二甲双胍抗肿瘤机制研究进展

刘相良，朱梅开,2，芦晋，杨帅，崔久嵬，李薇

(1 吉林大学第一医院，长春130021；2 吉林大学临床医学院)

二甲双胍为双胍类半合成口服降糖药，主要用于2型糖尿病(T2DM)，尤其是肥胖型患者，亦可用于胰岛素治疗的患者，以减少胰岛素用量。统计学显示，T2DM患者罹患恶性肿瘤的风险大大增加，与二者存在一些共同的危险因素有关。近些年，研究发现，二甲双胍能够降低T2DM患者许多恶性肿瘤的发病风险，即二甲双胍有独立于降糖之外的抗癌效果，而这种作用往往是其他降糖药物所不具备的。目前，关于二甲双胍抗癌机制的研究越来越深入。现对二甲双胍抗肿瘤机制的研究进展综述如下。

1 二甲双胍对肿瘤细胞的直接作用

1.1 激活腺苷活化蛋白激酶(AMPK)抑制肿瘤细胞增殖 该途径是二甲双胍抗肿瘤作用的一种重要方式，其激活AMPK的途径有直接和间接两种，直接途径为肝脏激酶B1(LKB1)-AMPK途径。LKB1是肿瘤抑制基因，也是AMPK主要的上游激活剂。LKB1-AMPK信号通路可通过抑制蛋白质的合成来抑制细胞的生长和增殖[1]，而在肿瘤细胞中此信号通路微弱甚至失活。研究表明，在多种恶性肿瘤中，二甲双胍可通过LKB1基因来活化AMPK。线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，有氧呼吸依靠线粒体上的线粒体呼吸链进行，线粒体呼吸酶复合物Ⅰ是这条链上的关键酶之一[2]。二甲双胍通过抑制细胞线粒体呼吸酶复合物Ⅰ，减少ATP形成，导致AMP/ATP升高，从而激活细胞内的AMPK。AMPK可通过与AMPK因子相关的多种途径来发挥抗肿瘤作用：①AMPK可直接或间接抑制其下游的哺乳类动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)来影响细胞代谢过程。有研究表明，二甲双胍可以抑制乳腺癌MCF-7细胞的翻译起始过程,而该过程是激活AMPK后通过抑制mTOR来实现的[3]。②当细胞出现DNA损伤、癌基因激活、缺氧或细胞衰老等情况时，p53基因可对此作出应激反应来抑制细胞向肿瘤细胞发展。但是，在约50%肿瘤中p53基因处于失活状态。AMPK可通过磷酸化p53的46位丝氨酸来促进其表达，进而发挥抗肿瘤作用。③炎性因子环氧氏酶2(COX-2)在多种肿瘤细胞中高表达，与肿瘤形成有关。最近研究发现，AMPK激活剂的使用可降低肿瘤细胞COX-2的表达，但具体机制尚不明确[4]。

1.2 调控胰岛素/胰岛素样生长因子1(IGF-1)轴 胰岛素和IGF-1是刺激细胞生存和有丝分裂的潜在生长因子，胰岛素和IGF-1受体(IGF-1R)在乳腺癌、肝癌、结肠癌、胰腺癌和皮肤癌等肿瘤细胞中高表达。当IGF-1与IGF-1R结合后，可激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/AKT,形成IGF-1/PI3K/AKT通路[5]。该通路可激活MAPK/细胞外信号调节激酶(ERK)信号通路，促进肿瘤细胞转录，而AKT是主要的抗凋亡调节器，在肿瘤细胞中可以促进糖酵解和葡萄糖吸收[6]。二甲双胍通过促进葡萄糖摄取及利用，抑制葡萄糖生成，进而间接降低胰岛素水平，胰岛素减少会抑制IGF-1诱导的AKT磷酸化[7]。另有研究表明，二甲双胍可以阻断IGF-1R信号通路的反馈调节,与IGF-1R抑制剂合用产生协同作用杀伤肿瘤细胞[8]

