成也萧何败也萧何
通过靶向代谢重编程治疗肿瘤
汇报人：研究生二年级蔡淑慧
任何一种生命活动都离不开物质与能量代谢，肿瘤细胞亦不例外。对肿瘤细胞来说，它既要快速增殖，又要想办法逃逸免疫监控，有时要转移到身体其他部位，在抵抗药物攻击时还要想办法卷土重来。由此可见，肿瘤的各种生物学特性都与物质、能量代谢紧密联系。能量代谢异常被列为肿瘤十大特征之一（Cell,）。肿瘤细胞这种通过改变能量代谢方式以快速适应低氧、酸性、营养物质缺乏等微环境而快速增殖的现象称为代谢重编程（Metabolicreprogramming,CellMetab,）。如果我们有办法选择性地调控肿瘤细胞的代谢重编程，就有可能阻断其相应的恶性表型。
尽管肿瘤代谢领域的研究仍处于早期的升温状态，但在临床上，根据肿瘤代谢的特性所研发的诊疗手段已有一段历史。比如在肿瘤影像诊断领域，经常使用18氟-氟代脱氧葡萄糖PET/CT（18F-FDGPET/CT），其原理便是基于肿瘤组织较高的摄取葡萄糖能力。又比如抗肿瘤药物5-氟尿嘧啶（Fluorouracil）和阿糖胞苷（Cytosinearabinoside）则是一类抗DNA代谢的化合物。随着肿瘤代谢研究的不断深入，未来有望开发更加丰富的诊断和治疗手段。
线粒体是能量代谢最重要的细胞器，同时也是进行有氧呼吸的主要场所，被称为“powerhouse”。正常细胞在氧气充足的情况下，以葡萄糖有氧呼吸供能为主，当处于低氧环境时，细胞切换代谢模式为无氧糖酵解。然而，OttoWarburg于年发现，即使在氧充足情况下，肿瘤细胞依然倾向于将葡萄糖酵解成乳酸的过程，并将此命名为瓦博格效应。（Warburgeffect，获年度诺贝尔生理学或医学奖），又称为有氧糖酵解（Aerobicglycolysis）。同时，Warburg认为糖酵解是肿瘤增殖必不可少的代谢途径，而线粒体的作用则可有可无（Science,）。这一观点的提出影响了几代科学家对线粒体代谢在肿瘤中作用的认识。
图1有氧呼吸、糖酵解与有氧糖酵解（Warburg效应）的区别
（图片来源：Since,.doi:10./science..）
但近几十年来，研究表明线粒体代谢是肿瘤生长的重要过程之一，在肿瘤发生中起关键作用。线粒体代谢重编程是一个动态过程，其代谢活性满足了从肿瘤形成到转移每个阶段的需求。除提供生物能量外，线粒体还为肿瘤合成代谢提供底物、控制氧化还原和钙稳态、参与转录调控并控制细胞死亡（CellRes,）。因此，线粒体是开发新型抗肿瘤药物的潜在靶点。线粒体被视为肿瘤恶性转化过程中的“双刃剑”：“敌人”肿瘤细胞依赖于它发生肿瘤转移、复发以及耐药性，“朋友”T细胞需要它发挥强大而持久的抗肿瘤免疫反应（Immunity,）。近期研究报道强调了线粒体对肿瘤与T细胞之间代谢竞争的重要性（Cell，），因此相应靶向线粒体抗肿瘤策略的发展不仅可以从治疗肿瘤方面出发，还可以考虑提高T细胞的代谢适应性，从而最大程度地提高疗效。
今天介绍的这篇综述主要讲了线粒体代谢重编程在肿瘤中的基本作用及其作为抗肿瘤靶点的研究进展。
图2文章框架图
本文介绍了线粒体代谢重编程在肿瘤中的作用及其作为肿瘤治疗靶点的研究进展。01
肿瘤生长依赖线粒体代谢提供的大分子和致癌代谢物
