氧化还原调节、有氧糖酵解、自噬在肿瘤中的作用及其相互关系

刘芳，常钰玲 综述，宋艳梅，陈彻 审校

甘肃中医药大学，甘肃兰州730000

肿瘤细胞的存活和增殖需要复杂的代谢信号来支持。癌症相关的有氧糖酵解过程产生大量乳酸和活性氧（reactive oxygen species，ROS），增加的ROS和乳酸盐进一步增强能量代谢、存活和增殖的信号，从而导致肿瘤的发生发展。为维持氧化还原平衡，先天抗氧化系统和抗氧化物质诱导氧化应激和细胞死亡。为防止体内废物堆积并保持体内平衡，自噬从受损和／或多余的细胞器和蛋白质中产生能量。因此，癌症代谢、氧化还原调节和自噬相互影响、相互作用。近年来的研究发现，有氧糖酵解、氧化还原调节和自噬均可作为抗肿瘤的关键因素［1］，并且三者的交叉作用与肿瘤的生物学行为密切相关［2-3］。了解三者的关系，联合有氧糖酵解、氧化还原调节和自噬，以期增强临床诊断、监测和治疗癌症的能力，为临床治疗肿瘤提供一种降低癌症患病率、新颖且更有效的思路方法。本文就氧化还原调节、有氧糖酵解、自噬近年来在抗肿瘤中的应用及其三者间的相互关系作一综述。

1 肿瘤源性氧化还原调节

1.1氧化还原调节 癌症的发生与氧化还原调节失衡密切相关。癌症发生发展过程中，肿瘤细胞增殖、糖酵解活性上调，ROS产生增加。在致瘤细胞中产生的大量ROS，促进肿瘤的异常代谢活动和增强血管生成的信号传导，进而促进肿瘤的发生发展过程［4］。ROS包括羟基（OH-）、过氧化氢（H2O2）和超氧化物（O2-）。过氧化氢是膜可渗透性的，通常经蛋白质内的可逆半胱氨酸氧化来传导增殖和存活有关的细胞信号［5］。并且过氧化氢氧化磷酸酶和张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN）上的半胱氨酸残基，导致PTEN失活随后增强PI3K／Akt信号传导促进细胞增殖［6］。致瘤细胞的存活时间也依赖于先天抗氧化系统的调控［7］，抗氧化防御系统包括超氧化物歧化酶和锰，可将基质中产生的超氧化物催化成过氧化氢，以减轻ROS过量引发的后果。超氧化物将细胞膜间隙的细胞色素C还原产生氧气；存在于肝脏中的谷胱甘肽过氧化物酶将过氧化氢解毒。以上机制均参与维持ROS与抗氧化活性之间的稳态［8］。

1.2氧化还原调节的抗肿瘤作用 ROS在许多抗癌药物活性中的作用日益得到认可，目前促氧化剂引起的氧化应激成为一种有吸引力的抗癌策略［9］。其中过氧化氢是癌细胞凋亡的有效诱导剂，许多抗癌剂如紫杉醇、多柔比星和三氧化二砷，均会产生过氧化氢［10］。癌细胞可能比非恶性细胞更易受过氧化氢诱导凋亡，并且过氧化氢有阈值现象，若高于该阈值，细胞将无法存活［11］。有研究表明，可以用特定浓度的过氧化氢选择性诱导杀死癌细胞而不杀死正常细胞［12］。总体而言，通过使用促氧化剂来增加癌细胞中过氧化氢的水平，或激活维持氧化还原稳态因子可能是一种重要的治疗策略。

维持氧化还原稳态的的其他因子也可作为抗肿瘤的重要选择，如丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2）、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）。PKM2具有癌症特异性，由于氧化应激诱导PKM2亚基解离并与不稳定的亚基缔合，为致瘤细胞抵抗氧化应激提供了额外优势，并且PKM2促进肿瘤细胞糖酵解并产生乳酸［13］。然而，增加PKM2将损害其合成代谢和抗氧化功能。有研究表明，小分子PKM2激活剂可消除致瘤细胞在小鼠中形成肿瘤的能力［14］。