1.3 阻滞肿瘤细胞周期以及诱导细胞凋亡 细胞周期是指细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程，依次包括间期(G1期、S期、G2期)和分裂期(M期)。许多化疗药物都是通过阻滞细胞周期发挥抗癌作用，如抗叶酸类、抗嘌呤类、抗嘧啶类。二甲双胍可活化抑癌基因p53的丝氨酸位点及其下游的p21靶点，从而阻遏了Cyclin D与细胞周期分裂蛋白CDK4/6结合，Cyclin D1蛋白水平受到影响将会抑制癌基因PRB表达，导致转录受阻[9]。Rattan等[10]对卵巢癌的研究表明，二甲双胍可减少与G0/G1期相关的Cyclin D1表达，细胞周期调节因子p21表达增加，从而使滞留在G1期的卵巢癌细胞数增加，而进入S期的细胞数减少。但是，最近Yasmeen等[11]发现，二甲双胍引起卵巢癌细胞株停滞在S期和G2/M期，G0/G1期细胞数反而减少，可能与细胞膜上决定二甲双胍吸收、分布的有机阳离子转运体(OCT1)基因存在多态性有关。在结直肠肿瘤的研究中，Liang等[12]发现，细胞周期调控因子p27Kip1在调节细胞进程中发挥重要作用，其高表达导致细胞周期停滞，低表达或不表达导致细胞凋亡；二甲双胍可通过AMPK介导p27Kip1磷酸化，促进p27Kip1稳定，在营养匮乏的环境下发生自噬。Tanaka等[13]对胰腺癌的研究发现，二甲双胍通过抑制致癌性微小RNA-221的表达，进而增加p27的表达，使细胞周期停滞于G1期，从而抑制肿瘤细胞增殖。二甲双胍不仅有抗肿瘤细胞增殖作用，还能促进细胞凋亡。李军丽[14]研究发现，二甲双胍可以促进子宫内膜癌细胞自发的启动凋亡程序，形成凋亡小体，最终导致细胞凋亡。在胰腺癌的研究中发现，二甲双胍可通过一系列反应促使p53蛋白的乙酰化和稳定性，p21蛋白和Bax蛋白增加[15]，从而使线粒体膜通透性增加，细胞色素C释放入胞质，结合凋亡蛋白酶激活因子1，激活Caspase-3，促使肿瘤细胞凋亡。此外，二甲双胍可以增加PARP裂解的数量，即通过上调凋亡蛋白促进细胞凋亡[16]

1.4 调节能量代谢平衡抑制肿瘤 根据瓦博格效应，即使在有氧状态下，肿瘤细胞也会优先进行糖酵解。糖酵解消耗更多葡萄糖，但产生的ATP数量比较少，故肿瘤细胞往往需要摄取更多的葡萄糖才能维持其正常的生存。胰岛素在肿瘤细胞摄取葡萄糖的过程中起了重要作用，并对肿瘤细胞的分裂具有一定的刺激作用。肿瘤细胞对葡萄糖的大量摄取直接影响了正常组织细胞的能量需求，进而导致正常细胞的代谢障碍，而这又反过来为肿瘤细胞的生长提供了合适的微环境。所以，肿瘤细胞异常代谢所引起的一系列后果与肿瘤细胞的生长两者互为因果，形成恶性循环。

二甲双胍可抑制肝脏糖异生关键基因的转录并促进骨骼肌摄取葡萄糖，进而降低空腹血糖和胰岛素水平；此外，二甲双胍可以增加T2DM患者胰岛素受体对胰岛素的亲和力，减轻高胰岛素血症并改善胰岛素抵抗，促进正常细胞摄取葡萄糖，从而使肿瘤细胞摄取的葡萄糖相对减少，抑制其能量代谢[17]。二甲双胍自身也可促进葡萄糖进入细胞内，这虽然会在短时间内增加部分患者肿瘤细胞的糖酵解，甚至造成乳酸中毒；但从长期看，体内血糖降低可减少肿瘤细胞的能量来源，过量的乳酸亦可反过来抑制肿瘤细胞的糖酵解过程，抑制肿瘤细胞能量代谢。

线粒体作为产生ATP的主要细胞器，对细胞的能量供应起着巨大作用。Ota等[18]研究发现，二甲双胍可通过抑制线粒体Ⅰ的活性，从而降低肿瘤细胞内氧化磷酸化水平减少ATP的生成，另外还可降低糖酵解过程的关键酶葡萄糖-6-磷酸酶表达，从而抑制该过程。线粒体产生活性氧可促进IL-6的释放，而IL-6信号在肿瘤细胞中具有极强的潜能来促进肿瘤的生长、发展。最新研究表明，二甲双胍阻碍线粒体电子链，抑制了活性氧的产生，使得钙释放激活通道(CARC)无法发挥作用，从而阻断IL-6的释放[19]。另有实验表明[20]，二甲双胍可使FTC-133 OCR值、ATP产生量、基础呼吸量、最大呼吸量等反应线粒体呼吸的指标下降，且呈剂量依赖性。

2 二甲双胍对肿瘤细胞的间接作用

2.1 免疫激活作用 在人体免疫系统中CD8+肿瘤浸润T淋巴细胞(TILs)是一种特殊的肿瘤攻击性免疫细胞，其存在的数量与患者生存率增高密切相关。程序性细胞死亡蛋白1(PD-1)可抑制T细胞增殖和干扰素γ(IFN-γ)、TNF-α和IL-2的产生，并降低T细胞存活率。PD-1及其配体(PD-L1)是T细胞耗竭过程中最主要的抑制性受体。最近的一项研究表明，二甲双胍进入肿瘤细胞后激活AMPK，AMPK导致内质网中PD-L1蛋白前体195号位上的丝氨酸(S195)磷酸化，进而导致PD-L1在内质网中不能正确的糖基化而滞留并最终被降解[21]，从而阻止TILs凋亡，防止TILs的免疫耗尽。

近期研究发现，胰岛素可促进T细胞在免疫器官中的增殖和分裂，还可促进其分泌炎性因子IFN-γ和IL-2，这两种因子均有抗肿瘤的作用[22]；而T2DM患者由于存在胰岛素抵抗，减弱了T细胞的功能。二甲双胍可改善患者体内的胰岛素抵抗现象，促进了T淋巴细胞分裂增殖，并释放抗癌因子对抗肿瘤。

