非小细胞肺癌中脂质代谢的研究进展

常 慧，张雅萌，丁选胜

（中国药科大学基础医学与临床药学学院，南京211198）

在我国，肺癌的发病率和病死率均居恶性肿瘤首位［1］。组织学上，肺癌可分为非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）和小细胞肺癌（small cell lung cancer，SCLC）。NSCLC包括鳞癌（鳞状细胞癌）、腺癌（腺状细胞癌）和大细胞癌，约占所有肺癌患者的85%［2］。在治疗过程中，化疗药物严重的不良反应、靶向治疗药物的高耐药率以及肿瘤免疫耐受微环境等均给NSCLC的治疗带来了诸多挑战，因此亟待寻求治疗NSCLC的新思路和新策略。

1920年，德国科学家Warburg发现，氧气充足的条件下，肿瘤细胞的糖酵解活性强于正常细胞，此即著名的“Warburg效应”。近十几年来，细胞代谢改变在肿瘤中的重要作用开始被重新认识，并且对肿瘤代谢的认识已经不再局限于糖酵解和三羧酸循环的改变，诸多代谢通路包括脂肪酸代谢、谷氨酰胺代谢、胆固醇代谢、丝氨酸代谢、一碳单位代谢及胆碱代谢等，在肿瘤细胞中均发生了重编程变化。在活细胞中，脂质是维持细胞结构、提供能量和参与细胞信号传递的必需物质。脂质代谢可以产生多种生物活性中间体，它们是通过激活多个信号通路而产生的，也可以调节多个信号通路，在调节细胞生长、增殖、分化、存活、凋亡、炎症、运动和细胞膜稳态等方面发挥着重要的作用。同样，脂质代谢紊乱会改变细胞膜的组成和通透性，导致多种肿瘤的发生和发展，在结肠癌、乳腺癌、肺癌和前列腺癌等肿瘤中均已发现异常的脂质代谢［3］。根据国际脂类分类和命名委员会，脂类目前分为8大类:脂肪酸、甘油脂、甘油磷脂、鞘脂类、固醇脂质、孕烯醇酮脂、糖脂和聚酮。目前认为与肿瘤发展和化疗最相关的脂类是脂肪酸、甘油脂类、甘油磷脂、鞘磷脂和甾醇脂类［4］。人体内的脂质根据来源又可以分为饮食来源的脂质和内源性脂质，一些研究发现，术前血清高密度脂蛋白胆固醇水平的降低与非小细胞肺癌患者的生存不良有关［5］。然而在一项针对高胆固醇饮食和肺癌发生率的Meta分析中，却发现并无足够的证据证明高胆固醇饮食与肺癌发生的风险有明显相关性［6］，这些实验结果的差异可能是由一些不可控因素例如肥胖、胰岛素抵抗、吸烟习惯或可能导致胆固醇水平降低的潜在疾病引起的。因此血清胆固醇与肺癌之间的关系仍需进一步的精心设计与研究。本文重点阐述内源性脂质的代谢与非小细胞肺癌的关系。

1 脂肪酸代谢与非小细胞肺癌

在肿瘤细胞中，高速率的从头合成产生大量单不饱和脂肪酸（monounsaturated fatty acids，MUFA）被认为是继葡萄糖和谷氨酰胺代谢改变之后第3个典型的肿瘤特征［7］。细胞中的脂肪酸通常以三酰甘油（triglycerides，TGs）的形式储存在脂滴中，并通过三酰甘油脂肪酶（adipose triglyceride lipase，ATGL）、激素敏感性脂肪酶（hormone-sensitive lipase，HSL）和单酰基甘油脂肪酶（monoacylglycerlipase，MAGL）等作用释放出游离脂肪酸。Currie等［8］发现在NSCLC细胞内存在脂肪酸有关合成酶高表达的现象。高水平的脂肪酸合成酶不但促进了肿瘤细胞的生长，还提高了NSCLC细胞转移能力和对顺铂的耐药性［9］。脂肪酸合成的第一个步骤是由乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）介导的，在哺乳动物中，ACC由两个相关的酶ACC1和ACC2编码，催化乙酰辅酶A形成丙二酰辅酶A。ACC1编码的细胞质异构体被认为是控制脂肪酸合成的主要异构体，而ACC2则与线粒体外膜相连，其催化产物丙二酰辅酶A可以阻止肉碱棕榈酰转移酶-1（carnitine palmityl transferase-1，CPT-1）的功能，阻止脂肪酸进入线粒体进行脂肪酸氧化［10］。最近的研究证实肿瘤细胞表型，取决于FA合成或FA氧化，前者特点是ACC1的过度表达，后者特点是一个不活跃的非羟基化ACC2和脯氨酸羟化酶3（prolyl hydroxylase domain-containin protein 3，PHD3）的缺乏［11］。当细胞能量较低时，AMP水平高于 ATP水平，AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）使 ACC1和ACC2磷酸化并失活［12］从而促进脂肪酸氧化，恢复生物能量稳态。相反，在营养丰富的情况下，PHD3羟基化并激活ACC2，抑制线粒体脂肪酸氧化。可见，脂肪酸氧化过程受AMPK和PHD3的双重调控，摸清脂肪酸的合成代谢和分解代谢之间的关联有助于更好的开发靶向药物，相应的通路不仅控制脂质本身，还控制调节一些代谢中间体的活性。