NF-κB是一种肿瘤进展中必需的转录因子，可调节炎症、氧化应激和凋亡。过氧化氢可激活NFκB，而抗氧化剂则抑制NF-κB活化［2］。研究表明，NF-κB家族成员在癌症进展中扮演重要角色，体内的氧化和抗氧化系统均与其密切相关，如ROS、过氧化氢、抗氧化抑制剂、肿瘤坏死因子α及IL-1均能激活NF-κB。因此激活小分子化合物PKM2及抑制NF-κB可干扰肿瘤代谢和抗氧化作用，可能是一种潜在的抗癌疗法［10］。

2 有氧糖酵解

2.1有氧糖酵解与肿瘤 癌细胞通过调整代谢来满足原发肿瘤的生长和在不同部位转移增殖的生物合成能量需求［15］。即使在氧气不受限制的情况下，大多数癌细胞表现出高葡萄糖摄取率，葡萄糖衍生的丙酮酸远离线粒体不进行氧化磷酸化而发生糖酵解过程，这种代谢方式称为Warburg效应，即有氧糖酵解，也是癌细胞中常见的代谢重编程之一［16］。氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）提供36个ATP的能量，而糖酵解代谢通过2个ATP提供更多能量，糖酵解通过减少肿瘤细胞对有氧呼吸的依赖而为其提供生存和增殖优势。增加的有氧糖酵解产生酸性和缺氧微环境，促进肿瘤发生、增殖和存活，与许多类型的癌症结果和临床预后呈正相关［17-18］。此外，糖酵解过程乳酸水平增加，诱导细胞外基质分解，促进肿瘤的侵袭和转移［19］。还有研究表明，糖酵解通过糖酵解酶的直接抗凋亡作用和超极化作用抑制线粒体依赖的凋亡，减少ROS产生和减弱线粒体功能诱导抗凋亡特性［20］。

2.2有氧糖酵解的抗肿瘤作用抑制癌细胞中增加的有氧糖酵解是治疗各种恶性肿瘤的有应用前景的方法。研究表明，肿瘤糖代谢在肿瘤无限增殖和抗凋亡作用中是必不可少的，糖酵解依赖性增加是正常细胞和肿瘤细胞间的重要代谢差异，可为杀死癌细胞提供策略［21］。氧化磷酸化与糖酵解的过程激发了许多经肿瘤生成途径抗肿瘤的方法和靶点，通过改变缺氧诱导的代谢开关，并靶向这些特定的酶来降低肿瘤细胞的活力，进而逆转Warburg效应，如以缺氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）为靶点抑制缺氧诱导作用，通过GLUT1为靶点抑制葡萄糖代谢，以HK2和PK为靶点抑制糖酵解等。

2.2.1GLUT1抗肿瘤作用 GLUT1是GLUT／SLC2A转运蛋白家族中的一员，GLUT1促进葡萄糖在细胞膜上的转运［22］。HIF-1诱导GLUT1上调，使细胞内葡萄糖水平升高，从而产生Warburg效应，促进糖酵解过程和肿瘤进展。有研究表明，调节GLUT1可使葡萄糖水平降低，抑制Warburg效应［23］。WZB117是一种GLUT1抑制剂，可阻止肿瘤干细胞向肿瘤分化，提示GLUT1在肿瘤细胞的分化和自我更新中起关键作用，即沉默GLUT1抑制肿瘤进展。值得注意的是，GLUT1还可在肿瘤治疗过程中增强药物迭代作用。目前化疗的挑战之一是药物无法穿透血脑屏障（blood brain barrier，BBB）而导致的递送不良，从而导致对肿瘤作用不佳。而GLUT1的优势在于其主要表达在脑毛细血管腔表面和脉络膜丛上，并能促进甘露糖和葡萄糖的运输［24］。Phloretin是一种GLUT1抑制剂［25］，传统上用于结肠癌的治疗，现已显示出与柔红霉素有协同作用，也显示出对治疗肿瘤未来研究的可行靶点。

