Theranostics | 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤生長(zhǎng)的能量代謝機(jī)制和治療靶點(diǎn)

多形膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)是成人最常見和最致命的原發(fā)性腦腫瘤，雖可采用手術(shù)切除、放射治療和化療等治療方式，但中位生存期僅15個(gè)月。鑒于腫瘤的不良結(jié)果和流行程度，對(duì)創(chuàng)新療法的需求仍然是臨床迫切需要解決的問題。當(dāng)前靶向腫瘤代謝尚未成為臨床用于GBM治療的方法，而且在靶向代謝治療方面，對(duì)Warburg效應(yīng)的認(rèn)同導(dǎo)致人們更多地關(guān)注靶向葡萄糖代謝來(lái)阻止腫瘤進(jìn)展。然而除了葡萄糖外，其他代謝途徑是如何滿足GBM不斷增長(zhǎng)的復(fù)制和進(jìn)展需求的尚不清楚。伊利諾伊大學(xué)醫(yī)學(xué)院Kiran K. Velpula團(tuán)隊(duì)于《Theranostics》發(fā)表前瞻性綜述，旨在探討糖酵解、脂肪酸氧化、尿素循環(huán)、谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)和一碳代謝的代謝物如何轉(zhuǎn)向能量產(chǎn)生途徑，以滿足GBM的高能量需求，為推動(dòng)靶向腫瘤代謝的臨床診療研究奠定基礎(chǔ)。
 

糖酵解

即使在有氧的情況下癌細(xì)胞仍利用大量的葡萄糖排泄大量乳酸被稱為Warburg效應(yīng)，它是最早被發(fā)現(xiàn)的癌癥異常代謝途徑之一，許多癌癥（如GBM）惡性細(xì)胞內(nèi)的線粒體功能障礙導(dǎo)致其對(duì)厭氧代謝的異常依賴，以滿足能量代謝需求，腫瘤微環(huán)境決定了細(xì)胞是主要依賴糖酵解還是氧化磷酸化，GBM對(duì)糖酵解的依賴可能主要基于ATP的產(chǎn)生。

腫瘤微環(huán)境中高度依賴糖酵解，一些旨在逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)的治療方法正在被開發(fā)，以防止GBM的生長(zhǎng)和增殖。Poteet等人的研究證明亞甲基藍(lán)通過(guò)接受線粒體復(fù)合物I和 NADH的電子并將其轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素C，使丙酮酸進(jìn)入檸檬酸循環(huán)，進(jìn)而逆轉(zhuǎn)GBM中的Warburg效應(yīng)。當(dāng)與替莫唑胺（TMZ）聯(lián)合使用時(shí)，亞甲基藍(lán)作為添加劑分別對(duì)致敏和耐藥TMZ-GBM細(xì)胞系U87和T98G發(fā)揮作用；另一項(xiàng)研究中Velpula等人報(bào)道，以丙酮酸脫氫酶激酶(PDK1)為靶點(diǎn)，通過(guò)降低GBM內(nèi)缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1)的表達(dá)，逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)。GBM的低氧核心穩(wěn)定HIF-1的表達(dá)，從而誘導(dǎo)PDK1和表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)的活化，通過(guò)靶向PDK1, GBM細(xì)胞的代謝從主要的糖酵解轉(zhuǎn)向氧化磷酸化，導(dǎo)致U251和5310細(xì)胞系內(nèi)的凋亡、抗增殖作用和降低侵襲能力。

總之，糖酵解是最原始的能量途徑，但對(duì)復(fù)雜的癌癥（如GBM）最有利。糖酵解通過(guò)復(fù)雜的相互作用調(diào)控，涉及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（GLUT1），己糖激酶2 (HK2)，丙酮酸激酶M2亞型(PKM2)，乳酸脫氫酶A (LDHA)和HIF-1腫瘤微環(huán)境和線粒體基因，當(dāng)前文獻(xiàn)已經(jīng)證明靶向這些蛋白質(zhì)中的任何一種均可逆轉(zhuǎn)GBM中的Warburg效應(yīng)，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和活性氧敏感性，糖酵解是GBM的重要治療靶標(biāo)。需要進(jìn)一步研究來(lái)闡明和優(yōu)化輔助TMZ的抗糖酵解療法，包括GBM亞型對(duì)糖酵解的依賴性及其他代謝機(jī)制的偏好�？傊�，糖酵解在GBM能量代謝中的意義不僅限于ATP的初始途徑，它充當(dāng)各種反應(yīng)的中心樞紐，其中間體可能會(huì)被分流至其他機(jī)制，其他途徑的代謝物也可能進(jìn)入其中。
 

