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作者：周宇會 魏九峰 李國東 劉明 來源：國際腫瘤學雜志, 2017,44(10) : 762-766. 摘要 腫瘤細胞可以通過一種異常的糖代謝行為來逃避正常的細胞凋亡程序，增強增殖和遷徙能力，這種異常的糖代謝行為叫作Warburg效應，是腫瘤得以發(fā)病的關鍵因素。Warburg效應是腫瘤細胞在有氧的情況下通過一系列分子機制來削弱有氧呼吸，進行高效糖酵解反應，進而獲得大量三磷酸腺苷(ATP)，以及制造適合腫瘤細胞生存的微環(huán)境，為腫瘤細胞制造了增殖優(yōu)勢。并且，Warburg效應通過局部低氧抑制T淋巴細胞的監(jiān)控和殺傷力，制造腫瘤免疫逃逸。通過抑制Warburg效應相關通路，一些抗腫瘤藥物如2-脫氧-D-葡萄糖、二氯乙酸等，可以更有效地抑制Warburg效應帶來的腫瘤細胞增殖優(yōu)勢和免疫逃逸，進而抑制腫瘤細胞生長和促進腫瘤細胞死亡。另外，健康的飲食習慣也對抑制Warburg效應起著關鍵作用。但是目前針對Warburg效應還有很多待解決的問題，隨著對Warburg效應的進一步研究，各種抗腫瘤藥物的效果將被重新評估，為腫瘤防治提供新的理論基礎和研究方向。 1956年，德國生理學家Warburg發(fā)現(xiàn)了腫瘤細胞的一種異常代謝，以有氧糖酵解的形式在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用，通過這一異常能量代謝，腫瘤細胞可以獲得相關能力來逃避正常的細胞凋亡程序，進行增殖和遷徙，因此這一異常代謝成為了腫瘤研究領域的重點課題，這就是Warburg效應[1]。正常細胞體內(nèi)，葡萄糖會維持一個平衡狀態(tài)，在缺氧狀態(tài)時，葡萄糖會轉(zhuǎn)變?yōu)楸徇M而轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?，當氧含量正常時，丙酮酸會進入三羧酸循環(huán)。而腫瘤細胞即使在有氧情況下也不利用線粒體氧化磷酸化產(chǎn)能，轉(zhuǎn)而利用有氧糖酵解，即Warburg效應。目前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Warburg效應存在于很多類型的腫瘤細胞，如果解開了其調(diào)控機制之謎，如線粒體氧化磷酸化損傷、糖代謝酶表達異常、癌基因激活、抑癌基因失活和腫瘤微環(huán)境改變等[1]，將為腫瘤預防、研究和治療提供幫助?，F(xiàn)對目前Warburg效應在腫瘤中的研究進展作一綜述。 在Warburg效應發(fā)現(xiàn)之初，科研工作者就發(fā)現(xiàn)癌細胞中線粒體功能受損，導致有氧呼吸出現(xiàn)缺陷，高濃度的含氧量也不能抑制乳酸的生成[1]。因此，人們對線粒體中與代謝相關的酶基因進行了大量研究，結(jié)果表明，癌細胞線粒體中DNA含量少于正常細胞，并且存在著大量的基因突變和轉(zhuǎn)錄本的減少。并且基因突變直接影響線粒體電子傳遞鏈功能，降低氧化磷酸化能力。進一步研究表明，癌細胞電子傳遞鏈中的電子會從細胞色素復合物中逃逸，尤其是復合物Ⅰ(COXⅠ)和復合物Ⅲ(COXⅢ)，逃逸的電子會進一步與氧分子相結(jié)合，生成超氧化物陰離子自由基(O2－)以及其他活性氧，活性氧會導致線粒體DNA分子斷裂，進而造成癌細胞線粒體DNA減少。