微環(huán)境調(diào)控腫瘤代謝的研究

1、微環(huán)境調(diào)控腫瘤代謝的研究尹淼 李金濤 王義平 雷群英 復(fù)旦大學(xué)腫瘤醫(yī)院腫瘤研究所和生物醫(yī)學(xué)研究院腫 瘤代謝實驗室摘要：20世紀20年代，奧托瓦博格首次發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞在正常氧的情況下優(yōu)先利用糖 酵解的現(xiàn)象近一個世紀以來，細胞代謝在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用引起了廣泛的 關(guān)注其基本機制是腫瘤細胞在營養(yǎng)廣乏的環(huán)境中通過劫持、重塑不同的細胞代 謝途徑，包括合成和分解途徑，從而為其牛存和增殖提供牛物大分子原料;而這 些代謝途徑改變和代謝物的變化通過轉(zhuǎn)錄、表觀、翻譯和翻譯后修飾等不同機制 來調(diào)控細胞的生命活動，從而在腫瘤發(fā)生發(fā)展屮起著至關(guān)重要的作用因此，代 謝異常是腫瘤的十大特征之一近年來，隨著對癌基因和抑癌基因

2、的突變以及齊 類生長因子和下游信號通路的深入研究，特別是近十年對腫瘤細胞所處的微環(huán) 境在腫瘤發(fā)牛發(fā)展中的關(guān)鍵作用不斷闡明，人們逐步認識到腫瘤細胞和其所處 微環(huán)境的相互作用對腫瘤代謝的重塑產(chǎn)生重要的影響，因此揭示微環(huán)境對腫瘤 細胞代謝的調(diào)控機制，將為腫瘤的診斷和治療提供新的靶點和合理化治療方案， 從而提高腫瘤病人的生存率及其生活質(zhì)量.關(guān)鍵詞：腫瘤代謝;糖酵解;癌基因抑癌基因;腫瘤微環(huán)境; 作者簡介：尹淼，e-mail : miaoyinfudan. edu. on 作者簡介：雷群英，e-mail:qlcifudan. edu. cn 收稿日期：2017-06-30基金：國家重大科學(xué)研究計劃(20

3、15cb910400)regulatory role of cancermicroenvironment in cancermetabolismyin miao li jintao wang yi-ping lei qunyingcancer institute, fudan university cancerhospital and cancer metabolism laboratory,institutes of biomedical sciences, fudanuniversity;abstract：cell metabolism has been widely studied in

4、 cancer development since otto warburg's description of overwhelmed glycolysis in cancer cells in the 1920s. accumulated evidenee demonstrates that cancer cel 1s upon hypoxia and nutrient strcss could hijack and reprogram variously metabolic pathways, including anabolism and catabolism, to produ

5、ce essential precursors for biomass synthesis to sustain cell survival and proliferation. in addition, metabolic alterations control cellular events at mul tiple levels such as transcription, epi genetics, translation and posttremslational modification，eventually play an essential role during cancer

6、 initiation and progression. therefore, dysregulation of cancer metabolism has been generally recognized as one of the ten hallmarks of cancer. during last three decades, especially in the recent decade, studies on oncogenes, tumor suppressors, growth factor-associated signeiling pathways, and cance

7、r microcnvironmcnt，which sequentially take center stage of cancer biology research, reveal that the cancer metabolism is regulated by reciprocal interaction between cancer cells and surrounding microenvironment. elucidating the function and mechanism of cancer microenvironment-mediated metabolism re

8、programming wi11 provide potcritial biomarkers and thcrapcutic targcts and fundamentally improve diagnosis and prognosis of cancer patients.keyword：cancer metabolism; glycolysis; oncogene; tumor suppressor gene; cancer microenvironment;received： 2017-06-30在生命漫長進化過程中，細胞不斷演化發(fā)展出復(fù)雜的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以適應(yīng) 各種生理狀態(tài)腫瘤細

9、胞通過細胞代謝的系統(tǒng)重編程提供其界常增殖的原料這 些代謝的變化涉及到細胞分裂所需能量的產(chǎn)牛，細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的調(diào)控， 以及營養(yǎng)物質(zhì)攝取后的分解與合成，進而改變細胞內(nèi)外代謝物的流量，并重新 分配到相應(yīng)的代謝途徑中，從而滿足維持細胞惡性轉(zhuǎn)化表型的需求近年來，對 腫瘤生物學(xué)的深入研究也極大地拓展了我們對腫瘤的認識，腫瘤的發(fā)生發(fā)展受 到癌基因、抑癌基因的突變以及各類生長因子和下游信號通路的調(diào)控此外，腫 瘤并非由均一化的腫瘤細胞組成恰恰相反，腫瘤是一種由不同細胞類型和細胞 外基質(zhì)分子以及非均一化的腫瘤細胞共同構(gòu)成的復(fù)雜組織本文將對腫瘤微環(huán)境 和細胞內(nèi)外信號對腫瘤代謝的調(diào)控新進展進行綜述.1腫瘤的代謝重

