代谢重编程:新兴概念和相关的治疗策略

肿瘤组织由癌细胞和周围的基质细胞组成，具有不同的遗传/表观遗传背景，这种情况被称为肿瘤内异质性。癌细胞周围的微环境与正常细胞完全不同;因此，肿瘤细胞必须表现出对缺氧和低营养条件的快速适应性反应。这种被称为“代谢重编程”的肿瘤细胞生物能变化现象，已被认为是癌症的十大特征之一。代谢重编程是恶性转化和肿瘤发展所必需的，包括侵袭和转移。虽然Warburg效应已被广泛接受为代谢重编程的共同特征，但越来越多的证据表明，肿瘤细胞依赖于线粒体代谢和有氧糖酵解。值得注意的是，与邻近的癌细胞相比，肿瘤基质中的癌症相关成纤维细胞倾向于同时激活糖酵解和自噬，这导致了相反的Warburg效应。单羧酸转运蛋白表达的异质性反映了细胞代谢的异质性与乳酸盐的产生和摄取有关。在肿瘤组织中，代谢异质性诱导代谢共生，从而适应化疗引起的营养微环境的剧烈变化。此外，代谢异质性是导致不能诱导对整个癌细胞产生相同的治疗效果的原因。 In particular, cancer stem cells exhibit several biological features responsible for resistance to conventional anti-tumor therapies. Consequently, cancer stem cells tend to form minimal residual disease after chemotherapy and exhibit metastatic potential with additional metabolic reprogramming. This type of altered metabolic reprogramming leads to adaptive/acquired resistance to anti-tumor therapy. Collectively, complex and dynamic metabolic reprogramming should be regarded as a reflection of the “robustness” of tumor cells against unfavorable conditions. This review focuses on the concept of metabolic reprogramming in heterogeneous tumor tissue, and further emphasizes the importance of developing novel therapeutic strategies based on drug repositioning.

肿瘤组织由异质细胞群组成。肿瘤组织中的基质细胞，如神经元、血管内皮细胞、成纤维细胞和巨噬细胞驱动化疗耐药性[1]以及肿瘤的生存和进展[2，3.］．即使在纯肿瘤细胞群体中，由于基因突变和表观遗传调节，异质性也存在。这种细胞异质性可以用分级模型来解释，在分级模型中，癌干样细胞(CSCs)可以提供短暂的扩增细胞，分化的非CSCs参与建立肿瘤组织[4，5］．CSCs具有“茎性”的几个生物学特征，表型的组合，包括在静态(G₀阶段)和增殖状态[6]以及对氧化还原应激和化疗药物的抵抗力[7，8］．重要的是，越来越多的证据表明，代谢重编程对于CSCs保持无限的自我更新潜力和对肿瘤微环境剧烈变化的超适应至关重要[9- - - - - -11］．

由于CSCs的存在，肿瘤内的异质性是我们无法在整个癌细胞中诱导相同的治疗效果的主要原因[12，13］．CSCs极有可能促成微小残留疾病(MRD)的形成[1］．“MRD”一词最常用于血液恶性疾病[14]，但其基本概念在讨论常规抗肿瘤治疗后临床无法检测到的耐药克隆时相当方便[1］．因此，MRD有望显著促进潜在复发和远处转移(图。1)．

癌细胞的异常增殖是由能量代谢改变介导的对营养微环境的增强适应所支持的。因此，代谢重编程被认为是肿瘤细胞的特征之一，与基因组不稳定、引发肿瘤的慢性炎症、从免疫系统逃逸等相似。[5］．虽然有氧糖酵解，被称为Warburg效应，是癌细胞特有的代谢特征[15，16]，最近的研究揭示了其他代谢特征，特别是反向Warburg效应[17，18]，代谢共生[19，20.]，以及对谷氨酰胺代谢上瘾[21，22]，由于适应性或获得性化疗耐药，给抗癌治疗带来挑战。本文就代谢重编程与肿瘤异质性的关系，以及药物重定位靶向代谢重编程的治疗策略进行综述。