瘤细胞通过糖酵解及其分支途径和三羧酸循环，以产生细胞增殖所必的ATP、NADPH以合成细胞增殖所必须的生物大分子（图3）。原癌基因的激活（如Myc和Kras）及信号通路的紊乱（包括PI3K通路）在一定程度上提高了肿瘤中糖酵解速率和TCA循环通量。糖酵解速率的提高使得代谢中间产物参与细胞增殖所需的多种生物合成途径，例如核糖和胞质NADPH产生的戊糖磷酸途径，分别维持核苷酸合成、抗氧化活性等。TCA循环生成的代谢产物汇集到核苷酸、脂质、氨基酸和血红素合成中去，例如在TCA循环中产生的草酰乙酸从线粒体基质运输到胞浆中以进行核苷酸合成。利用TCA循环中间产物被用于生物合成，反过来促进对碳的需求并促进TCA循环继续运行。此外，TCA循环生成的NADH和FADH2通过线粒体电子传递链（ETC）将再生为NAD+和FAD，以使TCA循环起作用（图4）。近期研究表明泛醇氧化回泛醌是ETC对肿瘤生长的重要作用。线粒体复合体I和II向泛醌提供电子生成泛醇，线粒体复合物III将泛醇氧化回泛醌，从而使复合物I和II持续作用并再生NAD+和FAD。泛醌还被嘧啶合成所需酶二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）用作电子受体。因此肿瘤生长需要功能性ETC来氧化泛醇，这对于维持TCA循环功能和DHODH活性是必需的。
图3代谢为细胞生长提供生物大分子
肿瘤细胞促进糖酵解和TCA循环代谢，以提供合成细胞增殖所需生物大分子（如脂质和核苷酸）的底物。在肿瘤细胞中，多种底物进入这些生物合成途径，从而为肿瘤生长提供代谢灵活性。TCA循环除了在肿瘤细胞合成代谢方面的重要作用，它还可以在某些肿瘤背景下生成致癌代谢物以促进肿瘤生长。尽管大多数肿瘤有功能性的线粒体，但仍有一小部分肿瘤细胞TCA循环的蛋白发生突变，导致致癌代谢产物的累积。尤其是TCA循环酶琥珀酸脱氢酶（SDH）和延胡索酸水合酶（FH）的功能丧失分别导致琥珀酸和延胡索酸的积累，从而抑制α-酮戊二酸依赖性双加氧酶，参与组蛋白和DNA甲基化，由此产生的表观遗传修饰可以促成恶性转化。此外还有一些具有完整TCA循环的肿瘤，它们使用还原性羧化和代谢物来维持肿瘤的生长。总而言之，尽管一些肿瘤完全依赖糖酵解来满足其生物能量需求，但它们仍然需要线粒体代谢的残留或重新编程方面来维持TCA循环，以满足细胞增殖所需的生物合成需求，并产生致癌代谢物促进肿瘤的发生。
02
靶向线粒体电子传递链进行肿瘤治疗
许多实体瘤中心部位的血管形成较差，导致葡萄糖和氧气供应受限。即使在氧气含量低至0.5％的情况下，ETC仍能发挥最佳功能，使肿瘤继续发生呼吸作用。因此血运不良的肿瘤虽然葡萄糖供应有限，但有足够的氧气继续生成ATP以维持生存。如上所述，降低ETC功能可抑制TCA循环，从而减少了支持肿瘤生长的大分子合成。迄今，二甲双胍作为一种ETC复合物I抑制剂已与常见疗法联合使用进行抗肿瘤临床试验。
二甲双胍是2型糖尿病患者的一线治疗药物。二甲双胍的治疗作用部分归因于改善了胰岛素敏感性从而减少肝糖异生。最初研究报道了二甲双胍用于控制血糖和降低肿瘤发病率之间的关系，肿瘤患者服用二甲双胍控制血糖后存活率更高。此外，多项实验室研究也表明二甲双胍作为抗肿瘤药物的作用。目前，公认的二甲双胍抗肿瘤机制有两种。第一种机制是二甲双胍可降低循环胰岛素水平，胰岛素和类胰岛素生长因子（IGFs）可以刺激促肿瘤的PI3K信号通路，但是这仅适用于那些对胰岛素和/或胰岛素生长因子受体呈阳性的肿瘤，由于并非所有肿瘤都对胰岛素有反应，因此二甲双胍介导的循环胰岛素水平降低与任何潜在的抗肿瘤作用无关。第二种机制是二甲双胍通过抑制线粒体ETC复合物I，研究表明二甲双胍通过抑制线粒体复合物I发挥其体内外抗肿瘤作用。近来有研究表明，由于BACH1或HIF-1α激活、一碳代谢通量降低及肿瘤相关巨噬细胞浸润引起的代谢重编程而导致的耐药性。由于这些不同通路抑制剂可用于与其他抗肿瘤药物的联合治疗，因此在未来的二甲双胍临床试验中评估这些耐药机制的相关性显得格外重要。
