肿瘤微环境与代谢

刘梦迪，魏立彬，郭青龙

(中国药科大学玄武门校区，江苏省肿瘤发生与干预重点实验室，江苏 南京 210000)

1 肿瘤微环境特性对肿瘤细胞代谢活动的影响

肿瘤微环境(TME)是肿瘤细胞生存的复杂环境，它是由肿瘤细胞、肿瘤相关基质细胞(成纤维细胞、免疫相关细胞、骨髓来源的炎症细胞、淋巴细胞等)以及细胞产生的细胞因子、趋化因子、酶等外泌成分多种元素组成的。

异常的TME在改变肿瘤细胞代谢表型的过程中发挥着重要作用。在实体肿瘤发展过程中，为满足快速增殖需要，肿瘤细胞会产生多种物质不断刺激血管新生。然而肿瘤组织中的血管结构、功能均不完善，分布不均衡，其生长与正常组织中的血管差异较大，因此无法为肿瘤组织供应充足的营养。肿瘤微环境的pH值、氧气、葡萄糖及多种关键营养物质在时间、空间上均呈现不均匀的特性，诱导肿瘤细胞应激，进而促进其代谢表型的转变，影响肿瘤进程[1]。

1.1 缺氧对肿瘤代谢的影响

由于恶性肿瘤细胞快速增殖，肿瘤组织普遍存在缺氧的特征[1-4]。过去的临床研究显示组织缺氧(氧分压[PO2]≤2.5 mmHg)是局部进展性实体瘤的病理生理特性：头颈癌肿瘤组织氧分压为正常组织的四分之一，前列腺癌肿瘤组织氧分压为正常组织的十分之一，胰腺癌肿瘤组织氧分压仅为正常组织的二十分之一[5-7]。缺氧条件下，缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)不再被细胞内氧依赖性泛素蛋白酶降解，能够稳定表达，调控多种靶基因的表达，影响肿瘤细胞的生长、增殖、转移和能量代谢，适应低氧环境[8]。HIF-1α的上游共济失调突变基因(ataxia telangiectasia mutated，ATM)能够上调HIF-1α的表达，促进HIF-1α与其他癌基因或转录因子协同激活葡萄糖摄取及多种糖酵解代谢酶的表达及活性。已有研究显示，HIF-1α上调葡萄糖转运蛋白(glucose transporters，GLUT)表达促进葡萄糖摄取；同时促进丙酮酸脱氢酶激酶 1(pyruvate dehydrogenase kinase1，PDK1)和单羧酸转运蛋白4(monocarboxylate transporter4，MCT4)的表达，增加乳酸脱氢酶A(lactate dehydrogenase A,LDHA)活性，从而抑制丙酮酸进入三羧酸循环(Tricarboxylic Acid Cycle，TCA cycle)，阻断氧化磷酸化，促进糖酵解活动[9-11]。TME缺氧是肿瘤生存的一种普遍状态，HIF-1α在维持生存和调控能量代谢方面起到关键作用。

1.2 葡萄糖缺乏对肿瘤代谢的影响

实体肿瘤内部葡萄糖常处于缺乏状态，尤其是远离血管处，呈现葡萄糖剥夺状态[12]。研究发现，在胃癌中葡萄糖的含量为正常胃组织中葡萄糖含量的1/3左右，结肠癌中葡萄糖的含量仅为正常结肠组织中葡萄糖含量的1/10左右[13]。在葡萄糖缺乏条件下，为了维持肿瘤细胞的快速增殖，肿瘤组织会通过主动调节自身状态，显著提高营养物质的摄取率以适应环境。研究证实，当子宫内膜癌细胞处于高浓度葡萄糖环境时，肿瘤细胞激活多条信号通路快速增殖；但将癌细胞饥饿处理后，环境中的营养物质无法满足肿瘤细胞生长需求，细胞生长受到抑制，停滞在G0/G1期，为了提供更多的ATP，癌细胞的代谢方式会由糖酵解转变为氧化磷酸化[14]。这说明肿瘤细胞能通过改变代谢方式以适应不同生存环境，可能是其在逆境中维持生存的一种应急调节机制，也是肿瘤治疗策略中应重视的问题之一。

1.3 pH值对肿瘤代谢的影响

在氧气及营养物质充足的环境中，肿瘤细胞内的pH通常是中性至碱性的。当肿瘤细胞通过糖酵解作用快速将葡萄糖分解为乳酸，为降低乳酸对细胞自身的不利影响，肿瘤细胞通过质子外排机制，将产生的大量乳酸排至微环境中，导致微环境酸化，而肿瘤细胞对酸性微环境的适应又进一步促进其糖酵解表型的发展[15-16]。

