PKM2和PET/CT在肺癌糖代谢方面的研究与应用进展

周鑫，游金辉

(川北医学院附属医院核医学科，四川 南充 637000)

肺癌是目前世界上最常见的恶性肿瘤之一，包括鳞状细胞癌(鳞癌)、腺癌、大细胞癌、未分化癌、肺泡细胞癌等，其中肺腺癌是最常见的组织学类型[1]。尽管肺癌的早期诊断和治疗取得了一定进展，但5年生存率仍然很低，这可能与肺癌的高转移率和对化疗药物的耐药性有关[2]。肿瘤细胞的糖代谢率显著高于正常细胞，在氧充足的情况下也可以进行糖酵解，称为Warburg效应[3]。M2型丙酮酸激酶(pyruvate kinase M2，PKM2)是糖酵解过程中将磷酸烯醇丙酮酸转化为丙酮酸的关键酶。PKM2在许多恶性肿瘤中过表达，可以增加肿瘤细胞核酸的生成，并促进肿瘤细胞的糖酵解，对肿瘤的生物学行为有重要影响[4]。有研究表明，通过检测PKM2的含量，可以预测肿瘤的存在[5]，而调节PKM2活性的靶向分子疗法可以提高化疗药物的疗效[6]。正电子发射计算机断层扫描/计算机断层扫描(positron emission tomography/computed tomography，PET/CT)将PET与CT结合，由PET提供病灶详尽的功能与糖代谢等分子信息，而CT提供病灶的精确解剖定位，一次显像可获得全身各方位的断层图像，具有灵敏、准确、特异及定位精确等特点。18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)PET/CT显像就是利用肿瘤的糖代谢特点来诊断良恶性肿瘤。近年来，18F-FDG PET/CT在诊断和指导治疗肿瘤方面已显示出独特的优越性，是非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)淋巴结分期的首选诊断技术[7]。现就PKM2、18F-FDG PET/CT显像在肺癌糖代谢方面的研究进展予以综述。

1 PKM2的结构与功能调节

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是控制糖酵解的关键酶和限速酶之一[8]。在哺乳动物细胞中PK存在4种同工酶，即M、R及L型同工酶，其中M型同工酶又分为了M1和M2亚型，它们的表达具有组织特异性，并且受到不同启动子的调节，PKL在肝脏、胰腺、肠和肾的一些细胞中表达，PKR在红细胞中表达[9]。PKM1、PKM2由PKM基因编码，是相互排斥的可变剪接外显子9以及外显子10的产物，两种PKM同种型都具有相同的催化功能；PKM1是组成型活性四聚体酶，PKM2可以四聚体、二聚体或单聚体的形式存在于细胞中，但四聚体的活性最高，四聚体PKM2可促进ATP的产生，而二聚体PKM2则可提高生物合成速率[10]。在正常机体环境中，四聚体与二聚体PKM2维持着动态平衡，一旦该平衡被打破，肿瘤的生长就会增强。

研究表明，PKM2在胚胎细胞、成体干细胞和癌细胞中表达[11]。在胚胎细胞中，随着胚胎的发育与成熟，PKM2的表达逐渐下降，但当细胞癌变后，PKM2的表达重新升高[12]。Christofk等[13]使用短发夹RNA法敲低人癌细胞中的PKM2表达，并用PKM1替代PKM2，结果发现，PKM2表达对于有氧糖酵解是必需的，并且PKM2为体内肿瘤细胞提供选择性生长优势，表明PK的活性能力对于活跃增殖的细胞中十分重要。当PKM2低活性诱导的糖酵解增加时，可以为癌细胞提供快速增殖所必需的各种底物资源[14]。通过基因工程改造以表达PKM1代替PKM2时，癌细胞从有氧糖酵解转变为线粒体呼吸，并且在异种移植后不能形成肿瘤[15]。

PKM2的活性可受多种因子调控，其中酪氨酸磷酸化蛋白通过与PKM2结合可以抑制PKM2活性，从而降低磷酸化-酪氨酸介导的生长信号转导[16]；缺氧诱导因子-1是能量代谢的主要调节因子，可通过调节乙醇酸转移的重编程引起糖酵解增加[17]；Myc可直接结合PKM基因启动子的Myc响应元件，促进转录后剪接时产生PKM2信使RNA；哺乳动物雷帕霉素靶蛋白可以通过激活缺氧诱导因子-1和Myc基因间接调控PKM2的表达[18]。

2 PKM2与肺癌糖代谢

有氧糖酵解是肿瘤的常见特征。Warburg[3]在进行肿瘤细胞检测时发现，即使在大量氧存在的情况下，肿瘤细胞的葡萄糖代谢也存在有氧糖酵解。有学者用薄层丙烯酰胺胆碱凝胶等电聚焦法检测PKM2发现，与正常肌肉组织相比，横纹肌肉瘤组织中PKM2高表达，但在小鼠模型中，PKM2对乳腺肿瘤及白血病的形成是可有可无的[5]。有研究通过免疫组织化学法发现，PKM2在舌癌以及食管鳞癌患者中高表达，并与患者预后呈负相关[19]。Zhang等[20]通过免疫组织化学法发现，在肝细胞癌组织中PKM2的表达显著增加，并与高肿瘤TNM分期和血管侵袭水平相关，提示PKM2可作为肝细胞癌预后和治疗靶点的生物标志物。

