能量代谢转换在多发性骨髓瘤发生发展中的作用

莫楠 李艳纯 岳娟清 杨慧 童乐 王莹*

多发性骨髓瘤是一种恶性浆细胞的克隆性增殖性疾病，是第二常见的血液系统恶性肿瘤，其特征是单克隆浆细胞在骨髓内积聚。多发性骨髓瘤会导致转化的浆细胞分泌无功能的单克隆免疫球蛋白（Ig）。这种异常的Ig 会导致与多发性骨髓瘤相关的并发症，如肾功能障碍、神经病变和高粘血症。另外，骨髓中的骨髓瘤细胞生长以及转化细胞和骨髓微环境中的其他细胞产生的细胞因子会导致活动性多发性骨髓瘤的典型临床症状：溶骨性骨病变、高钙血症、贫血、肾功能损害［1-2］。虽然目前有可行的治疗方法，如蛋白酶体抑制剂、免疫调节药物、靶向肿瘤细胞的单克隆抗体、自体干细胞移植，但由于不可避免的复发和化疗耐药性的存在，多发性骨髓瘤仍被认为是无法治愈的［3］。研究发现，改变的葡萄糖和谷氨酰胺代谢是多发性骨髓瘤中研究最充分的途径。本文探讨多发性骨髓瘤的能量代谢模式的改变，及其在多发性骨髓瘤发展中的作用，为多发性骨髓瘤的个性化治疗提供思路。

1 肿瘤的能量代谢转换类型

能量代谢是指有机体在物质代谢过程中能量的产生、释放、转换及利用的过程。肿瘤细胞的能量代谢转换包括有氧糖酵解、谷氨酰胺分解、三羧酸循环（TCA 循环）等。正常细胞主要以葡萄糖的有氧氧化作为供能方式，而肿瘤细胞的能量代谢特点则明显有别于正常细胞，即使在氧气充足的情况下，肿瘤细胞仍以糖酵解作为主要的产能方式，即Warburg效应。此外，虽然肿瘤细胞偏好于利用糖酵解作为主要的产能方式，但线粒体氧化磷酸化仍为一种高效的产能方式，为肿瘤细胞的生长提供能量供应。

1.1 糖酵解 （1）概述：肿瘤特异性代谢改变是由德国生物化学家Otto Warburg 及其同事于1920 年首次发现。对于普通细胞而言，当氧气充足时葡萄糖经彻底氧化产生32 分子三磷酸腺苷（ATP），当氧气供应不足时仅通过糖酵解产生2 分子ATP，因此，普通细胞只有在缺氧情况下才使用糖酵解这种低效率的产能途径，而大多数肿瘤细胞即使在氧气存在的情况下也倾向于主要通过糖酵解产生能量，而不是线粒体氧化磷酸化（OXPHOS），这是一种重新编程的代谢，因此，“Warburg效应”也被称为“有氧糖酵解”。（2）ATP 供应：与线粒体氧化磷酸化相比，“Warburg 效应”在ATP 的生产效率较低。目前研究表明，大多数肿瘤细胞的线粒体功能未受损。那为什么肿瘤细胞仍选择低效的糖酵解来进行能量生产［4-8］？事实上，不仅是糖酵解，TCA 循环、脂肪酸β-氧化和合成代谢都被重新编程以适应肿瘤细胞的新功能。为了增殖肿瘤细胞，复制所有细胞成分，其对核苷酸、脂质和氨基酸有大量需求，如果主要通过OXPHOS 产生ATP，生物大分子合成的碳源将受到严重限制。另一方面，如果利用有氧糖酵解为主要的能量来源，源自“Warburg 效应”的过量乳酸也可用于ATP 生产和生物大分子合成，以此来提高能量效率，满足肿瘤细胞增殖的能量需求。这是肿瘤细胞以有氧糖酵解为主要能量代谢的原因［9-10］。（3）调节糖酵解的相关蛋白：肿瘤细胞具有独特的能量代谢现象，其特点是肿瘤细胞内参与氧化代谢的相关蛋白下调，葡萄糖转运蛋白和单羧酸转运蛋白上调。哺乳动物正常细胞（红细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞、肝细胞）中糖酵解通量的主要控制步骤是葡萄糖转运蛋白（GLUT）、己糖激酶（HK）和磷酸果糖激酶1（PFK-1）。在快速生长的肿瘤细胞中，这三种蛋白质数倍过表达且活性增强，对肿瘤细胞糖酵解调控起主要作用，其余的糖酵解酶也在肿瘤细胞中过度表达，但程度较低。