10、塑腫瘤細胞生存于一種壓力應(yīng)激環(huán)境，各種重要營養(yǎng)物質(zhì)如葡萄糖、谷氨酰胺、氧 等處于動態(tài)變化因此其主要生物大分子包括多糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸合成以 及能量和nadph的產(chǎn)牛都會發(fā)牛改變以適應(yīng)其牛存和增殖的需要（圖1）1. 1糖酵解與“warburg效應(yīng)”奧托瓦博格等m最早在試驗中觀察到，在體外培養(yǎng)環(huán)境中存在充分的葡萄糖 和氧含量時，腫瘤組織可以大量攝取葡萄糖.但有趣的是，腫瘤細胞通過糖酵解 產(chǎn)生的丙酮酸并沒有和線粒體內(nèi)的三竣酸循環(huán)（tca cycle）耦聯(lián)，而是轉(zhuǎn)化成 乳酸早期研究認為造成這種腫瘤代謝轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的原因是線粒體呼吸功能損傷 及1 但后續(xù)的研究顯示由線粒體功能障礙引發(fā)的腫瘤并不常見，而且

11、線粒體的 氧化磷酸化功能對細胞的惡性轉(zhuǎn)化是不可或缺的31 也有研究認為在腫瘤發(fā) 生早期血供不足造成缺氧，進而導(dǎo)致腫瘤細胞通過糖酵解快速產(chǎn)生atp并生成 乳酸促進腫瘤發(fā)展回最近十余年的研究提示腫瘤細胞需要合成大量生物大分 子如核酸、蛋白質(zhì)、脂類等滿足其生長和增殖的需求葡萄糖通過糖酵解轉(zhuǎn)化成 乳酸的過程中，不同分支途徑可以產(chǎn)牛豐富的前體物滿足腫瘤細胞合成牛物大 分子的需求7-8如6-磷酸葡萄糖可以通過磷酸戊糖途徑生成5-磷酸核酮糖和 nadpi1分別維持核糖核酸和脂類的合成，進一步研究發(fā)現(xiàn)磷酸戊糖途徑在腫瘤 發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用9-10糖酵解途徑產(chǎn)生的6-磷酸果糖通過接受谷氨 酰胺的氨基生成6-

12、磷酸葡糖胺，進而經(jīng)己糖胺生物途徑合成乙酰己糖胺參耳細 胞內(nèi)廣泛的糖基化反應(yīng)，如糖蛋白修飾和細胞外基質(zhì)分子合成值得注意的是， 腫瘤細胞中0-（連接）-n-乙酰葡糖胺（o-glc nac）糖基化修飾增強，提示糖 基化修飾是腫瘤細胞感知細胞內(nèi)營養(yǎng)狀態(tài)、調(diào)控關(guān)鍵信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并重塑代謝的重要 方式11 此外,腫瘤細胞中1, 6二磷酸果糖裂解產(chǎn)生的磷酸二疑丙酮發(fā)生?；?化后轉(zhuǎn)化為三磷酸廿油，為細胞膜結(jié)構(gòu)的合成提供磷脂原料12-13.而糖酵解 途徑中的磷酸二梵丙酮繼續(xù)催化牛成的3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸脫氫酶作用 下進入絲氨酸合成途徑近年來，研究發(fā)現(xiàn)磷酸甘油酸脫氫酶促進腫瘤細胞增殖 并且在多種腫瘤屮發(fā)生基因擴1

13、4-15,特別是磷酸甘油酸脫氫酶介導(dǎo)的絲氨 酸代謝進一步通過參與一碳代謝在腫瘤發(fā)展中發(fā)揮重要作用（后文詳述）乳酸t(yī)t|mcts葡萄糖_ g 葡萄糖t ：pi3pa己糖胺途徑.-«» a 乙糖酵解途徑t三磷酸甘油酸j活性氧類物質(zhì)、 乙酰輔酶a# 1四氫葉酸、脂乳酸丙酮酸檸檬酸i乙酬三竣酸循環(huán)、or酮戊二酸檸檬酸絲氨酸'7tt7 m 旨 itt1 生 11fig. 1 metabolic reprogramming of cancer cells 圖 1 腫瘤細胞代謝通路的重 塑下載原圖 腫瘤細胞內(nèi)信號通路的異常改變調(diào)控葡萄糖、氨基酸、一碳單位、脂類相關(guān)代謝 通路，維持

14、腫瘤細胞生存和増殖，如提供生物大分子合成所需的前體物 等.gluts:葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白;mcts:單竣酸轉(zhuǎn)運蛋白;slcs:谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白.腫瘤發(fā)生過程中癌基因和抑癌基因的突變導(dǎo)致各類生長因子調(diào)控的細胞信號通 路異?；罨@些活化的信號通路不僅提供促進腫瘤細胞牛存和增殖的信號， 而口廣泛調(diào)控細胞代謝網(wǎng)絡(luò)，促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展.磷脂酰肌醇3-激酶(pi3ks) 信號通路是調(diào)控糖酵解的主要信號通路在多種腫瘤屮抑癌基因pten發(fā)生突變 失活，導(dǎo)致pi3k信號通路活化，進而激活下游蛋口激酶akt分子磷酸化糖酵解 途徑的多種關(guān)鍵酶，活化的p13k-akt信號通路述可以促進細胞膜表面葡萄糖轉(zhuǎn) 運蛋白的表達，