肺癌大致分为小细胞肺癌(约15%)和NSCLC(约85%)[1]。NSCLC的主要组织学亚型是腺癌和鳞癌，其次还有大细胞癌、未分化癌、肺泡细胞癌等，但大多数NSCLC的糖代谢高于正常组织[21]。有研究发现，PKM2在肺腺癌患者中过表达，与PKM2低表达患者相比，PKM2高表达患者的总生存率和无病生存率均降低(P=0.017，P=0.027)；通过小干扰RNA技术剔除PKM2，发现肿瘤细胞的增殖、葡萄糖摄取以及ATP生成均显著降低[22]。Zhou等[23]对76例接受18F-FDG PET/CT术前分期的肺腺癌患者进行回顾性分析发现，肿瘤中PKM2的表达高于肿瘤周围组织。Zhou等[24]研究表明，降低PKM2表达可抑制肺鳞癌细胞的生长和迁移，而肺鳞癌细胞中PKM2过表达会导致患者对药物的耐药性。

敬怀志等[25]的研究表明，PKM2表达阳性率在肺腺癌和鳞癌之间差异有统计学意义(57.1%比87.5%，P=0.008)，基于免疫组织化学分析及统计学计算发现，PKM2表达在大多数肺癌分化、淋巴结转移和远处转移(TNM分期)之间差异有统计学意义(P<0.05)，而在年龄、性别、肿瘤大小或远处转移之间的差异无统计学意义(P>0.05)。Rzechonek等[26]研究表明，与正常人肺组织相比，肺鳞癌患者的PKM2也存在高表达，并与肿瘤的TNM分期相关，分期越晚，PKM2的表达相对越高；同时采用分光光度法对65例肺癌患者的PKM2血清活性进行评估发现，与健康人群对照组相比，腺癌患者的PKM2活性平均为136%，而鳞癌患者的PKM2活性为126%，较高的PKM2活性与癌症的Ⅲ期相关(P<0.001)；PKM2作为肿瘤标志物诊断腺癌的灵敏度为79%，诊断鳞癌的灵敏度为81%。

通过测定肺癌患者治疗前、治疗后缓解期以及复发时血浆中PKM2水平发现，治疗前及复发肺癌患者的PKM2高表达，且进行性肺癌患者的PKM2表达显著增加[27]。有报道显示，肺癌合并胸腔积液患者胸腔积液PKM2检测的灵敏度更优于血浆，在肿瘤TNM分期中，Ⅲ～Ⅳ期肺癌患者胸腔积液PKM2阳性率(66.6%)显著高于Ⅰ～Ⅱ期患者(33.3%)；与癌胚抗原(carcinoembryonic antigen，CEA)相比，PKM2诊断肺癌的灵敏度较高(82.14%比71.42%)，特异度相同(90.0%比90.0%)[28]。周莹艳等[29]采用酶联免疫吸附试验检测62例肺癌患者的PKM2水平，并联合CEA及神经元特异性烯醇化酶进行研究，结果发现，PKM2诊断肺癌的阳性率为64.5%(40/62)，灵敏度为64.5%(40/62)，特异度为93.3%(56/60)；CEA诊断肺癌的灵敏度为61.3%(38/62)，特异度为91.3%(58/60)；神经元特异性烯醇化酶诊断的灵敏度为38.7%(24/62)，特异度为98.7%(58/60)；三者联合诊断的灵敏度为87.1%(54/62)，特异度为86.7%(52/60)。

PKM2作为肺癌的肿瘤标志物，对肺癌患者的动态监测、疗效评价及预后判断具有一定的应用价值，与目前临床上常用的肺癌标志物联合可提高诊断的灵敏度。但PKM2与肺癌组织类型的关系以及可否用于良、恶性肿瘤的区分等方面还需要进一步研究。

3 18F-FDG PET/CT显像与肺癌糖代谢

18F-FDG PET/CT显像是反映肿瘤糖代谢水平的分子影像学技术，是目前肺癌检出最为理想的功能分子显像方法。葡萄糖是肿瘤细胞的主要能量底物(Warburg效应)，多数癌细胞生长严重依赖于葡萄糖代谢。脱氧葡萄糖是葡萄糖的类似物，18F-FDG摄取增加是许多恶性肿瘤(如肺癌)预后不良的指标[30]。18F-FDG PET/CT显像在肺癌诊断局部肿瘤范围、纵隔淋巴结受累和远处转移等方面显示出了独特的优越性。18F-FDG PET/CT病灶探测率很高，灵敏度在90%以上，特异度约为70%；对淋巴结及远处转移灶检出更敏感，评估更准确，可提高约30%的肿瘤病灶分期；PET或PET/CT是目前NSCLC患者淋巴结分期的首要技术，PET/CT可发现<1 cm的淋巴结转移[7]。

