葡萄糖代谢重编程在子宫内膜异位症中的研究进展

刘君君，张玲，刘义

子宫内膜异位症（endometriosis，EMs）是指有活性的子宫内膜细胞种植在子宫内膜以外的位置而形成的一种常见妇科疾病。EMs 的病理过程与肿瘤相似，病灶可以逃避免疫监视异位种植，并在局部增殖、迁移和侵袭，但其并不具有肿瘤的无限增殖、全身转移等恶性特征。葡萄糖代谢重编程被认为是肿瘤发生的标志，其发生主要是由于糖酵解途径的关键酶表达发生了改变[1]。EMs 患者异位病灶中也存在葡萄糖代谢重编程现象[2]，表现为有氧糖酵解（aerobic glycolysis）增强，即葡萄糖摄取增加及乳酸产生增加；同时线粒体氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）受到抑制，活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生减少。葡萄糖代谢重编程不仅能促进EMs 的发生发展，还与EMs 病灶中巨噬细胞极化有关[3]。与葡萄糖代谢重编程相关的卵细胞质量下降和子宫内膜容受性受损是导致EMs 患者不孕的原因[4]。因此，葡萄糖代谢重编程在EMs 的发生发展中发挥重要作用，本文对葡萄糖代谢重编程在EMs 中的研究进展进行综述，为深入了解EMs 的发病机制和EMs 的临床治疗提供策略。

1 葡萄糖代谢重编程概述

正常细胞在有氧条件下通过呼吸作用，即三羧酸循环/氧化磷酸化产生腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），在缺氧条件下通过糖酵解产能。但是肿瘤细胞即使在有氧情况下也通过糖酵解产生ATP，即有氧糖酵解，这一过程称为葡萄糖代谢重编程，又称为瓦尔堡效应（Warburg effect）[5]。肿瘤细胞倾向于有氧糖酵解的原因可能是为了减轻氧化应激产生的ROS 对细胞造成的损伤，同时有氧糖酵解过程中产生的代谢产物也可作为其他生物大分子合成的前体[6]。肿瘤细胞的葡萄糖代谢重编程受磷脂酰肌醇3 激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B/mammalian target of rapamycin，PI3K/Akt/mTOR）信号通路、缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）以及癌基因和抑癌基因等调控[1]。同时，肿瘤细胞的免疫逃逸也与肿瘤微环境中免疫细胞的葡萄糖代谢重编程有关[7]。

除肿瘤外，葡萄糖代谢重编程在非肿瘤疾病[神经系统疾病、骨骼疾病、泌尿系统疾病、循环系统疾病及新型冠状病毒肺炎（COVID-19）等]中也广泛存在，如：小鼠小胶质细胞的葡萄糖代谢重编程参与阿尔茨海默病的发生发展[8]；人体破骨细胞的葡萄糖代谢重编程参与骨质疏松、骨转移、炎症性骨侵蚀等病理过程[9]；葡萄糖代谢重编程介导的肾纤维化促进慢性肾脏疾病的病情发展[10]；冠状动脉性心脏病中动脉粥样硬化斑块的形成与巨噬细胞的葡萄糖代谢重编程密切相关[11]。值得一提的是，关于COVID-19 的研究发现了病毒感染的细胞也出现葡萄糖代谢的显著变化，因此阻断被感染细胞的葡萄糖代谢重编程以对抗病毒复制将为COVID-19 的治疗提供可能[12]。由此可见，由于葡萄糖代谢重编程在疾病发生发展中发挥重要作用，针对葡萄糖代谢重编程的研究为疾病的治疗提供了前景。

EMs 中的葡萄糖代谢重编程现象已被证实，近几年的研究集中于EMs 病灶中葡萄糖代谢重编程的分子机制，一些药物可通过调控糖酵解抑制EMs的发生发展，靶向糖酵解通路中关键分子的药物有望用于EMs 治疗的新方案。

