单羧酸转运蛋白在恶性胶质瘤中的研究进展

马瑞爽，陶庆松，龚升平，朱挺，葛小琴，赵阳，高翔，郭建新#

宁波市第一医院1放化疗科，2神经外科，浙江 宁波 315010

肿瘤多呈现高度异质性的代谢表型，主要归因于原癌基因和抑癌基因突变的积累。这种异质性增加了微环境的压力，如暴露于缺氧、葡萄糖、其他营养物质耗竭和酸中毒环境[1]。由于致癌过程中的选择性压力，糖酵解表型赋予肿瘤细胞优于正常细胞的优势。为维持肿瘤细胞增殖和肿瘤生长，肿瘤细胞增加其糖酵解活性以允许碳水化合物重新定向至生物合成途径[2]。与多数实体肿瘤一样，恶性胶质瘤表现为以活跃糖酵解为基础的代谢重塑，增加葡萄糖摄取，并转化成乳酸或丙酮酸，对糖代谢有更高的依赖性[3]。研究表明，代谢状态失调及表观遗传状态改变与神经胶质瘤的发生发展过程密切相关，如异柠脱氢檬酸酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）突变和丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2）表达异常[4]。单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporter，MCT）是乳酸等单羧酸化合物的快速转运载体，在糖代谢过程中发挥重要功能。近期研究表明，MCT在恶性胶质瘤中特异性表达，并促进恶性胶质瘤的发生发展过程。

1 胶质细胞-神经元乳酸穿梭

与周围组织不同，正常神经星形胶质细胞表现出活跃的葡萄糖摄取能力，以糖酵解的方式为自身提供能量，同时生成并释放大量的乳酸，然后被神经元主动消耗和氧化，称为星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭[5-7]。神经元将星形胶质细胞产生的乳酸视为主要的能量来源，进行充分氧化磷酸化供能，这种模式类似于实体瘤的代谢重排。脑代谢的异质性依赖于星形胶质细胞和神经元中不同糖酵解酶的表达[8]。神经元需要大量的能量来维持细胞膜电位和神经传导。但大脑的血氧和葡萄糖是相当有限的，在维持低能量生存的前提下，星形胶质细胞将乳酸作为高能底物贡献给神经元，不仅作为能量供应，且作为脂肪酸、核酸和蛋白质生物合成途径所需的前体[9]。因此，一个葡萄糖分子可以被重复使用，并使氧在神经元中的应用最大化。星形胶质细胞和神经元之间存在如此显著不同的代谢模式，表明乳酸产生细胞和乳酸消耗细胞间存在动态调节的代谢交换。

乳酸不应再被简单地视为神经元的能量底物，更是一种重要的信号分子，它可以独立于代谢效应来调节细胞生物学活动[10]。研究表明，星形胶质细胞释放并被神经元吸收的乳酸是维持神经元活动所必需的[11]，乳酸能够维持神经元的可塑性和记忆[12]。乳酸通过放大N-甲基-D-天冬氨酸受体受体（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR）介导的电流并增加细胞内钙浓度，调节神经元的兴奋性[13]。乳酸对大鼠大脑皮层暴露于高浓度谷氨酸引起的兴奋毒性有神经保护作用[14]；同时在短暂性大脑中动脉闭塞的中风模型中也发挥神经保护功能[15]。

2 MCT与恶性胶质瘤的关系

2.1 MCT与乳酸转运和肿瘤代谢

MCT是一类实现丙酮酸、乳酸、酮体及短链脂肪酸等单羧酸类化合物快速通过细胞膜，在保证碳水化合物、脂质及氨基酸正常代谢中发挥重要作用的转运蛋白家族成员[16]。MCT家族成员的主要生物学功能包括促进营养物质吸收、维持细胞的代谢与酸碱平衡、细胞间氧化还原物质交换、辅助药物吸收等，在糖酵解及糖异生过程中都发挥重要作用[17]。