1.2 线粒体氧化磷酸化 （1）概述：线粒体是真核生物进行氧化代谢的部位，是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。线粒体负责的最终氧化的共同途径是TCA 循环与OXPHOS。OXPHOS 代谢在较多肿瘤中功能良好，甚至以5'-三磷酸腺苷（ATP）的形式提供比糖酵解更多的生物能量。OXPHOS 的多种代谢程序在基因转录水平由关键转录共激活因子控制，这些共激活因子通过增加多个代谢基因的表达来整合和输出上游致癌信号，提供了关闭致癌代谢过程的机会。且这些共激活因子与各种转录因子（TF）相互作用并增强转录活性。另外，能量稳态、线粒体生物发生和OXPHOS 的转录程序由多个TF 介导，其激活统一需要转录辅激活因子的参与，即过氧化物酶体增殖物激活受体γ 辅激活因子-1α（PGC-1α）。因此，PGC-1α 被认为是OXPHOS 的核心调节因子，且在包括癌症在内的各种疾病中失调［11］。（2）乳酸：乳酸仅被认为是有氧糖酵解产生的“代谢废物”，然而，现在有明确证据证明，乳酸可以纳入TCA 循环并成为能量来源。葡萄糖是大多数实体瘤中产生乳酸的主要来源，谷氨酰胺也是肿瘤细胞中少量乳酸的来源之一。综上，乳酸被视为癌症代谢重编程中的重要致癌代谢物，由于乳酸的大量存在，肿瘤微环境中的细胞外pH 值酸化，这种酸中毒有利于转移、血管生成以及免疫抑制等过程，并且与较差的临床预后有关。因此，乳酸在促进肿瘤细胞增殖和致癌信号转导、转移和肿瘤耐药性方面起着关键作用［12-13］。（3）谷氨酰胺：谷氨酰胺是血液循环中最丰富的氨基酸，其对大多数细胞的增殖和一些对谷氨酰胺成瘾的癌细胞的生存至关重要。谷氨酰胺代谢可以支持ATP 的产生和蛋白质、脂质和核酸的生物合成，促进癌细胞持续生长和增殖，还可以调节氧化还原稳态并影响信号转导通路的活性。其是癌症治疗中成功靶向的代谢途径之一，较多血液学和实体肿瘤对谷氨酰胺的依赖性与线粒体谷氨酰胺酶（GLS）活性有关，谷氨酰胺酶使谷氨酰胺能够进入TCA 循环，产生ATP 和NADPH，并调节谷胱甘肽稳态和活性氧（ROS），一些癌症可以重新编程其代谢以避免这种代谢陷阱，如硼替佐米耐药的骨髓瘤细胞系显示出主要由谷氨酰胺增强的线粒体功能增强。因此，谷氨酰胺代谢的改变可能与治疗效果和耐药性有关［14-15］。（4）脂肪和氨基酸合成：脂肪酸由长链烃和位于烃末端的羧酸基团组成，其功能是稳定细胞膜，也是长期能量储备的重要组成部分。脂肪酸/脂质代谢是对能量产生很重要的第三条代谢途径，合成以乙酰-CoA 和丙二酰-ACP 之间的反应开始，产生乙酰-ACP 和CO2，最终结束于甘油磷脂、甘油三酯、磷脂和磷脂酰胆碱的合成。脂肪酸的代谢主要取决于能量库，每当需要增加能量时，就会产生ATP 分子以加速脂肪酸降解。氨基酸参与蛋白质和激素的合成，在能量饥饿的情况下，脂肪酸先被耗尽，然后蛋白质被降解以平衡能量缺口。增加的脂肪酸和氨基酸合成可能是由于谷氨酰胺分解增加并促进癌细胞存活。此外，源自骨髓脂肪细胞的脂肪酸可以维持骨髓瘤细胞的存活和繁殖［16］。