2 EMs 与葡萄糖代谢重编程

2.1 EMs 病灶中氧化磷酸化向有氧糖酵解转变总的来说，EMs 病灶中的葡萄糖代谢重编程表现为氧化磷酸化向有氧糖酵解的转变。研究证实，EMs 异位病灶中细胞葡萄糖摄取和乳酸产生增加，同时氧化磷酸化过程及ROS 产生受到抑制[13]。有氧糖酵解途径由葡萄糖摄取开始，以产生乳酸结束。葡萄糖摄取增加、乳酸产生增加、ROS 产生减少是EMs 病灶中葡萄糖代谢重编程的三大特征性表现。

2.1.1 葡萄糖摄取增加 EMs 患者的异位内膜细胞葡萄糖摄取增加，表明细胞内的有氧糖酵解高速进行。葡萄糖转运体（glucose transporter，GLUT）作为细胞膜上的葡萄糖转运蛋白，其表达水平影响细胞的葡萄糖摄取。与正常女性的子宫内膜相比，GLUT3在EMs 患者异位内膜组织中的表达显著升高；EMs患者的异位组织中亦可以观察到GLUT1 高表达；此外，在同一EMs 患者的配对异位和在位子宫内膜中，异位内膜GLUT3、GLUT4 和GLUT5 的表达量明显高于在位内膜[14]。更多研究发现，腹膜型EMs 患者的腹膜液中转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）水平高于无EMs 女性，提取腹膜型EMs 患者异位病灶中的腹膜间皮细胞（peritoneal mesothelial cells，PMC）后，在PMC 培养基中加入TGF-β1 培养可提高GLUT1 的表达水平[2]，提示GLUT1 受TGF-β1 调控。在治疗方面，目前已有研究证实在大鼠EMs 模型中，阿托伐他汀（atorvastatin）和白藜芦醇（resveratrol）能够抑制异位病灶的生长，其机制可能是通过抑制GLUT1 和GLUT3 的表达从而降低大鼠异位病灶中的糖酵解水平[15]。用桂枝茯苓胶囊治疗EMs 模型大鼠可以显著降低大鼠异位病灶中TGF-β1 和GLUT4 的表达，从而影响其糖酵解[16]。因此，通过抑制GLUT 介导的葡萄糖摄取而抑制糖酵解为EMs 的治疗提供了新思路。

2.1.2 乳酸产生增加 EMs 患者的腹膜液和异位内膜中乳酸水平均升高[2，13]，提示EMs 患者病灶中存在乳酸堆积。导致乳酸产生增加的一个重要原因是乳酸脱氢酶A（lactate dehydrogenase A，LDHA）水平增加。LDHA 在异位内膜和原代异位子宫内膜基质细胞（ectopic endometrial stromal cells，EcESC）中的表达均显著高于正常内膜，TGF-β1 亦可以调控LDHA表达[2，17]。在肿瘤细胞中，LDHA 能够促进肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭，并与血管生成相关，是抗癌药物设计的可行靶点[18]。除此之外，丙酮酸脱氢酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase 1，PDK1）是使葡萄糖代谢从氧化磷酸化转变为有氧糖酵解的关键开关，EMs 病灶中PDK1 表达增加也是导致乳酸产生增加的重要原因[19]。研究证实，PDK1 抑制剂二氯乙酸（dichloroacetate）可以抑制EMs 患者异位病灶中EcESC 和PMC 的乳酸生成[19-20]。在小鼠EMs 模型中，口服二氯乙酸可降低小鼠腹膜液中的乳酸水平，减小EMs 病灶体积[20]，提示二氯乙酸具有抑制EMs病灶发生发展的作用。综上，EMs 患者异位病灶中的乳酸堆积是葡萄糖代谢重编程的重要特征，LDHA和PDK1 可作为调控EMs 葡萄糖代谢重编程的关键靶点。

2.1.3 ROS 产生减少 EMs 病灶中发生的葡萄糖代谢重编程表现为氧化磷酸化向有氧糖酵解的转变，这一过程抑制了氧化磷酸化过程中ROS 的形成。ROS 是氧化磷酸化产生ATP 过程中的副产物，其会损伤线粒体DNA，诱导细胞死亡，克服线粒体ROS引起的氧化损伤可能是子宫内膜异位细胞存活的关键。EMs 异位病灶细胞通过LDHA 和PDK1 等关键分子调控氧化磷酸化向有氧糖酵解转换，抑制线粒体代谢中ROS 的产生，提示葡萄糖代谢重编程是EMs 异位病灶的适应性改变[21]。另有研究发现，在EMs 异位病灶中线粒体代谢途径的生物合成减少，提示线粒体中的代谢活动减弱[22]，这表明EMs 具有与肿瘤发生葡萄糖代谢重编程相似的原因，即倾向于有氧糖酵解而不是氧化磷酸化，从而避免ROS 产生过多引起的细胞死亡。寻找使EMs 异位病灶细胞氧化磷酸化正常的策略，以激活ROS 产生从而诱导异位细胞死亡，或能成为治疗EMs 的新方法。