大多数肿瘤细胞在氧气充足的条件下仍以异常活跃的糖酵解来提供快速生长与增殖所需要的能量，即Warburg效应。这种供能方式可导致乳酸的生成大量增加，如不进行有效的转运，乳酸堆积将影响肿瘤细胞生长与增殖，甚至导致肿瘤细胞死亡[18-20]。低氧区的糖酵解肿瘤细胞产生的乳酸与氢离子通过MCT4排出至肿瘤微环境中，然后被表达MCT1的外周氧化型肿瘤细胞摄取，由乳酸脱氢酶还原成丙酮酸与还原型辅酶Ⅰ（NADH），进入三羧酸循环，成为呼吸作用的燃料[21]。MCT1和MCT4是高糖酵解状态下肿瘤细胞排出乳酸、维持细胞内环境稳态的主要转运体，并在多数肿瘤中表达上调；抑制其功能将导致肿瘤细胞内乳酸堆积[22-24]。过量的乳酸一方面使糖酵解失活造成细胞供能不足，另一方面使细胞内酸性增强影响多种代谢途径，最终造成肿瘤细胞死亡。

在基因突变的肿瘤中，MCT1与乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）表达明显增加，促进了乳酸在肿瘤内部的转运和再利用，以维持高糖酵解活性供肿瘤细胞的能量消耗[25]。MCT维持肿瘤细胞高速的糖酵解，为正常供应能量提供保证。Doherty和Cleveland[26]发现，MCT1的活性被抑制后，糖酵解中间产物发生显著改变：葡萄糖转运减少，ATP、NADPH及谷胱甘肽水平降低。

2.2 MCT与大脑发育

MCT在神经系统中显示出细胞特异性分布，低亲和力的MCT1和MCT4存在于星形胶质细胞中，高亲和力MCT2存在于神经元中[27]。在大脑发育过程中可以观察到不同MCT亚型的表达，目前临床已在胚胎和成人脑血管中检测到MCT1的表达[28]。研究显示，MCT2的分布受到发展和区域的调控。出生时，几乎所有的大脑区域都有高水平的MCT2表达，如小脑和新皮质。生长发育过程中，海马中的MCT2表达增加，但在多数成年人的脑组织中表达水平较低，在分化的神经元中表达更高[29]。与MCT2相似，MCT4在发育过程中表达也发生变化，但与MCT2相比，其表达被延迟。

在成年人脑组织，MCT1在微血管内皮细胞和星形胶质细胞中表达，MCT2在神经元中表达，MCT4仅存在于星形胶质细胞中[30]。有研究在成年大鼠大脑皮层、海马和小脑中发现了MCT1的表达[31]。毛细血管周围的神经胶质末梢和脑实质细胞中也发现了MCT1的表达。MCT2在小鼠脑中主要表达于皮质、海马和小脑。MCT2的主要定位在神经元的突触后密度中，并在小脑的浦肯野纤维中发现了MCT2的表达[32]。MCT4的表达已在成年大鼠和小鼠大脑皮质、纹状体、海马、下丘脑室旁核的星形胶质细胞中得到证实[31]。因此，MCT细胞特异性表达和每种亚型的Km值支持星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭的假设。研究显示，星形胶质细胞具有更高的糖酵解活性，通过MCT1和MCT4将乳酸释放到间质液中，而相邻的氧化神经元通过MCT2吸收乳酸，氧化成丙酮酸，然后进行三羧酸循环提供ATP[33]。MCT不仅对外周神经系统中的乳酸转运至关重要，对髓鞘形成也有重要影响[34]。研究表明，脑内皮细胞通过上调MCT1的表达维持乳酸稳态并控制成年海马神经生长[35]。

2.3 MCT与恶性胶质瘤

Vallée等[36]研究表明，恶性胶质瘤生物学行为与WNT信号通路的激活、诱导关键代谢酶的变化、增加MCT基因转录密切相关。敲减MCT1的表达，降低恶性胶质瘤细胞葡萄糖消耗率，可明显减少乳酸外流，降低细胞增殖活性及克隆形成率[37]。Mathupala等[38]也证实，降低MCT1蛋白的表达、阻断乳酸流、降低细胞内的PH值，可抑制肿瘤细胞的生长。因此，MCT1能够影响恶性胶质瘤糖代谢表型，维持稳定乳酸流和细胞内PH值。研究表明，缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）、MCT1或MCT4高表达提示胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）患者预后不良[39]。HIF-1α、MCT4和LDH在GBM组织内部区域高表达，而在外侧区域表达降低；MCT1在内侧区不表达，在外侧区高表达。因此，GBM的不同区域有不同的能量代谢途径。Lai等[40]研究表明，缺氧时MCT4表达升高，MCT4水平与恶性胶质瘤临床病理分级呈正相关。敲除MCT4基因可降低GBM细胞迁移能力和单核细胞的粘附性。

