酸中毒在结直肠恶性肿瘤中的研究进展

王洋 综述 李国东 汤庆超 刘明 审校

酸中毒是由于癌细胞(和癌症相关细胞)代谢加剧和肿瘤血管的结构紊乱所致，它限制了氧气的获取，阻碍了包括质子(H+)和CO2在内的废物的快速清除，是肿瘤微环境(TME)的标志之一[1-2]。肿瘤酸中毒可以反过来影响癌细胞的代谢[3]。葡萄糖代谢产生乳酸有关的H+是细胞内H+最常见的来源，但代谢中间产物脱羧产生的CO2分子的水合也会导致H+的产生[4-5]。乳酸的产生使TME酸化，创造了一种可以增强肿瘤侵袭力的环境条件[6]，有文献证明，H+和乳酸在TME中的积累会减少一些免疫细胞群的细胞因子的产生[7-8]，而酸激活的蛋白酶促进了癌细胞的迁移[9]。相比之下，酸性pH下的代谢特点与局部侵袭性之间的关系才刚刚开始被探索[10]。酸中毒与结直肠肿瘤密切相关，为结直肠肿瘤疾病提供了新的治疗策略。

1 结直肠癌糖酵解性酸中毒的机制

1.1 结直肠癌糖酵解性酸中毒的关键酶

磷酸丙糖异构酶(TPI)是肿瘤细胞糖酵解的必需酶，它优先选择有氧糖酵解来获得能量，糖酵解与恶性肿瘤的生存和增殖密切相关[11]。TPI还负责从糖酵解中获得ATP，并在有氧和无氧条件下为每个葡萄糖分子产生额外的丙酮酸分子[12]。与结直肠腺瘤相比，TPI在结直肠癌中表达上调，表明TPI与CRC从腺瘤向癌的进展有关[13]。TPI可作为癌基因，促进肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭，是调节结直肠癌糖酵解所致酸中毒的分子靶点。

抑制碳酸酐酶IX(CAIX)会影响适应细胞外酸中毒环境癌细胞的生存能力。低氧通过对HIF-1α的严格调控，成为CAIX表达的主要诱导者。酸中毒抑制HIF-1α的表达，并将肿瘤细胞代谢状态从糖酵解重新转化为氧化代谢[14]。研究发现，与标准条件下(pH：7.4±0.1)培养的细胞相比，结直肠癌细胞在酸性介质(pH：6.7±0.1)中短暂和长期暴露时，CAIX的表达显著增加。此外，CAIX抑制剂FC16-670不仅可以阻止酸中毒条件下CAIX表达的增加，而且只在酸化的癌细胞中促进凋亡和坏死程序[15]。因此，CAIX可以成为酸性癌细胞的选择性靶点，而FC16-670A抑制剂可以作为有效的工具来影响这一以常规治疗逃逸为特征的侵袭性亚群。

1.2 糖酵解介导的结直肠癌酸中毒的分子通路

结直肠癌糖代谢受AMPK和PI3K/Akt/mTOR信号通路影响。由PI3K/AKT/mTOR组成的信号通路被证明与缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)的上调有关，而HIF-1α的激活也参与了结直肠癌的Warburg效应[16]。AMPK途径是mTOR激活的主要调节因子，mTOR在肿瘤细胞中高度激活，有助于细胞的生存和生长[17]。以往的研究表明，AMPK和mTOR基因的表达在癌细胞代谢向糖酵解的转变和促进结直肠癌细胞的转移中起着关键作用[18]，利用糖代谢与AMPK和mTOR通路之间的关系可以为癌症治疗提供新的思路。

酸中毒与酸传递离子通道(ASIC)、钙调神经磷酸酶/NFAT(C/N)通路相关。NFAT调控受到T细胞酸化的限制，酸化过程也会阻碍NFAT以钙调磷酸酶的形式向细胞核转移[19]。酸刺激导致ASIC家族成员ASIC2上调，从而增强结直肠癌细胞的侵袭能力[20]。钙调神经磷酸酶-NFAT途径通常被ASIC2调节，该途径对葡萄糖的消耗产生酸性副产物乳酸[21]。此外，ASIC2在酸中毒时通过激活C/N通路促进结直肠癌细胞的转移，而结直肠癌标本中ASIC2表达的增加与预后不良、复发和远处转移有关[22]。