15、共同促進糖酵解世1雷帕霉素靶蛋白(m tor)是一種絲/蘇氨 酸蛋白激酶，與不同分子組成兩類復(fù)合體m torc1和mt0rc2,受到不同信號通 路的調(diào)節(jié).m torc1可促進細胞內(nèi)蛋h質(zhì)、脂類和核背酸的合成，并口能夠促進 磷酸戊糖途徑和轉(zhuǎn)錄因子ilifla的翻譯，進而上調(diào)多個糖酵解關(guān)鍵酶的表達， 是協(xié)調(diào)細胞內(nèi)信號通路和代謝的關(guān)鍵分子.p13-akt信號通路能夠抑制m tor的 抑制分子結(jié)節(jié)性硬化分子2 (tsc2)激活m torc1,促進糖酵解曲.其他的生長 因子信號通路，如ras和src生長信號可促進膜葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)錄18.1. 2氨基酸代謝氨基酸是生物合成過程的碳源和氮源，廣泛參與蛋白

16、質(zhì)、核酸、脂類等大分子合 成，以及谷胱甘肽、葡萄糖胺、多胺等分子的生成為滿足腫瘤細胞的生存和增 殖，多種氨基酸的代謝也處于失調(diào)狀態(tài)，并在腫瘤發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用.谷氨酰胺是除葡萄糖外另一種被腫瘤細胞大量攝取的營養(yǎng)物質(zhì)進行體外細胞培 養(yǎng)吋，谷氨酰胺的濃度是其他氨基酸濃度的10倍以上.因此，細胞的存活和快 速增殖存在“谷氨酰胺依賴”，以滿足其生物合成和能量需求攝入細胞內(nèi)的谷 氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸后被催化生成a -酮戊二酸(a-kg)進入三竣酸循環(huán)提供 碳源，不僅可用于產(chǎn)生atp以滿足能量需求，還可轉(zhuǎn)變?yōu)闄幟仕岵⑥D(zhuǎn)運至細胞 質(zhì)中牛成乙酰輔酶a,為脂肪酸和膽固醇合成提供前體物質(zhì)曲抑制谷氨酰胺 代謝可降

17、低線粒體呼吸和還原力生成，進而增強胰腺癌等腫瘤細胞對氧化應(yīng)激 的皺感性并抑制細胞增殖型1谷氨酰胺還可在細胞內(nèi)多種轉(zhuǎn)氨酶作用下提供氨 基，參與非必需氨基酸包括丙氨酸、天冬氨酸、絲氨酸等的合成此外，谷氨酰 胺可為卩票吟和卩密噪等核營的合成提供氮源曲.研究還顯示谷氨酰胺具有其他重 要牛物學(xué)功能，如調(diào)控細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)、細胞自噬、糖胺合成、表觀遺傳等 21.值得注意的是,研究發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)谷氨酰胺、亮氨酸和精氨酸等氨基酸的濃 度可以被特定感受器m t0rc1感知，進而產(chǎn)生更廣泛的調(diào)控作用17myc信號 通路可通過調(diào)節(jié)細胞膜谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白和線粒體內(nèi)谷氨酰胺代謝酶，包括多 種核昔酸合成酶的表達進而調(diào)控谷氨

18、酰胺的代謝22-23近年來其他氨基酸代謝在不同腫瘤中的作用也被不斷闡明如必需氨基酸中的支 鏈氨基酸(亮氨酸、纟頡氨酸和異亮氨酸)和相關(guān)代謝酶支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶可促進 神經(jīng)膠質(zhì)瘤、帥癌、胰腺癌和慢性粒細胞白血病的發(fā)生發(fā)展吐遲11. 3 一碳代謝 絲氨酸由于在細胞內(nèi)參與一碳循環(huán)(又稱葉酸循環(huán))，因此在腫瘤代謝中處于 非常重要的地位細胞可以通過膜轉(zhuǎn)運蛋白攝入絲氨酸，也可利用前述糖酵解的 中間產(chǎn)物3-磷酸甘油酸和谷氨酸在細胞內(nèi)從頭合成絲氨酸作為主要的一碳單 位供體，由絲氨酸疑甲基轉(zhuǎn)移酶催化生成亞甲基四氫葉酸和甘氨酸參與葉酸在 線粒體和胞質(zhì)屮循環(huán)28此外，甘氨酸也可通過酶催化提供一碳單位生成亞甲 基四氫葉

19、酸亞甲基四氫葉酸在線粒體屮經(jīng)歷一系列氧化反應(yīng)生成甲叉亞甲基四 氫葉酸、甲酸四氫葉酸等甲酸四氫葉酸可參與線粒體內(nèi)t rna的甲酰化，更多 的則轉(zhuǎn)化為甲酸轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)中，重新催化還原生成攜帶一碳的四氫葉酸類物 質(zhì)，參與瞟吟和u密噪的合成29-30胞質(zhì)中的一碳四氫葉酸類物質(zhì)還能夠?qū)⒓?基轉(zhuǎn)移到同型半胱氨酸，通過甲硫氨酸循環(huán)生成s-腺井酰甲硫氨酸，從而廣泛 參與細胞內(nèi)甲基化反應(yīng)，如組蛋口甲基化和dna甲基化因此，細胞內(nèi)的物質(zhì)代 謝對表觀遺傳調(diào)控發(fā)揮重要作用聞特別值得注意的是，攜帶一碳的四氫葉酸 類物質(zhì)在線粒體氧化過程中產(chǎn)生大量的nadph維持細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)國近 年來的研究結(jié)果顯示在腫瘤中絲氨酸和一