脂肪酸合成酶（fatty acid synthetase，FASN）可以催化乙酰辅酶A或者丙二酰辅酶A生成脂肪酸，也是脂肪酸合成代谢的关键酶之一，FASN除了定位于在细胞质中以外，还可以整合到膜室中，并可被ERBB2等膜受体酪氨酸激酶或mTORC1的组成部分丝氨酸／苏氨酸激酶mTOR激活磷酸化。值得注意的是，FASN已被证明在乳腺癌和胰腺癌中可以与棕榈酰化的脂筏蛋白caveolin-1相互作用，使得靶向FASN后在抑制肿瘤增长的同时也会通过一种caveolin-1依赖的途径促进肿瘤细胞迁移［8，13］。Ali等［14］发现表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）棕榈酰化在具有突变型EFGR并对酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine kinase inhibitor，TKI）耐药的 NSCLC中特异性表达，突变的EGFR可以在固醇调节元件结合蛋白1的介导下激活FASN，FASN反过来促进EGFR棕榈酰化，产生TKI抗性，FASN的选择性抑制剂奥利司他可以抑制这种作用。

缺氧环境可以通过调节参与FA去饱和酶的活性，影响肿瘤细胞调节细胞脂质代谢的能力。低氧可以诱导形成活性氧（reactive oxygen species，ROS）并导致脂质过氧化，在这方面，硬脂酰辅酶A去饱和酶（stearyl coenzyme A desaturatase，SCD）的作用得到了广泛的关注，它是固定在内质网膜的整合蛋白，可以催化棕榈酰辅酶A和硬脂酰辅酶A的Δ9位置形成双键，生成单不饱和脂肪酸。由于该反应需要氧气，小鼠实验显示SCD可以在间断低氧的条件下被诱导产生［15］，这说明了在缺氧的肿瘤微环境中，肿瘤细胞可以通过增加SCD的水平来弥补单不饱和脂肪酸合成的不足。此外，Δ5脂肪酸去饱和酶 FADS1和Δ6脂肪酸去饱和酶FADS2的作用也逐渐被认知［16］，这些酶参与多不饱和脂肪酸的生成，而多不饱和脂肪酸是炎症和免疫反应的重要调节因子。SCD1在肺癌细胞中普遍高表达，与肺癌的肿瘤发生、发展及生存率密切相关［17］。研究发现，在SCD1基因的启动子中存在固醇调节元件和核因子结合位点的基因序列，并且其活化过程受上游基因PPARγ的调控［18］。过表达SCD1可以激活 EGFR／PI3K／Akt信号通路，促进A549和H1573细胞对吉非替尼耐药，具体机制可能与SCD1的Y55位点可直接与EGFR结合有关［19］。自2006年以来，肿瘤干细胞的概念被不断提及，肿瘤干细胞的存在是肿瘤细胞不断增殖并逃避化疗的不竭动力。有研究人员发现，在肺癌干细胞中，SCD1还可以通过激活Wnt／catenin通路上调YAP和 PDZ水平，从而促进干细胞增殖［20］。Pisanu等［21］指出，联合使用SCD1抑制剂治疗肺癌干细胞可以逆转对顺铂的耐药性，同时SCD1活性的抑制会破坏配体诱导的EGFR磷酸化进而影响细胞增殖。