2.2 葡萄糖代谢重编程促进EMs 发生发展有氧糖酵解为EMs 异位病灶中的细胞提供能量，促进异位病灶的建立和发展。研究表明，有氧糖酵解中的若干关键分子上调均具有促进EMs 发生发展的作用。首先，糖酵解关键酶LDHA 和PDK1 表达增加可以抑制人子宫内膜基质细胞系（human endometrial stromal cells，HESC）的凋亡，促进异位病灶生长[17，19]。核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）可诱导丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2，PKM2）表达，促进异位子宫内膜组织存活。相反，肉桂酸（cinnamic acid）可通过抑制PKM2 的转录，抑制EcESC（从EMs 患者的异位病灶中提取的原代子宫内膜基质细胞，具有有限的传代能力）的增殖、迁移和侵袭，从而抑制EMs 的发生发展[23]。除此之外，己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）和6-磷酸果糖-2 激酶/果糖-2,6-二磷酸酶（6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase，PFKFB）的上调同样能够促进HESC 增殖、迁移和侵袭[24]，PFKFB3 受热休克因子1（heat shock factor 1，HSF1）调控[25]；而PFKFB4 可被癌基因PIM2 磷酸化激活[26]。HK2 抑制剂2-脱氧葡萄糖（2-DG）和3-溴丙酮酸（3-BP）能够抑制小鼠EMs 异位病灶生长，提示HK2 抑制剂或许也可在EMs 的治疗中发挥重要作用。综上，葡萄糖代谢重编程中的若干关键酶协同作用，共同促进EMs 异位病灶的种植和生长，推动EMs 的疾病进展，糖酵解关键酶的抑制剂对EMs 的治疗作用前景广阔。值得思考的是，目前关于EMs 中减弱的氧化磷酸化的具体研究仍然匮乏，线粒体代谢中关键分子如何发挥作用还有待进一步研究。

2.3 葡萄糖代谢重编程促进巨噬细胞极化EMs异位病灶中免疫微环境的改变是促进异位病灶建立与发展的另一关键因素，其中巨噬细胞的改变具有重要意义。巨噬细胞根据其作用分为具有促炎活性的M1 型和发挥抗炎作用的M2 型。异位病灶中的M1 型巨噬细胞在EMs 发展过程中逐渐减少，而M2 型巨噬细胞的比例逐渐增多，并最终占据主导位置[27-28]。M2 型巨噬细胞具有抗炎、免疫抑制、促血管生成和神经纤维生长等作用，促进异位病灶的种植和生长[29]。有研究将人子宫内膜组织移植到免疫缺陷小鼠的模型中，发现异位病灶中巨噬细胞的表型随着时间的推移从M1 型转变为M2 型[30]。因此，巨噬细胞从M1 型向M2 型极化是EMs 发生发展中至关重要的病理生理过程。EMs 患者的EcESC 发生葡萄糖代谢重编程导致病灶中乳酸堆积，最近Gou 等[31]通过在巨噬细胞培养液中加入EcESC 培养上清液、乳酸和糖酵解抑制剂2-DG，发现EcESC 分泌的乳酸显著增加了M2 型巨噬细胞标记物的表达，提示EcESC 的葡萄糖代谢重编程能够驱动病灶中巨噬细胞向M2 型极化。