传统瓦堡效应和新兴概念

1924年，奥托·瓦伯格发现，无论可用的氧气水平如何，肿瘤细胞倾向于从葡萄糖中产生大量乳酸[15，16］．这种情况与无氧糖酵解类似，意味着正常分化细胞在缺氧条件下氧化磷酸化(OXPHOS)被糖酵解所取代[23，24］．然而，癌细胞在暴露于缺氧条件之前似乎就开始糖酵解代谢[15，16］．线粒体中的OXPHOS从1 mol葡萄糖产生多达36 mol ATP，而葡萄糖转化为丙酮酸或乳酸分别只产生2或4 mol ATP [25，26］．目前尚不清楚为什么癌细胞在很大程度上依赖于这种“低效”的代谢途径，即使有足够的氧气[27，28］．与正常细胞形成鲜明对比的是，即使在氧气充足的情况下，癌细胞也优先摄取葡萄糖并将其转化为乳酸[29］．这种看似“低效”的代谢特征很大程度上依赖于GLUT1的异常上调，GLUT1是一种在癌细胞中大量表达的葡萄糖转运体[30.，31]，尽管一项相互矛盾的研究报告称，根据肿瘤侵袭程度，GLUT1不一定参与Warburg效应[32］．只有当癌细胞的能量资源稀缺时，低效的ATP合成才会成为癌细胞的障碍。然而，在血管生成异常的癌细胞增殖中，情况并非如此[29］．肿瘤细胞通过调节底物摄取和糖酵解相关的酶来精细地调节ATP的合成，使其能够适应营养微环境[33］．此外，腺苷单磷酸活化蛋白激酶(AMPK)信号转导的调节是一种能量状态传感器，与Warburg效应密切相关，Warburg效应是癌细胞代谢重编程的一种形式[34，35］．事实上，AMPK的遗传消融激活了哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号，缺氧诱导因子-1 α (HIF-1 α)异位表达，导致细胞快速增殖，并伴有有氧糖酵解的激活[35］．这有力地表明了癌症代谢重编程在维持氧敏感转录因子和营养敏感信号通路之间相互作用的重要性。

代谢重编程对化疗的反应

似乎与Warburg效应相矛盾的是，肿瘤线粒体代谢的异质性被认为诱导了激活代谢途径的多样性[36(图。2)．值得注意的是，几种癌症中的MRD在CSCs中富集，导致肿瘤内异质性和不良预后[1，9，10，37］．例如，膀胱癌的非csc会释放前列腺素E₂(铂族元素₂)在化疗过程中发生细胞凋亡。铂族元素₂促进休眠G的觉醒₀-阶段性CSCs进入增殖状态[9］．考虑到PGE₂-介导的线粒体代谢激活已在非恶性细胞中得到证实[38]时，活化的CSCs可能经历了代谢重编程的改变(图。3.)．类似地，一个驱动癌基因(即激活突变体)短暂耗尽后的幸存者喀斯特^G12D在胰腺癌中)倾向于严重依赖线粒体中的OXPHOS，而不是有氧糖酵解。对化疗后幸存者代谢途径的综合分析显示，调节线粒体功能、自噬和溶酶体降解活性的基因显著表达，以及对线粒体呼吸的强烈依赖和对Warburg效应的依赖减弱[10］．自噬是一种代谢循环途径，涉及不依赖于蛋白酶体的细胞成分降解(例如，旧的和功能失调的线粒体)，这是癌症耐药的部分原因[39］．

此外，在突变BRAF (V600E)抑制剂治疗后存活和增殖的恶性黑色素瘤细胞往往表现出对线粒体代谢的相对依赖[11］．因为BRAF抑制氧化磷酸化(OXPHOS)， MRD细胞上调增殖激活受体- γ辅激活剂-1 (pgc1 - α)。BRAF (V600E)- mitf - pgc1 - α轴促进线粒体的生物发生，并导致BRAF突变的黑色素瘤细胞对线粒体代谢上瘾[11］．由于组蛋白H3赖氨酸4 (H3K4)-去甲基化酶jarid1b -高表达黑色素瘤细胞增殖缓慢，高度依赖线粒体代谢[11，40]，化疗诱导的肿瘤组织代谢重编程可能是MRD中CSCs富集的原因。

肿瘤异质性驱动的代谢相互作用

最初，瓦伯格效应的概念被认为仅限于癌细胞。然而，最近出现的“反向华宝效应”概念引起了相当大的关注。肿瘤细胞来源的活性氧(ROS)降低肿瘤相关成纤维细胞(CAFs)中小穴蛋白-1的表达。CAFs是肿瘤基质的主要成分，因此它们表达α -平滑肌肌动蛋白(α - sma)，并被广泛认为是推动肿瘤进展和转移的因素[41］．CAFs中caveolin-1的缺失导致ROS水平升高，进而稳定HIF-1 α [17，42］．简而言之，癌细胞为成纤维细胞创造了“伪缺氧”条件。由于转录因子HIF-1 α促进糖酵解并为肿瘤细胞提供乳酸和谷氨酸，癌细胞中ROS的增加间接诱导线粒体中三羧酸(TCA)循环中间代谢物的摄取。CAFs比正常的成纤维细胞消耗更多的葡萄糖和分泌更多的乳酸。此外，CAFs显著依赖于自噬，肿瘤间质中自噬的激活导致化疗耐药[18，42(图。4)．