2.2 调节肠道菌群 Sivan等[23]认为，双歧杆菌是与肿瘤微环境中活性特异性抗原T细胞积累有明显关联的惟一关键菌群，该菌能通过与漫游的树突状细胞相互作用触发免疫反应，激活肿瘤杀伤性T细胞，而在糖尿病患者肠道中双歧杆菌数量明显减少。研究表明，糖尿病患者接受二甲双胍治疗后，其肠道细菌组成及功能均发生改变，细菌(如AKK菌)生成某些类型短链脂肪酸(SCFAs)的能力增强。在对抗肿瘤细胞的过程中，SCFAs充当两种G蛋白偶联受体(GPR41，GPR43)的配体。AKK菌产生丙酸盐，通过GPR43抑制组蛋白脱乙酰基酶(HDACs)活性，从而诱导组蛋白高度乙酰化，并进一步刺激细胞周期抑制剂p21上调，减少某些细胞凋亡抑制蛋白家族成员及其Caspase下调，最终诱导肿瘤细胞凋亡。

2.3 抑制肿瘤细胞迁移及转移 上皮细胞-间充质转化(EMT)是导致肿瘤细胞迁移的重要原因之一,IL-6可促进肺癌细胞发生EMT，而二甲双胍可阻断IL-6来抑制肺癌细胞EMT的发生。贺天虎等[24]对子宫内膜癌的研究中发现，高浓度或长时间的二甲双胍处理能抑制子宫内膜癌细胞的迁移能力，且呈剂量时间依赖性。二甲双胍还通过Ca2+-依赖的蛋白激酶Cα(PKCα)/ERK和C-Jun氨基端激酶/激活蛋白1(JNK/AP-1)信号通路来抑制佛波醇-12-豆蔻酸-13-醋酸盐(PMA)诱导的人纤维肉瘤细胞的迁移和侵袭[25]。

2.4 与各类抗肿瘤药物协同作用

2.4.1 与靶向药物联合作用 Alimova等[26]研究发现，二甲双胍抑制HER2阳性乳腺癌细胞株增殖，且产生的部分克隆细胞生长周期停滞于G1检测点。这说明二甲双胍通过诱导乳腺癌细胞分裂从G0期进入S期，但阻止细胞分裂从S期进入G1期，将HER2阳性胃癌细胞阻滞于细胞分裂S期，增大其对曲妥珠单抗及其他化疗药物的敏感性。而且，有研究显示曲妥珠单抗联合二甲双胍作用的体外细胞Cyclin D1、PI3K、mTOR表达量低于单纯曲妥珠单抗[27]，说明二甲双胍联合曲妥珠单抗可更好地发挥抗肿瘤作用。另外，有实验表明二甲双胍可延缓靶向药耐药，如吉非替尼联合二甲双胍可对EGFR-TKIs原发性耐药非小细胞肺癌细胞的耐药性有抑制作用，其机制为激活线粒体凋亡途径及逆转EMT发生[28]。

2.4.2 提升免疫治疗类药物的疗效 在肿瘤的免疫治疗中，将55例晚期恶性黑色素瘤并接受PD-1抗体治疗者分为A组33例、B组22例，B组治疗期间至少使用二甲双胍1周以上。结果显示，B组有效率、控制率更高，无疾病进展生存时间、总生存时间更长；生存上的优势，随着时间的推移两组差距不断拉大，第3年两组生存率差3.5倍。这表明二甲双胍可以增强PD-1抗体的疗效，进而导致PD-L1在内质网中不能正确的糖基化，使其滞留在内质网中被降解，使更多的PD-1无法结合到PD-L1上而被PD-1抗体消除，提高PD-1抗体的疗效。此外，将二甲双胍与细胞毒T淋巴细胞相关抗原4(CTLA-4)抑制剂联用，也取得了更好的抗肿瘤效果[21]

2.4.3 增强化疗药物的作用 Duan等[29]研究发现，二甲双胍通过直接激活AMPK可减少胰腺癌CFPAC-1细胞中致纤维化细胞因子表达，从而增加吉西他滨对胰腺癌的疗效。Nangia-Makker等[30]发现，二甲双胍与5氟尿嘧啶和奥沙利铂联合治疗结直肠癌细胞有协同作用，其可以抑制结肠癌球体的形成，并加强其裂解。由此可见，二甲双胍可以通过多种途径来提升化疗药物的疗效。

综上所述，二甲双胍作为治疗T2DM的一线药物，除可有效降低血糖外，还可通过激活AMPK等途径引起一系列系效应，抑制肿瘤细胞增殖，诱导细胞凋亡；此外，二甲双胍可配合多种化疗药物对肿瘤进行治疗，以提高药物的疗效，具有广阔的应用价值。但是，目前对于二甲双胍抗肿瘤的研究也存在一定局限，一方面其实验模型往往只是T2DM患者，另一方面其抗肿瘤的许多机制还有待研究。所以，今后还需进行大量的临床试验以及深入的基础研究，为肿瘤患者的治疗提供更多理论依据。