另外，研究表明癌細胞線粒體中琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase，SDH)和延胡索酸合成酶(fumarate hydratase，F(xiàn)H)表達受到影響。SDH在三羧酸循環(huán)中起到重要作用，主要負責催化琥珀酸向延胡索酸轉(zhuǎn)化，已有研究表明，SDH突變會導致人頭頸部副神經(jīng)節(jié)瘤的發(fā)生。并且，與SDH類似，F(xiàn)H在三羧酸循環(huán)中起到催化延胡索酸向蘋果酸轉(zhuǎn)化的作用，其突變會導致卵巢癌、乳腺癌等發(fā)生。SDH和FH的突變會導致琥珀酸和延胡索酸的積累，而這一系列的反應會抑制脯氨酸羥化酶活性，而低氧誘導因子需要在脯氨酸羥化酶的作用下羥化降解，因此，即使在正常氧水平下，低氧誘導因子因無法降解而大量積累，導致了癌細胞有氧呼吸反應的缺陷和糖酵解反應的進行[2]。 許多研究表明，腫瘤細胞中1，6-二磷酸果糖酶活性下調(diào)，會導致1，6-二磷酸果糖大量積累，而1，6-二磷酸果糖會刺激糖酵解反應發(fā)生。并且，糖酵解反應的進行會導致三磷酸甘油的大量積累和線粒體膜間隙氫離子(H＋)轉(zhuǎn)運的減少，導致細胞質(zhì)中還原型輔酶Ⅰ被乳酸鹽脫氫酶氧化為氧化態(tài)NAD＋，而這一過程會促進丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸[3]。并且，H＋轉(zhuǎn)運進線粒體膜間隙減少，會導致其在細胞外大量積累，最終導致癌細胞之間的微環(huán)境酸化，而酸化的微環(huán)境又對糖酵解有促進作用，這樣會進一步促進糖酵解反應的進行，使更多的乳酸轉(zhuǎn)運出細胞進入微環(huán)境和H＋留在細胞外，導致微環(huán)境進一步酸化，促進癌細胞糖酵解發(fā)生[4]。 并且，實體瘤中心微脈管密集，造成一種低氧環(huán)境，這也會導致癌細胞正常有氧呼吸系統(tǒng)的關閉和無氧糖酵解系統(tǒng)的開啟，促使癌細胞以糖酵解作為能量供給的主要形式。而糖酵解過程所產(chǎn)生的少量三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)導致癌細胞ATP不足，進而解除細胞對能量代謝調(diào)節(jié)器基因PFKFB的抑制作用。有研究表明，過表達PFKFB4基因會激活缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor，HIF)活性，促進糖酵解反應的發(fā)生[5]。 眾多證據(jù)表明，癌細胞可以通過糖酵解反應獲得大量ATP主要與蛋白酶B信號通路相關。首先，蛋白酶B參與控制細胞膜葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1(glucose transporter 1，GLUT1)跨膜轉(zhuǎn)運，因此促進癌細胞對葡萄糖的大量攝入。其次，蛋白酶B調(diào)控脂肪酸合成和β氧化，促進ATP合成，并且在此過程中，蛋白酶B可以通過激活下游哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)來調(diào)控糖酵解相關基因表達。此外，研究表明，在癌細胞內(nèi)HIF1的大量表達也會導致人類腺激肽釋放酶的高表達。