2.2.2HK2抗肿瘤作用 HK2是HK酶家族中的一员，介导糖酵解过程中第一个不可逆的限速步骤。在低氧条件下，HIF-1和干细胞因子c-Myc激活HK2。有研究表明，通过沉默HK2可以扭转Warburg效应降低糖酵解，减少了缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表达，增强了放疗敏感性［26］。有几种HK2抑制剂可抑制HK2的作用，如clotrimazole、3-溴丙酮酸、2-脱氧葡萄糖（2-deoxy-D-glucose，2-DG）等，在低氧条件下3-溴丙酮酸能增强卡莫司汀对肿瘤干细胞的作用，并抑制体内肿瘤的进展［27］。而2-DG是一个竞争性抑制糖酵解酶的葡萄糖类似物，通过HIF-1α影响Warburg效应，增强丙酮酸脱氢酶作用，从而逆转能量代谢方式从糖酵解到OXPHOS［28］。有研究表明，将诱导线粒体依赖性细胞损伤的声动力学疗法（sonodynamic therapy，SDT）和2-DG联合作用乳腺癌后，在体内，氧化磷酸化水平受到抑制，ATP供应受阻，显著降低了肿瘤的体积和重量；在体外，活性氧产生增加，线粒体膜电位降低，表明SDT和2-DG联合疗法对于高度转移性乳腺癌可能是一种可用的且有前途的疗法［29］。然而需要注意的是，由于现有药物有全身毒性和对HK2缺乏特异性，因此选择性靶向HK2上仍存在挑战。

2.2.3PKM2抗肿瘤作用 糖酵解代谢途径的最后一个限速步骤是由PK介导产生丙酮酸和ATP。PKM2通过cyclin D1调控细胞从G1-S细胞周期间的过渡［30］。抑制PKM2对胶质瘤干细胞具有杀伤作用，而对正常人类星形胶质细胞无毒性作用［31］。此外，HIF以PKM2为靶标，通过减少ROS生成来抑制线粒体功能，并诱导下游过程上调c-Myc转录，形成正反馈环，进而增强GLUT1、LDHA和HIF的表达［32］。PKM2抑制剂包括紫草素、链烷酸、siRNA等［33］，紫草素和紫草碱对PKM2的抑制作用更强，与PKM1相比对PKM2有50%的选择抑制作用［34］；虽然其他研究也表明，PKM2敲低可抑制肿瘤细胞的增殖和存活，但尚未有研究证明PKM2与患者预后相关，在今后的研究中需应进一步阐明［35-36］。

3 自噬

3.1自噬概况 自噬是细胞对应激的分解代谢反应，也是一种防御机制，在细胞应激包括营养缺乏、缺氧、ATP／腺苷一磷酸（AMP）比率改变和细胞内ROS改变情况下，自噬产物进入细胞的能量产生途径促进细胞存活；相比之下在某些条件下过度激活自噬可引起细胞死亡。大量研究表明，在自正常细胞向癌细胞的转化过程中，自噬具有促癌和抑癌的双重作用，而自噬在癌症进展中的确切作用取决于肿瘤类型、阶段和肿瘤微环境［37-39］。在代谢应激下，自噬被诱导激活，根据代谢的发生程度，自噬不仅可延长原发肿瘤细胞的存活，也可在肿瘤扩散和转移过程中起作用。自噬还可清除过量和错误折叠的蛋白质，从而防止内质网应激引起的后果，如由Myc等致癌基因引起的的细胞死亡［40］。研究表明，Myc驱动的肿瘤增加了细胞生长、内质网应激和代谢率，而抑制自噬则增强了Myc驱动的淋巴瘤模型中诱导的细胞凋亡［41］。自噬诱导受丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）的调节，而PI3K／Akt／mTOR信号通路的失调与肿瘤发生有关，研究表明，可通过调节PI3K／Akt／mTOR通路改变自噬抑制或诱导影响肿瘤结局［42］。

