靶向葡萄糖代谢以外营养物质的纳米药物在肿瘤饥饿治疗中的应用

李至彦，李向晖，艾世超，殷 祎，刘 颂，管文贤

（南京大学医学院附属鼓楼医院胃肠外科，南京 210008）

饥饿治疗（starvation therapy，ST）是一种剥夺肿瘤需要的关键营养物质并干预其代谢的治疗方式，近年来引起了广泛关注。肿瘤细胞通过提高摄取、转运和利用营养物质的效率以促进其生长、增殖和转移［1］。鉴于独特基因突变作为治疗靶点非常困难，针对肿瘤共有的代谢表型可能是一种广谱的抗癌方式［2］。对肿瘤细胞葡萄糖代谢的干预已经成为了抗肿瘤研究的热点，但其他营养物质也被证明可以部分替代葡萄糖代谢的作用［3］，因此，对葡萄糖外营养物质的干预是必需的。肿瘤内氨基酸、脂肪酸等营养物质的代谢效率都升高，这些营养物质被认为是肿瘤发生、发展、转移的重要代谢物和代谢调节物［4］。近年来，这些代谢途径愈发得到重视，研究也愈发透彻［5］，一系列靶向这些营养物质的药物也进入了临床研究。本文涉及的代谢途径如图1所示。

Figure 1 Metabolic pathways and drugs targeting metabolism involved in this review

虽然ST 有独特优势，但仍有一些问题阻碍其进一步应用。首先，抑制肿瘤细胞与正常细胞共有的代谢途径会损伤正常组织，也可能影响免疫细胞分化［4］。其次，大多数小分子药物的溶解度和半衰期都较短，故选择合适的给药方式也是一大难题。此外，单一的ST 会引发靶点以外代谢途径的代偿作用从而导致药物耐受［3］，治疗效果有限，而将ST与其他治疗方式联合可能是一个较好的选择。为了解决上述问题，纳米药物已被用来辅助ST（图1）。利用肿瘤特异性抗原或特殊的细胞膜，可以使纳米药物在肿瘤区域特异性聚集，减少系统毒性。并且纳米药物能同时介导多种治疗方式，进行联合治疗，从而有更好的疗效［6］。因此，纳米药物可以弥补传统给药方式的不足。

本综述系统回顾了消耗非葡萄糖的营养物质或干预其摄取及合成的纳米药物，详尽阐述了它们的设计理念和抗肿瘤机制（图2）。

1 肿瘤细胞内的营养代谢

1.1 肿瘤内乳酸代谢

无论是否处于缺氧环境，大部分肿瘤细胞都生成大量乳酸［7］。乳酸能被肿瘤细胞再次摄取以提高新陈代谢速率，其穿膜的关键转运蛋白是质膜单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporter，MCT），其中MCT4 参与乳酸的排出，而MCT1 和MCT2 主要负责乳酸的摄取（图1）。在进入细胞后，乳酸可以通过生成丙酮酸和乙酰辅酶A 参与三羧酸循环，也可通过生成丙氨酸和谷氨酸参与蛋白质代谢［8］。另外，乳酸还能通过提高细胞运动性、促进细胞外基质重塑、上调促肿瘤细胞因子水平、调节免疫等方式引起肿瘤转移［9］。阻断乳酸代谢可能会增加葡萄糖消耗，进而导致肿瘤细胞死亡。作为乳酸穿膜的重要载体，MCT 是潜在的肿瘤治疗靶点。MCT1 抑制剂AZD3965 正在晚期实体瘤患者中进行临床试验［10］。

Figure 2 Schematic diagram of nanomaterial assisted starvation therapy(ST)involved in this paper

1.2 肿瘤内氨基酸代谢

肿瘤细胞对氨基酸的需求比正常细胞更高。除了必需氨基酸外，肿瘤细胞也需要外源性补充一些非必需氨基酸如丝氨酸和谷氨酰胺，以支持其高代谢活动［11］。多种氨基酸转运蛋白在肿瘤中高表达以满足其代谢。