HIF1參與GLUT1的調(diào)控，并且是糖酵解過程中主要參與葡萄糖轉(zhuǎn)運的酶，HIF1可以通過抑制丙酮酸脫氫酶的磷酸化來阻止乙酰丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，進而抑制氧化磷酸化，而在這一過程中，c-Myc蛋白也與HIF1發(fā)揮著類似的作用。另外，正常細胞內(nèi)P53通過抑制GLUT1轉(zhuǎn)錄激活來調(diào)控氧化呼吸作用和糖酵解反應的平衡，但是癌細胞內(nèi)P53缺失會導致核轉(zhuǎn)錄因子-κB通路的激活，導致GLUT3的高表達和葡萄糖轉(zhuǎn)運速率的提升。因此，癌細胞內(nèi)HIF1、c-Myc和P53作為3個重要的轉(zhuǎn)錄因子，將細胞氧化呼吸反應轉(zhuǎn)化為糖酵解反應[6]。 首先，Warburg效應為癌細胞提供生長增殖優(yōu)勢。Warburg效應通過導致癌細胞有氧呼吸反應的缺陷和糖酵解反應的進行、微環(huán)境進一步酸化和促進癌細胞糖酵解發(fā)生以及誘導各種促進糖酵解反應的轉(zhuǎn)錄因子，增強了癌細胞糖酵解能力，為癌細胞提供了一種高效利用糖類產(chǎn)生ATP的方式。通過這種方式促進癌細胞對葡萄糖的攝取，增加了ATP和細胞生長所需的很多代謝前體物質(zhì)的產(chǎn)量。這為癌細胞DNA復制、蛋白質(zhì)合成提供了能量和原材料，進而支持了腫瘤的生長發(fā)展[1]，如蛋白激酶B(Akt)就是一種增強腫瘤細胞糖酵解的重要基因，它編碼一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，處于磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-Akt信號通路的核心位置，促進葡萄糖載體定位到腫瘤細胞膜和維持己糖激酶活性等多種轉(zhuǎn)錄后機制，刺激糖攝取和糖酵解。另外Akt還可以促進細胞體積增大、代謝活性增強和細胞存活。并且，Warburg效應過程中所影響的多種酶具有阻止癌細胞凋亡、增強侵襲性的作用，這對腫瘤的發(fā)生發(fā)展有直接的影響，如Warburg效應中激活的蛋白酶B可以通過激活己糖激酶2(hexokinase 2，HK2)來抑制癌細胞凋亡，Warburg效應中抑制的1，6-二磷酸果糖酶是糖異生途徑中的限速酶，該酶的抑制可促進腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移[7]。 其次，T淋巴細胞是維持機體健康、免于疾病的重要防線，然而癌細胞可通過各種原因?qū)е耇淋巴細胞免疫監(jiān)控和殺傷力喪失，這種情況被稱為腫瘤免疫逃逸[8]。Warburg效應促進癌細胞在微環(huán)境有限的供血條件下，與效應T細胞競爭攝取葡萄糖，為腫瘤免疫逃逸提供了幫助。T淋巴細胞包含各種亞群，其中效應T細胞主要以無氧酵解為主要能量代謝方式。并且，效應T細胞增殖過程中合成的核酸、蛋白質(zhì)等需要大量的能量依賴，Warburg效應導致的癌細胞生長優(yōu)勢大量攝取葡萄糖，而葡萄糖的缺乏可導致能量的缺乏，最終導致效應T細胞的增殖受抑制[9]。低氧環(huán)境中，效應T細胞磷酸腺苷與二磷酸腺苷的比值(AMP/ADP)顯著升高，導致肝激酶B1激活腺苷酸活化蛋白激酶α1。腺苷酸活化蛋白激酶α1被認為是T淋巴細胞對微環(huán)境中葡萄糖濃度的感受器，其被低糖環(huán)境激活后，抑制T淋巴細胞信號傳導網(wǎng)絡的關鍵分子mTORC1，進而抑制效應T細胞的增殖和分化。 