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Theranostics | 膠質(zhì)母細胞瘤生長的能量代謝機制和治療靶點
多形膠質(zhì)母細胞瘤(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個月。鑒于腫瘤的不良結(jié)果和流行程度，對創(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阻止腫瘤進展。然而除了葡萄糖外，其他代謝途徑是如何滿足GBM不斷增長的復(fù)制和進展需求的尚不清楚。伊利諾伊大學(xué)醫(yī)學(xué)院Kiran K. Velpula團隊于《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）惡性細胞內(nèi)的線粒體功能障礙導(dǎo)致其對厭氧代謝的異常依賴，以滿足能量代謝需求，腫瘤微環(huán)境決定了細胞是主要依賴糖酵解還是氧化磷酸化，GBM對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的生長和增殖。Poteet等人的研究證明亞甲基藍通過接受線粒體復(fù)合物I和 NADH的電子并將其轉(zhuǎn)移到細胞色素C，使丙酮酸進入檸檬酸循環(huán)，進而逆轉(zhuǎn)GBM中的Warburg效應(yīng)。當(dāng)與替莫唑胺（TMZ）聯(lián)合使用時，亞甲基藍作為添加劑分別對致敏和耐藥TMZ-GBM細胞系U87和T98G發(fā)揮作用；另一項研究中Velpula等人報道，以丙酮酸脫氫酶激酶(PDK1)為靶點，通過降低GBM內(nèi)缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1)的表達，逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)。GBM的低氧核心穩(wěn)定HIF-1的表達，從而誘導(dǎo)PDK1和表皮生長因子受體(EGFR)的活化，通過靶向PDK1, GBM細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，但對復(fù)雜的癌癥（如GBM）最有利。糖酵解通過復(fù)雜的相互作用調(diào)控，涉及葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白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)。需要進一步研究來闡明和優(yōu)化輔助TMZ的抗糖酵解療法，包括GBM亞型對糖酵解的依賴性及其他代謝機制的偏好?？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，其中間體可能會被分流至其他機制，其他途徑的代謝物也可能進入其中。
脂肪酸氧化
脂肪酸氧化涉及通過去除兩個碳乙酰基-CoA亞基并生成一個NADH和一個FADH來縮短?；?CoA分子循環(huán)，重復(fù)這種縮短?；o酶A的過程，直到酰基輔酶A完全分解或直至丙?；o酶A的三碳結(jié)構(gòu)為止，該結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為琥珀?；o酶A并進一步用于TCA循環(huán)。NADH和FADH2的單位有助于線粒體中的電子傳遞鏈，通過氧化磷酸化將其消耗以進一步產(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?；D(zhuǎn)移酶和長鏈?；o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，利用海馬分析儀測量耗氧率（一種測量細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）處理過的hGBM細胞和用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等人證實了神經(jīng)膠質(zhì)瘤對脂肪酸氧化的依賴性，測量了SLC22A5 / OCTN2（一種將肉堿傳遞到細胞中的有機轉(zhuǎn)運蛋白）的表達，發(fā)現(xiàn)它在人類神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞中過表達。響應(yīng)于脂肪酸氧化的抑制，人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的活力降低，凋亡增加，脂肪酸氧化對神經(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和增殖提供了重要的研究途徑。實驗結(jié)果還表明脂肪酸氧化除作為一種直接的能量來源外，還限制了細胞內(nèi)活性氧(ROS)水平，因為活性氧水平不受控制地增加可導(dǎo)致癌細胞死亡，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分鐘后細胞內(nèi)ROS的水平，最終發(fā)現(xiàn)與對照組細胞相比，依托莫司處理的細胞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)為是癌細胞中許多代謝功能上調(diào)的底物。在生理條件下容易獲得，許多實體瘤（如GBM）顯示出精氨酸的利用率升高，維持胞內(nèi)足夠的精氨酸來源依賴于從細胞外環(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)為營養(yǎng)缺陷，進一步促進了其對細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，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制。Rabinovich等人假設(shè)在常氧條件下ASS1沉默可促進細胞增殖所必需的合成代謝功能，由于天冬氨酸同時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ASS1沉默細胞增殖的抑制作用。