除了从头合成以外，细胞还可以通过细胞分化簇36（CD36）从外界环境吸收脂肪酸。Pascual等［22］研究发现，负责摄取脂肪酸的蛋白CD36是具有转移潜能肿瘤细胞的标志物，其预后较差。可见CD36可能是抑制肿瘤细胞的转移的潜在靶点。通过上调脂肪酸结合蛋白（fatty acid binding protein，FABP）是另一种促进肿瘤细胞摄取脂质的机制［23］（见图1）。有研究发现 FABP3和 FABP4在NSCLC中高表达，且与晚期肿瘤淋巴结转移（TNM）分期有显著的相关性，并且与非小细胞肺癌患者的总体生存率呈负相关［24］。虽然脂肪酸代谢与NSCLC的联系以及调控脂肪酸代谢的机制仍需进一步研究，但上述研究扩展了对NSCLC进展中脂肪酸代谢的知识，为寻找新的抗代谢疗法提供了潜在的新靶点。

Figure 1 Fatty acid metabolic pathways in cancer［23］ACC:acetyl-CoA carboxylase；ACLY:ATP citrate lyase；ATGL:adipose triglyceride lipase；CD36:cluster of differentiation 36；CGI-58:Comparative gene identification 58；FA:fatty acid；FABPs:fatty acid binding proteins；FASN:fatty acid synthase；HSL:hormone sensitive lipase；LDLr:low density lipoprotein receptor；SREBPs:sterol-regulatory element binding proteins；TCA cycle:tricarboxylic acid cycle

2 胆固醇代谢与非小细胞肺癌

胆固醇稳态受到一个复杂的蛋白网络的严格调控，包括其摄入、合成、外排、代谢和酯化。固醇调节元件结合蛋白（sterol regulatory element binding protein，SREBP）和肝脏 X受体（liver X receptor，LXRs）是胆固醇稳态的关键调控因子。哺乳动物细胞中可以表达3种 SREBP亚型。SREBP-1a、SREBP-1c和SREBP-2。SREBP-la和1c是由基因SREBF1编码的，SREBP-1c主要调控脂肪酸合成所需基因的表达，而SREBP-1a则能够调控脂肪酸和胆固醇合成、胆固醇摄取。SREBF2基因编码的SREBP-2对调节胆固醇合成和摄取具有相对特异性。因此SREBP2对于肿瘤细胞胆固醇代谢意义重大［25］。内质网中胆固醇的降低会触发SREBP2和SREBP裂解活化蛋白（SREBP cleavage-activation protein，SCAP）的复合物从内质网转移到高尔基体，随后SREBP2被裂解释放，其NH2端转录因子进入细胞核激活胆固醇合成基因羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶（HMG-CoA reductase，HMGCR）的转录并促进胆固醇经低密度脂蛋白受体摄入细胞。胆固醇过度积累会导致LXRs上调，进而激活ABCA1，ABCG1等来调节胆固醇外排［26］（见图2）。

Figure 2 Transcriptional regulation of cholesterol metabolism during high and low intracellular sterol levels［26］APO A-I:apolipoprotein A-I；HDL:high density lipoprotein；ABCA1:ATP binding cassette transporter A1；LDL:low density lipoprotein；NPC1L1:Niemann-Pick C1-like 1；ACAT:acyl coenzyme A-cholesterol acyltransferase；HMGCR:3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-coenzyme A reductase；LDLR:low density lipoprotein receptor；SREBP:sterol-regulatory element binding proteins；SCAP:SREBP-cleavage activation protein；INSIG:insulin-induced gene

在正常细胞中，通过转录调节参与脂质生物合成的关键基因，胆固醇生成速率处于一个较低的水平。而肿瘤细胞可以通过 PI3K／AKT／mTOR和MAPK／ERK1／2、HIF-1α、p53和 SHH通路调节和激活SREBP-1，使生长因子或类固醇激素受体的信号活性增加［27］。目前在前列腺癌、乳腺癌、肝癌、胃癌、结直肠癌和肺癌等中均发现了高水平的胆固醇［3］。另外胆固醇暴露在空气中很容易被氧化，氧甾醇的生成速率被认为与胆固醇合成的速率成正比。氧甾醇可以通过与Insig1、Insig2和LXRs结合，调控胆固醇合成中的关键酶HMGCR的转录并干扰ERK、Hedgehog和Wnt通路，减缓细胞增殖，刺激细胞死亡［3］。

胆固醇转运蛋白NPC1L1是另一种介导胆固醇流入的蛋白，位于肠上皮细胞膜上，参与游离胆固醇进入肠上皮细胞的吸收过程。NPC1L1基因敲除可通过下调血浆胆固醇、炎症反应、β-catenin、p-c-jun和p-ERK水平来预防大肠埃希菌相关癌变的发生［28］，然而其在 NSCLC中的作用尚未见报道，鉴于其在胆固醇代谢中的重要作用，推测其可能与NSCLC的发生有关。