除了合成蛋白质以外，氨基酸也可以作为中间代谢物和信号转导分子发挥重要作用。如丝氨酸是核苷酸合成和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）甲基化的原料；亮氨酸、谷氨酰胺和精氨酸可以激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路［12］；亮氨酸和精氨酸等必需氨基酸能被细胞感知以评估蛋白质合成的原料是否充足［13］。谷氨酰胺成瘾是肿瘤细胞较为重要的氨基酸代谢异常之一，表现为肿瘤细胞特异性摄取谷氨酰胺，用来生成能量以及作为生物合成的碳源和氮源。谷氨酰胺主要通过ASCT2 等转运蛋白进入细胞（图1），经线粒体内谷氨酰胺酶转化为谷氨酸后，再转化为α-酮戊二酸，进入三羧酸循环，生成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），以提供能量［14］。此外，谷氨酰胺也是细胞一些非必需氨基酸、脂质、核苷酸的合成底物，还能生成谷胱甘肽以调控细胞还原系统。因此，谷氨酰胺代谢成为了肿瘤代谢的研究热点。

目前，一些靶向氨基酸代谢的药物正在进行临床试验或已被批准进入临床应用，如抑制谷氨酰胺酶的CB-839和将精氨酸转化为瓜氨酸的聚乙二醇化精氨酸脱亚氨酶正进行临床试验［2］，L-天冬酰胺酶已被美国食品和药物管理局（FDA）批准用于急性淋巴细胞白血病的治疗［15］。

1.3 肿瘤内脂质代谢

从肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）中摄取的脂肪酸是肿瘤代谢的重要底物，其具有缓解肿瘤代谢应激的功能。由于脂肪酸产生的ATP 比葡萄糖多，许多肿瘤细胞过表达脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，FAO）所需酶以满足高水平的能量需求［16］。一部分参与脂质和类固醇从头合成的酶与肿瘤的发展密切相关［17］。细胞通常通过从头合成和摄取两种机制获得脂质。三羧酸循环中的柠檬酸能被转运入细胞质，作为脂肪酸和胆固醇从头合成的前体［18］，经一系列酶的催化转化为甘油三酯（图1）。而肿瘤中过表达的分化簇36、高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）转运体等分别负责脂肪酸、胆固醇的摄取。当营养物质受到限制时，脂肪酸是细胞生长和存活的重要能源。肉碱棕榈酰转移酶1能将脂肪酸转化为酰基肉碱，然后后者穿梭至线粒体中进行β-氧化并产生能量。

靶向脂质代谢中重要的酶可能是针对肿瘤脂质代谢的一个可行方案。因此，靶向乙酰辅酶A羧化酶和胆碱激酶的药物正在进行临床研究［2］。

2 靶向乳酸代谢的纳米药物

2.1 靶向乳酸代谢的饥饿治疗

基于MCT1 在细胞和TME 间转运乳酸的功能，Yu 等［19］开发了名为CHC/GOx@ZIF-8 的纳米系统来共转运葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）和MCT1 抑制剂α-氰基-4-羟基肉桂酸酯（α-cyano-4-hydroxycinnamate，CHC），这两种药物分别干预葡萄糖和乳酸代谢。在该体系中，GOx 是一种生物酶，能在氧气协助下将葡萄糖氧化为葡萄糖酸和过氧化氢（hydrogen peroxide，H2O2），从而减少肿瘤内葡萄糖含量［20］。CHC 直接抑制乳酸转运入细胞。作为载体的沸石咪唑酯骨架材料-8（zeolitic imidazolate framework-8，ZIF-8）可在酸性环境中的分解，引起药物在酸性TME 中特异性释放。当药物在肿瘤区域释放后，能提供ATP的葡萄糖和乳酸代谢均被阻断，引起细胞活力急剧下降。从机制上讲，CHC 阻断MCT1介导的乳酸内流抑制耗氧的线粒体呼吸，缓解细胞缺氧。节约的氧气又有利于GOx对葡萄糖的氧化，进一步切断肿瘤的营养供应，这说明了联合抑制多种代谢底物的有效性。

2.2 靶向乳酸代谢的联合治疗

2.2.1 联合化学动力治疗和基于乳酸代谢的饥饿治疗 化学动力治疗（chemodynamic therapy，CDT）是指通过Fe2+等金属离子催化芬顿或类芬顿反应，歧化肿瘤内过量的H2O2，产生氧化性羟基自由基（·OH），以破坏生物分子，有效杀死肿瘤细胞的治疗方式［21］。与GOx 类似，乳酸氧化酶（lactate oxidases，LOD）能催化乳酸生成丙酮酸和H2O2，为CDT 提供底物［22］。为了联合CDT 和饥饿疗法，Zhou 等［23］构建了以ZIF-8 为载体的纳米粒，共转运四氧化三铁和LOD，称为LFZ。在酸性TME 中被释放后，LOD 在氧化乳酸的同时，也为四氧化三铁催化的芬顿反应提供H2O2。乳酸消耗和有毒的·OH 产生的联合作用将4T1 肿瘤细胞的活力降低到大约20%。但可惜的是，该文章未讨论抑制肿瘤转移等靶向乳酸代谢的独有抗肿瘤机制。

