二甲双胍抗肿瘤作用机制研究进展

李建强 贾 振 常凯旋 孙 成 武晓慧 徐玉乔

二甲双胍(metformin)作为临床上常用的一线降糖药，能够有效控制糖尿病患者的血糖水平，在糖尿病的治疗领域中被广泛应用。近年来许多研究结果表明Met能有效控制糖尿病患者癌症的发生率，且其在多种癌症中有一定抗肿瘤的作用。就当前来看，其抗肿瘤的具体作用机制还不够明确。

一、二甲双胍可抑制肿瘤细胞增殖并促进其凋亡

大量实验研究表明，二甲双胍可以诱导激活AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)信号转导通路，此通路的激活能够加速细胞凋亡过程，抑制肿瘤细胞增殖。

1.二甲双胍激活AMPK信号转导通路抑制肿瘤细胞增殖:AMPK信号转导通路作为组织细胞中最重要的能量代谢调节通路，它的激活能够激活组织细胞内的分解代谢途径，严重抑制合成代谢途径[1]。众所周知，肿瘤细胞的代谢比一般正常细胞的代谢更加旺盛，其增殖和分化会消耗掉大量的能量，而AMPK信号转导通路的激活从根本上减少了能量的产生，使肿瘤细胞处于“饥饿”的状态，从而起到“釜底抽薪”的作用，使之增殖速度受到大幅度抑制；除此之外，AMPK信号转导通路的激活限制了脂肪合成和脂质代谢过程，从而间接抑制肿瘤细胞增殖[2]。Jie等[3]的研究结论恰好论证了这一点。Rattan等[4]通过在裸鼠体内造卵巢癌模型，发现使用二甲双胍一段时间后裸鼠的癌细胞的体积出现了一定程度的缩小。这表明二甲双胍可以抑制肿瘤细胞增殖。此外，有研究显示，二甲双胍可以阻断线粒体电子传递链中复合体Ⅰ的电子传递过程，间接激活AMPK信号通路抑制肿瘤细胞增[5]。

2.二甲双胍可以通过阻滞细胞周期来抑制肿瘤细胞增殖:研究指出：二甲双胍能阻滞细胞周期的G0/G1期、S期和 G2/M 期，使肿瘤细胞的分裂停滞，抑制其增殖[2]。Wang等[5]和Cai等[6]分别在骨髓瘤细胞和食管鳞状细胞癌的实验中发现，二甲双胍可以诱导阻滞细胞周期G0/G1期阻滞；而Sebastian等[7]实验表明二甲双胍增强了胶质母细胞瘤的体外放射敏感度，这可能与G2/M细胞周期阻滞有关。Miyoshi等[8]通过体内和体外的实验均发现，二甲双胍抑制肝癌细胞增殖可能与下调多种周期蛋白的表达水平，阻滞细胞周期G0/G1期有关。此外Babcook等[9]研究发现，二甲双胍联合辛伐他汀能诱导C4-2B骨转移性前列腺癌细胞G1期细胞周期阻滞。

3.二甲双胍能通过抑制原癌基因HER-2来抑制肿瘤细胞增殖:人表皮生长因子受体(human epidermal grwoth factor receptor 2, HER-2)基因定位于染色体 17q12.21.32上，具有酪氨酸激酶活性。HER-2基因过表达或扩增会刺激肿瘤细胞增殖[10]。HER-2基因相关研究中显示，二甲双胍具有下调HER-2基因活性及其表达的作用，从而减弱其对肿瘤细胞增殖的刺激[2]。He等[11]有研究发现，胰岛素和胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-1)信号转导介导DM2对乳腺癌的促进作用。HER-2基因、IR(胰岛素受体)和IGF-IR具有相同的PI3K/Akt/mTOR信号通路。而二甲双胍可以抑制mTOR通路，使HER-2基因的表达水平降低。那么，HER-2基因的刺激作用减弱，肿瘤细胞的增殖也会减弱。

4.二甲双胍可以诱导肿瘤细胞凋亡:细胞凋亡在细胞内环境稳定的维持中起着重要作用，是由基因控制的细胞程序性死亡。为检验二甲双胍在MCF-7乳腺癌中的抗增殖作用及其机制，Queiroz等[12]研究发现二甲双胍可以诱导肿瘤细胞凋亡，可能与氧化应激和AMPK途径有关。Feng等[13]研究发现，二甲双胍能选择性抑制食管鳞状细胞癌中肿瘤细胞的增殖，其与诱导肿瘤细胞凋亡的作用有关。

二、二甲双胍能够改善肿瘤细胞微环境

二甲双胍能够改善肿瘤细胞的微环境归因于其基本作用——降低血糖和改善高胰岛素血症[14]。

1.二甲双胍通过降低微环境中葡萄糖的含量限制肿瘤细胞生长：正常细胞内，葡萄糖的含量并非一成不变，而是处于不断变化但依然平衡的稳定状态。当氧含量正常时，葡萄糖在胞质中先转变为丙酮酸，之后进入线粒体参与柠檬酸循环并偶联进行氧化磷酸化；当氧含量不足即缺氧时，丙酮酸不再进入线粒体进行氧化磷酸化而是进入胞质转变为乳酸。但是肿瘤细胞具有独特的代谢规律，大多数肿瘤细胞是通过产能率相对较低的糖酵解作用作为其能量代谢的主要来源。肿瘤细胞这种独特的代谢规律称之为Warburg效应[15]。正是这种独特的代谢方式为肿瘤细胞提供了大量碳源，用以合成蛋白质、脂质、核酸，满足了肿瘤细胞快速生长的需要，从而使其获得生存优势。

