肿瘤代谢异常与靶向药物耐药

赵梦梦，狄文玉综述，康小红审校

0 引 言

恶性肿瘤作为全球面临的最大问题之一，极大的危害人类健康。目前对于肿瘤的治疗主要包括外科手术切除、内科化疗和放射治疗等，随着医学基础与临床研究的发展，精准治疗已成为肿瘤治疗的主要手段，靶向治疗因其直接定位于肿瘤细胞的治疗靶点在肿瘤治疗中占据重要的地位[1-2]。但不幸的是，几乎所有的患者在治疗一段时间都会出现耐药。有研究显示，肿瘤靶向药物耐药与肿瘤代谢异常有关[3]。肿瘤代谢异常是指肿瘤细胞代谢途径发生改变，以满足肿瘤细胞对能量、物质及氧化还原能力的需求[4]。肿瘤最显著的代谢途径包括：葡萄糖代谢、谷氨酰胺代谢和脂质代谢[5]。肿瘤代谢异常作为肿瘤的十大特征之一，在肿瘤的发生发展过程中起到举足轻重的作用[6]。本文主要就肿瘤代谢异常与靶向药物耐药之间的联系作一综述。

1 糖代谢与靶向药物耐药

1.1 肿瘤中糖代谢异常正常生理情况下，在氧气充足的时候，分化正常的细胞主要依靠线粒体的氧化磷酸化为细胞供能；而在缺氧条件下，葡萄糖不能被完全降解，通过无氧糖酵解转化生成乳酸，这一过程释放能量较少。不同于正常细胞，即使在有氧的条件下，肿瘤细胞中大多数的能量也是通过糖酵解途径合成的，这被称为瓦伯格效应[7-8]，这一发现打开我们从代谢方面来研究肿瘤的新篇章。肿瘤细胞之所以将有氧糖酵解作为其获取能量的主要方式，是因为相比氧化磷酸化来讲，糖酵解能够更加快速的提供ATP。己糖激酶(hexo kinase，HK)通过磷酸化将进入细胞的葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸，作为糖酵解过程第一步的限速酶，其具有4种亚型(HK-I到HK-IV)。研究显示，HK-II在多形性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme GBM)表达增加，且与GBM患者较差的总生存率相关[9]。磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFK)为糖酵解的第二个限速酶，PFK的变构激活剂2,6-二磷酸果糖来源于果糖-2,6-二磷酸酶4，果糖-2,6-二磷酸酶4在乳腺癌患者手术标本中高表达，且与其预后不良有关[10]。丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK)作为糖酵解的第三个限速酶，将磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸的同时生成ATP，PK具有4个同工型：L、R、M1和M2。在胰腺导管腺癌中，PKM2通过磷酸化和稳定PAK2蛋白促进其癌细胞的侵袭和转移[11]。单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporters，MCT)介导乳酸的跨膜转运，MCT-4是肿瘤糖酵解和乳酸生成的关键标志物，MCT-4表达增加与乳腺癌患者的高死亡率风险和组织学分级相关[12]。葡萄糖是亲水性的，需要特殊的跨膜转运蛋白葡萄糖转运体(glucose transporters GLUT)进行转运，因此肿瘤经常过度表达GLUT，如肺癌[13]、乳腺癌[14]、肝癌[15]、宫颈癌[16]等肿瘤组织。由此可见，肿瘤细胞中糖酵解相关酶表达水平的升高、单羧酸转运体及葡萄糖转运体等能通过提高糖酵解水平，介导肿瘤发生发展。见图1。