20、碳代謝發(fā)牛顯著變化在腫瘤病人中絲 氨酸代謝途徑和一碳代謝中的一些關(guān)鍵酶編碼基因(如磷酸甘油酸脫氫酶和亞 甲基四氫葉酸脫氫酶2)發(fā)生擴增，并且和病人生存期降低顯著相關(guān)14-15, 33此外，我們的研究也發(fā)現(xiàn)與一碳代謝相藕聯(lián)的甲硫氨酸循環(huán)的關(guān)鍵 酶，甲硫氨酸腺苜轉(zhuǎn)移酶ii a (mat ii a )受到乙?；揎椇蟀l(fā)生降解，而在 肝癌組織中其乙?；较陆刀胰~酸可以抑制mat ii a乙酰化促進肝癌細胞 增殖29.進一步研究發(fā)現(xiàn)myc和kras信號通路可分別調(diào)控絲氨酸和一碳代謝通 路關(guān)鍵酶的表達，影響腫瘤細胞中的一碳代謝341. 4脂代謝正常生理條件下脂類合成代謝主要在肝臟、脂肪和哺乳期的乳腺組

21、織中進行，為 機體組織細胞提供能量和參與細胞膜結(jié)構(gòu)合成，維持細胞完整性和介導(dǎo)信號轉(zhuǎn) 導(dǎo)35腫瘤中脂肪酸和膽固醇合成途徑處于活化狀態(tài)包括乙酰-co a竣化酶 (acc)、脂肪酸合成酶(fasn)、atp檸檬酸裂解酶(acly)等代謝酶在多種腫 瘤中表達升高妙空1拉曼光譜測定顯示腫瘤細胞中的脂肪酸和膽固醇組成的 脂滴含量顯著高于正常細胞國深入研究顯示蛋白質(zhì)分子的乙?；揎椏梢种?acly通過泛素化系統(tǒng)降解，促進腫瘤牛長函1有趣的是，在缺氧等應(yīng)激情況 下，葡萄糖來源的乙酰輔酶a減少，腫瘤細胞可以利用乙酸作為替代碳源生成 乙酰輔酶a,進而促進脂類合成40-41最新研究發(fā)現(xiàn),高轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞屮 涉及脂質(zhì)

22、的攝取和轉(zhuǎn)運，脂質(zhì)的合成和細胞內(nèi)分布，以及脂肪酸的氧化等相關(guān) 的基因高表達，特別是細胞膜上脂肪酸受體cd36表達升高，而且抑制cd36分子 的功能可以顯著抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移回1.轉(zhuǎn)錄因子固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白家族 (srebps)負責調(diào)控的靶基因編碼包括膽固醇代謝通路的分子，如低密度脂蛋白 受體分子43pi3k-akt信號通路也可以通過活化m t0rc1促進srebp的靶基因 轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控腫瘤細胞內(nèi)脂代謝351. 5細胞能量感受與代謝細胞內(nèi)存在能量感受分子感知細胞在不同營養(yǎng)環(huán)境中的能量需求研究發(fā)現(xiàn)腺昔 酸活化蛋白激酶(ampk)可以與腺嚓吟核昔酸相互作用，對細胞內(nèi)能量感受和 調(diào)控起關(guān)鍵作用當細胞處

23、于缺乏能量狀態(tài)，即amp/adp濃度相對與atp濃度升 高時，amp可以與抑癌基因lkb1協(xié)同作用磷酸化激活ampk,活化的ampk促進分 解代謝產(chǎn)生atp,如增強細胞葡萄糖攝入、糖酵解、脂肪酸氧化及自噬等，并相 應(yīng)地抑制消耗atp的牛理過程，如細胞運動以及細胞牛長、增殖所需的物質(zhì)合成 代謝因lit, ampk是平衡細胞內(nèi)合成代謝和分解代謝的檢查點44-45在腫瘤中 常見有ampk途徑的改變，其活化和抑制更多地依賴所在腫瘤細胞屮激活的上游 信號通路如在很多腫瘤中發(fā)現(xiàn)lkb1突變與ampk途徑受到抑制46m tor是細 胞內(nèi)的另一個重要的能量感受系統(tǒng)如前所述，m torc1受到pi3k-akt信

24、號通路 調(diào)節(jié)感受細胞內(nèi)多種氨基酸濃度的改變，進而調(diào)節(jié)自噬等生物學(xué)過程研究還顯 示ampk也可以通過磷酸化raptor抑制m torc1的活性47.此外，依賴于nad 的去乙酰化酶sirtuin是細胞感受氧化還原狀態(tài)，調(diào)控蒂代謝重要蛋白 48-492腫瘤微環(huán)境長期以來，對腫瘤的研究集中于腫瘤細胞自身除腫瘤細胞外，腫瘤組織中還存 在有大量的基質(zhì)細胞、細胞外基質(zhì)分子(ecms)、各種細胞因子和生長因子等信 號分子，以及細胞生長所需營養(yǎng)物和分泌到細胞外的各類代謝產(chǎn)物等這些腫瘤 細胞外的細胞和分子共同構(gòu)成了維持腫瘤生長的微環(huán)境，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過 程中起著重要的作用(圖2).w-一適fig.2 meta

