腫瘤細胞具有獨特的糖代謝特征，即高糖吸收、有氧糖酵解與高乳酸生成，具體表現為腫瘤細胞參與氧化代謝的相關蛋白表達下調、葡萄糖轉運蛋白及單羧酸轉運蛋白表達上調。研究表明，靶向腫瘤細胞糖代謝的藥物具有殺死腫瘤細胞的能力，為腫瘤治療帶來了新希望。此外，腫瘤干細胞被認為是腫瘤復發、轉移及預后不良的根源，其能量代謝特征目前尚不清楚。有研究表明，逆轉腫瘤干細胞的能量代謝可以增加其化療敏感性。本文綜述近年來腫瘤細胞及腫瘤干細胞糖代謝方面的研究進展，以及通過靶向糖代謝進行腫瘤治療面臨的機遇與挑戰，期望可為臨床上腫瘤治療提供新的思路與契機。
引用本文： 劉戈, 宋關斌. 腫瘤細胞的糖代謝調控與腫瘤治療. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(4): 691-695. doi: 10.7507/1001-5515.201812025 復制
引言
糖酵解與氧化磷酸化是細胞進行能量代謝的主要途徑。對于普通細胞而言，當氧氣充足時葡萄糖經徹底氧化產生 32 分子三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）；當氧氣供應不足時僅通過糖酵解產生 2 分子 ATP。因此，普通細胞只有在缺氧情況下才使用糖酵解這種低效率的產能途徑。而腫瘤細胞即便在氧氣充足的情況下也依然依靠糖酵解供能，這是腫瘤細胞與普通細胞在糖代謝上的差別，被稱為“瓦博格（Warburg）效應”[1]。基于此，利用藥物調控腫瘤細胞的糖代謝從而達到腫瘤治療的目的已成為腫瘤細胞生物學及代謝領域的研究熱點。
腫瘤細胞生長、增殖旺盛，所需營養物質的量遠大于普通細胞。葡萄糖、氨基酸、維生素、脂肪酸等營養物質大多數是親水性的，不容易透過細胞膜，需要借助質膜中特定的轉運體進入細胞，因此腫瘤細胞表面的轉運蛋白表達上調，以達到促使營養物質高效進入細胞的目的。因此，這些上調的轉運蛋白有望成為腫瘤治療的藥物靶點，對其進行靶向干預可能導致腫瘤細胞因缺乏必要的營養物質而死亡。
1 Warburg 效應及其意義
1923 年，Outto Warburg 發現增殖的腹水腫瘤細胞可以將大部分葡萄糖轉化為乳酸，即使在氧氣充足的條件下也依然如此，這種以高糖吸收、有氧糖酵解與高乳酸生成為表現形式的獨特能量代謝現象，稱為“Warburg 效應”[1]，自此腫瘤也被認為是一種“代謝疾病”。腫瘤細胞旺盛地生長、增殖， 所需能量遠大于普通細胞，但其為何選擇糖酵解如此低效率的產能方式呢？Warburg 認為這種獨特的代謝現象與腫瘤細胞線粒體功能受損有關，線粒體功能的缺陷使葡萄糖無法通過電子呼吸鏈轉變為 CO2，這是腫瘤細胞進行惡性轉化所必需的[2]。雖然尚未有證據令人完全信服這一假設，但目前已有大量文獻證明多種腫瘤細胞具有“Warburg 效應”。研究發現，糖酵解過程中產生的三碳中間體大部分被用于合成腫瘤細胞生長增殖所必需的蛋白質和脂質等大分子物質，以維持腫瘤細胞對葡萄糖的高攝取[3]。有研究表明，腫瘤細胞氧化磷酸化的部分抑制使電子無法通過電子傳遞鏈直接傳遞到氧，從而增加了活性氧的產生，而活性氧可以導致原癌基因發生突變，進而導致細胞的惡性轉化[4]。因此現已認為，腫瘤細胞中下調的線粒體氧化磷酸化是其為了啟動惡性轉化而做出的妥協。除此之外，有文獻報道腫瘤細胞糖酵解過程中產生的大量酸性物質可以促進巨噬細胞極化為非炎性類型，從而阻止其對腫瘤細胞的攻擊；當阻斷酸性微環境對巨噬細胞的影響時會導致 T 細胞的抗腫瘤功能被重新激活，也就是說“Warbug 效應”帶來的弱酸性腫瘤微環境有助于腫瘤細胞逃避免疫細胞的“追殺”[5-6]。