脂肪酸氧化

脂肪酸氧化涉及通過(guò)去除兩個(gè)碳乙酰基-CoA亞基并生成一個(gè)NADH和一個(gè)FADH來(lái)縮短�；�-CoA分子循環(huán)，重復(fù)這種縮短�；�輔酶A的過(guò)程，直到酰基輔酶A完全分解或直至丙�；�輔酶A的三碳結(jié)構(gòu)為止，該結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為琥珀�；�輔酶A并進(jìn)一步用于TCA循環(huán)。NADH和FADH2的單位有助于線粒體中的電子傳遞鏈，通過(guò)氧化磷酸化將其消耗以進(jìn)一步產(chǎn)生ATP。如圖1所示，脂肪酸氧化是一種重要的能量來(lái)源，每單位質(zhì)量產(chǎn)生的ATP比糖原分解多6倍，且脂肪酸氧化的活性在GBM中已被證明有助于有氧呼吸，參與脂肪酸氧化的酶，特別是肉堿棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶和長(zhǎng)鏈�；�輔酶A脫氫酶，已被發(fā)現(xiàn)在人腦膠質(zhì)瘤組織中上調(diào)。

圖1. 脂肪酸β氧化

Lin等人明確了線粒體中有氧呼吸依賴脂肪酸的程度，利用海馬分析儀測(cè)量耗氧率（一種測(cè)量細(xì)胞中氧依賴性代謝活性的方法），用亞油酸和依托莫司（抑制脂肪酸氧化）處理過(guò)的hGBM細(xì)胞和用FCCP和抗霉素A（誘導(dǎo)最大的氧化呼吸）處理的hGBM的耗氧量進(jìn)行比較，結(jié)果表明近80％的氧氣呼吸依賴于脂肪酸氧化。Juraszek和Fink等人證實(shí)了神經(jīng)膠質(zhì)瘤對(duì)脂肪酸氧化的依賴性，測(cè)量了SLC22A5 / OCTN2（一種將肉堿傳遞到細(xì)胞中的有機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)它在人類神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中過(guò)表達(dá)。響應(yīng)于脂肪酸氧化的抑制，人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的活力降低，凋亡增加，脂肪酸氧化對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤的能量生成有重要作用，它為我們理解神經(jīng)膠質(zhì)瘤如何破壞正常的能量生成以維持異常的生長(zhǎng)和增殖提供了重要的研究途徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明脂肪酸氧化除作為一種直接的能量來(lái)源外，還限制了細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)水平，因?yàn)榛钚匝跛�平不受控制地增加可�?dǎo)致癌細(xì)胞死亡，有助于癌癥患者生存。Pike等人分析了1mm CPT-1抑制劑依托莫司處理25分鐘后細(xì)胞內(nèi)ROS的水平，最終發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組細(xì)胞相比，依托莫司處理的細(xì)胞ROS水平升高（超氧化物熒光水平升高)。
 

尿素循環(huán)

尿素循環(huán)通常被認(rèn)為是含氮廢物代謝的內(nèi)在機(jī)制，氨通常作為體內(nèi)平衡的有毒副產(chǎn)物積累，尿素循環(huán)在其轉(zhuǎn)化為尿素的過(guò)程和癌癥代謝中起著不可或缺的作用。精氨酸被認(rèn)為是癌細(xì)胞中許多代謝功能上調(diào)的底物。在生理?xiàng)l件下容易獲得，許多實(shí)體瘤（如GBM）顯示出精氨酸的利用率升高，維持胞內(nèi)足夠的精氨酸來(lái)源依賴于從細(xì)胞外環(huán)境的攝取。有趣的是，GBM的某些表型顯示內(nèi)源性精氨酸合成能力下降，通過(guò)沉默限速酶精氨酸琥珀酸合成酶1（ASS1）可有效抑制尿素循環(huán)，因而這些癌癥表現(xiàn)為營(yíng)養(yǎng)缺陷，進(jìn)一步促進(jìn)了其對(duì)細(xì)胞外精氨酸的依賴性。