另一方面，胆固醇还参与了肿瘤细胞的耐药过程，例如Chen等［29］观察到在NSCLC中与吉非替尼敏感细胞相比，吉非替尼耐药细胞的脂筏内胆固醇水平明显升高，将脂筏胆固醇耗竭后细胞恢复了对吉非替尼的敏感性。考来烯胺和桦木醇可以通过抑制SREBP／SCAP或者SREBP，提高NSCLC患者对吉非替尼的敏感性［30］。

3 磷脂代谢与非小细胞肺癌

细胞膜主要由5种磷脂组成:磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）、磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）和鞘磷脂（sphingomyelin，SM）。磷脂双分子层构成了细胞膜的支架，在控制物质进出和信号传递过程中发挥着重要作用，磷脂水平异常与许多疾病的发生发展有关。目前有关磷脂与肿瘤关系的研究主要停留在磷脂作为生物标志物方面。例如Chen等［31］使用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UHPLC-Q-TOF／MS）对早期 NSCLC患者、肺良性疾病患者和健康对照者的血清进行非靶向脂质组学分析，发现早期NSCLC患者的脂质代谢谱发生了显著变化，其中PC和PE的可以作为早期NSCLC的生物标志物。PS在正常生理条件下位于细胞膜内侧，肿瘤细胞中的PS在磷脂转位蛋白酶失活或Ca2＋依赖的许多酶作用下，被转运到细胞膜的外叶［32］。利用PS外翻特性，目前已经有许多靶向肿瘤PS的分子被开发出来以治疗不同的肿瘤［33］。暴露在细胞膜外叶上的PS标志物下一步就会被巨噬细胞和吞噬凋亡细胞识别，然而在许多肿瘤包括NSCLC中均发生了CD47过表达，其通过与巨噬细胞表面的信号调节蛋白α（signal regulatory protein alpha，SIRPα）结合而抑制对肿瘤细胞吞噬作用，CD47靶向制剂SIRPαD1-Fc被证明可以增强吞噬细胞的吞噬作用，增强机体对NSCLC的免疫力［34］。

酸性鞘磷脂酶（acid sphingomyelinase，ASM）是鞘脂类物质代谢的关键酶，其主要存在于溶酶体中，可以催化鞘磷脂分解为神经酰胺和磷酸胆碱，其中神经酰胺在酸性神经酰胺激酶作用下产生鞘氨醇，磷酸化的鞘氨醇1-磷酸鞘氨醇（sphingosine 1-phosphase，S1P）具有与神经酰胺相反的生物学功能，两者可以在体内相互转化，当S1P含量高于神经酰胺时，细胞就会发展成为肿瘤细胞。临床样本分析显示，腺癌和鳞状细胞癌患者的血液以及肺肿瘤组织中ASM活性增加，将ASM敲除可以提高鞘磷脂和神经酰胺含量的比值，促进H520细胞凋亡，进一步的研究指出敲除ASM后小鼠肿瘤细胞内的活化T细胞和细胞因子受体数量均有所增加，提示ASM可能是NSCLC免疫疗法的新的有效靶点［35］。

4 针对NSCLC脂质代谢紊乱的调脂作用药物应用现状

4.1 降脂药物

大量临床前和临床数据表明，包括NSCLC在内的多种肿瘤依赖于过度活跃的FA生成。FASN揭示了抗肿瘤药物靶点的典型特征:在肿瘤中过表达；它是肿瘤生长所必需的；它很容易被小分子抑制剂获得。然而，由于药物动力学不良、生物利用度低、以及不良反应严重等原因，现有的FASN靶向药物大多不适合临床使用［7］。奥利司他是已经上市的FASN抑制剂，主要用于肥胖症的治疗，现发现其可以抑制EGFR棕榈酰化而缓解NSCLC耐药［14］。与之相似的是，非诺贝特作为第3代贝特类降脂药物，除了降低胆固醇和三酰甘油水平外还可以提高血浆高密度脂蛋白水平，临床上被广泛用于治疗高胆固醇血症和高脂血症。研究显示非诺贝特属于FASN的抑制剂，NSCLC的体内体外实验均表明非诺贝特可以抑制肿瘤生长［36］。与此同时由Nimbus公司研发的化合物ND-646（ACC选择性抑制剂）已经在2017年开始了针对NSCLC的临床试验［9］。

