代谢重编程及其与消化系统恶性肿瘤关系的研究进展

郭杏，冯雁，黄馨萍，李欣，罗小玲

(1广西医科大学附属肿瘤医院，南宁530021；2广西医科大学)

近年来研究发现，肿瘤细胞中存在具有自我更新、无限增殖和分化能力的细胞，这些细胞具有干细胞特性，在肿瘤发生、转移及耐药中起重要作用[1]。代谢重编程是指肿瘤细胞与正常细胞相比代谢方式发生改变[2]，是机体为肿瘤细胞及其干细胞提供充足能量及营养物质的机制之一。研究发现，在肿瘤细胞及肿瘤干细胞中普遍存在代谢重编程现象。以肿瘤代谢重编程为靶点，可能为肿瘤的预防和治疗提供新的思路。本研究对肿瘤细胞代谢重编程及其与消化系统恶性肿瘤发生、发展关系的进展进行综述。

1　肿瘤细胞及肿瘤干细胞的代谢重编程

在正常分化的细胞中葡萄糖主要经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸经转运进入线粒体内，通过三羧酸循环偶联线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)途径产生ATP，为机体供能。但在很多肿瘤细胞中会出现糖酵解与OXPHOS解耦联现象，ATP主要依赖糖酵解提供，这一现象被称为Warburg效应[3]。正常情况下每分子葡萄糖经糖酵解产生2分子ATP，而经氧化磷酸化途径却能产生32～34分子ATP；但是，糖酵解途径产生氧气的速率却是氧化磷酸化途径的1 000多倍，即葡萄糖经糖酵解途径代谢可以产生足够的能量。此外，糖酵解途径能够提供大量的中间产物为生物大分子合成提供原料，这使得糖酵解途径在许多肿瘤细胞代谢中占主导地位[4]。肿瘤细胞与正常细胞相比的这类代谢方式改变即代谢重编程。代谢重编程现象与肿瘤细胞的生存活性密切相关，甚至被认为是肿瘤发生的标志[5]。恶性肿瘤细胞的生存活性极强，不仅能无限增殖，且代谢速率很高，因此需要大量的ATP和营养物质来适应其快速生长增殖的需要[6]。肿瘤细胞启动代谢重编程可满足其快速分裂增殖所需能量和生物大分子合成原料的需要；同时代谢重编程可激活致癌基因如KRAS，进而促进肿瘤细胞生长[7]。代谢重编程不仅包括Warburg效应，也并不是所有的肿瘤细胞代谢都以糖酵解为主。当肿瘤细胞微环境中氧气和营养物质都相当充足或离血管比较近时，肿瘤细胞代谢以上调OXPHOS途径为主，加强细胞合成代谢以供自身快速增殖。上调的OXPHOS途径与肿瘤细胞上皮间质转化(EMT)和肿瘤转移过程密切相关[8]。同时，在周围营养物质相对缺乏的肿瘤细胞中氧化应激反应不断进行，促进细胞经糖酵解产生乳酸等代谢产物，并进一步供给以OXPHOS为主要代谢途径的肿瘤细胞合成代谢，促进肿瘤细胞的生长[9]。