2.2.2 联合光动力治疗和基于乳酸代谢的饥饿治疗 光敏剂在光照下能产生活性氧（reactive oxygen species，ROS），以杀伤肿瘤，该治疗方式被称为光动力治疗（photodynamic therapy，PDT）。然而，PDT的疗效高度依赖于肿瘤区域的氧浓度，改善乏氧的TME能提高PDT的杀瘤能力［24］。乳酸的氧化是耗氧过程，因此阻断该过程能节省细胞内氧气，提供给需氧的PDT。Qin 等［25］通过酯化反应将光敏剂Chlorene6（Ce6）与FDA 批准的一种新型药物D-α-tocopherol polyethylene glycol 1000 succinate（TPGS）合成了名为TCe6 的一种新型光敏剂。其中，TPGS 有与线粒体复合物Ⅱ相互作用，增加ROS生成的作用。再将TCe6通过π-π堆叠与CHC共组装，最终制备了无载体TCe6/CHC 纳米粒。CHC 可阻断乳酸摄取和随后的线粒体内氧化过程，原先用于乳酸氧化的氧气便可节省给Ce6介导的PDT。有趣的是，TCe6 中的TPGS 还可阻断呼吸链，产生额外ROS，使TCe6/CHC 治疗组生成最多的ROS，并取得最佳的治疗效果。

2.2.3 联合化疗和基于乳酸代谢的饥饿治疗作为一种传统疗法，化疗的非选择性毒性是一个亟待解决的问题［26］。因此，需要联合其他疗法提高化疗的疗效，同时降低不良反应。LOD 催化乳酸氧化是一个耗氧过程，所以其可以加剧TME的乏氧程度，与乏氧激活的前药共转运可实现药物的定点激活与精准治疗。Tang 等［27］应用纳米粒转运LOD 和乏氧激活前药巴氧蒽醌二盐酸盐（banoxantrone dihydrochloride，AQ4N）。随 着LOD 和AQ4N的持续释放，AQ4N 因LOD 氧化乳酸的强烈耗氧过程被激活，产生化疗毒性。特异性的药物激活使化疗药物对正常组织的影响忽略不计。除了乳酸氧化过程中产生的ROS 和化疗药物的直接毒性外，降低肿瘤乳酸水平也可以抗血管生成和抗肿瘤转移，文中对内皮细胞标志物分化簇31 水平降低、血管内皮生长因子阳性点减少和肺转移结节减少的详细研究证明了这一点。

除了激活前药，靶向乳酸代谢也可以促进药物的精准释放。细菌Shewanella oneidensisMR-1（SO）可在无氧环境下将电子从乳酸转移到含Mn4+或Fe3+的金属化合物。Wang 等［28］利用这一特性消耗乳酸，并共转运多柔比星，合成了药物缓释系统，称作SO@MIL-101-DOX-HA。SO 电子转移不仅消耗了乳酸，还减少了纳米体系中名为MIL-101的金属框架中的Fe3+，生成Fe2+，破坏框架结构，促进多柔比星释放。还原产生的Fe2+介导芬顿反应，生成·OH。因此，该体系结合了基于乳酸的饥饿治疗、化疗和CDT。有趣的是，该纳米药物在过表达P-糖蛋白的4T1细胞中也表现出明显的治疗效果，可能的机制是消耗乳酸克服了P-糖蛋白介导的耐药性。综上，通过利用细菌这一特殊的生物载体，该纳米系统部分解决了化疗药物副作用和药物耐受这两大难题，为生物材料应用和代谢干预的结合展示了可能性。