最后，Warburg效應促進細胞糖酵解反應的進行，產(chǎn)生大量乳酸，這些乳酸在造成微環(huán)境酸化的同時，可經(jīng)由單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白(monocarboxylate transporter，MCT)轉(zhuǎn)運出細胞，在內(nèi)皮細胞激活白細胞介素-8通路，使內(nèi)皮細胞發(fā)生細胞遷移，為血管生成提供基礎，并且通過促進血管內(nèi)皮生長因子生成而促進血管生成[10]。另外乳酸促進內(nèi)皮細胞白細胞介素-8基因表達，也對血管生成起到促進作用[11]。這些作用都幫助Warburg效應促進腫瘤形成。同時，T淋巴細胞糖酵解產(chǎn)生的乳酸向細胞外轉(zhuǎn)運能力與細胞內(nèi)外的乳酸濃度比密切相關。癌細胞釋放的大量乳酸使T淋巴細胞周圍乳酸濃度升高，這抑制了T淋巴細胞糖酵解產(chǎn)生乳酸的外排，導致T淋巴細胞細胞內(nèi)環(huán)境的酸化，也造成了T淋巴細胞糖酵解受到抑制，促進腫瘤免疫逃逸[12]。因此乳酸的生成為腫瘤生存優(yōu)勢和免疫逃逸創(chuàng)造了條件，并且，在實體瘤中，腫瘤乳酸代謝與癌侵襲密切相關。一方面，腫瘤細胞通過乳酸誘導的血管生成為細胞遷移創(chuàng)造了環(huán)境，導致遷移細胞增多[10]；另一方面，腫瘤細胞釋放大量乳酸到細胞外，使細胞內(nèi)外乳酸濃度比發(fā)生變化，免疫細胞由于不能釋放出自身乳酸，從而最終因自身乳酸窒息而亡，導致免疫逃逸，也促進了腫瘤轉(zhuǎn)移[11]。已有實驗證實乳酸可以通過MCT1、MCT4進入內(nèi)皮細胞并轉(zhuǎn)運，刺激轉(zhuǎn)錄核因子-κB/白細胞介素-8通路引起細胞遷移和血管生成，而且伴隨著H＋的運輸，細胞內(nèi)pH值下降，酸性環(huán)境也會導致細胞內(nèi)毒性T細胞的功能下降[10]。一系列反應促進了腫瘤細胞的免疫逃逸，為癌細胞營造了更適合轉(zhuǎn)移侵襲的環(huán)境，逃避了代謝壓力，從而避免凋亡。乳酸的積累是腫瘤微環(huán)境改變的一個重要方面，是腫瘤細胞轉(zhuǎn)移的一個決定性事件。 Warburg效應為腫瘤細胞的生長提供優(yōu)勢依賴于糖酵解途徑。因此，一些藥物通過調(diào)控細胞能量獲取途徑，改善線粒體氧化磷酸化缺陷，抑制糖酵解，可以有效地抑制Warburg效應重要通路，進而為通過抑制Warburg效應來抑制腫瘤細胞的生長優(yōu)勢和促進腫瘤細胞的死亡提供了新的抗腫瘤策略。 2-脫氧-D-葡萄糖(2-deoxy-D-glucose，2-DG)是一種已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有抗腫瘤效應的藥物，2-DG抗腫瘤效應主要來自于其調(diào)控細胞能量代謝、促進氧化應激、促進細胞自噬等功能[13]。近來有研究表明，2-DG也可以通過抑制Warburg效應來達到抗腫瘤效果[13]。2-DG在進入細胞后可以被HK2磷酸化為6-磷酸-2-脫氧-D-葡萄糖，而6-磷酸-2-脫氧-D-葡萄糖不可被糖酵解反應利用，因此抑制了癌細胞糖酵解反應的進行，癌細胞ATP合成因此減少，而ATP與磷酸腺苷比例的縮小會導致腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)激活，進而導致mTOR磷酸化和失活，并且，大量積累的6-磷酸-2-脫氧-D-葡萄糖通過非競爭抑制效應抑制了HK2的活性[14]。