3.2自噬的抗肿瘤作用 肿瘤代谢方式改变是一个有潜力的治疗靶点，除了靶向糖酵解代谢酶以外，靶向自噬也有利于治疗。然而，自噬在肿瘤发生发展过程中的多向作用使其靶向肿瘤变得复杂［43］。在大量的抗癌治疗后，已经观察到肿瘤细胞的自噬增加，并认为是一种常见的适应性应激反应，使肿瘤细胞能够在这些治疗性损伤中存活。这就激发了研究者们用自噬抑制剂和其他药物协同抗癌的想法［44］。自噬在厄洛替尼作用于非小细胞肺癌细胞中上调，与氯喹（自噬抑制剂，一种抗疟疾药物）联合治疗增强了厄洛替尼的敏感性［45］。类似的，胃肠道间质瘤在伊马替尼的作用下表现出自噬增强，从而降低了治疗效果，而抑制自噬联合伊马替尼治疗可增加在体内和体外细胞凋亡的数量，并减少耐药细胞的生长［46］。研究表明，抑制自噬的作用会由于肿瘤类型、自噬阶段、体内外或其他实验差异而不同［47］。还有研究将自噬抑制与免疫治疗相结合以提高疗效，如缺氧诱导的自噬阻止了肺癌细胞中T细胞介导的细胞死亡，但抑制自噬结合免疫治疗则提供了一种强有力的肿瘤特异性治疗［48］。另一种协同的方法是针对易受内质网应激的肿瘤细胞，自噬抑制剂和蛋白酶抑制剂联合可增强对肝细胞癌的增殖抑制作用，诱导细胞凋亡［49］。在多发性骨髓瘤细胞中的研究也显示，蛋白酶抑制剂和自噬抑制剂联合使用后增加了化疗敏感性［50］。

尽管抑制自噬可促进肿瘤发展，但自噬也可为癌细胞提供一定的选择性优势，以应对压力并促进适应代谢。因此，癌细胞的最佳存活状态和适应性是需要自噬的基础水平决定的。目前正在研究通过靶向PI3K诱导自噬的抗癌药物，包括NVP-BEZ235（dactolisib）、XL-765、PX-866、NVP-BKM120（buparlisib）等［51］。NVP-BEZ235（dactolisib）有抗增殖活性、抑制Akt活化并诱导人胶质母细胞瘤细胞（U87）凋亡的作用［52］。而NVP-BKM120（buparlisib）通过ATP结合位点上脂质激酶结构域，竞争性抑制PI3K的催化亚基p110α来靶向PI3K［53］，在乳腺癌、成胶质细胞瘤、骨肉瘤、卵巢癌和前列腺癌细胞中表现出抗增殖和促凋亡作用，迄今为止已开展80多项临床试验。因此，靶向PI3K／Akt／mTOR通路诱导自噬进而增强化疗具有应用前景，但仍需要进行更多深入的研究［54］。

4 肿瘤糖酵解、氧化还原调节、自噬间的相互作用

肿瘤中代谢信号异常引起肿瘤细胞过度增殖和有氧糖酵解过程增强，使ROS和乳酸含量增加、肿瘤微环境发生转变导致肿瘤进一步增殖。为了维持氧化还原平衡，细胞固有的抗氧化防御系统发挥作用。而当营养缺乏或者抗氧化系统失效时细胞诱导死亡，在细胞死亡机制中，自噬又是一种补偿机制，可从受损和多余的细胞器或蛋白质中产生能量，组织废物的积累，从而维持体内平衡。因此了解有氧糖酵解、氧化还原调节和自噬三者间的相互作用关系，可增强临床的诊断、监测和治疗癌症的能力，并未临床提供一种降低癌症患病率、新颖且更有效的思路及方法。