此外，有許多其他的調(diào)控途徑能夠調(diào)控ASS1的表達，如HIF1α是ASS1的潛在調(diào)控因子，HIF1α激活能夠通過翻譯沉默抑制ASS1，HIF1α作為對日益增加的酸性/低氧環(huán)境的響應(yīng)機制，利用ASS1抑制來維持pH穩(wěn)態(tài)。有趣的是，低氧和低細胞外pH的存在似乎都獨立和協(xié)同地增強了ASS1的沉默。通過沉默ASS1，隨后細胞pH緩沖的增加也被報道為細胞內(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沉默癌細胞所顯示的精氨酸缺乏癥已經(jīng)證明了對精氨酸剝奪療法的敏感性，同時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。但在高度增殖的細胞中，谷氨酰胺的消耗量已超過蛋白質(zhì)合成所需量的十倍之多，而且培養(yǎng)的腫瘤細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)運蛋白3（SNAT3）和丙氨酸/絲氨酸/半胱氨酸轉(zhuǎn)運蛋白2（ASCT2）的mRNA轉(zhuǎn)錄表達顯著增加。在惡性細胞中，過量谷氨酰胺攝取和分解代謝有三個主要目的：在TCA循環(huán)中通過動脈粥樣硬化生成NADPH，支持谷氨酸的產(chǎn)量顯著增加，并通過LAT1反轉(zhuǎn)運蛋白促進必需氨基酸（EAA）的攝取。
如圖3所示，谷氨酰胺以α-KG的形式通過谷氨酰胺酶(GA)和丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶(ALT)的兩步轉(zhuǎn)運進入TCA循環(huán)，它最終轉(zhuǎn)化為蘋果酸，并通過蘋果酸酶(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)母細胞瘤細胞系中超過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)細胞內(nèi)OAA都來自谷氨酰胺而非葡萄糖，這表明谷氨酰胺攝取對于為持續(xù)的檸檬酸合酶活性提供OAA是必需的，該機制在IDH突變型GBM中尤為重要，因為谷氨酰胺代謝補充了TCA循環(huán)中間體，否則該中間體將不會以高濃度存在。
多項研究表明，通過胱氨酸-谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運體釋放谷氨酸的興奮毒性促進了惡性GBMs的生長，導(dǎo)致附近神經(jīng)元中N-甲基D-天冬氨酸（NMDA）受體的延長激活觸發(fā)細胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流，從而誘導(dǎo)細胞凋亡。腫瘤周圍細胞的破壞被認(rèn)為促進腫瘤向周圍組織的侵襲并為惡性細胞提供營養(yǎng)。與正常星形膠質(zhì)細胞相比，GBM細胞的谷氨酸攝取明顯降低，C6膠質(zhì)瘤細胞系顯示谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運蛋白（GLAST），谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白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)致腫瘤細胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流降低，有效地保護細胞免于興奮毒性。事實上，Ca2+內(nèi)流通過AMPA受體導(dǎo)致AKT磷酸化，促進惡性細胞的生長和增殖。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的改變可以成為受關(guān)注的治療靶標(biāo)。NMDA拮抗劑MK801對C6膠質(zhì)瘤細胞的治療導(dǎo)致分泌谷氨酸的腫瘤生長明顯降低，針對癌細胞中谷氨酰胺貯庫的藥理干預(yù)措施的研究是一個非常有潛力的方向。
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途徑，OCM是發(fā)生在線粒體細胞質(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，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，葉酸通過脫氫葉酸還原酶被還原為四氫葉酸(THF)，此時THF可以從絲氨酸和甘氨酸等來源獲得甲基，從而生成甲基THF，甲基THF作為一碳供體，是一種涉及許多過程的有效輔助因子，如通過蛋氨酸循環(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)移酶進一步催化蛋氨酸，從而產(chǎn)生SAM（通過一系列反應(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。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），同時觀察到miR-940的過表達不僅降低了細胞樣品中的葉酸代謝，而且還促進了細胞凋亡并抑制了膠質(zhì)瘤細胞的侵襲，因此它成為靶向腫瘤生長的新手段。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細胞補充外源蛋氨酸可以促進和維持該細胞生長。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
表1. GBM代謝靶點
小結(jié)
本綜述探討了GBM生長和腫瘤發(fā)生的相關(guān)基礎(chǔ)代謝機制，惡性GBMs利用各種非常規(guī)分子維持生長，使得腫瘤比健康的中樞神經(jīng)系統(tǒng)細胞擁有更大的能量儲備，后者幾乎完全依賴葡萄糖來產(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)代謝物和自噬來滿足其高ATP需求。以改變腫瘤代謝為目的的新的治療靶點不斷被發(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。因此需要進一步的體內(nèi)研究來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
能量代謝的改變機制一直是惡性腫瘤細胞研究的熱點，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)物在腫瘤細胞內(nèi)外發(fā)生顯著改變。針對能量代謝途徑的干預(yù)很可能對未來多種腫瘤的診斷與治療產(chǎn)生影響。但其中大部分機制研究仍處于起步階段，監(jiān)測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，麥特繪譜均可提供全套解決方案！歡迎聯(lián)系獲取詳細資料。
參考文獻
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.?