25、bolie reprogramming of cancer microenvironment and reciprocal interactions between cancer cells and stromal cells 圖 2 腫瘤微環(huán)境中腫 瘤細胞和基質(zhì)細胞的代謝變化和相互作用下載原圖腫瘤微環(huán)境屮，基質(zhì)細胞（成纖維細胞、脂肪細胞、內(nèi)皮細胞和免疫炎癥細胞等） 和腫瘤細胞相互作用，釋放代謝物等調(diào)控因子至微環(huán)境影響腫瘤細胞的代謝， 促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展.2.1腫瘤微環(huán)境的基質(zhì)細胞在實體腫瘤組織中，存在于腫瘤細胞周圍基質(zhì)中的細胞類型依據(jù)其組織來源可 分為免疫細胞和間充質(zhì)細胞免疫細胞包括巨噬細胞

26、、中性粒細胞、白然殺傷（nk） 細胞以及t淋巴細胞間充質(zhì)細胞則由成纖維細胞、脂肪細胞、血管內(nèi)皮細胞和 周細胞組成畫這些基質(zhì)細胞和腫瘤細胞通過旁分泌或細胞-細胞間的直接作 用，改變各類細胞的代謝，抑制免疫細胞的免疫識別監(jiān)視功能和抗腫瘤作用， 促進腫瘤組織內(nèi)的慢性炎癥樣反應(yīng)，影響腫瘤內(nèi)血管形成進一步，這些基質(zhì)細 胞特別是成纖維細胞的改變還能重構(gòu)腫瘤三維基質(zhì)環(huán)境.以上這些腫瘤微環(huán)境的 變化都可能促進腫瘤的發(fā)生、增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移502. 2腫瘤微環(huán)境的ecms和理化特征腫瘤組織中除了細胞成份外，存在大量ecm分子，包括膠原蛋白、纖連蛋白、層 黏連蛋白、肌腱蛋白c等這些分子相互交聯(lián)構(gòu)成了維持腫瘤三維形態(tài)

27、的基質(zhì) 51.它們不僅維持基質(zhì)機械張力，還可以通過細胞膜表面受體整合素和細胞進 行通訊在腫瘤屮這些ecm分子分泌增加并且被各種蛋口酶作用造成腫瘤三維結(jié) 構(gòu)重構(gòu)，如細胞外基質(zhì)碩度增強星1 有趣的是，細胞與細胞外基質(zhì)的黏附對細 胞代謝也有重要作用當細胞失去細胞外基質(zhì)黏附可以抑制糖代謝和線粒體呼吸 功能，造成細胞合成能量減少，細胞內(nèi)活性氧增加3細胞包括腫瘤細胞和基 質(zhì)細胞分泌到胞外的蛋白除了上述維持三維結(jié)構(gòu)的分子，還有大量的生長因子、 細胞因子、趨化因子等，這些因子都可與細胞膜表面受體結(jié)合激活細胞內(nèi)下游信 號通路調(diào)控包括代謝在內(nèi)的各種細胞生物學(xué)行為，促進腫瘤進展此外，由于腫 瘤內(nèi)血管的不完整性造成的

28、功能缺陷以及腫瘤細胞的快速增殖和糖酵解反應(yīng)增 強產(chǎn)牛大量乳酸和其他代謝產(chǎn)物，造成腫瘤內(nèi)部氧分和營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)不足，p h 值下降因此機械硬度增強，低氧和代謝物蓄積是腫瘤微環(huán)境重要的理化性質(zhì)改 變512.3腫瘤細胞對腫瘤微環(huán)境代謝壓力的適應(yīng)性生理環(huán)境下，組織器官中的細胞可調(diào)節(jié)代謝活動以適應(yīng)細胞內(nèi)外環(huán)境的刺激， 從而維護組織器官的穩(wěn)態(tài)腫瘤發(fā)牛發(fā)展的過程中，由于腫瘤細胞內(nèi)的驅(qū)動基因 突變以及微環(huán)境的異常變化，對腫瘤細胞形成持續(xù)的代謝壓力，腫瘤細胞可發(fā) 生代謝重塑利用不同營養(yǎng)物質(zhì)提供生物合成原料，以適應(yīng)腫瘤不同發(fā)展階段面 臨的微環(huán)境壓力應(yīng)激，維持腫瘤細胞的生存.缺氧誘導(dǎo)因子1, 2 (hif-1, 2)

29、是b亞基和不同的a亞基組成的轉(zhuǎn)錄因子，也 是由細胞應(yīng)對低氧的主要分子在正常牛理情況下，hif被vhl介導(dǎo)通過泛素化 途徑降解54.但在低氧吋，hif分子在細胞內(nèi)穩(wěn)定性增強.htf-1可以促進葡萄 糖轉(zhuǎn)運蛋口和糖酵解通路屮多個代謝酶的基因表達，促進糖酵解，如通過促進 丙酮酸脫氫酶激酶1 (pdk1)表達抑制丙酮酸脫氫酶，并上調(diào)乳酸脫氫酶a (ldha)和乳酸轉(zhuǎn)運蛋白mct4基因表達，從而抑制丙酮酸進入線粒體參加tca 循環(huán)，降低細胞耗氧量55.此外,腫瘤中高表達的低酶活性的m2型丙酮酸激 酶可以和hif-1相互作用進而通過hif-1促進自身基因轉(zhuǎn)錄上調(diào)畫不同腫瘤 中癌基因相關(guān)信號通路(如pi3k