4.1氧化还原调节与自噬、有氧糖酵解间的关系

4.1.1氧化还原调节与自噬 研究发现，在肿瘤发生的微环境中缺氧和ROS可通过多种机制增加自噬通量。在缺氧期间，HIF-1α激活编码BH3结构域蛋白BNIP3基因的转录，通过与Beclin1竞争与Bcl-2特异性结合而诱导线粒体自噬，自噬活力上调［55］。而AMPK在严重缺氧时可独立于HIF促进自噬，在氧化应激或营养缺乏的条件下，HIF-1能够直接刺激AMPK活化或间接通过缺氧条件下的细胞发育和DNA损伤反应（DNA damage response，DDR），高水平的DNA损伤激活AMPK，从而抑制mTOR诱导自噬促进细胞死亡［56］。虽然BNIP3调节的自噬可保护细胞免于死亡，但AMPK诱导的自噬可促进细胞死亡，表明不同环境的自噬对细胞有不同的影响［57］。在另一个间接机制中，缺氧或低氧浓度导致环境酸化，自噬由于低pH值而上调［58］。此外，自噬还有拮抗氧化应激反应的作用，这也是肿瘤细胞存活必须的生物学过程［59］。

在肿瘤细胞中氧化应激等各种应激条件下产生ROS，ROS通过将半胱氨酸氧化成亚磺酸并导致凋亡信号调节激酶1（apoptosis signal regulating kinase-1，ASK1）寡聚化，激活JNK和p38途径信号，JNK通过刺激ATG5诱导自噬。JNK介导的自噬诱导通常还与氧化应激相关［60］，激活的JNK导致BCL-2磷酸化，BCL-2是一种结合并抑制Beclin 1的抗凋亡蛋白，导致Beclin 1的释放和自噬诱导［61］。ROS还通过氧化ATG4诱导肿瘤细胞自噬，形成LC3相关的自噬体［62］。此外，ROS介导的损伤也能诱导自噬，ROS损坏DNA、蛋白质和细胞器，这些积累的损伤与代谢应激反应诱导自噬［63］。有研究表明，RAS家族是MAPK／ERK途径的调节因子，RAS突变导致癌细胞表现出更高水平的自噬诱导和ROS［64］。激活RAS也与自噬增强相关，在胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）中，有90%以上PDAC中存在RAS突变，原发性PDAC肿瘤和细胞系中自噬均升高。利用PDAC中遗传的自噬抑制作用，可有效地抑制肿瘤的体外增殖，并在胰腺癌异种移植和遗传的小鼠模型中有延长小鼠存活率和肿瘤消退的作用［65］。RAS的激活也会使代谢发生变化，促进能量和肿瘤细胞增殖所需的生物大分子的生成，因此，提出自噬可能是RAS转化细胞中关键的代谢途径［66］。自噬在一定程度上减少细胞生长，因此，抑制自噬在Ras驱动的癌症中可能也是一种有效的治疗方法［67］。

4.1.2氧化还原调节与有氧糖酵解 有研究发现，肿瘤细胞代谢重编程是促使肿瘤发生发展的标志性事件之一，其中HIF-1参与了氧化磷酸化（OXPHOS）至糖酵解的代谢转变［68］。有研究表明，缺氧通过上调HIF-1，促进癌症干细胞（cancer stem cells，CSCs）自我更新，诱导糖酵解过程［69］。HIF还可激活多种靶基因转录，调控糖酵解关键酶，如上调GLUT1以增加葡萄糖摄取；并在糖酵解过程中上调HK2和PK；在糖酵解终止时上调LDHA并下调PDH，使能量代谢转向有氧糖酵［70-71］。此外，缺氧会增强葡萄糖消耗和有氧糖酵解过程，进一步加强对肿瘤发生有益的酸性和缺氧微环境［72］。HIF-1α提高肿瘤细胞葡萄糖代谢活性，产生大量ROS导致细胞过度增殖和存活，增强了化疗和放疗的敏感性［73］。此外致瘤细胞还通过磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP）代谢葡萄糖，导致烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢（NADPH）产生，而NADPH通过增强针对恶劣环境、辐射和化学治疗化合物的抗氧化防御系统来促进代谢并向有利于肿瘤发生的方向发展［74］。

4.2自噬与有氧糖酵解 肿瘤细胞的代谢方式与正常细胞不同，肿瘤细胞主要依靠有氧糖酵解来提供能量并维持细胞稳态，这对于癌细胞的增殖和存活至关重要。一般情况下自噬是能在应激条件下提供能量的生物过程，而自噬与代谢间的调控关系尚不明了。近几年的研究发现，自噬与能量代谢具有相关性，两者的双向干预逐渐成为一种新的治疗策略［1，75］。自噬降解产物能快速提供能量，这些物质几乎全部进入中心碳代谢环节，随后进入多种代谢途径，为肿瘤细胞提供了代谢可塑性。