為滿足自身的能量需求，腫瘤細胞的葡萄糖吸收速率是普通細胞的 20～30 倍，其糖酵解效率是普通細胞的 30 倍以上。臨床上利用腫瘤細胞的高糖吸收，采用18F-脫氧葡萄糖-正電子發射計算機斷層顯像/電子計算機 X 射線斷層掃描技術（18F-deoxyglucose-positron emission tomography/computed tomography，18F-DG-PET/CT）檢測腫瘤組織葡萄糖的攝取和轉化，用來判斷腫瘤的惡性程度。糖酵解速率的升高意味著細胞中煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的高消耗，普通細胞通過氧化磷酸化再生 NAD+以彌補糖酵解中 NAD+的損失，使能量代謝不間斷的進行；腫瘤細胞的氧化磷酸化被部分抑制，其通過上調乳酸脫氫酶 A（lactate dehydrogenase A，LDHA）、抑制乳酸脫氫酶 B（lactate dehydrogenase B，LDHB）將糖酵解中生成的丙酮酸高速率地轉化為乳酸以再生 NAD+。LDHA 有利于丙酮酸轉化為乳酸，而 LDHB 則有利于乳酸轉化為丙酮酸。因此，高乳酸生成被認為是腫瘤細胞維持高速率糖酵解的必要條件。
2 “反 Warburg 效應”與細胞分化
利用藥物對腫瘤細胞的代謝行為進行干預，使其主要產能途徑由糖酵解轉變為氧化磷酸化，這一過程稱為能量代謝重編程或“反 Warburg 效應”。
2.1 “反 Warburg 效應”與癌細胞分化
正常干細胞干性的維持不但需要表觀遺傳的修飾，還需細胞內能量代謝的協同參與，其能量代謝途徑與腫瘤細胞類似，嚴重依賴于糖酵解。現已知，人的胚胎干細胞、造血干細胞、間充質干細胞、肌肉干細胞、誘導多能干細胞等都依賴于糖酵解供能，發生分化時產能途徑轉變為氧化磷酸化。腫瘤細胞因具有無限增殖的能力又被認為是一種“病變的干細胞”。如前所述，“Warburg 效應”是腫瘤細胞進行惡性轉化及逃避免疫攻擊所必需的，那么逆轉腫瘤細胞的“Warburg 效應”能否誘導其發生分化進而降低其惡性呢？
最近有研究表明，分化誘導劑雙丁酰環磷酸腺苷（dibutyryl cyclic adenosine monophosphate，db cAMP）可以通過環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）-cAMP 效應元件結合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）-過氧化物酶體增殖物激活受體 γ 輔激活子 1α （peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC1α）通路調控能量代謝 ，即：cAMP-CREB-PGC1α 通路，從而使膠質母細胞瘤細胞惡性增殖率降低，向正常的星形膠質細胞分化[7]。