除了子宫内膜基质细胞的葡萄糖代谢重编程能够影响巨噬细胞极化外，巨噬细胞的极化也建立在自身葡萄糖代谢重编程的基础之上。巨噬细胞极化相关的葡萄糖代谢重编程研究大多集中于肿瘤学领域，EMs 中巨噬细胞自身葡萄糖代谢重编程的研究仍处于起步阶段。就对肿瘤的研究来看，在M1 型巨噬细胞中，细胞代谢从线粒体氧化磷酸化转变为有氧糖酵解，葡萄糖摄取和乳酸生成增加，放大了先天防御机制和免疫监测；而在M2 型巨噬细胞中，氧化磷酸化是主要的代谢途径，丙酮酸被运输到线粒体中并转化为乙酰辅酶A[3]。因此，目前仍需研究EMs病灶中的巨噬细胞发生极化时，其自身是否存在葡萄糖代谢重编程以及具体机制，这将有助于对EMs异位病灶中免疫抑制的理解。

3 EMs 相关不孕与葡萄糖代谢重编程

不孕是严重影响EMs 患者身心健康的并发症。EMs 通过影响卵细胞质量和子宫内膜容受性影响母体妊娠并导致不良结局[4]。有研究发现，与非EMs 患者相比，EMs 患者的颗粒细胞中有氧糖酵解增强，葡萄糖消耗和乳酸产生增加，糖酵解相关酶表达异常，提示EMs 患者的卵细胞质量受损可能与颗粒细胞的葡萄糖代谢重编程有关[32]。除此之外，Pocate-Cheriet 等[33]对50 例EMs 患者和29 例输卵管梗阻导致不孕症患者的卵泡液样本进行代谢组学分析发现，EMs 患者的卵泡液中葡萄糖浓度降低，丙酮酸和乳酸浓度升高，这表明EMs 患者的卵泡环境中也存在线粒体氧化磷酸化向有氧糖酵解的转变，卵泡液中的葡萄糖代谢重编程与卵母细胞生长发育的关系还有待进一步研究。

子宫内膜容受性是指子宫内膜允许胚胎黏附、侵入并诱导子宫内膜间质发生蜕膜化等变化，最终植入内膜的能力。良好的子宫内膜状态是成功妊娠的关键，而子宫内膜容受性不佳会影响胚胎着床和发育，EMs 患者的子宫内膜容受性受损是导致其不孕的重要原因之一[4]。在正常妊娠的早期，母体子宫通过有氧糖酵解产生大量乳酸，促进胚胎着床[34]；蜕膜化过程中HIF-1α 和PKM2 表达上调，促进了蜕膜化细胞的有氧糖酵解[35]，提示子宫内膜容受性的维持可能依赖于有氧糖酵解。然而目前缺乏EMs 患者子宫内膜容受性的改变与有氧糖酵解间关系的研究，研究有氧糖酵解在EMs 患者子宫内膜容受性的作用机制将为EMs 相关不孕提供更深的理解。

4 结语与展望

综上所述，EMs 病灶中存在与肿瘤相似的葡萄糖代谢重编程，表现为线粒体氧化磷酸化转变为有氧糖酵解，这一行为是异位内膜组织为种植和生长而做出的适应性改变。有氧糖酵解通过促进细胞的增殖、侵袭和迁移等促进EMs 的发生发展，并在巨噬细胞极化导致的免疫抑制方面发挥重要作用。在EMs 相关不孕中，母体卵细胞质量下降和子宫内膜容受性受损与葡萄糖代谢重编程相关。基于以上理论依据，研究葡萄糖代谢重编程将为EMs 疾病本身及其相关不孕提供新的干预靶点。事实上，随着对“代谢重编程”这一概念相关研究的不断深入，研究者们在肿瘤疾病中还发现了脂代谢重编程、氨基酸代谢重编程等其他代谢物的重编程，同时肿瘤细胞也并不是在所有阶段、所有状态下都处于有氧糖酵解占主导的状态，在不同癌症类型、发展阶段和外部干预下，肿瘤细胞会根据情况在有氧糖酵解和氧化磷酸化之间发生转换。遗憾的是在EMs 目前的研究中还仅限于对葡萄糖代谢重编程经典途径的研究，未来仍需研究EMs 病灶中更多代谢物的代谢重编程，为深入了解EMs 的发病机制和诊疗提供策略。当然，随着高通量测序、代谢组学、单细胞基因组学等新的科研技术的应用，关于EMs 代谢重编程的研究也将更趋向于精准化、多元化。相信在不久的将来，新的研究成果将造福更多的EMs 患者。