在机体血糖正常的条件下，大多数的肿瘤细胞会与正常细胞竞争葡萄糖来满足其对能量的需求，那么，高血糖状态就会给肿瘤细胞提供一个相对“优越”的生长环境。二甲双胍作为疗效显著的降血糖药物，使肿瘤细胞周围环境中的葡萄糖含量大大减少，耗能非常高的肿瘤细胞其增殖所需求的能量不能得到满足，从而使肿瘤细胞的生长受到很大程度限制[16]。除此之外，较新的研究结果还提出低糖饮食能够使肿瘤细胞对二甲双胍的敏感度增强，二甲双胍抗肿瘤的作用也增强，提示生酮等显著降低血糖的饮食方式联合二甲双胍或许是一种切实可行的抗肿瘤治疗方案[17]。

2.二甲双胍通过改善高胰岛素血症来限制肿瘤细胞生长：人口研究已经清楚地表明代谢因素(胰岛素样生长因子和胰岛素)可以造成疾病进展和治疗效果变差[18]。然而近几年在乳腺癌细胞中也发现了胰岛素受体的过表达和胰岛素通过与胰岛素受体结合后，产生的抗凋亡和促有丝分裂效应能够促进肿瘤细胞生长[19]。胰岛素样生长因子(IGFs)是一组具有促进细胞生长作用的多肽，其受体分为IGF-1受体(IGF-1R)和IGF-2受体(IGF-2R)两型，IGFs的生物活性主要由IGF-1R(具有络氨酸激酶活性)介导，它与肿瘤的发生、发展有密切联系。体内胰岛素水平过高，将会改变 IGF -1的水平，进而加快肿瘤细胞的生长增殖[19]。有研究显示，二甲双胍能够下调IR和IGF-1 的量，增加胰岛素和其受体的亲和力，改善高胰岛素血症，从而起到抑制肿瘤的作用[20]。此外，二甲双胍使2型糖尿病患者的癌症发生率降低也与改善高胰岛素血症有关，说明二甲双胍可以调节胰岛素水平，对肿瘤生长增殖起到一定的抑制作用。

三、二甲双胍可抑制肿瘤的侵袭转移

恶性肿瘤细胞不仅增殖速度特别快，且具有无限增殖的能力。其对机体最大的伤害就是它还容易发生侵袭转移。肿瘤细胞如果侵袭转移远处组织器官，将会造成多器官功能的损害。大多数患者都是在肿瘤发生转移时才被发现，而这时候已经进入癌症中晚期。正是因为其转移侵袭，大部分患者通过手术治疗的可能性极小。有学者研究指出二甲双胍可抑制肝细胞癌的肿瘤细胞的体外迁移及侵袭活性，具有潜在的抑制肿瘤侵袭转移的作用[8]。

1.二甲双胍通过对EMT过程作用来抑制肿瘤细胞转移：上皮间质转化(epithelial- mesenchymal transition, EMT)过程与肿瘤细胞的侵袭转移密切相关。原来正常形态的上皮细胞经过EMT，丢掉了原有的细胞极性，变成了具有较高侵袭和迁移能力的间充质细胞。之前许多关于二甲双胍的研究表明二甲双胍可以抑制STAT3磷酸化过程，而STAT3磷酸化过程参与了IL(白细胞介素)-6/IL-6R信号通路。基于之前的研究发现，Zhao等[21]实验显示，二甲双胍能够抑制肺腺癌细胞中IL-6介导的STAT3磷酸化过程，抑制肿瘤细胞生长，同时降低肿瘤的转移，最根本的原因是EMT过程被抑制。Li等[22]评估了二甲双胍对MG63和U2OS(骨肉瘤)细胞的抗增殖作用，结果发现二甲双胍可以通过机械性地调节OS细胞的上皮间充质转变，从而抑制OS细胞的迁移和侵袭。这些研究说明：二甲双胍发挥抑制转移侵袭的作用与EMT过程有关。