Xing 等[7]研究發現，db cAMP 上調線粒體生物發生相關基因的表達，從而增加線粒體活性使細胞能量代謝重編程，產生“反 Warburg 效應”，進而調控膠質母細胞瘤細胞朝著正常細胞分化，表達星形膠質細胞的表面標記。其中，線粒體生物發生的改變是細胞能量代謝改變的驅動力，能量代謝重編程又驅動了膠質母細胞瘤細胞的分化。維甲類藥物是最早用于研究腫瘤細胞分化的誘導劑，早在 1986 年，我國學者首次將全反式維甲酸（all-trans-retinoic acid，ATRA）應用于臨床治療急性早幼粒細胞白血病，并取得成功[8]。近年來已有研究證實 ATRA 可誘導人肝腫瘤細胞 HepG2 分化，使其朝著正常肝細胞形態轉化，化療藥物敏感性顯著提高[9]。Molinari 等[10]及 LaGory 等[11]也報道，上調腫瘤細胞中 PGC1α 的表達后，可以通過恢復線粒體功能和氧化磷酸化來抑制腫瘤細胞生長，增加其化療敏感性。這些研究說明，恢復線粒體功能、上調氧化代謝可以對腫瘤細胞進行有效分化誘導治療。除此之外，一些針對糖酵解酶如己糖激酶 2（hexokinase 2，HK2）和 LDHA 的特殊抑制劑已經證明具有選擇性殺死腫瘤細胞的能力[12]，表明了靶向代謝抑制腫瘤的潛力。
2.2 能量代謝調控與腫瘤干細胞分化
腫瘤干細胞假說認為，少量的腫瘤干細胞處于腫瘤群體的最頂端，是形成不同分化程度腫瘤細胞和腫瘤復發、轉移及預后不良的根源[13]。迄今為止，已在包括乳腺癌、肝癌、肺癌、前列腺癌、結直腸癌等多種實體瘤中發現了腫瘤干細胞。與腫瘤細胞“Warburg 效應”不同的是，腫瘤干細胞的能量代謝特征目前尚不清楚。有文章報道，來自乳腺癌、卵巢癌、結腸癌和膠質母細胞瘤的腫瘤干細胞表現出葡萄糖攝取、乳酸產生和糖酵解酶表達的顯著增加以及線粒體氧化代謝的減少[14-17]。與之相反的，有研究人員對來源于人體的肺癌干細胞及白血病干細胞進行研究，發現其主要依靠氧化磷酸化的能量代謝方式[18-19]。如前所述，能量代謝轉變為氧化磷酸化在正常干細胞的分化過程中起著決定性作用，那么對腫瘤干細胞進行能量代謝的調控能否誘導其發生分化、降低其放化療抗性呢？
研究表明，偏向于氧化代謝的腫瘤干細胞往往伴隨著 c-Myc 基因的低表達，低表達的 c-Myc 可以調控 PGC1α 表達上調，進而導致腫瘤干細胞線粒體生物發生、線粒體活性及抗氧化活性均增加[20]。抗糖尿病藥物二甲雙胍可以通過抑制甲狀腺癌干細胞、胰腺癌干細胞的線粒體生物發生以抑制其增殖及清除腫瘤干細胞[21-22]。但研究人員發現，在二甲雙胍治療過程中部分胰腺癌干細胞會產生耐藥性，換用線粒體活性氧誘導劑甲萘醌進行治療則不會導致耐藥性的產生[22]，這一研究提示線粒體活性氧誘導劑可為氧化代謝型腫瘤干細胞的靶向帶來新的契機。與之相反，偏向于糖酵解的腫瘤干細胞，如食管鱗狀細胞癌干細胞及結直腸癌干細胞，其 c-Myc 基因往往高表達，利用小干擾 RNA（small interfering RNA, siRNA）技術對其進行沉默，可縮小腫瘤體積[23-24]。此外，有研究表明，分化誘導劑鹽霉素可以通過誘導肝腫瘤干細胞分化，降低其遷移及侵襲能力[25]。
3 腫瘤細胞糖代謝中的轉運蛋白