图4线粒体ETC满足肿瘤细胞的生物能量和生物合成需求
ETC的五个复合物用于产生肿瘤细胞所利用的大部分ATP，并分别将NADH和FADH2氧化为NAD+和FAD。这使TCA循环继续运行，产生支持大分子合成的代谢产物。03
靶向与线粒体ETC活性相关的核苷酸代谢进行肿瘤治疗
线粒体ETC通过维持二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）活性与嘧啶核苷酸的生成有内在紧密关系。在嘧啶合成的过程中，DHODH催化酶促反应的第四步，即泛醌介导的二氢乳清酸酯氧化为乳清酸酯的过程（图5）。近期有研究表明，只有当线粒体复合物III被抑制时，泛醌才能从二氢乳清酸盐中接收电子，这是维持嘧啶合成的关键因素。因此，DHODH活性依赖于线粒体复合物III的功能，但与ETC在氧化磷酸化或TCA循环中的作用无关。DHODH抑制作用已在许多不同的小鼠肿瘤模型中发挥作用，包括高侵袭性小细胞肺癌、急性髓细胞性白血病、三阴性乳腺癌和Kras突变导致的肿瘤。尽管DHODH抑制剂来氟米特被FDA批准为类风湿关节炎的抗炎药，但新一代DHODH抑制剂表现出更强功效。这些新型DHODH抑制剂在人体内是否有抗肿瘤作用，大家拭目以待。
图5DHODH将线粒体ETC与嘧啶合成紧密联系
DHODH是一种存在在线粒体内膜上的线粒体酶，其在线粒体膜间隙中可将二氢乳清酸酯转化为乳清酸酯。在电子传递链中，DHODH向线粒体CoQ提供两个电子。目前FDA批准的DHODH抑制剂来氟米特及其他新型抑制剂用于治疗类风湿性关节炎。在临床前研究中，DHODH抑制剂有很好的抗肿瘤功效。04
靶向线粒体TCA循环进行癌症治疗
由于TCA循环的中间代谢产物对肿瘤生长起关键作用，因此抑制TCA循环的药物被预测是有效的。CPI-是硫辛酸盐类似物，其能够抑制两种需要硫辛酸盐发挥活性的主要TCA循环酶复合物，即α-酮戊二酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶（图6）。虽然CPI-发挥抗肿瘤作用机制尚不完全清楚，但其在胰腺癌、急性髓细胞白血病I期和II期治疗中疗效显著。目前，CPI-正在进行抗复发急性髓细胞白血病和转移性胰腺癌的III期临床试验。
谷氨酰胺是补充TCA循环中间体并维持大分子生物合成的主要碳源。目前，谷氨酰胺酶抑制剂CB-与mTOR抑制剂Everolimus或多酪氨酸激酶抑制剂Cabozantinib联合使用，正在进行晚期或转移性肾癌的II期临床试验。还有使用CB-治疗血液恶性肿瘤和实体肿瘤（包括非小细胞肺癌）的I/II期临床试验正在进行中。在未来研究中，可通过给患者输注13C标记的谷氨酰胺从而观测谷氨酰胺是否给TCA循环贡献碳原子，以此确定患者是否适合谷氨酰胺代谢疗法。
图6TCA循环供给多种生物合成途径
线粒体TCA循环中间体被用作生物合的前体。碳的消耗通常需要由谷氨酰胺分解和/或丙酮酸羧化酶进行补充，即失补。靶向周期内不同步骤的多种抑制剂已在I和II期临床试验中显示出前景。05