脂肪酸代谢也是肿瘤细胞维持自身生长活性所需要的重要代谢途径之一[10]，肿瘤细胞中的能量储存、细胞器和细胞膜增殖以及信号分子的生成都需要脂肪酸代谢来提供能量[11]。当体内葡萄糖水平较低时，肿瘤细胞会摄取周围环境中的脂肪酸进行脂肪酸代谢，产生代谢中间物再进入三羧酸循环，生成ATP及肿瘤生长所需要的营养物质[12]。在ATP缺乏的情况下，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)可以激活脂肪酸代谢途径，此时肿瘤细胞可利用脂肪酸生成苹果酸和柠檬酸作为底物合成NADH和NADPH。NADH和NADPH既可以用于产生ATP，又能维持体内氧化还原反应的平衡以及生物合成[13]。每分子脂肪酸充分氧化产生ATP的数量是葡萄糖的两倍多。即使在营养和能量丰富的情况下，有些肿瘤细胞也会高表达脂肪酸β氧化所需要的酶来氧化脂肪酸产生ATP，如大B细胞淋巴瘤[14]。有研究报道，在肝癌细胞内氧化磷酸化活性降低，糖酵解及脂肪酸代谢途径增强，细胞内饱和脂肪酸减少，花生四烯酸合成增加[15]。肝癌细胞内脂肪酸减少和葡萄糖缺乏有助于细胞内脂质合成以维持肝癌细胞活性[16]。脂肪酸代谢中所需要的硬脂酰CoA脱氢酶(SCD)的表达活性与肝细胞癌患者血清AFP和肿瘤临床分级相关，影响肝细胞癌患者的预后[17]。在肿瘤细胞代谢重编程过程中自噬也起着重要作用，当营养物质缺乏时，肿瘤细胞会通过自噬摄取脂肪酸作为能量物质来源，通过上述途径产生ATP[18]。

谷氨酰胺是细胞增殖所需要的重要的非必需氨基酸，它不仅是氨基己糖和核酸合成的底物，而且在缺氧条件下还能通过三羧酸循环进入氧化磷酸化途径产生能量[19]，这也是肿瘤细胞维持自身活性所必需的重要代谢方式。当瘤体环境需要时肿瘤细胞会自身合成谷氨酰胺，如临床研究发现恶性程度较高的肿瘤患者血浆谷氨酰胺水平也较高[10]。谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下可以转变成谷氨酸盐，供脂肪酸和谷胱甘肽合成，而抗氧化剂谷胱甘肽能维持肿瘤细胞中氧化还原反应的平衡以及帮助肿瘤细胞抵抗氧化应激，维持肿瘤细胞活性[20]。

肿瘤干细胞是存在于肿瘤细胞中的极少数异质性细胞，与正常干细胞有着相似的生物学特性，具有极强的自我更新能力和无限增殖分化能力[21]。肿瘤干细胞最先被证实存在于血液系统肿瘤如白血病、多发性骨髓瘤中[22]。随着对肿瘤干细胞的深入研究，研究者们发现许多消化系统实体肿瘤中也存在着肿瘤干细胞，如结肠癌、直肠癌、胰腺癌、肝癌等[23～25]。过去的研究主要根据肿瘤干细胞的特殊表面标志物分离相应的肿瘤干细胞，并依此研究杀伤肿瘤干细胞的方法，但是，由于肿瘤异质性的存在，不同类型的肿瘤干细胞其表面标志物不尽相同[26]。因此，通过广谱肿瘤干细胞表面标志物作为靶点识别和杀灭肿瘤干细胞的方案存在不足。同肿瘤细胞一样，肿瘤干细胞同样依靠代谢重编程来维持自身的活性，且代谢重编程的途径基本与肿瘤细胞相同[27]。因此，如果能以代谢重编程途径作为靶点抑制肿瘤干细胞的生长，可能为抑制肿瘤的复发转移、耐药等提供有效的治疗手段。

2　消化系统恶性肿瘤干细胞的代谢重编程

2.1胰腺癌干细胞Shibuya等[28]研究发现，促葡萄糖转运蛋白1(Glut-1)在维持胰腺癌干细胞的干细胞特性方面起着关键作用，用siRNA抑制胰腺癌干细胞内Glut-1基因表达后其自我更新能力明显降低，表现为干细胞悬浮成球能力受到抑制；在不影响胰腺癌干细胞活性的情况下，用低浓度WZB117 抑制胰腺癌干细胞Glut-1基因表达，并异种植入有免疫缺陷的裸鼠皮下，其体外成瘤能力明显降低。Brandi等[29]研究表明，在胰腺癌干细胞中糖酵解代谢、脂质代谢、戊糖磷酸途径代谢及丙酮酸—苹果酸循环代谢能力增强，而三羧酸循环途径被抑制。利用脂质代谢抑制剂浅蓝菌素及甲羟戊酸通路抑制剂阿伐他汀能明显抑制胰腺癌干细胞的增殖。糖酵解抑制剂3-bromopyruvate(3-BP)也能明显抑制胰腺癌干细胞的增殖活性[30]。 Li等[23]利用体内外实验模型验证了抑制胰腺癌干细胞中谷氨酰胺代谢途径可降低胰腺癌干细胞表面标志物表达和其悬浮成球能力，从而增强胰腺癌细胞对放射治疗的敏感性。临床研究发现，谷氨酸酶抑制剂BPTES能抑制胰腺胆管癌细胞生长，抑制胰腺癌干细胞代谢重编程的同时可以减少其干性基因表达，增加胰腺癌细胞对治疗的敏感性[31]。