如上所述，上皮癌细胞周围的成纤维细胞经历代谢重编程，类似于与Warburg效应相关的表型。上皮癌细胞与CAFs之间的代谢共生要求每个细胞表达不同亚型的单羧酸转运体(MCT)。上皮性癌细胞表达MCT1，这有助于摄取由表达MCT4的caveolin1缺失CAFs提供的乳酸[17，43］．肿瘤细胞从乳酸合成丙酮酸，为TCA循环提供中间代谢物。值得注意的是，富含乳酸的细胞外空间反映了酸性条件，这反过来又导致了伪缺氧条件的形成。

然而，应该强调的是，这种反向Warburg效应并不一定存在于所有类型的肿瘤中。表达高水平MCT4或间充质表型的肿瘤不倾向于表现出相反的Warburg现象。相反，癌细胞表现出分级代谢异质性:表达MCT4的肿瘤细胞通过MCT4进行糖酵解并分泌乳酸，而表达MCT1的细胞通过MCT1输入乳酸并进行OXPHOS。此外，mct1阳性癌细胞的葡萄糖摄取量低于mct4阳性细胞[19，20.(图。5)．这种代谢异质性被称为代谢共生，在正常脑组织中，神经元和星形胶质细胞之间也观察到这种乳酸穿梭[44］．值得注意的是，正常组织和癌变组织共享精细调控的代谢共生机制。

代谢共生中的癌干细胞

重要的是，表达高水平MCT1的高氧/好氧癌细胞通过利用来自表达高水平MCT4的缺氧/糖酵解细胞的乳酸盐有效地产生代谢中间体和ATP。氧化还原应激是癌症组织的主要标志，它驱动邻近增殖的mct1阳性癌细胞的强劲代谢，这些癌细胞富含线粒体，由线粒体燃料如乳酸盐、丙酮酸盐和酮体的旁分泌转移介导[19，20.(无花果。4和5)。

最重要的是，化疗或照射引起的基因毒性应激增加了ROS水平，促进了csf样表型[45- - - - - -47］．因为CSCs表现出快速增殖和低分化的表型，mct1阳性的癌细胞很可能在肿瘤细胞的异质群体中具有干细胞样表型。毕竟，激活的线粒体代谢不仅为增殖的自我更新提供了足够的能量，也为侵袭/远处转移提供了足够的能量，这两者在CSCs中都是被激活的。

因此，MCT1的药理阻断对癌症的治疗是有用的。MCT1抑制破坏了代谢共生，MCT1阳性的需氧癌细胞不能再摄取乳酸[20.]，这表明与mct4阳性细胞相比，mct1阳性CSCs在维持肿瘤细胞社会的层次结构中起着基本作用(图2)。5)．

通过代谢重编程获得茎样和恶性表型

氨基酸转运蛋白的配合是癌细胞进行代谢重编程和维持干细胞样表型所必需的。例如，缺乏雌激素受体、孕酮受体和酪氨酸激酶受体HER2的三阴性乳腺癌(TNBC)细胞，由于xCT和ASCT2氨基酸转运体之间的协调，表现出对谷氨酰胺代谢的成瘾[48，49]: xCT摄取胱氨酸以换取谷氨酰胺，用于合成谷胱甘肽[7]，而ASCT2以协同的方式摄取谷氨酰胺[50］．谷氨酰胺同时通过ASCT2转运体输入，并通过LAT1/4F2 (CD98重链)反转运体输出以换取亮氨酸[48］．谷氨酰胺摄取途径有助于α - kg的合成，促进线粒体中的TCA循环，以及谷氨酸，从而促进细胞增殖所需核苷酸的合成[48(图。6)．因此，代谢重编程是由氨基酸转运蛋白的升高表达和相互作用调控的，有助于激活谷氨酰胺代谢重编程，并保护肿瘤细胞免受胱氨酸代谢重编程介导的氧化应激积累。