2 多发性骨髓瘤发生发展的能量代谢模式改变

2.1 调节多发性骨髓瘤能量代谢的关键蛋白 （1）葡萄糖转运蛋白（GLUT）：与癌细胞相似，骨髓瘤细胞依赖于将葡萄糖转化为乳酸的有氧糖酵解，且容易受到糖酵解抑制剂的影响，如GLUT 抑制剂［17］。研究表明，多发性骨髓瘤细胞中mRNA 和蛋白质的GLUT 水平高于正常健康组织，主要的过表达亚型是GLUT1，GLUT1 亚型的上调提高葡萄糖摄取，因此GLUT1 抑制可能会诱导骨髓瘤细胞死亡［16］。CD28 是典型的T 细胞共刺激分子，在骨髓瘤疾病进展期间增加，与不良预后相关，并在体外和体内为骨髓瘤细胞提供促生存信号，在骨髓瘤细胞系中，CD28 能够增加葡萄糖转运蛋白GLUT1 的表达。另外，CD28 的激活诱导多发性骨髓瘤中的线粒体生物合成，且增加基础耗氧量和最大呼吸能力，其中研究发现用FDA批准的类风湿性关节炎药物阿巴西普阻断CD28 介导的代谢适应性可能会增强硼替佐米和其他利用多发性骨髓瘤在疾病进展过程中的代谢需求的治疗策略的疗效。且GLUT1 的上调也依赖于磷酸肌醇3-激酶（PI3k）。PI3K/AKT 信号通路的激活，可以上调GLUT）的表达并增强己糖激酶（HK）对葡萄糖进入细胞质的捕获，以及激活磷酸果糖激酶（PFK），在一定程度上导致多发性骨髓瘤细胞对高水平葡萄糖的依赖，进而促进有氧糖酵解［18-19］。多发性骨髓瘤细胞表现出依赖组成型细胞表面定位的GLUT4 来消耗基础葡萄糖。研究发现了一种对GLUT4 具有脱靶抑制作用的HIV 蛋白酶抑制剂利托那韦。用生理上可达到的浓度利托那韦处理多发性骨髓瘤细胞会阻断葡萄糖进入，从而导致多发性骨髓瘤细胞死亡或生长抑制，这也为多发性骨髓瘤的治疗提供了可能的发展方向［9］。（2）AMP 活化蛋白激酶（AMPK）：AMPK 是能量状态的重要传感器，其充当代谢检查点，调节细胞对能量可用性的反应，通常在细胞能量水平较低时被激活。一些致癌基因能够抑制AMPK 信号，使多发性骨髓瘤细胞即使在高能应激条件下也能分裂。研究发现，AMPK 的缺失导致哺乳动物雷帕霉素靶标（mTOR）的激活，随后激活HIF-1。因此，AMPK 的失活有助于转变为有氧糖酵解，促进多发性骨髓瘤细胞的生长、繁殖［20］。（3）HK：哺乳动物细胞具有4 种HK 同工酶，定义为HK-I-V［4］。糖酵解的第一个酶促步骤，即葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖，由己糖激酶（HK）家族的成员催化。由于HK2 在大多数正常组织中不表达，因此靶向HK2 已成为癌症治疗方法的热门目标。研究表明来自几乎所有组织的癌症都有HK1-HK2+肿瘤的子集。把线粒体复合物I 抑制剂二苯碘鎓（DPI）、临床药物perhexiline（PER）作为抑制HK1-HK2+肿瘤进展的协同伙伴，发现通过HK2shRNA/DPI/PER 组合可以有效阻断HK1 HK2+肿瘤进展。再使用HK2 反义寡核苷酸（ASO）HK2-ASO1 来抑制人类HK2 的表达，用FDA 批准的线粒体复合物I 抑制剂二甲双胍（MET）替代DPI。综上，HK2-ASO/MET/PER 组合可能是治疗HK1 HK2+多发性骨髓瘤的一种有前途的转化精准医学疗法［21］。

