，DNA去甲基化制剂阿扎胞苷能够诱导LNCaP-LN3细胞LDHB的表达；此外PCa组织中LDHB启动子超甲基化水平显著高于癌旁组织和前列腺增生组织；而LDHB蛋白表达水平则呈现相反趋势，即在骨转移灶标本中未见明显LDHB蛋白表达，因此PCa的LDHB基因启动子超甲基化导致蛋白表达缺失可能是肿瘤进展的重要机制之一[29]。

鉴于LDH异构体的功能差异，研究逐渐开始关注PCa中LDHA/LDHB比例的分子调控。异常的成纤维生长因子受体1(fibroblast growth factor receptor 1，FGFR1)信号通过酪氨酸磷酸化LDHA增加其在PCa细胞中的稳定性，同时促进LDHB启动子甲基化抑制LDHB蛋白表达，这导致细胞能量代谢模式从氧化磷酸化进一步转变为有氧糖酵解，并增加患者的生化复发和总体死亡风险[30]。后来的研究发现，PCa患者前列腺液和肿瘤组织标本中LDHA/LDHB比例升高与肿瘤的不良预后相关，芳香烃受体核转位蛋白(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT)通过激活CC型趋化因子配体18(CC-chemokine ligand 18，CCL18)/CC型趋化因子受体8(C-C motif chemokine receptor 8，CCR8)通路上调LDHA并下调LDHB的表达，从而促进PCa细胞乳酸生成、增殖和侵袭能力增强[31]。

3 乳酸转运与PCa——单羧酸转运体

3.1 单羧酸转运体的生物学特性乳酸的跨膜转运依靠单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporter，MCT)，由溶质载体(solute carrier，SLC)16基因家族编码，其中MCT1(SLC16A1)、MCT2(SLC16A7)、MCT3(SLC16A8)、MCT4(SLC16A3)4个亚型被证实能够对丙酮酸和乳酸进行双向跨膜转运[32]。研究发现MCT1和MCT4在多种癌组织中过表达，与患者的不良预后和高死亡风险相关。虽然二者在肿瘤细胞和肿瘤相关基质细胞之间的代谢调控中发挥重要作用，但其调控机制和生物学功能不尽相同[33]。在糖酵解水平较高的肿瘤细胞中，HIF-1通过强化MCT4基因的转录促进乳酸从细胞内向细胞外转运；在氧化磷酸化水平较高的肿瘤细胞中，MCT1过表达主要受c-myc和p53的正向调控，从而增加细胞对乳酸的摄取并在一定程度上参与乳酸外排；值得注意的是，MCT1/4需要在细胞表面糖蛋白CD147的协同调节下(分子伴侣)发挥作用[10]。当乳酸被MCT4转运至细胞外并在肿瘤微环境中堆积时，处于相对“常氧”状态的肿瘤细胞和基质细胞通过MCT1将乳酸输送至细胞内作为氧化磷酸化的能量来源，从而避免“低氧”细胞大量消耗葡萄糖[34]。

3.2 单羧酸转运体在PCa乳酸调控中的作用和机制研究发现PCa具有独特的能量代谢模式：在疾病的早期阶段，肿瘤主要通过三羧酸循环和氧化磷酸化供能，而进展期肿瘤则主要利用有氧糖酵解供能，近年来发现MCT可能是导致PCa独特代谢特征的机制之一[35]。虽然MCT1和MCT4在正常前列腺、PCa原发灶和转移灶组织中均有表达，MCT1仅表达于上皮来源的组织中，而MCT4在肿瘤和间质组织中均有表达；并且高水平的肿瘤MCT1和肿瘤间质MCT4共表达与PCa患者生化复发风险正相关[36]。PCa组织中MCT1的高表达导致乳酸水平升高，且乳酸水平随Gleason评分的升高而增加，在PTEN缺失的标本中亦能检测到更高的乳酸含量[37]。而MCT4在转移性CRPC患者和糖酵解程度高的组织标本中表达更为显著，是这类患者不良预后的危险因素[38]。

在体外实验中，PCa转移性DU145细胞MCT1和MCT4表达水平明显高于局限性22RV1细胞，沉默MCT1和MCT4均能抑制乳酸外排和细胞生长[39]。在荷瘤小鼠模型中，低级别和高级别肿瘤区域的pH值不同，高表达MCT4区域的细胞外pH值更低，表明MCT4是导致细胞外酸中毒的因素之一[40]。用反义寡核苷酸沉默PCa-3、DU145和C4-2细胞MCT4的表达能显著降低细胞增殖能力，并抑制PCa-3细胞荷瘤小鼠的肿瘤生长[41]。研究认为，与MCT1相比，以糖酵解为主要供能模式的肿瘤细胞倾向于通过MCT4排出乳酸，因此MCT4是进展性PCa组织乳酸外排的主要转运体[39]。有趣的是，雄激素能上调PCa激素依赖性LNCaP细胞MCT4表达，促进乳酸外排，提示MCT4可能是AR通路的下游分子，有望成为包括CRPC在内的进展性PCa治疗的靶点[42]。

4 展 望

代谢综合征与PCa有着千丝万缕的联系，适当的运动通过调节机体代谢状态改善PCa内分泌治疗的不良反应和患者预后[43]。早期一项研究用每周进行5次规律有氧代谢运动和久坐人群的血清分别培养LNCaP细胞，发现与久坐人群的血清相比，规律有氧运动人群的血清能抑制肿瘤细胞生长并促进其凋亡[44]。推测机体对糖酵解和乳酸代谢异常的适应在一定程度上影响着PCa的发生发展和预后。

“癌症是一种代谢病”这一观点已被学术界广泛认可，而越来越多的研究也认为乳酸是肿瘤异常代谢调控的驱动因素[45]。针对乳酸代谢通路探索PCa治疗靶点和预防策略具有重要意义。