值得注意的是，经过代谢重编程的循环肿瘤细胞(ctc)为自己提供了一个有利于定植和远处转移的微环境。最近的研究表明，来源于结肠腺癌并表达CD110(血小板生成素受体)阳性的ctc，由于赖氨酸分解代谢的升高，可以在转移前小生境安家，并定植转移性肝组织[51，52］．赖氨酸降解为cd110阳性的ctc提供谷氨酸和乙酰辅酶a，这分别有助于抗氧化剂GSH和p300依赖的LRP6乙酰化的合成[52，53］．这种代谢重编程通过降低ROS水平、提高自我更新潜力和激活Wnt/ β -连环蛋白信号通路来促进ctc的转移潜力[52］．因此，ctc在转移过程中类似于CSCs，至少在转移前生态位的“教育”方面是如此。最重要的是，这种转移表型是由赖氨酸代谢重编程支持的。

癌细胞的一个亚群严重依赖于有氧糖酵解，可以吸收和消耗葡萄糖，而另一个亚群则通过激活线粒体代谢参与OXPHOS和谷氨酰胺溶解。前者(mct4阳性)亚群的乳酸生产效率远高于后者(mct1阳性)亚群，后者依赖于线粒体中的OXPHOS和谷氨酰胺衍生的TCA循环[54(图。5)．因此，肿瘤细胞倾向于通过升高乳酸分泌来降低微环境pH值。酸性肿瘤微环境诱导基质金属蛋白酶(mmp)的表达，尤其是MMP-2和MMP-9 [55］．因此，代谢重编程显著增强了癌细胞的侵袭和转移潜能。

谷氨酰胺代谢的激活由癌基因成瘾驱动

线粒体在癌症代谢中发挥的作用比之前预期的要重要得多，谷氨酰胺溶解是这种细胞器中调控的最常见的代谢途径[56］．谷氨酰胺分解是一系列生化反应，通过该反应，谷氨酰胺被分解为下游代谢物，例如，α -酮戊二酸酯(α - kg)和谷氨酸酯。通过TCA循环，α - kg分解代谢为苹果酸，苹果酸被运输到细胞质中，转化为丙酮酸，然后最终转化为乳酸[22］．在机制上，mTORC1信号通路通过上调谷氨酸脱氢酶(GDH)促进谷氨酰胺无再生[57］．SIRT4是nadd依赖酶sirtuin家族的线粒体定位成员，在代谢、应激反应和寿命中起着重要作用[58］．在谷氨酰胺溶解方面，SIRT4是线粒体中谷氨酰胺代谢的关键负调节因子[58]，当mTOR信号通路被激活时，其在转录水平上下调[57］．因此，mTOR抑制剂如雷帕霉素有望阻断mTORC1-SIRT4-GDH轴，这对谷氨酰胺溶解至关重要[57(图。6)．

如上所述，肿瘤组织由依赖Warburg效应和线粒体代谢的异质细胞群组成。相对于缓慢循环的CSCs，增殖性癌细胞倾向于摄取大量谷氨酰胺和葡萄糖来生成代谢物[54］．好氧糖酵解和谷氨酰胺解经常在恶性癌细胞中同时被激活[36，59］．然而，看似矛盾的是，一些癌细胞在缺乏谷氨酰胺的情况下无法存活和增殖，尽管谷氨酰胺是一种可以从葡萄糖合成的非必需氨基酸[60］．谷氨酰胺是TCA循环的主要底物，需要通过产生烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸(NADPH)来维持氧化还原状态。谷氨酰胺溶解能使癌细胞减少NADP⁺到NADPH，这是一种由苹果酶催化的反应。NADPH是脂质合成、核苷酸代谢和维持还原性谷胱甘肽的还原步骤所必需的电子供体[21］．通过这种方式，谷氨酰胺解的代谢重编程使癌细胞能够调节氧化还原状态。

致癌性c-Myc介导癌细胞中谷氨酰胺溶解的升高。c-Myc促进谷氨酰胺摄取和谷氨酰胺分解代谢[61］．由于c- myc介导的代谢重编程，癌细胞倾向于表现出“谷氨酰胺成瘾”[48，61］．这是癌基因成瘾的癌细胞代谢重编程的典型例子[62，63]，这表明肿瘤细胞以c-Myc介导的方式对谷氨酰胺代谢上瘾是潜在的“阿喀琉斯之踵”。

以代谢重编程为目标的治疗策略

药物重新定位(DR)，筛查常规给药治疗非恶性疾病的抗癌治疗效果，已经引起了极大的关注，因为这些药物的安全性和副作用的频率已经被证明[64］．例如，质子泵抑制剂(PPIs)是一种酸激活的前药，可抑制胃壁细胞中表达的H/ k - atp酶，通常用于治疗胃溃疡[65］．PPIs对化疗有协同作用[66]通过调节酸性微环境[67]或下调参与化疗耐药性的microRNAs [68］．其他典型的耐药例子包括柳氮磺胺[7，8，69]、伊曲康唑[70，71]，特非那定[72，73]、辛伐他汀[74，75]在表中描述1．为了研究这些药物在临床环境中的抗肿瘤治疗作用，所有这些药物都在临床试验或异种移植实验中进行测试。