另外，在ATP減少的過程中，癌細胞內(nèi)的P53可以利用ATP的減少來重新調(diào)整細胞氧化呼吸反應和糖酵解反應的平衡，使其恢復到平衡狀態(tài)[15]。因此2-DG多方面抑制了Warburg效應，阻斷癌細胞的細胞周期，進而抑制癌細胞的生長，導致癌細胞死亡。 另外，二氯乙酸是一種用來治療糖尿病患者糖類與脂類代謝異常的特效藥物。近年來研究表明，糖尿病與腫瘤有著密切的聯(lián)系[16]，因此二氯乙酸對癌細胞的抑制效果也受到關注。研究表明，二氯乙酸可激活丙酮酸脫氫酶復合物，而丙酮酸脫氫酶復合物主要存在于線粒體基質(zhì)，是氧化磷酸化反應的重要參與者，直接調(diào)控β氧化等與有氧呼吸相關的反應[17]。在癌細胞中，丙酮酸脫氫酶復合物會被丙酮酸脫氫酶激酶磷酸化，進而失去其活性，而二氯乙酸可以通過抑制丙酮酸脫氫酶激酶來保持丙酮酸脫氫酶復合物的活性。相關數(shù)據(jù)表明，在口服二氯乙酸15～30 min后，高乳酸血癥患者體內(nèi)乳酸水平會顯著下降，因此二氯乙酸可通過抑制Warburg效應來抑制癌細胞的生長和增殖。 最后，3-溴丙酮酸(3-bromo pyruvic acid，3-BP)也是一種被廣泛認可的可以抑制糖酵解反應的藥物。實驗表明，經(jīng)3-BP處理后的肺癌模型大鼠耗糖量顯著低于未經(jīng)處理的肺癌模型大鼠，這證明3-BP顯著抑制了大鼠癌細胞對糖的分解利用。利用大鼠肝癌模型實驗對其機制進行相關研究，結(jié)果表明癌細胞的乳酸運載體無法將3-BP與乳酸進行有效區(qū)分，因此運送很多3-BP進入細胞，從而抑制了細胞ATP合成。另外，有實驗表明，3-BP還可以通過非P53途徑促進癌細胞死亡，進而達到抑制腫瘤的作用。 這些結(jié)果均表明，相關藥物若可以抑制Warburg效應相關通路，如糖酵解、重要轉(zhuǎn)錄因子等，都可以很好地達到抑制癌細胞生長和增殖的效果，進而發(fā)揮明確的抗腫瘤效應。因此，通過阻斷Warburg效應來抗腫瘤是一個重要的研究方向。 另外，促進糖酵解向有氧氧化轉(zhuǎn)變也是抑制Warburg效應治療腫瘤的一個新思路，當細胞從糖酵解獲得ATP轉(zhuǎn)而通過線粒體氧化磷酸化獲能時，可以提高腫瘤細胞對抗癌藥物的敏感性。如通過二氯乙酸抑制磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1而激活丙酮酸脫氫酶，促進乳酸變?yōu)楸徇M而進入線粒體氧化，這對線粒體氧化磷酸化損傷的腫瘤尤為有效。二氯乙酸還可促進腫瘤細胞線粒體產(chǎn)生活性氧，而對正常細胞沒有此作用，因此對線粒體功能完整的腫瘤細胞單純抑制糖酵解效果有限，如果同時應用線粒體呼吸活性抑制劑來強化殺傷腫瘤細胞作用，效果非常顯著。 腫瘤通過免疫逃逸獲得生長繁殖也是Warburg效應提高腫瘤發(fā)生率的一個重要機制[8]。而腫瘤產(chǎn)生的一系列可溶性因子是能夠直接或間接抑制免疫反應的重要因素，如卵巢癌細胞分泌的細胞因子、黑色素瘤細胞分泌的CCL2等。因此，阻斷這些因素的作用對誘導有效的抗腫瘤免疫反應具有重要的作用。