2.2结直肠癌干细胞Riccivitiani等[25]从结肠癌细胞中分选出很少一部分CD133+结肠癌细胞，并且证实这部分CD133+结肠癌细胞具有很强的增殖分化、悬浮成球和体外成瘤能力，从而证实结肠癌中也存在肿瘤干细胞。由于肿瘤干细胞的存在，结肠癌易发生复发、转移及耐药现象，这些特征使得结肠癌难以彻底治愈[32]。Konno等[33]研究发现，在结肠癌干细胞中存在代谢重编程现象，表现为糖酵解能力降低、三羧酸循环途径增强；与正常细胞相比，结肠癌干细胞的半胱氨酸和蛋氨酸代谢方面也发生了改变。Song等[34]报道，结肠癌干细胞代谢主要以氧化磷酸化为主，FOXM1能诱导PRDX3表达维持细胞线粒体功能，同时也能诱导干性标志物CD133表达。Wang 等[35]利用lincRNA-p21慢病毒转染结肠癌干细胞抑制结肠癌干细胞的干性表达，发现结肠癌干细胞内糖酵解能力下降，细胞活性降低。Denise等[36]利用低剂量5-氟尿嘧啶(5-FU)诱导出耐药的结肠癌细胞株HT29，该细胞株与未经诱导的结肠癌细胞株HT29相比，耐药株干细胞表面标志物表达增强，但葡萄糖摄取能力下降，且糖酵解相关基因Glut-1表达也降低，其代谢方式极度依赖氧化磷酸化，并且用其他结肠癌细胞系验证也发现同样的现象。用药物抑制耐药株氧化磷酸化通路后结肠癌干细胞悬浮成球能力明显降低。这些研究都表明结肠癌干细胞的干性维持与其代谢重编程密切相关。

2.3肝细胞癌干细胞索拉菲尼是临床治疗晚期肝细胞癌的一线靶向药物，但研究发现许多患者对索拉菲尼出现耐药性，这给肝细胞癌的治疗带来了极大困难。近年来肝癌干细胞的研究发现给人们寻找新的治疗途径带来了希望。Chen等[24]发现，从人和鼠的肝细胞癌组织中分离培养的肝癌干细胞以糖酵解途径为主，这一代谢改变与肝细胞癌化疗耐药有关。目前关于肝癌干细胞与代谢重编程的研究较少。有研究报道，线粒体复合酶Ⅰ抑制剂二甲双胍能促进肝细胞癌对索拉菲尼的敏感性，进而抑制肝细胞癌的复发和转移；二甲双胍也能抑制肝癌干细胞的生长，但其中是否与氧化磷酸化代谢抑制有关有待进一步研究。本课题组近期研究也证实二甲双胍能够抑制悬浮培养肝细胞癌HepG2干细胞样细胞中的EMT转化过程及提高细胞对索拉菲尼的敏感性。

综上所述，肿瘤细胞的代谢重编程对肿瘤细胞及肿瘤干细胞的生长和活性起着重要的作用。在消化系统恶性肿瘤中普遍存在肿瘤干细胞代谢重编程现象，深入探讨肿瘤干细胞代谢重编程的特征及分子机制及开发有效调控代谢重编程的手段，可能为消化系统恶性肿瘤的综合治疗提供新的思路。

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