30、-akt)活化、抑癌基因(lkb、vhl、琥珀酸脫 氫酶和延胡索酸水合酶)的突變等都可以激活h1f-1.細胞代謝中消耗氧分子的氧化還原反應(yīng)以及電子傳遞鏈會產(chǎn)生活性氧物質(zhì) (ros),如超氧化物、過氧化氫等它們可以和蛋白質(zhì)、脂類、核酸等大分子物 質(zhì)反應(yīng)，從而損傷這些大分子的生物學(xué)功能.缺氧或kras獲得突變等因素都可 以造成腫瘤細胞內(nèi)ros水平升高細胞內(nèi)ros水平的適度提高可以活化促癌信號 通路，如ros和磷酸化酶反應(yīng)活化mapk和akt信號通路57.然而水平進一步升 高時，ros可以造成dna損傷，影響基因組穩(wěn)定性，誘導(dǎo)基因突變.當細胞內(nèi)ros 濃度過高時會產(chǎn)牛細胞毒性效應(yīng)導(dǎo)致細胞死亡因此腫瘤

31、細胞會利用抗氧化系統(tǒng) 清除過高濃度的ros,適應(yīng)微環(huán)境中的氧化應(yīng)激壓力促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展.如糖 酵解的磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的nadpi1是細胞內(nèi)重要的還原劑，nadpii通過谷胱甘肽 和硫氧還蛋白途徑清除細胞內(nèi)r0se57,此外，氧化應(yīng)激壓力下還可以通過穩(wěn)定 細胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子nrf2分子激活下游靶基因發(fā)揮抗氧化作用壓1正常代謝反應(yīng)中，異檸檬酸脫氫酶1, 2 (idh1/2)催化底物生成a-kg.有趣的 是，研究發(fā)現(xiàn)，idh1/2在多種腫瘤中發(fā)牛突變，并伴隨代謝物2-徑基戊二酸 (2-hg)濃度增高59-60,進一步研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生突變的tdh1/2獲得了新的酶 活，催化異檸檬酸生成2-1ige60-6

32、1. 2-i1g是一個重要的表觀遺傳調(diào)控因子，可 以抑制去甲基化酶，影響dna和組蛋白甲基化在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的重要作用 62.基于此，2-hg被認為是一種致癌代謝物.糖酵解產(chǎn)牛的丙酮酸在乳酸脫氫酶(ldh)作用下轉(zhuǎn)化為乳酸，后者可以通過細 胞膜受體單竣酸協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋h (mct1-4)分泌到細胞外或被細胞攝入.不同腫瘤 細胞以及腫瘤細胞與基質(zhì)細胞z間均可發(fā)生乳酸轉(zhuǎn)運，以滿足腫瘤細胞能量代 謝需求乳酸甚至作為細胞信號分子調(diào)控基質(zhì)細胞，在腫瘤發(fā)生發(fā)展中起著重要 作用63. ldha在低氧狀態(tài)下也可以獲得新的活性，催化2-hg的牛成64.腫瘤細胞通過代謝重編程適應(yīng)微環(huán)境的各種壓力應(yīng)激，包括對抗腫瘤藥物

33、產(chǎn)牛 耐藥性糖酵解途徑中的代謝酶能促進腫瘤的耐藥性如ldh有兩種亞型ldh-a, b.前者具有更高酶活性，在腫瘤屮高表達，在腫瘤發(fā)生發(fā)展屮發(fā)揮重要作用 65,在對紫杉醇耐藥的乳腺癌細胞中發(fā)現(xiàn)ldh-a表達升高，抑制ldh-a可顯著 增強乳腺癌細胞對紫杉醇的藥物敏感性葩此外，脂類代謝的酶fasn能促進 聚adp-核糖聚合酶1 (parp-1)基因表達，增強dma修復(fù)，伴有fasn高表達的 乳腺和胰腺導(dǎo)管腺癌病人易對引起dm損傷的抗腫瘤藥阿霉素和米托蔥醍產(chǎn)生 耐藥673腫瘤干細胞代謝腫瘤組織中的腫瘤細胞具有非均一性，不同細胞克隆的功能和牛物學(xué)行為都有 差異其中的一類腫瘤細胞亞群，具有正常組織干細胞

34、的干性，保持自我更新和 多向分化的潛能，這類腫瘤細胞被稱為腫瘤干細胞這些細胞生長緩慢易轉(zhuǎn)移， 并且容易產(chǎn)生耐藥，引起腫瘤復(fù)發(fā)68.正常干細胞和相對應(yīng)的分化細胞的代謝 不同，代謝重編程甚至是造成細胞干性的關(guān)鍵因素凹1 腫瘤干細胞代謝也具有 自身特點.目前不同腫瘤組織中的干細胞可以被不同的干細胞標記物鑒定，如乳 腺腫瘤干細胞具有cd44cd24;胰腺癌干細胞有cd133;而肺癌干細胞和肝癌干細 胞分別表達sp或cd 133和cd49f68.值得注意的是，腫瘤干細胞代謝改變也存 在差異如在乳腺癌中，果糖-1, 6-二磷酸酶（fbp1）的基因表達受到啟動子甲 基化抑制，引起腫瘤細胞葡萄糖攝入和糖酵解增

