第四章　肿瘤的营养代谢特点

新陈代谢是机体生命活动基本特征，包括物质代谢和与之相伴的能量代谢。有机体在物质代谢过程中，能量释放、转换和利用过程被称为能量代谢。细胞能量主要来自糖代谢。葡萄糖在体内氧化分解途径包括氧化磷酸化和糖酵解。葡萄糖经细胞膜上葡萄糖转运体进入细胞内，经过一系列酶的作用分解为丙酮酸，在有氧状态下，丙酮酸通过转运蛋白进入线粒体氧化脱羧生成乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）彻底氧化生成H ₂O和CO ₂。在缺氧状态下，丙酮酸转化成乳酸，通过转运体至细胞外，随血液循环至肝脏，通过糖异生途径转变成肝糖原和血糖，形成乳酸循环，而非产生ATP效率更高的线粒体氧化磷酸化方式，这种异常代谢方式被称为“有氧酵解”（aerobic glycolysis）或者Warburg效应 ^［1］，这种现象广泛存在于各种肿瘤当中。Warburg在1956年进一步提出了二相理论：癌变第一相是细胞呼吸功能不可逆性损伤，紧随其后第二相是细胞利用发酵产能，以此缓解呼吸受损所导致能源紧张。随着癌基因和抑癌基因被发现，癌变遗传理论提出遗传信息被破坏是肿瘤起源的本质改变，细胞代谢行为改变则是遗传改变伴随现象 ^［2］。近期研究成果证实有氧酵解在肿瘤发生中起重要作用，同时否定了Warburg关于线粒体有氧代谢受损导致肿瘤发生假说 ^［3］。癌细胞代谢方式异常并非简单的能量代谢异常，也绝非单纯癌变过程中伴随现象，代谢改变可能是癌变发生过程的中心环节 ^［4］。

肿瘤细胞过度增殖导致氧气供应不足，线粒体呼吸链功能缺陷也会促使肿瘤细胞利用糖酵解产生ATP ^［5］。在人类恶性肿瘤，尤其某些实体瘤中，当肿瘤体积达到一定大小时，氧气渗透变得困难，肿瘤细胞有氧呼吸会因缺氧而被抑制，细胞内糖酵解增强而导致乳酸积聚，从而使肿瘤细胞生长的微环境呈酸性，而酸性环境进一步选择性促使恶变细胞生长 ^［6］。

肿瘤细胞代谢改变受复杂因素调控，包括癌基因与抑癌基因、蛋白质信号通路、代谢酶类等。

肿瘤细胞的ATP能量供给约有56%～63%来源于有氧糖酵解，但是约有37%～44%的ATP能量仍需有氧氧化提供。P53是转录因子，具有包括细胞能量代谢在内的广泛生物学功能。P53诱导凋亡调节因子（TIGAR）和细胞色素C氧化合成酶2（SCO2）参与能量代谢。TIGAR表达降低了在细胞中果糖-2，6-二磷酸盐水平，从而抑制糖酵解 ^［7］。SCO2参与组成细胞色素C氧化酶，它与线粒体电子传递链有关，SCO2表达异常可使线粒体活性氧类增加，影响线粒体氧化磷酸化功能 ^［8，9］，因此肿瘤细胞中P53失活可使肿瘤细胞发生糖酵解能量代谢改变。

RAS基因家族是人类恶性肿瘤形成关键因素之一。RAS活化会增加细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）含量，并因此抑制低氧诱导因子α（HIF1α）羟基化 ^［10］。携带突变型 K-RAS基因的肿瘤细胞，葡萄糖转运体蛋白1（glucose transporters，GLUT1）表达增高，导致葡萄糖摄入量和糖酵解增加，却不影响线粒体氧化磷酸化的功能。因此当葡萄糖缺乏时， K-RAS突变会促进细胞对低糖环境耐受，而抑制糖代谢的药物会选择性杀死 K-RAS突变细胞。如己糖激酶（hexokinase，HK）抑制因子3-溴代丙酮对携带 K-RAS突变的不同肿瘤细胞具有高毒性，但对未发生 K-RAS突变的细胞系表现为低毒 ^［11］。