Wnt信号通路被认为与糖酵解和乳酸的产生有关。典型的Wnt/β-连环蛋白信号通路通过调节转录以驱动糖酵解调节剂的持续表达。此外，Wnt通过mTORC2途径，激活RAC来增加细胞质中糖酵解酶的蛋白水平[23]。这两条信号通路可以增强结肠肿瘤的糖酵解代谢和增殖能力[24-25]。研究表明，Wnt信号高表达的结肠癌细胞具有极强的有氧糖酵解信号。

MicroRNAs(miRNAs)介导结直肠癌糖酵解途径和乳酸产生，其中miR-124、miR-137、miR-340抑制结直肠癌细胞的生长[26]，而miR-182促进结直癌细胞的侵袭和转移[27]。miR-124、miR-137和miR-340将PKM基因的表达从PKM2转换为PKM1，高比例的PKM1/PKM2抑制糖酵解速率，但提高了葡萄糖进入氧化磷酸化的通量。miRNAs(miR-124、miR-137和miR-340)通过调节PKM基因的选择性剪接而抵消Warburg效应[28]，从而抑制结直肠癌细胞的生长。

1.3 结直肠癌糖酵解酸中毒的其他相关因素

THP-1单核细胞与糖酵解酸中毒相关，结直肠癌细胞中的乳酸被分泌到微环境中，并被周围的人类单核细胞(THP-1)通过MCT1摄取[29]。THP-1单核细胞中的乳酸被循环用于糖异生途径，并再次用于合成葡萄糖。研究发现，癌细胞分泌的乳酸可通过糖酵解、乳酸和丙酮酸的产物稳定HIF-1α，从而促进单核细胞前列腺素E2(PGE2)的合成[30]。

线粒体氧化受糖酵解酸中毒的调节，糖酵解代谢和低氧微环境导致结直肠肿瘤细胞外酸中毒。缺氧和酸中毒影响还原或氧化物种的平衡，这被认为是导致结直肠癌进展和耐药性的原因之一[6]。由于乳酸脱氢酶(LDH)活性的增加导致乳酸产量的增加，结直肠癌细胞表面的氧气消耗也是糖酵解细胞酸化的原因。异常组织氧化还原状态的变化会影响生物细胞状态，如细胞增殖或分化、坏死或凋亡。当缺氧诱导的厌氧糖酵解主导线粒体氧化磷酸化和/或有氧糖酵解率增加时，肿瘤中的乳酸含量也很高[31]。

脂肪酸对糖代谢和乳酸发酵影响显著，脂肪酸代谢酶与结直肠癌的预后和进展有关[32]。中链脂肪酸(MCFAs)和酮体可以作为一种工具，诱导结直肠癌细胞在糖酵解和氧化磷酸化之间切换以产生能量[33]。此外，酮体和MCFAs通过能量代谢从糖酵解-乳酸发酵向氧化磷酸化转变而发挥抗癌作用。

2 酸中毒环境增加结直肠癌侵袭性

2.1 TGF-β2通过促进脂滴(LD)的形成增加酸适应性结直肠癌细胞的侵袭性

LD是增加侵袭力的关键驱动因素。研究发现自分泌转化生长因子β2(TGF-β2)信号是一种在不同的酸适应性癌细胞中持续上调的转录本，证明脂质代谢重排是与部分上皮-间充质转化(EMT)相关的。TGF-β2信号促进LD形成的机制有[34]：(1)适应酸中毒的癌细胞会积聚LD；(2)脂肪分解支持癌细胞存活和侵袭性；(3)TGF-β2信号转导支持侵袭性和LD的形成；(4)TGF-β2促进脂肪酸(FA)摄取和甘油三酯(TG)积累；(5)EMT受TGF-β2刺激的FA代谢控制。LD进一步作为能量储存，支持局部侵袭和远处转移扩散。

2.2 VDR-SOX2信号在酸性微环境中促进结直肠癌的干细胞特性和侵袭力

酸性TME为恶性肿瘤的发展提供了能量来源，细胞对酸性环境的适应导致了癌症干细胞的出现。酸中毒通过下调过氧化物酶体增殖物激活受体δ(PPARD)的表达来降低维生素D受体(VDR)的表达。VDR过表达可有效抑制酸中毒时细胞的干性和对奥沙利铂的抗性。VDR是从细胞核输出的，VDR的核输出信号对酸中毒很敏感。分析表明，VDR通过与SOX2启动子中的维生素D反应元件结合，转录抑制了SRY-box 2(SOX2)，从而抑制了肿瘤的生长[35]。因此，酸性微环境的改变和VDR的过度表达在很大程度上限制了体内结直肠癌的发生发展，酸中毒通过调节SOX2的表达影响结直肠癌细胞的干细胞特性。