35、強，并抑制氧化磷酸化，降低 細胞耗氧量這種代謝變化造成腫瘤細胞獲得干性辺1相反的，cd 133胰腺導(dǎo)管 腺癌干細胞中氧化磷酸化增強，糖酵解被抑制細胞對線粒體抑制劑敏感 更有研究發(fā)現(xiàn)，干細胞標記物nanog nj以激活脂肪酸氧化（fao）,抑制線粒體 氧化磷酸化，維持肝腫瘤干細胞的干性和耐藥性蟲1 腫瘤微環(huán)境在腫瘤發(fā)生發(fā) 展中具有關(guān)鍵作用，這些干細胞代謝的差界性很可能是由不同腫瘤組織的腫瘤 微環(huán)境牛長因子或代謝物的差異造成的.4腫瘤微環(huán)境中間充質(zhì)細胞的代謝4. 1腫瘤相關(guān)成纖維細胞（cafs）代謝成纖維細胞存在于正常組織的結(jié)締組織中，分泌ecms,如膠原蛋白、層連蛋白、 纖連蛋白等這些ecm分子

36、交聯(lián)形成組織三維架構(gòu)腫瘤組織中的成纖維細胞被 腫瘤細胞通過旁分泌或直接相互作用而激活為cafs,在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中起 重要作用73腫瘤微環(huán)境屮的腫瘤細胞和cafsz間存在“反向warburg效應(yīng)” 腫瘤細胞通過釋放活性氧類物質(zhì)，造成cafs的氧化應(yīng)激發(fā)生代謝重編程，細胞 內(nèi)代謝轉(zhuǎn)向糖酵解，細胞膜乳酸轉(zhuǎn)運受體mct4表達升高，將代謝物乳酸等釋放 入腫瘤微環(huán)境中，被mct1表達升高的腫瘤細胞攝取供給線粒體產(chǎn)能，促進非依 賴于血管生成的腫瘤形成74-76.此外，tgf- b或pdgf激活cafs吋可下調(diào) idi13 a,通過抑制pi1d2穩(wěn)定i1if-1 a的蛋白水平，促進cafs的糖酵解 77c

37、afs還可以調(diào)控氨基酸的代謝影響腫瘤微環(huán)境中的腫瘤細胞和其他基質(zhì) 細胞如利用cafs和mcf-7乳腺癌細胞株的共培養(yǎng)，顯示mcf-7細胞可以利用 cafs來源的谷氨酰胺促進線粒體氧化過程，并產(chǎn)牛耐藥性78.更有研究提示 cafs利用色氨酸和精氨酸的代謝產(chǎn)物還可以影響腫瘤微環(huán)境中的免疫細胞活化 和免疫監(jiān)控79 另有報道,雌激素可通過g蛋白藕聯(lián)的雌激素受體，上調(diào)cafs 中fasn表達80以上這些研究顯示cafs可以和腫瘤微環(huán)境中的其他基質(zhì)細胞 和腫瘤細胞相互作用，通過代謝重塑對腫瘤發(fā)展發(fā)揮關(guān)鍵作用.4.2內(nèi)皮細胞代謝和血管形成 生理條件下，血管通過運輸營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣運走代謝產(chǎn)物和二氧化碳維持正常

38、 組織器官穩(wěn)態(tài).在機體創(chuàng)傷、炎癥等病理條件修復(fù)時具有快速形成新牛血管的能 力，特別是腫瘤內(nèi)的新生血管在腫瘤細胞存活和生長中起關(guān)鍵作用新生血管形 成過程屮血管內(nèi)皮生長因子（vegf）與血管內(nèi)皮細胞膜受體結(jié)合轉(zhuǎn)導(dǎo)信號，誘 導(dǎo)靜止的血管內(nèi)皮細胞分化成特定有遷移能力的頂端細胞和增殖能力的莖細胞， 促進新生血管出芽同時血管內(nèi)皮細胞釋放血小板源生長因子（pdgf）和其他生 長因了募集周細胞環(huán)繞新牛血管形成穩(wěn)定成熟的新牛血管an.相比正常組織中 的新生血管，腫瘤內(nèi)新生血管形態(tài)和功能顯著異常，血管管徑增大、血管內(nèi)皮細 胞間連接缺失、環(huán)繞新生血管的周細胞排列紊亂、基底膜變薄、血管通透性增大， 這些形態(tài)異常造成腫

39、瘤血管物質(zhì)運輸功能損害，形成腫瘤微環(huán)境內(nèi)缺乏氧和營 養(yǎng)物而代謝物堆積82.與腫瘤細胞代謝相似，血管內(nèi)皮細胞自身代謝也是以糖 酵解為主，特別是糖酵解途徑產(chǎn)牛的atp是血管內(nèi)皮細胞主要的能量供應(yīng)方 式.6-磷酸果糖-2-激酶糖/果糖-2, 6-2磷酸化酶3 （pfkfb3）是血管內(nèi)皮細胞糖 酵解途徑的關(guān)鍵酶，vegf可以促進pfkfb3蛋口的表達和糖酵解，體外和體內(nèi)實 驗述發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮細胞的遷移和新生血管出芽也依賴于pfkfb3.有趣的是，抑 制pfkfb3并未造成血管內(nèi)皮細胞能量應(yīng)激，而是使血管內(nèi)皮細胞處于靜止狀態(tài), 降低蛋白質(zhì)合成和細胞增殖，減少耗能83.糖酵解的磷酸戊糖途徑也對血管內(nèi) 皮細胞