低氧诱导因子（hypoxia-inducible factor 1，HIF-1）是肿瘤细胞适应缺氧而表达的一种核转录因子，广泛参与哺乳动物细胞中缺氧诱导产生的特异应答，在缺氧诱导基因表达调节中起关键作用。能够部分控制细胞对低氧环境的反应、刺激相关基因表达，如发生血管新生、葡萄糖摄取、糖酵解、生长因子信号和转移基因表达以及细胞凋亡、侵袭等生物学行为 ^［12］。缺氧时HIF-1上调与某些信号分子（例如：AKT，NF-κB）激活有关，还是造成肿瘤细胞耐药及对放射疗法敏感性下降的一个重要因素 ^［13］。

BNIP3蛋白是B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，BCL2）家族中含BH3结构域的促凋亡蛋白，可以通过和自噬基因Beclin1竞争性结合BCL2蛋白，选择性诱导线粒体自噬。低氧环境下由细胞自噬触发HIF-1依赖性BNIP3表达，可显著升高细胞PDK1表达水平。PDK1活化使丙酮酸脱氢酶（PDH）催化域磷酸化失活，从而阻止丙酮酸进入线粒体参与三羧酸循环（TCA），减少NADH和FADH2等向电子传递链的转运，这是细胞对缺氧适应的关键性反应之一，是细胞在持续缺氧环境中存活的必要条件。但是 BNIP3又可以作为一种促凋亡基因，在恶性肿瘤中发挥促凋亡作用 ^［14］。在缺氧条件下可诱导发生细胞凋亡，但这种作用微弱而缓慢。 BNIP3基因甲基化后表达沉默，抑制缺氧条件下肿瘤细胞凋亡，对放疗和化疗产生抵抗。 BNIP3核内转移可使细胞逃避凋亡 ^［15］。

PI3K/AKT信号通路广泛存在于细胞中，通过调节细胞周期、蛋白质合成、能量代谢等多种途径发挥广泛的生物学功能 ^{［16，17］}。AKT可通过激活哺乳动物西罗莫司靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号而增强蛋白质和脂质的合成。AKT也通过增加GLUT、己糖激酶和磷酸果糖激酶1及分布最为广泛的葡萄糖转运体GLUT1等因子活性，增强肿瘤细胞Warburg效应 ^［18］。并且，AKT1也可活化mTOR通路促进HIF1α转录和翻译。由于AKT具有显著促进肿瘤细胞代谢改变，增强其恶性程度能力，故又名为“Warburg激酶”。

葡萄糖转运体蛋白（glucose transporters，GLUT）家族已鉴定成员有13个 ^［19］，其中GLUT1、GLUT3和GLUT4与葡萄糖有较高的亲和力，在正常生理条件下高效率地转运葡萄糖。水溶性葡萄糖在通过细胞膜磷脂双分子层时需要借助GLUT转运进入胞浆，这是葡萄糖代谢过程中第一个限速步骤。恶性肿瘤细胞常特征性过表达GLUT1和（或）GLUT3 ^［20］，提示肿瘤细胞的能量代谢已发生改变。

LKB1是一种肿瘤抑制基因，正常情况下，上游激酶LKB1激活AMPK。AMPK可通过激活TSC2抑制mTOR信号通路 ^［21］。AMPK（Adenosine 5′-monophosphate（AMP）-activated protein kinase）是真核细胞内发现的一类与细胞能量代谢有关的丝/苏氨酸激酶，它是由一个催化亚基和两个调节亚基组成的异源三聚体，AMP/ATP比值直接感应细胞能量水平变化，在AMP/ATP比值较低时，ATP可与AMP竞争结合AMPK而使其失活；当细胞内AMP/ATP比值升高时，AMPK则被激活，故被称为“能量感应器” ^［22］。 LKB1基因失活可使AMPK丧失对mTOR抑制作用，导致mTOR和HIF活性增高，从而诱发肿瘤细胞增殖，并使能量代谢转向糖酵解 ^［23］ 。