近年来，降脂药物如他汀类药物单独使用或与治疗药物联合使用的研究越来越多。他汀类药物是HMGR抑制剂，通过竞争性抑制内源性胆固醇合成限速酶抑制细胞内甲羟戊酸，从而降低细胞内胆固醇合成。一项针对2007～2011年间19 974名肺癌患者的Meta分析结果表明，诊断后使用阿托伐他汀和辛伐他汀可以显著提高患者生存率［37］。洛伐他汀作为第一代他汀类药物，除了抑制HMGR以外还可通过抑制微小染色体维持蛋白2（minichromosome maintenance 2，MCM2）来阻滞细胞周期，抑制NSCLC的发生［38］。另外，抑制SCD1活性也被证明可以降低NSCLC细胞的存活率，将SCD1抑制剂g-PPT（人参皂苷衍生物）与吉非替尼联用可以显著逆转吉非替尼耐药现象［39］。

4.2 调节脂质过氧化药物

氧化应激导致细胞损伤的基本途径有3种:细胞膜脂质过氧化、蛋白质氧化修饰和DNA损伤。脂质过氧化作用影响细胞膜和其他含脂结构。脂质β氧化后通常会释放出氧气，然后通过线粒体呼吸链将其还原为水。同时，脂质也可以被高效的ROS引发剂氧化，特别是羟基自由基和过氧化氢自由基。脂质过氧化氢自由基是一个非常不稳定的分子，它可以与相邻的另一种脂肪酸结合形成脂质过氧化氢和不同的脂质自由基，或者它可以与自身反应，脂质过氧化氢也可以分解为脂质过氧化氢自由基和羟基自由基。前期形成的脂质自由基可与氧反应生成另一种脂质过氧自由基，以此类推。因此，这个过程被称为“脂质过氧化的连锁反应”其反应的主要中间产物是脂质过氧化氢，它可以扰乱细胞和线粒体膜结构，产生细胞毒效应［40］。

姜黄素是一种从姜黄中分离得到的二酮类活性成分，具有调血脂、抗肿瘤、抗炎、抗氧化的功效。在包括肺癌在内的许多肿瘤中均有报道。姜黄素可通过刺激PPARγ-LXR-ABCA1通路介导的脂肪细胞胆固醇外排，抑制多种肿瘤的发生和发展［41］。肺癌细胞暴露于姜黄素后，ROS、细胞内Ca2＋和内质网应激增加。这些信号导致线粒体膜电位丧失，并最终导致Caspase 3的激活［42］。与之相似的是花姜酮，一种从球姜中提取的环倍半萜天然化合物，其可以通过促进 p53表达和诱导线粒体Caspase 3和Caspase 9激活两种途径增加NSCLC对顺铂化疗的敏感性［43］。槲皮素属于多酚类黄酮化合物，具有抗氧化、扩血管、降血脂和抗肿瘤等多重功效。有文献证实槲皮素可以显著提高血浆非酶抗氧化能力，降低脂质过氧化，保护乳腺癌治疗过程中阿霉素和多西紫杉醇引起的氧化损伤［44］，也可以通过抑制Hsp70增强肺癌细胞株A549和H460对吉西他滨的化学敏感性［45］。此外还有小檗碱通过增加活性氧生成，使得Bax和Bcl-2的含量失衡，导致线粒体膜电位破坏，活化的Caspase 9和Caspase 3裂解PARP，导致A549细胞凋亡［46］。

5 总结与展望

脂质代谢和肺癌之间的关系是近年来的研究热点，其涉及到 p53、c-myc、β-catenin、mTOR、p-cjun和p-ERK等复杂的信号通路的调控。异常的脂质代谢尤其是大量的脂肪酸从头合成可以为肿瘤细胞提供增殖所需的细胞膜成分和脂类信号分子。虽然临床前研究和临床试验揭示了脂质代谢在肿瘤生长和转移中的重要作用，然而大多数的研究都集中在脂质代谢的某一方面，并没有完全考虑到其动态的整体性和环境条件的复杂控制影响。进一步的研究需要研究肿瘤细胞在不同条件刺激下是否继续保持诸如从头合成的代谢特点和代谢过程。另外，中药具有成分复杂性和生物效应多样性的特点，这既是其优点也是其缺点，目前关于中药治疗NSCLC的物质基础与作用机制尚待继续研究。相信随着中药提取工艺技术的不断进步，中药活性成分／单体单独或者联合使用的用药方案将成为治疗NSCLC的新的研究方向。