2.二甲双胍通过对各种通路的作用来抑制肿瘤细胞转移:晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products, AGEs)和晚期糖基化终末产物受体(the receptor of advanced glycation end products, RAGE)结合形成AGE-RAGE复合体，刺激了胰腺癌和黑色素瘤细胞的生长和(或)转移。二甲双胍还激活AMPK途径，抑制MCF-7乳腺癌细胞AGEs的生成，从而抑制了AGE-RAGE复合体的生成量，也就是说，二甲双胍可以抑制AGEs-RAGE复合体的生成，对肿瘤细胞的转移起到限制作用[23～25]。Ratan等[4]发现二甲双胍诱导能量代谢信号通路AMPK/m TOR激活，会伴随有卵巢癌细胞微血管密度降低以及血管内皮因子的表达。他们证实了二甲双胍不仅能够抑制肿瘤细胞的增殖，而且能够抑制卵巢癌血管的生成和转移。此外，还有研究证明，二甲双胍通过LKB1-AMPK-mTOR独立抑制STAT3激活。因此，二甲双胍通过抑制STAT3抑制肿瘤细胞转移[16]。Cao等[25]研究了二甲双胍单独的抗肿瘤作用，以及其与胰岛素样生长因子1受体单克隆抗体结合对非小细胞肺癌的靶向抑制作用。通过靶向IGF-1R、PI3K/Akt和MEK/ERK信号转导通路使其受到抑制，并且IGF-1R信号通路被下调，以此实现抗肿瘤的作用。

四、二甲双胍能够增强肿瘤细胞对化疗反应的敏感度

越来越成熟的治疗方法给广大癌症患者带来了福音，比如手术切除、放化疗和靶向治疗等。其中，化疗是一种重要的治疗恶性肿瘤的方法，但是其对人体的毒性不良反应较大，许多癌症患者因为无法耐受其毒性不良反应而使治疗效果较差。在最近的动物实验中，已经发现二甲双胍和化疗药物联合使用在治疗癌症中更有效，抗肿瘤效果显著增强，不但减轻了化疗药物的用量，且其毒性不良反应也明显得到改善[14]。

1.二甲双胍通过与药物联用来增强肿瘤细胞对化疗药物的敏感度：二甲双胍(细胞培养液中)可以阻滞已对标准化疗药物产生耐药性的乳腺癌细胞的生长，这提示二甲双胍可作为耐药性肿瘤的辅助治疗药物使用，并且其不良反应较小[12]。靶向突变的EGFR-TKI(表皮生长因子受体络氨酸激酶抑制剂)治疗肺癌疗效显著。有研究显示二甲双胍能够有效增强耐TKI肺癌细胞对厄洛替尼或吉非替尼的敏感度，二甲双胍联用EGFR-TKI药物在肺癌的治疗中效果会更显著[25]。联合二甲双胍和多柔比星用于研究老鼠肺腺癌移植瘤的实验中发现，如果减少一定剂量多柔比星，老鼠肿瘤复发率不会受到任何影响[26]。另有研究表明，单独使用化疗药物紫杉醇、顺铂以及阿霉素治疗肺癌、乳腺癌和前列腺癌的效果比和二甲双胍联用治疗的效果差[14]。Huang等[26]的研究中也表明，与单独使用比较，二甲双胍和奥沙利铂联合作用增强了药物对于结直肠癌细胞增殖的抑制作用。Jiralerspong等[27]针对糖尿病合并乳腺癌的新疗法回顾性研究结果显示，非糖尿病患者组的pCR(病理完全缓解率)为16%，使用二甲双胍治疗组的pCR为24%，而未接受二甲双胍治疗组的pCR为8%。这些数据说明无论是否患有糖尿病，联用二甲双胍治疗的患者比未联用的患者治疗效果好。以上这些研究结果说明，化疗药物联用二甲双胍可以有效增强肿瘤细胞对其敏感度，提高化疗疗效。

2.二甲双胍通过选择性杀死肿瘤干细胞来增强肿瘤细胞对化疗药物的敏感度：干细胞具有很强的分化潜能。在肿瘤中也存在着肿瘤干细胞(tumor stem cell, TSC)。哈佛大学医学院研究人员指出化学疗法只能杀死形成实体的肿瘤细胞，但不能杀死TSC，TSC能对化疗药物产生抵抗，降低肿瘤细胞对药物的敏感度，其疗效则将大打折扣。因此，针对TSC的靶向治疗或许是一种新颖且有效治疗肿瘤的方法。近年来，研究发现二甲双胍对TSC有选择性杀死作用[28]。Shank等[28]发现二甲双胍可以降低卵巢癌细胞株肿瘤干细胞比例，指出二甲双胍在体内外都有限制卵巢癌干细胞的效果。Yu等[29]研究了二甲双胍抗胶质瘤细胞增殖的作用，发现二甲双胍和替莫唑胺的联合使用在体内和体外均可以协同抑制胶质瘤细胞和神经胶质瘤TSC的生长，并且可以抑制胶质瘤TSC的自我更新，在一定程度上消除TSC。

五、展 望

综上所述，大量研究表明,二甲双胍通过促进细胞凋亡、阻滞细胞周期、改善肿瘤微环境、抑制转移侵袭和增强化疗药物疗效等作用，在多种肿瘤细胞中显示出了其很强的抑制生长和增殖的作用。一方面可能是其对肿瘤细胞的直接作用机制，另一方面可能是其通过降低患者血糖水平、降低胰岛素抵抗、提高胰岛素敏感度而间接抑制作用机制。近些年来，围绕着二甲双胍抗肿瘤的作用展开了大量的实验研究，也发现了一些可能的作用机制。虽然二甲双胍还没有开始进入正式的临床试验阶段。不过，相信在未来的抗肿瘤药物中二甲双胍将会起到举足轻重的作用。