腫瘤細胞高速率的代謝需求是通過上調葡萄糖轉運蛋白（glucose transporters，GLUTs）、增加葡萄糖攝取來實現的，其高乳酸生成導致了低 pH 的腫瘤微環境，因此腫瘤細胞必須找到消除乳酸的方法來避免自身酸化中毒。細胞表面上調的葡萄糖轉運蛋白 1（glucose transporter 1，GLUT1）滿足了腫瘤細胞的高葡萄糖需求；乳酸的轉運則主要通過質膜上高表達的單羧酸轉運蛋白（monocarboxylate transporter proteins，MCTs）實現。這些轉運蛋白不但是腫瘤細胞進行能量代謝的必要條件，還對腫瘤微環境起著重要的調控作用，對其進行靶向干預可為腫瘤的臨床治療提供新的思路與契機。
3.1 葡萄糖轉運蛋白
葡萄糖轉運蛋白是轉運葡萄糖的蛋白家族，目前這一家族共有 14 位成員，GLUT1 因最早發現而得名，是最重要的葡萄糖轉運蛋白。GLUT1 在人體內廣泛表達，參與葡萄糖轉運的生理過程，它的異常表達與許多病理過程密切相關，如糖尿病慢性并發癥及惡性腫瘤，其表達上調是罹患腫瘤的主要特征。2014 年 6 月，Deng 等[26]首次成功解析了人源葡萄糖轉運蛋白 GLUT1 的三維晶體結構，他們發現完整的 GLUT1 蛋白由 12 個跨膜螺旋組成 N 端、C 端兩個結構域，這兩個結構域組成一個典型的協助轉運蛋白超家族折疊的向內構象。根據這一結構信息可以對由 GLUT1 突變導致的疾病，如實體瘤，進行氨基酸水平的準確定位和機制解釋。
GLUT1 順濃度梯度將葡萄糖轉運至細胞內，在肝癌、乳腺癌、胃癌等大多數腫瘤細胞中表達上調，是臨床上腫瘤診療的一個重要指標。有研究發現，抑制 GLUT1 蛋白水平的表達可以抑制肝腫瘤細胞的增殖和遷移[27]。Wang 等[28]發現 GLUT1 抗體、GLUT1-短發夾 RNA（short hairpin RNA，shRNA）分別通過破壞 GLUT1 的葡萄糖轉運活性、降低 GLUT1 的表達來抑制腫瘤細胞增殖、增加腫瘤細胞的化療敏感性。Kurahara 等[29]的臨床研究發現，胰腺導管腺癌患者的預后與 GLUT1 的表達直接相關，低 GLUT1 表達意味著更好的預后。Yakisich 等[30]發現雙胍類抗腫瘤藥物與 GLUT1 抑制劑 WZB-117 聯合使用可大大提高其對肺癌干細胞的靶向效果。Libby 等[31]也報道，通過抑制劑 WZB-117 沉默 GLUT1 可降低腫瘤起始細胞的腫瘤形成能力。此外還有研究表明，GLUT1 的表達與腫瘤細胞的分化等級有關，在分化程度較低、增殖速率較大的腫瘤細胞中，GLUT1 的表達水平更高，可能因為這些惡性腫瘤細胞對能量代謝及葡萄糖的需求更大[32-34]。通過以上研究可見，抑制或破壞 GLUT1 的表達或許可為腫瘤的治療帶來新的希望。
3.2 單羧酸轉運蛋白
如前文第 1 小節所述，LDHA 高速率地將丙酮酸轉化為乳酸，是腫瘤細胞能量代謝持續進行的必要條件，但這一過程會導致乳酸在胞質中的大量積累，腫瘤細胞必須找到消除乳酸的方法來避免自身酸中毒。MCTs 家族共 14 位成員，在哺乳動物細胞中廣泛表達，是一種跨膜轉運蛋白，其中 MCT1～MCT4 被證明是丙酮酸、乳酸等單羧酸鹽的轉運蛋白，在腫瘤細胞能量代謝及腫瘤微環境方面發揮重要作用。