近年来研究表明乳酸不只是肿瘤细胞的代谢废物，它参与了肿瘤细胞生长、转移等多种过程，对肿瘤的发展具有重要意义。研究显示肿瘤细胞代谢表型的改变与乳酸有密切关系。研究表明，在原发性小鼠模型中，耐力训练诱导雌激素相关受体 α 配体 (estrogen receptor-related receptor α，ERRα)表达抑制LDH-B和MCT1，降低肿瘤组织中的乳酸浓度，从而有助于预防肿瘤的发展[17]。乳酸在肿瘤细胞中的再利用是肿瘤代谢研究的热点之一。与正常培养条件相比，高乳酸培养条件会导致肿瘤细胞代谢方式发生改变，氧化磷酸化明显增强，呈现非Warburg效应现象[18-20]。肿瘤组织中存在富氧区与乏氧区，乏氧区肿瘤细胞发生糖酵解生成乳酸并通过MCT4排到胞外，而富氧区肿瘤细胞则会通过MCT1摄取乳酸并转化为丙酮酸用于TCA循环分解产生ATP，肿瘤细胞间这种依赖乳酸穿梭的复杂代谢方式称为“代谢共生”[21-22]。肿瘤能量代谢的改变和代谢共生都是为适应外界环境改变，演化出的满足自身快速增殖能量需求的应答机制，为肿瘤提供了生长优势。

1.4 细胞因子对肿瘤代谢的影响

无论在肿瘤的早期还是中晚期发展中，免疫/炎症细胞通过产生多种细胞因子发挥了重要作用，包括调节肿瘤细胞代谢。转化生长因子 -β(transforming growth factor-β，TGF-β)是属于转化生长因子超家族的多功能细胞因子，在肿瘤的生长、分化、免疫及侵袭转移等过程中均发挥重要作用。研究显示，TGF-β能够诱导肿瘤细胞由OXPHOS转换成有氧糖酵解，并且诱导肿瘤细胞邻近的基质细胞也发生代谢重编程，通过增强的有氧糖酵解产生乳酸，再次为肿瘤细胞代谢提供“燃料”[23-25]。在乳腺癌及前列腺癌细胞中，炎性细胞因子肿瘤坏死因子 -α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)可以诱导肿瘤细胞有氧糖酵解水平的提高，增加乳酸生成并抑制氧化代谢和线粒体功能[26-27]。白介素(interleukin，IL)是一类由多种细胞产生，调控免疫应答并且广泛参与调节体内多种病理生理过程的细胞因子。IL-4可以显著上调前列腺癌细胞糖酵解关键酶LDHA的表达，增强糖酵解作用，促进癌细胞生长[28]。IL-6通过激活STAT3上调糖酵解限速酶磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFK)的两个亚型PFK-1和PFK-2的表达，促进肿瘤细胞糖酵解[29]。

2 肿瘤细胞中三大营养物质的代谢重编程及调控

代谢重编程是肿瘤的一个重要特征，在动态的TME中，通过各种内源性或外源性机制使肿瘤细胞改变代谢活动以实现：(1)大量高效的ATP以维持高能状态；(2)增加的大分子生物合成量；(3)适当的氧化还原状态。主要是葡萄糖、蛋白质、脂质三种主要生物大分子的代谢活动[30]。

2.1 Warburg效应

20世纪初德国生化专家Otto H.Warburg发现在氧气和葡萄糖充足的体外培养环境中，肿瘤细胞摄取大量葡萄糖并生成的丙酮酸并未在线粒体内进行TCA 循环，而是由LDH催化为乳酸，通过糖酵解方式产生ATP，称为“Warburg效应”，或有氧糖酵解，这是肿瘤细胞代谢重编程中最显著的特征[31-32]。有氧糖酵解既满足肿瘤细胞在一般细胞进程、细胞增殖、分化、逃避检查点的控制等过程中所需要的大量ATP，还提供了一种生物合成优势，糖酵解途径产生的高通量底物允许碳有效分流到关键的辅助生物合成途径，从而满足自身生物大分子的合成[32-35]。“Warburg效应”增强了肿瘤细胞对生长环境的适应性，使其在与正常细胞的营养竞争中拥有生长优势。