另外，阻斷細胞內(nèi)抑制性信號通路，也是通過抑制Warburg效應引起免疫逃逸進而增強抗腫瘤效應的新策略，如信號傳導和轉(zhuǎn)錄激活子3已經(jīng)被證實是腫瘤免疫治療中的重要靶分子，利用信號傳導和轉(zhuǎn)錄激活子3可以有效地恢復T淋巴細胞殺傷力和監(jiān)控能力，恢復機體自身的抗腫瘤效應。 飲食與健康的關系非常密切，相關研究表明，低卡路里攝入可以顯著延長人的壽命，對其機制研究表明，這與抑制mTOR活性以及激活去乙?；富钚韵嚓P[18]。低卡路里延長人壽命的主要機制是減少腫瘤的發(fā)病率。實驗表明，過表達體內(nèi)單?；视椭缚蓪е掠坞x脂肪酸的大量積累，最終導致肥胖，致密的脂肪細胞會使細胞團內(nèi)部處于缺氧狀態(tài)，繼而細胞糖酵解反應與有氧呼吸反應平衡破壞，Warburg效應促進細胞癌變和增殖[19]。因此，不健康的飲食也是引起Warburg效應的一個關鍵因素，反之，控制飲食的健康也是治療腫瘤的一個新手段。 腫瘤細胞代謝的改變給腫瘤微環(huán)境造成了非常大的影響，使微環(huán)境pH值和代謝產(chǎn)物都發(fā)生了相應的變化，導致腫瘤細胞的Warburg效應，促進腫瘤細胞的糖酵解反應，為腫瘤細胞生長提供了大量中間產(chǎn)物和能量，使得腫瘤細胞獲得生長優(yōu)勢，逃避代謝壓力，促進腫瘤細胞免疫逃逸，并且增強了其侵襲能力，也為轉(zhuǎn)移提供了合適的環(huán)境和條件。許多藥物如抗新生血管藥物的機制主要是抑制微環(huán)境中新生血管的生成，從而減少腫瘤細胞發(fā)生血行轉(zhuǎn)移的可能，同時減少微環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)和氧供應，但是腫瘤Warburg效應導致的腫瘤細胞生長優(yōu)勢，使得微環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏對其他細胞的影響大于腫瘤細胞，如對免疫細胞的影響可導致腫瘤免疫逃逸。另外，缺氧環(huán)境也有利于多種信號通路的活化，從而促進癌細胞增殖。因此，目前許多抗癌藥物還需要從Warburg效應方面重新評估。 Warburg效應使癌細胞通過提高糖酵解速率高效地利用葡萄糖，不僅為癌細胞的生長增殖提供了ATP，還為腫瘤細胞生物合成提供了大量中間產(chǎn)物，并且為癌細胞創(chuàng)造了適合生存的微環(huán)境，促進了癌細胞的快速生長，幫助其逃避代謝壓力如氧化損傷等，以及逃避細胞凋亡和機體免疫，同時增強了細胞侵襲和轉(zhuǎn)移能力。因此，研究者需要進一步研究Warburg效應的產(chǎn)生機制，針對癌細胞Warburg效應所產(chǎn)生的糖代謝特點，重新評估各種藥物的抗癌效果，進而有效地利用藥物以及優(yōu)化飲食配置等達到治療和預防腫瘤的作用。另外，Warburg效應促進腫瘤細胞已糖酵解途徑獲得生長優(yōu)勢，因此，利用糖酵解過程的代謝特點設計抗腫瘤藥物不失為一巧妙的途徑。如果可以掌握篩選腫瘤細胞特異性高表達糖酵解酶亞型的手段，特異地抑制腫瘤糖酵解反應，將是通過Warburg效應抑制腫瘤生長的可行方案。同時，腫瘤細胞異質(zhì)性和微環(huán)境可變性使得糖酵解酶表達和活性呈多種變化，因此單一糖酵解酶的靶向治療作用相對有限，針對多個糖酵解酶靶點的聯(lián)合治療方案可能會取得更好的效果。綜上所述，對Warburg效應的研究為腫瘤防治提供了非常重要的理論基礎和新的研究方向。 |
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