MCT1、MCT4 主要參與乳酸轉運，可將細胞內的乳酸轉運至細胞外，在避免細胞酸化中毒的同時保持弱酸性的腫瘤微環境，研究表明酸化的微環境可以殺死鄰近的正常細胞，為腫瘤細胞的擴散創造空間；抑制這兩種乳酸轉運蛋白可選擇性靶向腫瘤細胞[35-36]。MCT1、MCT4 在腫瘤患者中的表達上調被認為是腫瘤進一步惡化的前奏。研究表明，非選擇性的 MCTs 抑制劑 α-氰基-4-羥基肉桂酸酯（α-cyano-4-hydroxycinnamate, CHC）可抑制神經膠質瘤細胞的增殖和侵襲[37]；通過 RNA 干擾（RNA interference, RNAi）技術干擾 MCT1 在人乳腺腫瘤細胞中的表達會顯著降低乳腺腫瘤細胞的遷移與活力[38]；抑制 MCT1 的表達可有效降低膠質母細胞瘤干細胞的活力[39]；除此之外，體內和體外實驗均表明，特異性 MCT1 的抑制劑 AR-C155858 可以降低胰腺導管腺腫瘤細胞的遷移與侵襲能力[40]。最近，科學家將 AR-C155858 進行優化得到了 MCT1 的特異性抑制劑 AZD3965，可以更加精確地殺死糖酵解依賴型的腫瘤細胞，目前這一藥物正在英國進行臨床 I 期評估[41]。
4 結語
腫瘤每年奪走全球近 600 萬人的生命，是嚴重威脅人類生命的惡性疾病。能量代謝方式的不同是腫瘤細胞與普通細胞間最顯而易見的區別，針對其能量代謝方式的研究為腫瘤的治療帶來了新的思路。大量研究表明，能夠使腫瘤細胞能量代謝重編程的藥物可以誘導其發生分化，增加其化療敏感性；一些針對糖酵解酶（如 HK2 和 LDHA）的特殊抑制劑，已經證明具有選擇性殺死腫瘤細胞的能力；除此之外，抑制或破壞 GLUT1 及 MCTs 的表達可以顯著降低腫瘤細胞的增殖及致瘤能力，表明通過靶向糖代謝這一方式抑制腫瘤的潛力，以上研究均可為腫瘤治療帶來新的思路。但是目前為止，絕大部分研究未考慮到腫瘤組織的異質性及腫瘤組織代謝狀態的異質性，僅針對腫瘤細胞或腫瘤干細胞的糖酵解或氧化磷酸化中的某一條代謝通路進行干預，在治療過程中細胞易產生耐藥性，未來如果能考慮利用聯合治療對腫瘤組織的糖酵解及氧化磷酸化同時進行干預，可能會收到更好的治療效果。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
糖酵解與氧化磷酸化是細胞進行能量代謝的主要途徑。對于普通細胞而言，當氧氣充足時葡萄糖經徹底氧化產生 32 分子三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）；當氧氣供應不足時僅通過糖酵解產生 2 分子 ATP。因此，普通細胞只有在缺氧情況下才使用糖酵解這種低效率的產能途徑。而腫瘤細胞即便在氧氣充足的情況下也依然依靠糖酵解供能，這是腫瘤細胞與普通細胞在糖代謝上的差別，被稱為“瓦博格（Warburg）效應”[1]。基于此，利用藥物調控腫瘤細胞的糖代謝從而達到腫瘤治療的目的已成為腫瘤細胞生物學及代謝領域的研究熱點。
腫瘤細胞生長、增殖旺盛，所需營養物質的量遠大于普通細胞。葡萄糖、氨基酸、維生素、脂肪酸等營養物質大多數是親水性的，不容易透過細胞膜，需要借助質膜中特定的轉運體進入細胞，因此腫瘤細胞表面的轉運蛋白表達上調，以達到促使營養物質高效進入細胞的目的。因此，這些上調的轉運蛋白有望成為腫瘤治療的藥物靶點，對其進行靶向干預可能導致腫瘤細胞因缺乏必要的營養物質而死亡。
1 Warburg 效應及其意義