2.3 单羧酸转运蛋白(MCT)增强结直肠癌细胞酸中毒时的侵袭性

乳酸转运是通过MCT介导的酸中毒增强过程之一。MCT4在结直肠癌和肝癌等几种类型的肿瘤转移中都有高表达，这种作用是通过促进乳酸转运来实现的，乳酸转运增强了转移细胞的侵袭和迁移。MCT4和MCT1在癌症患者中的表达水平升高也与预后不良相关[36]。

3 结直肠癌伴酸中毒的治疗进展

3.1 结直肠癌伴发乳酸酸中毒的临床治疗进展

恶性肿瘤相关的B型乳酸酸中毒是一种危及生命的并发症，多见于血液系统恶性肿瘤，但也可见于实体瘤。在一例罕见的严重B型乳酸酸中毒合并结肠腺癌病例中，患者有广泛肝脏受累和原因不明的高阴离子间隙代谢性酸中毒，在没有其他原因的乳酸酸中毒的情况下，结直肠癌患者都可能出现致死性B型乳酸酸中毒。最广泛使用的疗法是碳酸氢盐输注、硫胺素补充、化疗和支持性护理[37]。

3.2 靶向糖酵解调节结直肠癌伴酸中毒的基础研究进展

目前主要有三种以糖代谢为靶点来调节肿瘤酸中毒的策略。第一种策略旨在通过葡萄糖供应和糖酵解直接调节肿瘤酸中毒，从而控制结直肠癌细胞的能量产生。第二种策略侧重于被认为对代谢途径调控至关重要的因子，包括HIF-1α、c-Myc、AKT、mTOR和AMPK[38-39]。这些因素控制着调节乳酸和LDHA水平的蛋白丰度，从而控制结直肠癌细胞的葡萄糖和能量供应。第三种策略是改变肿瘤细胞的代谢过程，从而改变其增殖、凋亡和侵袭性。

4 酸中毒对结直肠癌化学及免疫治疗的影响

4.1 乳酸酸中毒对哌立福辛治疗的影响

乳酸酸中毒干扰哌立福辛(抗肿瘤药)对结直肠癌细胞的毒性作用。由于乳酸酸中毒干扰了其他Akt激酶抑制剂的细胞毒性，在进一步设计Akt靶向治疗策略时应考虑肿瘤外部pH[40]。结直肠癌细胞在酸中毒时会表现出更多的迁移、侵袭和增殖，从而进一步导致对化疗的耐药性[41]。

4.2 糖酵解酸中毒对CD47为靶点的免疫治疗的影响

CD47表达上调与结直肠癌患者预后不良相关，酸性微环境下，CD47表现出更强的促进结直肠癌细胞的生长和转移的能力。CD47与ENO1相互作用，保护其免受泛素介导的降解，从而促进结直肠癌细胞的糖酵解活性和ERK的磷酸化。抑制ENO1可减弱CD47介导的细胞生长和迁移。临床上，CD47和ENO1的联合表达为判断结直肠癌患者的预后提供了可靠的生物标志物，靶向CD47-ENO1轴可能为结直肠癌提供一种新的治疗途径[42]。

5 小结与展望

结直肠癌是一种异质性疾病，是葡萄糖代谢异常改变的结果，丙酮酸转化为乳酸的过程中产生大量乳酸，从而重塑酸中毒，为肿瘤细胞提供进化优势，甚至增强其侵袭性表型。糖酵解途径介导的葡萄糖代谢是结直肠癌肿瘤酸中毒所必需的。因此，通过糖酵解途径针对这些糖代谢靶点的选择性代谢抑制剂或药物可能在临床上用于调节肿瘤的酸性微环境以用于结直肠癌治疗，并通过癌症患者个性化的方法识别调节肿瘤酸中毒的特定靶点。此外，还需要进一步研究与肿瘤酸中毒相关的结直肠癌代谢概念，并研究肿瘤葡萄糖代谢的其他方面，如丝氨酸-甘氨酸途径、糖异生、表观遗传学和遗传学代谢调节、关键代谢调节因子和磷酸戊糖途径及其酶。改变代谢过程以有效抑制癌细胞生长和肿瘤进展并激活强大的抗癌作用的策略可能为结直肠癌治疗提供更有效的抗肿瘤前景。