在这里，我们将详细描述二甲双胍作为抗癌药物的潜在作用。例如，研究发现，广泛用于治疗2型糖尿病的口服药物二甲双胍[76]，可以阻止肿瘤的生长和发展。大量回顾性临床研究也表明二甲双胍可预防癌变，改善临床预后[77- - - - - -79］．二甲双胍激活AMPK信号转导，不仅降低2型糖尿病的胰岛素抵抗[76]但也能阻断ampk介导的mTOR激活，甚至在CSCs中[77］．mTOR信号由氨基酸转运体调控，其特征为l型氨基酸转运体1 (LAT1;SLC7A5)和谷氨酰胺/氨基酸转运体(ASCT2;SLC1A5) [80，81]，这就是为什么AMPK-mTOR轴可以作为营养/生长因子微环境动态变化的传感器。特别是，通过LAT1摄取亮氨酸激活mTOR信号通路[81，82]导致预后不良[83，84］．因为EpCAM是一个功能性CSC标记物，与LAT1等氨基酸转运体形成复合物[82，85]， LAT1表达水平与不良预后呈正相关是合理的[83，84］．因此，LKB1-AMPK-mTOR轴是由肿瘤微环境中的氨基酸浓度调节的，该轴促进了癌细胞对微环境的代谢重编程。

值得注意的是，最近的研究表明，这种抗2型糖尿病药物抑制外核苷焦磷酸酶/磷酸二酯酶家族成员1 (ENPP1)。因此，二甲双胍可以抑制表达高水平ABCG2的癌细胞亚群的产生，ABCG2是一种atp结合盒(ABC)转运体，负责主动药物外排。从机制上讲，ENPP1的胞浆结构域对于在细胞膜上与ABCG2的相互作用至关重要;因此，ENPP1通过促进ABCG2的稳定来促进耐药性[86，87］．此外，二甲双胍可诱导microrna -27b介导的ENPP1抑制，从而降低化疗耐药和肿瘤播种潜力[86］．ENPP1被广泛认为是2型糖尿病胰岛素抵抗的原因[88]，强调药物重新定位的重要性。总的来说，这些观察结果表明，这种抗dm药物是一种很有前途的手段，以削弱癌细胞的恶性行为，就像其他药物通常用于非癌性疾病。

复杂而动态的代谢重编程应被视为肿瘤细胞对不利条件的“稳健性”的反映。癌细胞代谢重编程引起的超适应很可能给我们一个很好的机会来攻击异质肿瘤组织中的“破碎点”。DR使我们能够在代谢异质细胞群中识别治疗肿瘤组织的“银弹”。为了促进新的治疗策略的发展，应该在不久的将来在临床试验中评估重新定位药物与传统抗癌药物的协同效应。

alpha-KG:

Alpha-ketoglutarate

AMPK:

磷酸腺苷活化蛋白激酶

战乱国家:

癌症相关成纤维细胞

CSC:

癌干细胞样细胞

CTC:

循环肿瘤细胞

糖尿病:

糖尿病

博士:

重新定位药物

ECM:

细胞外基质

ENPP1:

外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶家族成员

国民幸福指数:

谷氨酸脱氢酶

HIF-1α:

缺氧诱导因子-1 α

LAT1:

l型氨基酸转运蛋白1

未经中华人民共和国交通部:

Monocarboxylate运输车

MMP的:

基质金属蛋白酶

MRD:

微小残留疾病

mTOR:

雷帕霉素的哺乳动物靶点

NADPH:

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

OXPHOS:

氧化磷酸化

ROS:

活性氧

柠檬酸:

三羧酸

我要感谢庆应义塾大学的Hideyuki Saya教授和Oltea Sampetrean博士的善意建议和有用意见，以完成这篇综述文章。

作者及隶属关系

1. 日本科学促进会研究员，东京，日本

   吉田吉田加油

2. 东京医科和牙科大学医学研究所病理细胞生物学系，日本东京文教区由岛1-5-45,113-8510

   吉田吉田加油

相应的作者

对应到吉田吉田加油．

相互竞争的利益

没有需要解决的竞争利益。

作者的贡献

GJY查阅文献，起草并修改了手稿。

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