3 靶向氨基酸代谢的纳米药物

3.1 靶向氨基酸代谢的饥饿治疗

Jiang 等［29］设计了一种名为MFBC@CMR的纳米药物来干扰肿瘤蛋氨酸和乳酸代谢。二氧化氯及由其生成的Cl-在此疗法中起到了重要作用。单分散树枝状碱性硅酸钙纳米颗粒负载二氧化氯、氟伐他汀钠、布比卡因和二甲双胍以靶向必需氨基酸蛋氨酸。此外，二氧化锰也被包裹在纳米颗粒上，用来与TME 中过量的还原性谷胱甘肽反应，从而使纳米颗粒在肿瘤部位特异性解体，起到药物精准释放的作用。二氧化锰被降解后，MFBC@CMR 释放二甲双胍破坏三羧酸循环，驱动乳酸的产生，且氟伐他汀钠阻断了MCT4介导的乳酸流出，导致细胞内pH 进一步降低，二氧化氯也由此释放以氧化蛋氨酸。此后，来自二氧化氯的Cl-通过布比卡因打开的电压依赖性阴离子通道进入线粒体，产生直接毒性杀伤细胞。总之，通过环环相扣的一系列反应，二氧化氯受控地释放，用于蛋氨酸氧化。该治疗方式可以通过DNA 损伤和p38 丝裂原活化蛋白激酶激活引起肿瘤细胞凋亡，并抑制转移。

3.2 靶向氨基酸代谢的联合治疗

3.2.1 联合化学动力疗法和基于氨基酸代谢的饥饿治疗 类似于LOD，L-氨基酸氧化酶（L-amino acid oxidase，AAO）能特异性氧化L-氨基酸为α-酮酸、H2O2和 氨。AAO 能 通 过H2O2与CDT 联 合。Chu 等［30］制备了空心Fe3+/单宁酸外壳，携带AAO，并用肿瘤细胞膜包裹。L-氨基酸和AAO 之间的相互作用产生了大量H2O2，为CDT 提供底物。该纳米药物通过氨基酸的剥夺和过量的ROS 触发了Bcl-2/Bax/Cyt C/caspase 3 线粒体凋亡途径。此研究普适性地展现了一系列产ROS的生物酶在纳米药物中的应用。

3.2.2 联合化疗和基于氨基酸代谢的饥饿治疗除了直接消耗氨基酸，阻断肿瘤细胞中上调的氨基酸转运蛋白是干预氨基酸代谢的另一种方式。参与亮氨酸转运的氨基酸转运蛋白B（0+）［（amino acid transporter B（0+），ATB0，+）］和L型/大型中性氨基酸转运蛋白-1（L-type/large neutral amino acid transporter-1，LAT1）在多种肿瘤中过表达［31-32］，可作为治疗靶点。Kou 等［33］将与ATB0，+有高亲和力的亮氨酸连接至纳米粒，开发了LJ@Trp-NPs，用于递送抑制LAT1 的JPH203。广谱酪氨酸激酶抑制剂拉帕替尼也被整合至该体系中。通过其表面的亮氨酸的靶向作用，纳米粒可以与ATB0，+特异性结合，从而导致该转运体转运速率下降，再加上JPH203对LAT1的阻断，大多数氨基酸的吸收显著受阻。限制氨基酸摄取还可以下调导致拉帕替尼耐药的mTOR 信号通路，增强拉帕替尼的药效，显示出良好的抗增殖、抗血管生成和抗转移效果。

4 靶向脂质代谢的纳米药物

4.1 靶向脂质代谢的饥饿治疗

脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN）是催化脂肪酸合成的重要生物酶，并在许多肿瘤中过表达，因此被认为是潜在治疗靶点［34］。为解决奥利司他这种FDA批准的FASN抑制剂的疏水性问题，Hill 等［35］将其装载到自组装的透明质酸聚合物纳米颗粒中。此方法延长了药物体内循环时间，通过减少脂肪酸合成和抑制线粒体代谢来杀伤前列腺癌和乳腺癌细胞系。单酰基甘油脂酶（monoacylglycerol lipase，MGLL）也是脂质代谢的干预靶点。由白蛋白携带的MGLL 抑制剂MAGL23 可以特异性抑制脂质代谢［36］。还有研究者尝试通过纳米药物递送小干扰RNA，靶向MGLL，将游离脂肪酸水平降低了50%［37］。