2.2 通过调节因子改变多发性骨髓瘤的能量代谢方向 （1）FOXM1：FOXM1 是骨髓瘤代谢的正向调节因子，主要影响糖酵解和细胞呼吸，通过上调糖酵解和生物能量供应来调控骨髓瘤的代谢。化合物FOXM1 抑制剂NB73 通过促进FOXM1降解来抑制骨髓瘤，HSP90 抑制剂GDA 与NB73 协同下调FOXM1 并抑制骨髓瘤，联合FOXM1 和HSP90 抑制可能是多发性骨髓瘤的新的治疗途径［22］。（2）PGC-1α：SR18292 是一种新开发的小分子化合物，已被证明可选择性诱导PGC-1α 乙酰化，从而抑制2 型糖尿病小鼠的PGC-1α 依赖性糖异生基因表达。研究结果表明，PGC-1α 抑制剂SR18292 表现出与OXPHOS 抑制相关的抗骨髓瘤功效，且在体内未表现出明显的毒性。此外，SR18292 在多发性骨髓瘤模型小鼠中以耐受良好的剂量有效抑制肿瘤生长，这为SR18292 在临床的应用奠定良好的基础［21］。（3）HIF-1α：研究发现能量代谢在有氧和厌氧条件下最重要的传感器是缺氧诱导因子（HIF），其是缺氧条件下负责基因表达变化的主要转录因子，骨髓瘤细胞缺氧微环境中厌氧呼吸的增加也被认为与HIF1-a 转录因子有关，并导致乳酸产量增加。通常，在含氧量正常的条件下，HIF-1α 会经历永久性的氧依赖性羟基化，然后被von HippelLindau 肿瘤抑制因子（VHL）识别和泛素化，并最终被降解。然而，HIF-1α 也可以在含氧量正常的情况下被激活，在激活后，HIF-1α 会刺激编码葡萄糖转运蛋白和许多糖酵解酶的基因转录，并激活丙酮酸脱氢酶激酶（PDK），从而减少葡萄糖衍生的丙酮酸流入TCA 循环。在多发性骨髓瘤中，HIF1-a 活性增加糖酵解代谢物，抑制TCA 中间体的产生，并激活IL-6，从而促进肿瘤生长和存活。综上，针对HIF-1α 的靶向药物治疗也可能是多发性骨髓瘤有希望的治疗途径［20］。

3 展望

多发性骨髓瘤是一种异质性疾病，虽然有多种治疗选择可以延长患者的生存期，但由于其耐药性，多发性骨髓瘤仍然被认为是不可治疗的疾病。在过去的几十年中，研究者发现了与正常细胞相比，肿瘤细胞的能量代谢变化，这也同样适用于多发性骨髓瘤细胞，在过去十年中，在多发性骨髓瘤中发现了几种促进疾病进展的代谢改变。这为之后靶向骨髓瘤中的代谢途径阻断骨髓瘤细胞的增殖和进展提供有前途的方法，如葡萄糖是最重要的能量化合物，对所有正常功能都是必不可少的。因此，针对上述葡萄糖代谢的各个方面可能会产生新的治疗选择。同样，针对脂质、乳酸、谷氨酰胺代谢的各个方面也可能存在新的治疗方法。另外，抗骨髓瘤治疗与靶向相关代谢途径的药物相结合的联合疗法可能是未来治愈该疾病的潜在策略，但需要进一步研究以适应影响细胞代谢的复杂相互作用。针对GLUT 等上调的转运蛋白有望成为多发性骨髓瘤治疗的药物靶点，这些转运蛋白不但是肿瘤细胞进行能量代谢的必要条件，还对肿瘤微环境起着重要的调控作用，对其进行靶向干预可为多发性骨髓瘤的临床治疗提供新的思路与契机。