ASS1沉默在上述癌癥表型中具有優(yōu)勢(shì)，抑制ASS1被認(rèn)為是將上游底物轉(zhuǎn)移到其他代謝途徑的有效機(jī)制。Rabinovich等人假設(shè)在常氧條件下ASS1沉默可促進(jìn)細(xì)胞增殖所必需的合成代謝功能，由于天冬氨酸同時(shí)作為精氨酸和嘧啶合成的底物，ASS1的下調(diào)被認(rèn)為使氨基酸轉(zhuǎn)向從頭合成嘧啶，并在ASS1沉默癌細(xì)胞中增加CAD（磷酸合成酶2、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶和二氫乳清酸酶）活性進(jìn)一步證明，CAD作為一種三功能酶主要調(diào)控嘧啶從頭合成的起始，表明CAD抑制對(duì)ASS1沉默細(xì)胞增殖的抑制作用。

此外，有許多其他的調(diào)控途徑能夠調(diào)控ASS1的表達(dá)，如HIF1α是ASS1的潛在調(diào)控因子，HIF1α激活能夠通過(guò)翻譯沉默抑制ASS1，HIF1α作為對(duì)日益增加的酸性/低氧環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，利用ASS1抑制來(lái)維持pH穩(wěn)態(tài)。有趣的是，低氧和低細(xì)胞外pH的存在似乎都獨(dú)立和協(xié)同地增強(qiáng)了ASS1的沉默。通過(guò)沉默ASS1，隨后細(xì)胞pH緩沖的增加也被報(bào)道為細(xì)胞內(nèi)尿素、谷氨酰胺和谷胱甘肽濃度的增加，圖2描述了發(fā)生在ASS1沉默的GBM中的代謝分流。GBM ASS1陰性表型與臨床預(yù)后不良相關(guān)，ASS1沉默癌細(xì)胞所顯示的精氨酸缺乏癥已經(jīng)證明了對(duì)精氨酸剝奪療法的敏感性，同時(shí)其在急性骨髓性白血�。ˋML）中的作用也已得到充分證明。

圖2. 抑制尿素循環(huán)

 
谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)

GBM等許多惡性腫瘤的標(biāo)志是極高的谷氨酰胺（Gln）消耗率。在非增殖細(xì)胞中，谷氨酰胺是一種非必需氨基酸，主要用于摻入蛋白質(zhì)或作為氨基酸和核苷酸生物合成的氮供體。但在高度增殖的細(xì)胞中，谷氨酰胺的消耗量已超過(guò)蛋白質(zhì)合成所需量的十倍之多，而且培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞所需谷氨酰胺的量至少是其他氨基酸的十倍以上。它在某些癌癥中應(yīng)用非常廣泛，盡管谷氨酰胺是一種非必需氨基酸但腫瘤生長(zhǎng)仍需外源性攝入，這種現(xiàn)象被稱為谷氨酰胺成癮。惡性GBM是谷氨酰胺攝取增加的癌癥亞型之一，Sidoryk等人觀察到GBM樣品中谷氨酰胺N轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白3（SNAT3）和丙氨酸/絲氨酸/半胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（ASCT2）的mRNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)顯著增加。在惡性細(xì)胞中，過(guò)量谷氨酰胺攝取和分解代謝有三個(gè)主要目的：在TCA循環(huán)中通過(guò)動(dòng)脈粥樣硬化生成NADPH，支持谷氨酸的產(chǎn)量顯著增加，并通過(guò)LAT1反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白促進(jìn)必需氨基酸（EAA）的攝取。