1.2糖代谢与靶向药物耐药多项研究证明，糖代谢与许多不同种类的抗肿瘤靶向药物耐药有关。Apicella等[17]发现肿瘤细胞释放的糖酵解产物乳酸被肿瘤微环境中的成纤维细胞吸收后，通过NF-κB通路促进肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor，HGF)分泌，从而激活HGF/c-MET信号轴诱导多种靶向药物(如克唑替尼、厄洛替尼等)获得性耐药。在乳腺癌中，随着糖酵解代谢增强，雌激素受体阳性/人表皮生长因子受体2阴性的乳腺癌细胞对于细胞周期蛋白依赖性激酶4/6(cyclin-dependent kinase CDK4/6)抑制剂帕博西尼治疗敏感性增强，而雌激素受体阳性/人表皮生长因子受体2阳性的乳腺癌细胞对帕博西尼治疗耐药性增加[18]。PKM2通过直接与突变的表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)蛋白和热休克蛋白90相互作用，从而稳定突变的EGFR促进对表皮生长因子受体酪氨酸激酶抑制剂(EGFR-TKI)的耐药性[19]。Li等[20]证明阿司匹林通过降低糖酵解和抑制糖酵解的重要调节剂果糖-2，6-双磷酸酶3过表达，抑制肝癌细胞对索拉非尼的耐药。Xu等[21]研究显示，与敏感对照相比，磷酸戊糖途径的一种限速酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose 6-phosphatedehydrogenase，PGD)在胃肠道间质瘤和耐伊马替尼的胃肠道间质瘤细胞中显著上调，并且证明了PGD是通过与缺氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor，HIF-1)相互作用，导致代谢途径的改变，最终导致胃肠道间质瘤对伊马替尼耐药。见图1。

图 1 糖代谢与肿瘤及靶向药物耐药的关系

2 氨基酸代谢与靶向药物耐药

2.1 肿瘤中谷氨酰胺代谢异常为了满足其快速增殖的能量需求，肿瘤细胞还进行了氨基酸代谢，氨基酸为仅次于葡萄糖的重要能量和营养来源。谷氨酰胺(Glutamine，GLN)不仅是人体最丰富的氨基酸，同时还是癌细胞生长和增殖的第二营养来源，它为多种含氮化合物的从头生物合成提供碳，还为嘌呤和嘧啶核苷酸、葡萄糖-6-磷酸和非必需氨基酸的生物合成提供了所需的氮[22]，以此来支持癌细胞的能量代谢和生物合成，促进肿瘤的生长。有研究显示，GLN的缺乏会抑制肿瘤细胞的生长，导致肿瘤细胞生长缓慢，表现出癌细胞的“谷氨酰胺成瘾”[23]。GLN分解是指GLN经谷氨酰胺酶转化至谷氨酸，谷氨酸进一步经谷氨酸脱氢酶转化为α-酮戊二酸(Alpha-ketoglutarate，α-KG)，α-KG进入三羧酸循环以产生ATP[24]。人体中主要有两种谷氨酰胺酶(glutaminase，GLS)：肾型谷氨酰胺酶(GLS1)和肝型谷氨酰胺酶(GLS2)[25]。Saha等[26]通过系统多组学分析评估谷氨酰胺酶及其相关基因在多种癌症中的综合作用，发现GLS1在乳腺癌、食管癌及头颈部肿瘤中过表达，且与预后不良有关，GLS2在结肠癌、卵巢癌和胸腺肿瘤中过表达，且与较低的总生存期相关。Wang等[27]发现GLN-αKG轴，通过下调其下游靶基因CECR2，可促进喉鳞状细胞癌的生长。Prasad等[28]研究显示在卵巢畸胎瘤细胞中，GLN依赖HIF-1α诱导转录因子ETS1过表达，而在人卵巢腺癌细胞中，GLN则通过mTOR通路诱导ETS1的表达，激活的ETS1上调基质金属蛋白酶2(matrix metalloproteinase，MMP2)、MMP9和波形蛋白Vimentin的表达，诱导上皮间质转化从而促进卵巢癌细胞的迁移和侵袭。GLN通过许多氨基酸转运蛋白转运到细胞中，在乳腺癌中，增加谷氨酰胺转运蛋白SLC38A2(也称为SNAT2)的表达可促进GLN依赖性增加和氧化应激抵抗，与乳腺癌尤其是三阴性乳腺癌的不良预后显著相关[29]。见图2。