有研究表明，18F-FDG PET/CT显像的最大标准化摄取值(maximum standardized uptake value，SUVmax)可作为独立的生存预后因素，治疗前SUVmax值与肺癌患者生存时间呈负相关[7]。Liu等[31]的研究表明，标准化摄取值指数(SUVindex，即淋巴结SUVmax/原发肿瘤SUVmax×肿瘤最大直径)可能是肺癌患者纵隔恶性淋巴结转移的预测指标。Putora等[32]对27例肺癌患者行PET/CT显像发现，高SUVmax与肺癌基因突变相关(P<0.008)，而突变状态也与原发肿瘤位置有关(P=0.001)，中央型肺癌突变基因常为间变性淋巴瘤激酶，而周围型肺癌突变基因为表皮生长因子受体。Hsu等[33]对35例多原发肺癌患者行术前PET/CT显像，评估SUVmax与手术结果、预后判断和肿瘤影像学结果之间的关系，受试者工作特征曲线显示，SUVmax预测复发的最佳阈值为3.1，其灵敏度为92.3%(95%CI83.5%～100.0%)，特异度为72.7%(95%CI58.0%～87.4%)；预测无复发生存率的SUVmax曲线下面积为0.86(95%CI0.74～0.99，P<0.001)；在多变量分析中，高SUVmax值与复发独立相关(P<0.01)，危险比为8.24(95%CI1.03～65.74)；高SUVmax值的复发率为6.79%；SUVmax越高，总生存率越低(5年生存率为53.3%)。Kohutek等[34]通过对211例接受立体定向放疗并行PET/CT检查的NSCLC患者进行研究发现，若原发灶SUVmax>3.0，立体定向放疗后的生存率较低，局部复发率高，远处转移的可能较大；且治疗前原发灶SUVmax值越大，复发转移的可能性越高；治疗后病灶SUVmax值越小，局部肿瘤活性控制越高。但糖代谢高的结核、真菌感染病灶SUV值增高明显，而高分化且糖代谢低的肿瘤病灶却表现出相反的显像特点，即SUVmax值增高并不明显，如支气管肺泡癌18F-FDG摄取较低，且支气管肺泡癌中实性成分的百分比与SUVmax值呈负相关[35]。

PKM2作为糖代谢的关键酶之一，在肿瘤细胞中的表达会影响患者的预后及诊疗方案。研究发现，可以通过测定18F-FDG PET/CT显像肺癌病灶的SUVmax值来预测PKM2的表达，PKM2表达越低，患者预后及生存越好，可更好地制定诊疗策略[36]。Takamoch等[37]对术前2个月内接受了18F-FDG PET/CT显像的734例肺腺癌患者病灶组织进行免疫组织化学研究发现，PKM2的表达与SUVmax呈正相关(r=0.62，P<0.05)。De Rosa等[38]对NSCLC小鼠进行18F-FDG PET/CT显像时发现，18F-FDG摄取增加至(23.51±9.72)%时，用厄洛替尼或载体治疗后，18F-FDG摄取减少；进一步研究显示，18F-FDG摄取减少与PKM2下调呈正相关。An等[39]通过免疫组织化学法研究了57例NSCLC患者病灶组织的PKM2与SUVmax值(0.7～24，平均值为6.56)之间的关系，通过Spearman相关性分析发现，PKM2与SUVmax呈弱相关(r=0.21，P=0.06)，而SUVmax与葡萄糖转运体1的表达呈正相关(r=0.551，P=0.001)。但Zhou等[23]通过免疫组织化学法分析了72例PET/CT显像的肺腺癌患者，发现SUVmax值与PKM2的表达无相关性(r=0.176，P=0.190)，而与葡萄糖转运体1呈正相关(r=0.551，P<0.001)。可见，目前有关SUVmax与PKM2在肺癌患者中的相关性仍存在争议。

4 小 结

PKM2的表达与肿瘤分化、淋巴结转移和TNM分期相关，这可能与肿瘤的进展、负荷增加以及大量肿瘤细胞坏死或转移过程中释放更多的PKM2有关。在肺癌临床诊治中，确定PKM2的表达状态非常重要。使用免疫组织化学法评估患者肿瘤组织中PKM2的表达情况，涉及侵入性操作，并且受到肿瘤组织可用性的限制。若采用非侵入性技术(如PET/CT的参数)预测肿瘤PKM2的表达水平可避免这种限制；反之，若通过测定组织或血液中的PKM2表达来反映肿瘤的糖代谢状况(如SUVmax)，也可进一步提高恶性肿瘤的诊治效能。但反映恶性肿瘤患者肿瘤糖代谢水平的SUVmax与糖代谢关键酶PKM2之间的关系并不明确，PKM2联合PET/CT对肺癌的诊断是否有益还有待进一步研究。