如圖3所示，谷氨酰胺以α-KG的形式通過(guò)谷氨酰胺酶(GA)和丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶(ALT)的兩步轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入TCA循環(huán)，它最終轉(zhuǎn)化為蘋果酸，并通過(guò)蘋果酸酶(ME)的活性轉(zhuǎn)化為丙酮酸，從而產(chǎn)生NADPH，丙酮酸通過(guò)乳酸脫氫酶最終轉(zhuǎn)化為乳酸，乳酸被排出體外。DeBerardinis等發(fā)現(xiàn)SF188膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系中超過(guò)60%的谷氨酰胺最終轉(zhuǎn)化為乳酸，表明該通路在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中具有高活性，所得到的NADPH為脂肪酸和核苷酸合成提供能量。此外，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)OAA都來(lái)自谷氨酰胺而非葡萄糖，這表明谷氨酰胺攝取對(duì)于為持續(xù)的檸檬酸合酶活性提供OAA是必需的，該機(jī)制在IDH突變型GBM中尤為重要，因?yàn)楣劝滨０反�謝補(bǔ)充了TCA循環(huán)中間體，否則該中間體將不會(huì)以高濃度存在。

多項(xiàng)研究表明，通過(guò)胱氨酸-谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體釋放谷氨酸的興奮毒性促進(jìn)了惡性GBMs的生長(zhǎng)，導(dǎo)致附近神經(jīng)元中N-甲基D-天冬氨酸（NMDA）受體的延長(zhǎng)激活觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)Ca²⁺內(nèi)流，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。腫瘤周圍細(xì)胞的破壞被認(rèn)為促進(jìn)腫瘤向周圍組織的侵襲并為惡性細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)。與正常星形膠質(zhì)細(xì)胞相比，GBM細(xì)胞的谷氨酸攝取明顯降低，C6膠質(zhì)瘤細(xì)胞系顯示谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（GLAST），谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（GLT1）及興奮性氨基酸載體1（EAAC1）丟失。谷氨酸攝取率的降低導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞內(nèi)Ca²⁺內(nèi)流降低，有效地保護(hù)細(xì)胞免于興奮毒性。事實(shí)上，Ca²⁺內(nèi)流通過(guò)AMPA受體導(dǎo)致AKT磷酸化，促進(jìn)惡性細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖。在GBM中谷氨酰胺攝取速率的增加有助于內(nèi)源性谷氨酸的產(chǎn)生。由于GBM非常依賴于谷氨酰胺的攝取，因此谷氨酰胺代謝或谷氨酸信號(hào)的改變可以成為受關(guān)注的治療靶標(biāo)。NMDA拮抗劑MK801對(duì)C6膠質(zhì)瘤細(xì)胞的治療導(dǎo)致分泌谷氨酸的腫瘤生長(zhǎng)明顯降低，針對(duì)癌細(xì)胞中谷氨酰胺貯庫(kù)的藥理干預(yù)措施的研究是一個(gè)非常有潛力的方向。

圖3. GBMs利用外源谷氨酰胺(Gln)

 
一碳代謝

一碳代謝(OCM)是膠質(zhì)瘤維持生物合成活性的另一個(gè)途徑，OCM是發(fā)生在線粒體細(xì)胞質(zhì)中的一組反應(yīng)，線粒體包含在葉酸和蛋氨酸循環(huán)中，并提供甲基基團(tuán)，以便生成磷脂、氨基酸和DNA等一系列代謝物。在葉酸循環(huán)中，葉酸通過(guò)脫氫葉酸還原酶被還原為四氫葉酸(THF)，此時(shí)THF可以從絲氨酸和甘氨酸等來(lái)源獲得甲基，從而生成甲基THF，甲基THF作為一碳供體，是一種涉及許多過(guò)程的有效輔助因子，如通過(guò)蛋氨酸循環(huán)生成S-腺苷甲硫氨酸（SAM）。在蛋氨酸循環(huán)中，甲基-THF向高半胱氨酸提供一個(gè)碳原子單元以將其轉(zhuǎn)化為蛋氨酸，該反應(yīng)由蛋氨酸合酶催化。然后蛋氨酸腺苷基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)一步催化蛋氨酸，從而產(chǎn)生SAM（通過(guò)一系列反應(yīng)可再生高半胱氨酸從而完成循環(huán)），SAM是許多甲基化反應(yīng)的輔助因子，因此對(duì)于脂質(zhì)、DNA和蛋白質(zhì)的產(chǎn)生至關(guān)重要。