4.2 靶向脂质代谢的联合治疗

4.2.1 联合热疗和基于脂质代谢的饥饿治疗升高肿瘤区域温度可以使细胞膜解体、细胞骨架损伤和DNA 合成受抑制，导致肿瘤细胞发生凋亡［38］，常用的方式有光热治疗、磁热治疗等。有研究者已将热疗与干预脂质代谢相结合。一些肿瘤细胞，特别是白血病和淋巴瘤的肿瘤细胞，会通过HDL 载体加速摄取胆固醇进行酯化［39］。因此，可以设计纳米药物阻断HDL 转运体［40-41］。为了优化疗效，Singh 等［42］利用掺杂锌-锰的氧化铁，构建了磁性纳米结构，将阻断胆固醇转运与热疗相结合。在纳米药物表面涂覆1，2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱和载脂蛋白A1 使其具有和HDL 相似的功能和表面成分。因此，纳米颗粒可以与B1 型清道夫受体（一种HDL 载体）特异性结合，下调胆固醇流入。除了用作磁共振T2 加权造影剂外，氧化铁核心还在射频场下产生热量，杀伤肿瘤。热疗期间产生的热休克蛋白70也促进了树突状细胞的成熟、分化以及T 细胞激活，从而激活免疫，杀伤肿瘤。与此机制类似，携带姜黄素的珊瑚状适体-FeS2纳米颗粒可抑制丙酮酸激酶同工酶M2（pyru-vate kinase isozyme M2，PKM2）和FASN，并利用FeS2介导光热治疗［43］，从而实现抑制脂质代谢和热疗的联合治疗。

4.2.2 联合化疗和基于脂质代谢的饥饿治疗为了提高亲水性和生物利用度，奥利司他被制成自组装纳米颗粒，称为NanoOrl。Souchek 等［44］进一步将其与紫杉烷类共同使用以解决药物外排过多、微管改变、信号通路改变等导致的耐药性问题。该治疗方案通过影响微管的稳定性，导致对紫杉烷类耐药但对奥利司他纳米颗粒敏感的TxR细胞死亡。可惜的是，该研究将NanoOrl 和紫杉烷分开给药，而未作为一个体系共同转运，这应该在后续研究中得到改进以获得更好的疗效。

5 结论与展望

纳米材料辅助的ST通过增强药物靶向性和释放的精准性，提高给药效率且避免了对正常组织的不良反应。这一特性可以更好地发挥ST的优势，部分解决了传统的全身给药会损伤正常组织的缺点。因此，许多营养物质，包括乳酸、氨基酸和脂质的代谢已成为纳米药物的干预靶点，并取得了很好的代谢干预效果。除此以外，由于纳米药物可以将多种药物整合为一个有机整体，并由此介导多重疗法。因此，PDT、CDT 和化疗等均可与ST 相结合，多种疗法可产生交互作用并增强疗效，起到“1+1 ＞2”的效果。本文涉及的相关纳米药物见表1。

Table 1 Nanodrug targeting non-glucose nutrients

尽管如此，在纳米材料辅助的ST 进入临床应用之前，仍有一些问题有待解决。首先，纳米药物应用的主要障碍是这些纳米材料组分的长期生物安全性问题，特别是不可降解的无机纳米材料在给药后可在体内长时间停留引起毒性。除此以外，机体也可能无法耐受长期的代谢干预。尽管许多研究都列出了短期生物安全数据及纳米药物在体内的生物分布，但大多只观察了较短时间，而且不同实验动物和人类之间的差异也很大［45］，这些都可能阻止实验疗效良好的药物应用于临床。其次，剥夺营养物质的长期抗癌作用并不确定。因为代谢通路的复杂性，许多旁路途经能替代被抑制的营养物质［46］，不同肿瘤的代谢方式也有不同，这可能导致药物无效或肿瘤的耐药甚至复发。所以，纳米药物发挥药效的时限也是纳入考虑的重要因素。最后，虽然一些纳米药物疗效较好，但它们通常由多步反应合成，结构复杂，很难保证同质性和批量生产，而较少的组分会降低联合疗法之间的精细程度和治疗效果。引入具有多种功能的物质，使每一种成分都有其独特和不可或缺的价值，而不是简单地加和，可能是一个解决方案［47］。ST 已经得到了广泛关注，本课题组也围绕代谢进行了一些研究，包括作用于电子传递链的酶复合体抑制有氧呼吸，抑制磷酸戊糖途径增强放疗疗效等。但ST的研究重点仍是葡萄糖代谢，靶向葡萄糖外营养物质的纳米药物较少。在对于肿瘤营养代谢通路逐渐认识并完善的同时，可以预见，更多基于ST的纳米药物将被开发，并有望在肿瘤治疗中产生重要的作用。