MCT在维持胶质瘤干细胞性中也发挥重要作用。研究显示，MCT1在GBM干细胞中表达上调，敲减MCT1可抑制GBM干细胞的活性[41]。Ghosh等[42]证实，MCT1和HMOX1与GBM干细胞性相关。敲除MCT4基因与表达干细胞标志物CD133的细胞百分比降低和凋亡率增加有关[43]。敲减MCT4的表达，可严重阻碍GBM干细胞的自我更新，降低细胞侵袭性、致瘤性和耐药性[44]。此外，MCT1不仅可介导胶质瘤细胞与脑内皮细胞间的乳酸信号，还能促进肿瘤血管生成[45]。GBM细胞分泌的支链酮酸通过MCT1转运，能够改变肿瘤相关巨噬细胞表型并降低其吞噬功能[46]。

3 MC T抑制剂

有证据表明，靶向肿瘤代谢，特别是影响酸性微环境，增加了替莫唑胺在GBM中的抗肿瘤作用[47]。Miranda-Gonçalves等[48]使用α-氰基-4-羟萘酸（α-cyano-4-hydroxycinnamate，CHC）抑制MCT活性增强了替莫唑胺在神经胶质瘤细胞中的作用（协同作用）。体内模型中使用CHC能够延缓肿瘤生长，增加肿瘤细胞对辐射的敏感性，并减少肿瘤侵袭[49]。因此，靶向MCT，特别是GBM中的MCT1，成为治疗GBM的有吸引力的潜在靶点，导致细胞内的酸碱度和乳酸转运的降低，从而降低糖酵解速率，可能有助于增强化疗药物（如替莫唑胺）和放疗效果，以及GBM中的抗血管生成治疗的效果。但CHC对各MCT亚型的特异性较低，且抑制线粒体丙酮酸转运体和阴离子泵1，因此，CHC的疗效不稳定、不良反应明显[50]。此外，CHC通常在较高的微摩尔浓度才发挥作用，临床应用价值有限。ARC155858和AZD3965是较新的高效MCT1/MCT2抑制剂，其中AZD3695在目前研究中较为常用，且正在进行多项临床试验[51]。但由于MCT4的代偿作用，细胞内外乳酸还能够在一定程度上进行交换，这些化合物的治疗作用有限。近期有研究发现了一种新的MCT抑制剂家族，7ACC2是其中的代表，其能够选择性抑制MCT1和MCT4的表达，显著减少肿瘤细胞的乳酸摄取[52]，其治疗效果和临床应用还需要进一步的体内研究证明。

进一步研究发现，常用的抗高血压药物昔洛舍平是一种双重MCT1和MCT4抑制剂（对MCT4的抑制效率比MCT1高60倍）[53]。昔洛舍平作用于肿瘤细胞，引起细胞内乳酸水平升高，抑制细胞生长，其与二甲双胍的联合治疗时，可抑制乳酸脱氢酶和线粒体NADH脱氢酶的活性，导致糖酵解所需的NAD+再生能力下降，从而阻滞了糖酵解的进程，造成肿瘤细胞ATP耗尽和死亡。

4 小结

传统的肿瘤治疗方法如手术、放化疗存在疗效不一和不良反应大的问题，近年来兴起的靶向治疗因其特异性的抗肿瘤作用得到了医务人员与患者的青睐。MCT是肿瘤靶向治疗的潜在靶点，多项研究成果也证实，抑制MCT1或MCT4的表达可以控制恶性胶质瘤细胞增殖及转移。抑制MCT1表达提供了同时靶向肿瘤代谢和影响血管形成的机会，并能增强恶性胶质瘤对放疗和化疗的敏感性。MCT的靶向抑制治疗也可与生酮疗法等同样聚焦于肿瘤Warburg效应的新兴治疗策略联合应用，获得更佳的治疗效果。进一步探究MCT的表达与活性调节及在肿瘤发生发展中的机制与作用，对在恶性胶质瘤中的效果进行全方位的评估，开发与传统治疗方法的联合治疗策略，为研发更具特异性、更安全的靶向药物提供了理论基础。

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