异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）是细胞能量代谢途径中一个关键酶，有IDH1和IDH2两型，分别形成同源二聚体发挥作用，IDH1主要位于胞质，IDH2主要位于线粒体。IDH1和IDH2基因突变可导致催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸能力大大下降，但却获得了将α-酮戊二酸还原成羟戊二酸的新功能，同时消耗NADPH，从而改变细胞内的氧化还原平衡，可能与肿瘤细胞的Warburg效应有关 ^［24］ 。

AMPK激活是发生在细胞内AMP升高、同时ATP下降之时。激活AMPK可磷酸化多种酶类，抑制脂肪酸、胆固醇以及蛋白质等合成从而减少ATP消耗。另一方面，AMPK通过促进脂肪酸氧化、葡萄糖转运等提高ATP产量。

肿瘤细胞具有独特能量代谢特点，可被用于肿瘤诊断与靶向治疗。

正电子发射计算机断层扫描（positron emission tomography，PET）在肿瘤学中的应用日益广泛，其原理正是基于肿瘤细胞以糖酵解为主要代谢方式，由于ATP产生效率低，故肿瘤细胞必须摄取更多的葡萄糖来维持其能量代谢平衡。 ¹⁸F-FDG作为葡萄糖示踪剂与葡萄糖分子结构相似，在注入体内后通过细胞膜上GLUT进入细胞内，在HK-Ⅱ的作用下被磷酸化，形成6-磷酸- ¹⁸FDG，但与葡萄糖不同的是6-P- ¹⁸FDG不能被进一步代谢，而是滞留堆积在细胞内。肿瘤细胞由于具有高摄取葡萄糖特点，故能聚集较多 ¹⁸F-FDG，在PET上显像。然而并不是具有Warburg效应的肿瘤细胞都能被PET-CT检测到 ^［25］，相反的，也并非是所有的 ¹⁸F-FDG高表达组织都是恶性肿瘤，炎症同样可以出现阳性表现。

肿瘤细胞特殊能量代谢途径在很大程度上依赖于糖酵解酶调控下的无氧糖酵解。从理论上讲，抑制特异性高表达的糖酵解酶可以阻断肿瘤细胞能量供应，这种靶向治疗策略受到广泛关注。但是由于肿瘤异质性和微环境改变，糖酵解酶表达和活性可能会发生变化，单一靶点尚不能完全控制肿瘤生长，多靶点联合应用策略可能会更具疗效。

HKⅡ是肿瘤细胞有氧糖酵解关键酶，其活性在肿瘤细胞比正常细胞高5～7倍。3-溴丙酮酸（3-bromopyruvate，3-BP）是HKⅡ抑制剂，通过与HKⅡ结合干扰肿瘤细胞糖酵解，动物实验证实，3-BP可影响肿瘤细胞生长，对正常细胞没有影响。2-脱氧-D-葡萄糖（2-deoxy-D-glucose，2-DG）是葡萄糖类似物，也是一种HKⅡ抑制剂，进入细胞便被HK磷酸化，磷酸化2-DG不能被降解，在细胞中积累从而抑制糖酵解。除此之外，HKⅡ活性还与它结合到线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道（voltage-dependent anion channel，VDAC）蛋白有关。抑制HKⅡ结合到VDAC也可干扰肿瘤细胞糖酵解。Clotrimazole和Bifonazole就是通过干扰HKⅡ结合VDAC来实现治疗肿瘤的作用 ^［26］。

代谢与正常细胞代谢有巨大差异。肿瘤组织通过摄取大量营养物质来维持能量和生物合成需求，而正常机体组织通常摄取较少营养物质，主要用于产生能量而非生物合成。肿瘤组织通过竞争性摄取营养物质实现其快速增殖。肿瘤是一种具有高度异质性疾病，每一种肿瘤都有其特异性，因此就解释了为什么存在一部分肿瘤“PET阴性”。那么，这群肿瘤细胞的生物能量形式不依赖于葡萄糖代谢?是否存在肿瘤特异性能量代谢途径?因此，肿瘤细胞代谢途径远比我们目前了解的要复杂。在充分认识肿瘤细胞能量代谢特点的基础上，可通过检测和干扰细胞物质代谢途径实现肿瘤疾病精确诊断和治疗。

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