2.2谷氨酰胺代谢与靶向药物耐药多项研究显示，谷氨酰胺代谢也在靶向药物耐药过程中发挥着重要的作用。在非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)中[30]，EGFR突变能够通过上调谷氨酰胺转运蛋白SLC1A5(也称为ASCT2)，使肿瘤细胞中谷氨酰胺代谢增加，进而导致代谢产物堆积，其代谢产物通过使EGFR下游通路激活,诱导NSCLC对EGFR-TKI的耐药，使用SLC1A5抑制剂限制GLN摄入，可以显著提高NSCLC对第三代EGFR-TKI阿美替尼的敏感性，延缓耐药发生。GLS1在谷氨酰胺代谢途径中发挥作用，使用mTOR抑制剂处理GBM，GBM中GLS表达上调，肿瘤细胞对GLN的依赖性增强，α-KG随之升高，从而导致GBM对mTOR抑制剂耐药[31]。在食管癌中，FBXO4-Cyclin D1轴的失调导致线粒体功能障碍和谷氨酰胺成瘾，GLS1的上调导致CDK4/6抑制剂帕博西尼在食管鳞状细胞的耐药,使用GLS1抑制剂(CB-839)，和二甲双胍/苯乙双胍(抑制线粒体呼吸链)协同治疗，可以抑制体内外肿瘤细胞的增殖并诱导肿瘤细胞的凋亡，同时可以有效的克服对帕博西尼的耐药[32]。Liu等[33]研究显示，Gankyrin是一个原癌基因，能在转录水平上增加GLUT和糖酵解关键酶HK-II、PKM2、LDHA的表达，同时上调谷氨酰胺转运蛋白ASCT2和GLS1的表达，在肝癌细胞中，Gankyrin通过上调β-catenin的表达来提高c-Myc的转录水平，从而增强糖酵解和谷氨酰胺分解，促进肝癌的发生发展，同时导致肝癌患者对索拉非尼和瑞戈非尼的耐药。以上表明，谷氨酰胺转运蛋白及谷氨酰胺代谢相关酶介导肿瘤靶向药物耐药。见图2。

图 2 谷氨酰胺代谢与肿瘤及靶向药物耐药关系

3 脂质代谢与靶向药物耐药

3.1 肿瘤中脂质代谢异常脂质代谢同样是肿瘤细胞异常代谢的重要指标之一。脂质不仅是细胞膜的基本结构，还可以作为第二信使在细胞内传递信号，并作为营养物质的重要能量来源，在几乎所有的细胞活动中起着基本作用[34]。脂质代谢包括脂质在体内的摄取、合成和水解，对于维持细胞稳态必不可少，在肿瘤微环境中，营养物质的可用性不断变化，肿瘤细胞利用脂质代谢来获取能量，支持其快速增殖、迁移、侵袭和转移，在肿瘤进展过程中发挥着重要影响[35]。CD36是一种长链脂肪酸受体，对于脂质的摄取至关重要，其过表达与食管癌的病情进展显著相关，抑制CD36的表达可抑制食管癌细胞的增殖和侵袭能力，在人口腔鳞状细胞癌中，CD36可启动转移，并且与多种癌症的不良预后相关[36]。多个研究表明，脂质合成和脂肪酸分解在多种实体肿瘤中被显著上调，从而促进肿瘤进展。脂质合成存在多种关键酶，如ATP柠檬酸裂解酶(ATP citrate lyase，ACLY)、乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合成酶(fatty acid synthase, FASN)等[37]。ACLY为调控脂质合成最上游的关键酶，在乳腺癌、非小细胞肺癌、结直肠癌、胶质母细胞肿瘤等多种癌症中表达上调[38]。在急性髓系白血病(acute myelogenous leukemia, AML)中，活化的PI3K信号通路可以通过促进ACLY的活性，调节脂肪酸的合成，从而促进AML进展[39]。低表达ACLY 的AML患者总体生存期明显提高[40]。FASN为催化脂肪酸生物合成最后一步的限速酶，在多种肿瘤的恶性表型中发挥重要作用。Wang等[41]研究显示抑制FASN可抑制人骨肉瘤细胞增殖，并诱导肿瘤细胞凋亡，同时可通过HER2/PI3K/AKT信号轴抑制骨肉瘤细胞的侵袭和迁移。脂质分解代谢通过脂肪酸β氧化途径实现，其过程的限速酶是肉碱棕榈酰转移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1, CPT1)，CPT1与多种信号通路密切相关，是促进癌症进展的重要因素，CPT1已经被证实与前列腺癌、乳腺癌和白血病[42-44]等恶性肿瘤密切相关。见图3。