PI3K-AKT通路是人类癌症中最常发生突变的信号通路之一，它的激活不仅促进肿瘤细胞的生长和存活，也对肿瘤代谢尤其是 “Warburg效应”具有关键调控作用[36]。AKT是糖酵解表型重要的驱动因素，可以增加葡萄糖膜转运蛋白的表达和转位，调控糖酵解的关键酶如己糖激酶(hexokinase，HK)[37-39]、PFK[40]等的磷酸化，促进糖酵解活动。此外，AKT通路激活还能够通过磷酸化FOXO而使其失活，从而解除FOXO对糖酵解相关基因转录表达的抑制作用[41]。mTORC1被AKT活化后可增加HIF-1α以及HIF-α相关糖酵解酶的表达，驱动糖酵解表型的发生[42-43]。

2.2 氨基酸代谢

氨基酸代谢失调也是肿瘤细胞的代谢重编程方式之一，对肿瘤进展具有重要作用。近年来谷氨酰胺代谢是氨基酸代谢重编程中的研究热点。作为人体内最丰富的非必需氨基酸，在某些情况下，谷氨酰胺却是肿瘤细胞的重要 “必需氨基酸”[44]。当谷氨酰胺转化为谷氨酸后可以被催化生成α-酮戊二酸进入TCA循环为肿瘤细胞提供能量，很大程度上回补了“Warburg效应”导致的TCA循环抑制；谷氨酰胺还可以转化为柠檬酸、苹果酸转运出线粒体生成乳酸或作为合成大分子的碳骨架；此外，谷氨酰胺可作为重要的氮源参与合成核苷酸和其他非必需氨基酸，并有助于维持细胞内氧化还原的平衡，因此肿瘤细胞存在“谷氨酰胺依赖”的特性。肿瘤细胞可通过上调谷氨酰胺膜转运体(SLC1A5(ASCT2)、SLC6A14、SLC7A5(LAT1))等增加胞外谷氨酰胺摄入量[45-46]；还能增强关键代谢酶谷氨酰胺酶1(glutaminase1，GLS1)的表达和活性，促进谷氨酰胺代谢和肿瘤细胞生长[47-48]。

2.3 脂代谢

作为肿瘤代谢重编程的重要组成部分，脂类异常代谢主要表现为不可控的脂肪酸从头合成、脂类合成增强和脂肪酸分解水平降低[49]。脂肪酸从头合成过程中重要的底物分子乙酰CoA主要来源于胞外环境中的乙酸和TCA循环中生成的柠檬酸，而柠檬酸的主要来源是葡萄糖和谷氨酰胺，因此肿瘤细胞对上述两种物质有极大的需求。肿瘤细胞中由许多参与脂肪酸和脂类物质合成的信号通路，例如PI3K-AKT通路、癌蛋白ErbB2和HIF-1α等，它们的活化能促进下游代谢酶，包括脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，FAS)、ATP-柠檬酸裂解酶(ATP-citrate lyase，ACLY)，乙酰CoA羧化酶(acetyl CoA carboxylase，ACC)、单脂酰甘油脂酶 (monoacylglycerol lipase，MAGL)等的表达[50-51]。许多研究以表明，肿瘤细胞中脂肪酸和脂类物质合成的增加可能与快速增殖过程中需要大量的膜脂以及肿瘤的迁徙转移有关[51-52]。

3 肿瘤相关基质细胞的代谢改变及调控

肿瘤相关基质细胞不是致瘤细胞，却是肿瘤生长和转移所必需的重要条件，并能诱导肿瘤的免疫耐受和耐药。除了肿瘤细胞会发生代谢重编程，肿瘤相关基质细胞如肿瘤相关成纤维细胞和肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages，TAMs)的代谢活动也会发生变化，这些变化对保证肿瘤细胞生长发生有重要意义。目前研究发现，肿瘤相关基质细胞不仅通过旁分泌细胞因子或趋化因子，还通过中间代谢产物促进肿瘤的进展和转移。