线粒体代谢抑制剂与其他抗肿瘤药物联用
利用肿瘤遗传学来确定最适合患者的抗癌疗法，即个性化医疗，是过去的二十年一项重大进展。确定其他抗癌疗法与癌症遗传学的适当联用是使用线粒体代谢的抑制剂的主要障碍（图7）。在化学疗法，抗血管生成疗法或靶向疗法（例如致癌的Braf或Kras抑制）治疗后开始出现的细胞高度依赖线粒体代谢来维持生存和增殖，而线粒体抑制剂可减少糖酵解，并可能与靶向线粒体ETC或TCA循环的药物产生协同作用。肿瘤细胞内的线粒体呼吸及低氧输送导致肿瘤内缺氧，因此抑制线粒体代谢会提高肿瘤氧水平，并能显著提高化疗对肿瘤细胞的杀伤率。事实上，FDA批准的药物罂粟碱抑制线粒体复合体I，导致临床前肿瘤模型中氧合增加和化疗作用增强。目前尚不清楚为什么晚期疾病对线粒体代谢的依赖性增加，但这表明肿瘤之间存在共享的、可靶向的代谢漏洞。
图7靶向肿瘤治疗的设计方案
将癌症遗传学与基于代谢的成像技术相结合，同时代谢抑制剂可与化学疗法，放疗甚至免疫疗法结合使用，为癌症治疗策略提供新途径。线粒体代谢抑制剂也可以与降低葡萄糖代谢的治疗相结合。PI3K信号通路是糖代谢的主要激活剂，因此在某些情况下，PI3K抑制剂与线粒体代谢抑制剂的结合可能是有效的。此外某些肿瘤细胞表现出高水平的钠依赖葡萄糖转运蛋白2（SGLT2），用FDA批准的抑制剂格列净靶向SGLT2，在临床前肿瘤模型中显著抑制了肺腺癌的生长并延长了存活时间。多种不同靶点的线粒体抑制剂可以联合使用。例如二甲双胍可以与TCA循环抑制剂CPI-或DHODH抑制剂联合使用，在前列腺癌的临床前模型中，二甲双胍通过还原羧化反应减少葡萄糖氧化，增加谷氨酰胺的回补，干扰谷氨酰胺代谢可与二甲双胍协同作用以改善疗效。
最近免疫检查点阻断和过继细胞治疗（ACT）的成功使肿瘤的治疗策略发生了革命性的变化。与肿瘤相似，线粒体代谢在免疫细胞的存活和功能中起关键作用，活化的免疫细胞与肿瘤细胞有着相同代谢途径，因此，当使用代谢靶向疗法治疗癌症时，重要的是要考虑其可能对免疫系统造成的有害影响。免疫检查点阻断作用组合疗法关键在于抑制谷氨酰胺代谢。研究表明谷氨酰胺拮抗剂DON的前体药物JHU在肿瘤微环境中被激活，并增强T细胞线粒体代谢，以驱动抗肿瘤免疫反应。抑制谷氨酰胺代谢对免疫检查点阻断反应差的患者是否有效将是一件有趣的事情。此外，其他线粒体代谢抑制剂，如CPI-，如何扰乱免疫反应还有待确定。
总结与展望
Warburg效应使得很多学者忽视了线粒体在肿瘤发生发展过程中的重要性。近年来靶向线粒体能量代谢临床试验的成功地把线粒体推向了肿瘤代谢与免疫代谢领域的前沿。PET成像、代谢组学及相关的肿瘤基因组学技术可以辅助判断哪些病人适合靶向肿瘤代谢的治疗。同时，随着研究的深入，肿瘤在发生、转移及耐药过程中，其在能量代谢方面的缺陷逐渐被学者知晓。针对这些不同的缺陷点，研究人员可以设计靶向肿瘤能量代谢的治疗方法。因此，将线粒体抑制剂联合目前肿瘤常规疗法（如化学疗法、放射疗法与免疫疗法），有望给患者带来新的、有效的治疗方法。综上，当我们对肿瘤的遗传背景和代谢途径有了较深刻的了解，当传统的原癌基因靶向策略遇到困难时，不妨从肿瘤代谢的角度出发，去寻找肿瘤细胞代谢重编程的依赖机制及其相关缺陷，从而克制肿瘤的恶性生物学表型。
作者碎碎念
我们在报纸网页总能看到“饿死癌细胞、高脂促癌转移、红肉致癌”等类似吸引人眼球的话题，实际上这些都是肿瘤代谢领域所