3.2脂质代谢与靶向药物耐药脂质代谢同样也在靶向药物耐药中扮演着重要角色。在乳腺癌患者中，使用HER2抑制剂拉帕替尼治疗后脂质代谢加强，致使预后不良，Feng等[45]通过cDNA微阵列分析，发现CD36是拉帕替尼获得性耐药的细胞中上调的关键基因，抑制CD36的表达可显著降低肿瘤的发生，同时可抑制拉帕替尼耐药。在NSCLC中，FASN高表达，其产物16-C饱和脂肪酸棕榈酸酯通过EGFR棕榈酰化激活其下游信号通路介导TKI的耐药，奥利司他抑制FASN可诱导EGFR泛素化，消除EGFR突变信号，同时抑制肿瘤的生长[46]。Li等[47]研究显示，相对于正常组织来讲，FASN在胃肠道间质瘤患者中过表达，导致患者无疾病生存期明显缩短，在对伊马替尼耐药的胃肠道间质瘤细胞中，沉默FASN或使用C75(抑制FASN)降低了肿瘤细胞的生长和迁移，并可使肿瘤细胞对伊马替尼重新敏感。Iwamoto等[48]发现，抗血管生成药物(Antiangiogenic agents AAD)作用于结直肠癌时，在非脂肪环境中能够显著抑制肿瘤生长(74%)，而在有脂肪的环境中，其抑制率仅有21%(胰腺胆管癌和脂肪肝肿瘤模型中也得到了类似的结果)，全基因组基因表达分析显示，使用AAD药物处理肿瘤后，许多脂肪酸氧化以及游离脂肪酸相关基因的表达发生了显著变化，表明使用AAD处理的肿瘤发生了脂质代谢重编程，进一步研究发现缺氧激活单磷酸腺苷活化的蛋白激酶的磷酸化，导致CPT1表达上调，从而使游离脂肪酸摄取增多，加速肿瘤生长的同时诱导肿瘤细胞对AAD获得性耐药，抑制CPT1后其耐药性亦被逆转了。以上研究表明，脂质合成和脂肪酸分解相关的酶、脂肪酸受体等亦与靶向药物的耐药相关。见图3。

图 3 脂质代谢与肿瘤及靶向药物耐药关系

4 结 语

肿瘤靶向药物耐药是目前肿瘤治疗中最棘手的问题之一，肿瘤细胞对靶向药物耐药机制十分复杂，通常是多种因素相互作用的结果。为了满足肿瘤细胞发生发展及转移的高能量需求，肿瘤细胞进行了代谢重编程。肿瘤代谢异常与肿瘤及肿瘤靶向药物耐药密切相关，上文阐述了肿瘤代谢异常与靶向药物耐药的联系：①有氧糖酵解代谢产物、相关酶和磷酸戊糖途径介导了靶向药物耐药；②谷氨酰胺代谢水平上调，其代谢相关酶及转运蛋白也诱导靶向药物的耐药；③脂质的摄取、合成、氧化过程亦均参与了靶向药物耐药的过程。但目前对于靶向药物耐药的机制还有待进一步研究，随着对肿瘤代谢异常研究的深入，希望我们对肿瘤及靶向药物耐药机制有新的理解，相信在不久的未来能够成功克服靶向药物耐药这一难题。