3.1 肿瘤相关成纤维细胞的代谢改变

肿瘤相关成纤维细胞(CAFs)是促进肿瘤生长的关键性因素，它通过旁分泌多种细胞因子、生长因子、趋化因子等与邻近上皮癌细胞相互作用，促进肿瘤细胞的增殖、耐药及侵袭转移。近年来多项研究显示，TME中的CAFs也会发生代谢重编程，出现类“Warburg效应”，主要代谢方式由氧化磷酸化转变为有氧糖酵解[53]。TGF-β是激活纤维原细胞并将其向CAFs转变的关键因子，自分泌或肿瘤细胞来源的TGF-β1激活成纤维细胞的TGF-β1信号通路，诱导其向CAFs方向发展。在CAFs的形成过程中，TGF-β诱导异柠檬酸脱氢酶3α(Isocitrate dehydrogenase 3α，IDH3α)发生下调，驱动糖代谢开关，导致代谢重编程[47,54-56]。虽然CAFs和肿瘤细胞的葡萄糖代谢方式都转变为有氧糖酵解，但CAFs显然不具备与肿瘤细胞类似的快速增殖特性，这说明糖酵解优势在CAFs中的作用与肿瘤细胞不同。CAFs中有氧糖酵解产生的碳水化合物可能并未用于自身的生物合成。有研究显示，CAFs糖酵解产生的乳酸和酮体被输出到邻近的肿瘤细胞中，维持肿瘤细胞的合成代谢，促进其生长转移[57-58]。CAFs的代谢重编程不但可以改变TME的多种性质，改变自身表达分泌的细胞因子、趋化因子的类型及产量，还可以将代谢中间体直接供给肿瘤细胞，在肿瘤细胞增殖、转移耐药等多个方面发挥重要作用。

3.2 免疫细胞的代谢改变

TME中存在着大量被肿瘤浸润的免疫细胞，包括T淋巴细胞、B淋巴细胞、肿瘤相关巨噬细胞、肿瘤相关树突状细胞(tumor-associated dendritic cells，TADC)、骨髓来源的抑制性细胞等。在营养物质匮乏的TME中，免疫细胞与肿瘤细胞间代谢竞争异常激烈。在快速增殖的需求下，肿瘤细胞大量消耗营养物质并排出代谢废物，影响免疫细胞的代谢活动，进而可能改变其极化类型、抑制其免疫监视功能[59-60]。

3.2.1 T淋巴细胞

肿瘤细胞排出大量的乳酸使得微环境局部乳酸浓度可达到20mmol/L，酸性环境可竞争性抑制T细胞的代谢，降低mTOR活性，抑制其糖酵解作用，从而保证肿瘤细胞本身的代谢需求[61-62]。肿瘤细胞除影响T细胞的糖代谢外，还影响其氨基酸代谢，肿瘤细胞和表达吲哚胺-2,3-双加氧酶的抗原提呈细胞大量分解微环境中的色氨酸，导致T细胞色氨酸缺乏，细胞功能受到抑制，肿瘤细胞得以存活[63]。

3.2.2 TAMs

TAMs来源于单核细胞，是免疫炎症反应重要的组成部分，在不同微环境信号刺激下，可向“经典”活化型M1和“替代”激活型M2两种亚型进行分化[64]。研究表明，TME中的TAMs的代谢发生改变变是其正常极化和发挥功能所必需的。M1型TAMs的葡萄糖消耗和乳酸释放增加，耗氧量降低，类似“Warburg效应”；而M2型TAMs主要利用OXPHOS分解葡萄糖产能[65]。肿瘤细胞可以通过自身代谢机制调控TAMs的活性，比如肿瘤细胞产生的乳酸作用于TAMs中HIF1α介导的相关机制调控其极化；乳酸诱导TAMs表达精氨酸酶1，用于催化产生鸟氨酸和多胺，为肿瘤细胞增殖提供必需条件[66-67]。尽管多项研究已经证实TAMs在发挥不同作用时代谢呈现出不同表型，但目前对于TAMs代谢的细节以及其代谢改变的意义仍缺乏深入研究。

3.2.3 TADC

肿瘤微环境的营养缺乏会可以导致TADC产生内质网应激，内质网应激影响因素XBP1可导致甘油三酯的合成异常，造成脂质堆积，从而减弱TADC的免疫应答能力[68]。

4 结语

肿瘤生存在肿瘤微环境中，二者本就是密不可分的整体，肿瘤微环境的各项特征影响着肿瘤细胞的代谢，反之肿瘤细胞的特性与需求也赋予了肿瘤微环境的动态特性，在此过程中肿瘤相关基质细胞也发生了代谢重编程并诱导其向促进肿瘤发生发展的方向转变。遗憾的是，目前对肿瘤细胞与肿瘤微环境的相互作用机制、能量交换方式的认识十分有限，调控通路也尚未明确。但不可否认的是，研究肿瘤细胞、肿瘤相关间质细胞的代谢重编程，无论对于阐明肿瘤发生发展过程中的分子机制还是临床上的药物开发与肿瘤治疗都具有十分重要的意义。