40、的生物學(xué)功能有重要作用磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的nadph可以協(xié)同內(nèi)皮細胞 內(nèi)一氧化氮（no）合成酶促進血管生成的效應(yīng)分子一氧化氮的生成函1 抑制 6-磷酸葡萄糖脫氫酶也抑制了血管內(nèi)皮細胞的增生和遷移遁1 也有報道表明， 抑制谷氨酰胺代謝可誘導(dǎo)人臍靜脈內(nèi)皮細胞衰老，提示谷氨酰胺在血管內(nèi)皮細 胞能量代謝中起一定作用86.4. 3脂肪細胞的代謝腫瘤微環(huán)境中脂肪細胞在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用直到近年才在卵巢癌、乳腺癌等 腫瘤屮被闡明如脂肪細胞和乳腺癌或卵巢癌細胞共培養(yǎng)可以刺激脂肪細胞釋放 白介素6或&以及基質(zhì)金屬蛋白酶（mmps）促進腫瘤細胞侵襲轉(zhuǎn)移腫瘤微環(huán) 境中被腫瘤細胞活化的脂肪細胞乂稱為腫瘤相關(guān)脂

41、肪細胞（caas） 87-88. caas和卵巢癌細胞共培養(yǎng)還能導(dǎo)致這兩種細胞代謝的變化，caas脂解 作用增強，提供脂類原料給卵巢癌細胞，而卵巢癌細胞脂肪酸p氧化和脂肪酸 結(jié)合蛋口 4 （fabp4）表達均增強.進一步的研究揭示fabp4是調(diào)控共培養(yǎng)的脂肪 細胞和卵巢癌細胞代謝重編程的關(guān)鍵分子迤1此外，在乳腺癌中也發(fā)現(xiàn)類似的 改變，被乳腺癌細胞活化的caas內(nèi)脂類內(nèi)容物減少，而脂肪細胞以旁分泌方式 釋放脂肪細胞因了或直接提供代謝物如脂肪酸和甘油促進乳腺癌細胞內(nèi)的脂肪 酸b氧化894.4微環(huán)境中潛在的腫瘤代謝診療標記物和靶點腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的代謝重塑的特點，可以為臨床腫瘤診斷、治療和預(yù)后判斷

42、 提供更多的有效生物標記物和治療靶點基于腫瘤細胞攝取葡萄糖增加和糖酵解 增強，目前正電子發(fā)射型計算機斷層顯像（pet）在臨床腫瘤診斷中得到了廣泛 的應(yīng)用將18f標記葡萄糖（f-fdg）注射入病人體內(nèi)后，追蹤18f-fdg的代謝聚 集，可以發(fā)現(xiàn)腫瘤原發(fā)和轉(zhuǎn)移灶，以及判斷抗腫瘤治療效果90 此外,利用腫 瘤細胞攝取谷氨酰胺增強，目前用18f標記谷氨酰胺追蹤腫瘤的發(fā)生也正處于 臨床實驗階段垃11其他的利用代謝變化的影像技術(shù)也在發(fā)展中，如使用13c超 極化磁共振(mri)成像追蹤腫瘤病人體內(nèi)丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)變和磁共振檢測 2-hge92-93j.鑒于腫瘤微環(huán)境中腫瘤細胞與基質(zhì)細胞的相互作用和代謝異同，

43、 增加了篩選代謝靶點的復(fù)雜性如雷帕霉素特異性抑制m t0rc1信號通路，可以 抑制腫瘤細胞增殖和誘導(dǎo)凋亡，但抑制免疫細胞m t0rc1信號可造成免疫抑制 94,而己糖激酶抑制劑2-脫氧-d-葡萄糖可以有效抑制糖酵解，同時還可以 激活抗腫瘤免疫反應(yīng)，目前在神經(jīng)膠質(zhì)瘤臨床試驗中取得較好的結(jié)果型1此外, 一些針對缺氧和酸性腫瘤微環(huán)境的治療方案也在發(fā)展中，如干擾hif-1的轉(zhuǎn)錄、 合成和聚合的抑制劑和提高微環(huán)境p ii值的堿性藥物，以及乳酸轉(zhuǎn)運蛋口和質(zhì)子 泵抑制劑等，均處在臨床前或臨床試驗中955結(jié)論與展望細胞內(nèi)癌基因和抑癌基因突變產(chǎn)牛的內(nèi)部信號以及腫瘤微環(huán)境的外部信號網(wǎng)絡(luò)， 共同作用引發(fā)的代謝改變在

44、腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中起關(guān)鍵作用因此，闡明腫瘤細 胞感受和應(yīng)對細胞內(nèi)突變和腫瘤微環(huán)境的各種應(yīng)激壓力而引發(fā)代謝重塑的機制， 可以輔助設(shè)計以代謝為靶點的、更有效的精準診療方案，甚至在腫瘤發(fā)生前通過 對腫瘤相關(guān)的代謝高危人群進行營養(yǎng)物攝入和代謝的合理干預(yù)精準預(yù)防腫瘤的 發(fā)生.參考文獻1 warburg 0, wind f, ncgclcin ethe metabolism of tumots in the body. j gen physiol, 1927, 8 (6) :519-5302 warburg 0. origin of cancer cells0ncologia, 1956, 9 (2) :

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