作為神經(jīng)膠質(zhì)瘤代謝的重要組成部分，由一碳代謝組成的葉酸和蛋氨酸循環(huán)是調(diào)節(jié)腫瘤代謝的潛在靶點(diǎn)。Xu等研究發(fā)現(xiàn)miR-940直接靶向并抑制葉酸一碳代謝的關(guān)鍵酶--亞甲基四氫葉酸脫氫酶（MTHFD2），同時(shí)觀察到miR-940的過(guò)表達(dá)不僅降低了細(xì)胞樣品中的葉酸代謝，而且還促進(jìn)了細(xì)胞凋亡并抑制了膠質(zhì)瘤細(xì)胞的侵襲，因此它成為靶向腫瘤生長(zhǎng)的新手段。關(guān)于蛋氨酸周期調(diào)節(jié)作為抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤代謝的研究還很少，但Palanichami等人證明了向GBM細(xì)胞補(bǔ)充外源蛋氨酸可以促進(jìn)和維持該細(xì)胞生長(zhǎng)。因此，抑制膠質(zhì)瘤內(nèi)源性蛋氨酸含量仍是一種潛在有效的治療途徑。

 
GBM代謝靶點(diǎn)

表1. GBM代謝靶點(diǎn)

小結(jié)

本綜述探討了GBM生長(zhǎng)和腫瘤發(fā)生的相關(guān)基礎(chǔ)代謝機(jī)制，惡性GBMs利用各種非常規(guī)分子維持生長(zhǎng)，使得腫瘤比健康的中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞擁有更大的能量?jī)?chǔ)備，后者幾乎完全依賴葡萄糖來(lái)產(chǎn)生能量。除了上調(diào)糖酵解，GBMs已經(jīng)被證明利用脂肪酸、谷氨酰胺、葉酸和蛋氨酸(及其甲基化衍生物)、尿素循環(huán)代謝物和自噬來(lái)滿足其高ATP需求。以改變腫瘤代謝為目的的新的治療靶點(diǎn)不斷被發(fā)現(xiàn)，此外，膳食調(diào)整在GBM治療中的效用已備受關(guān)注，如生酮飲食(KD)已被理論證明是有益的，可見飲食調(diào)整和代謝靶向療法值得深入研究，靶向腫瘤代謝的治療可有效減少GBM的體外生長(zhǎng)。因此需要進(jìn)一步的體內(nèi)研究來(lái)充分闡明代謝靶向腫瘤治療的作用及不良反應(yīng)。

 
繪譜幫你測(cè)

能量代謝的改變機(jī)制一直是惡性腫瘤細(xì)胞研究的熱點(diǎn)，圍繞糖酵解途徑，多種脂肪酸、氨基酸及其衍生物等代謝產(chǎn)物在腫瘤細(xì)胞內(nèi)外發(fā)生顯著改變。針對(duì)能量代謝途徑的干預(yù)很可能對(duì)未來(lái)多種腫瘤的診斷與治療產(chǎn)生影響。但其中大部分機(jī)制研究仍處于起步階段，監(jiān)測(cè)代謝物的變化可為腫瘤的代謝研究提供最直接的證據(jù)。本文所涉及的糖酵解、脂肪酸、谷氨酰胺、葉酸和蛋氨酸、尿素循環(huán)代謝物等相關(guān)代謝物檢測(cè)，麥特繪譜均可提供全套解決方案！歡迎聯(lián)系獲取詳細(xì)資料。

 
 
參考文獻(xiàn)

John L. Caniglia, Anvesh Jalasutram, Kiran K. Velpula, et al. Beyond glucose: alternative sources of energy in glioblastoma. Theranostics, 2021; 11(5): 2048-2057. doi:10.7150/thno.53506.

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