自噬对有氧糖酵解有调控作用。自噬Atg7缺陷小鼠在禁食时会死于低血糖症，表明葡萄糖稳态需要自噬［76］。自噬在应激环境中通过调控能量代谢促进或抑制肿瘤细胞的存活及降低化疗敏感性的效应，表明自噬结合肿瘤能量代谢方式可发挥抑癌作用［77］。现已证实，在乳腺癌细胞、慢性髓系白血病等恶性血液病中自噬维持糖酵解能力。并且在表达瘤源性RAS驱动的细胞内，自噬促进脂质氧化和糖酵解，进而促进肿瘤的发展［78］。研究表明，自噬相关分子Atg7可结合PKM2并防止其Tyr-105被FGFR1磷酸化，进一步抑制Warburg效应，此外，由于Atg7缺乏引起的PKM2的过度磷酸化及其诱导的Warburg效应促进了上皮-间质细胞转化（epithelial to mesenchymal transition，EMT）［79］。缺乏白介素3（IL-3）的肿瘤细胞利用自噬作为分解代谢程序来维持线粒体呼吸和ATP水平，从而降低肿瘤细胞的糖酵解能力［80］。

有氧糖酵解也对自噬有调控作用。糖酵解酶活性的改变可发送信号来调节自噬，如甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH），低水平葡萄糖情况下激活自噬，而高葡萄糖下诱导有氧糖酵解［81］。糖酵解酶GAPDH的增加也会增加Atg12，从而增强自噬。在宫颈癌HeLa细胞营养缺乏期间，TIGAR被激活，降低反应水平，抑制自噬LC3和p62水平下降，自噬通量总体下降［82］。并且在糖酵解产生的酸性环境下，PI3K／Akt／mTOR途径调节的自噬增加，延长了癌细胞的存活时间［64］。因此有氧糖酵解与自噬间有着复杂的关系，共同影响着肿瘤的生物学行为。

5 小结及展望

综上所述，氧化还原调节、糖酵解和自噬参与肿瘤细胞的增殖、血管生成、侵袭和转移等，它们复杂的相互交叉影响在肿瘤的发生发展具有重要作用。细胞代谢的改变或重编辑为肿瘤细胞的诊断和治疗提供了新思路，有氧糖酵解的分子调控机制或是未来探索的方向，可将其作为临床肿瘤转化目标之一。未来的治疗前景可能会集中在联合治疗上，将抑制剂和代谢机制联系在一起。如抑制LDHA与PDK1结合的治疗方式，分别阻碍丙酮酸转化为乳酸盐并将丙酮酸重新转向OXPHOS代谢；抑制有氧糖酵解中关键酶与自噬联合；将氧化还原调节、糖酵解和自噬均合理利用且联合等。有氧糖酵解的关键代谢途径与调控氧化还原的信号通路密切相关，自噬在有氧糖酵解途径的相互作用起着维持细胞生长、保护细胞的作用。这三者相互作用的方式将有助于靶向癌细胞，提供一种降低癌症患病率、新颖且更有效的思路和方法。分子层面的代谢重编辑和联合治疗有广泛的应用前景，但当前有关氧化还原调节、有氧糖酵解、自噬三者的交互作用在肿瘤中具体机制尚未完全阐明，如ROS通过促进存活和诱导死亡的信号传导对自噬的影响还需要进一步研究；抑制糖酵解对癌细胞没有选择性，并且可能还会对依赖于糖酵解的非癌组织产生不利影响，如大脑和骨骼肌。但随着研究的不断深入，这些机制会越来越清晰，对鉴定化疗的新生靶标并提高当前治疗的功效以及尽早减轻肿瘤治疗的压力均具有重要作用，为临床靶向肿瘤细胞提供更有效的治疗组合策略。