1923 年，Outto Warburg 發現增殖的腹水腫瘤細胞可以將大部分葡萄糖轉化為乳酸，即使在氧氣充足的條件下也依然如此，這種以高糖吸收、有氧糖酵解與高乳酸生成為表現形式的獨特能量代謝現象，稱為“Warburg 效應”[1]，自此腫瘤也被認為是一種“代謝疾病”。腫瘤細胞旺盛地生長、增殖， 所需能量遠大于普通細胞，但其為何選擇糖酵解如此低效率的產能方式呢？Warburg 認為這種獨特的代謝現象與腫瘤細胞線粒體功能受損有關，線粒體功能的缺陷使葡萄糖無法通過電子呼吸鏈轉變為 CO2，這是腫瘤細胞進行惡性轉化所必需的[2]。雖然尚未有證據令人完全信服這一假設，但目前已有大量文獻證明多種腫瘤細胞具有“Warburg 效應”。研究發現，糖酵解過程中產生的三碳中間體大部分被用于合成腫瘤細胞生長增殖所必需的蛋白質和脂質等大分子物質，以維持腫瘤細胞對葡萄糖的高攝取[3]。有研究表明，腫瘤細胞氧化磷酸化的部分抑制使電子無法通過電子傳遞鏈直接傳遞到氧，從而增加了活性氧的產生，而活性氧可以導致原癌基因發生突變，進而導致細胞的惡性轉化[4]。因此現已認為，腫瘤細胞中下調的線粒體氧化磷酸化是其為了啟動惡性轉化而做出的妥協。除此之外，有文獻報道腫瘤細胞糖酵解過程中產生的大量酸性物質可以促進巨噬細胞極化為非炎性類型，從而阻止其對腫瘤細胞的攻擊；當阻斷酸性微環境對巨噬細胞的影響時會導致 T 細胞的抗腫瘤功能被重新激活，也就是說“Warbug 效應”帶來的弱酸性腫瘤微環境有助于腫瘤細胞逃避免疫細胞的“追殺”[5-6]。
為滿足自身的能量需求，腫瘤細胞的葡萄糖吸收速率是普通細胞的 20～30 倍，其糖酵解效率是普通細胞的 30 倍以上。臨床上利用腫瘤細胞的高糖吸收，采用18F-脫氧葡萄糖-正電子發射計算機斷層顯像/電子計算機 X 射線斷層掃描技術（18F-deoxyglucose-positron emission tomography/computed tomography，18F-DG-PET/CT）檢測腫瘤組織葡萄糖的攝取和轉化，用來判斷腫瘤的惡性程度。糖酵解速率的升高意味著細胞中煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的高消耗，普通細胞通過氧化磷酸化再生 NAD+以彌補糖酵解中 NAD+的損失，使能量代謝不間斷的進行；腫瘤細胞的氧化磷酸化被部分抑制，其通過上調乳酸脫氫酶 A（lactate dehydrogenase A，LDHA）、抑制乳酸脫氫酶 B（lactate dehydrogenase B，LDHB）將糖酵解中生成的丙酮酸高速率地轉化為乳酸以再生 NAD+。LDHA 有利于丙酮酸轉化為乳酸，而 LDHB 則有利于乳酸轉化為丙酮酸。因此，高乳酸生成被認為是腫瘤細胞維持高速率糖酵解的必要條件。
2 “反 Warburg 效應”與細胞分化
利用藥物對腫瘤細胞的代謝行為進行干預，使其主要產能途徑由糖酵解轉變為氧化磷酸化，這一過程稱為能量代謝重編程或“反 Warburg 效應”。
2.1 “反 Warburg 效應”與癌細胞分化
正常干細胞干性的維持不但需要表觀遺傳的修飾，還需細胞內能量代謝的協同參與，其能量代謝途徑與腫瘤細胞類似，嚴重依賴于糖酵解。現已知，人的胚胎干細胞、造血干細胞、間充質干細胞、肌肉干細胞、誘導多能干細胞等都依賴于糖酵解供能，發生分化時產能途徑轉變為氧化磷酸化。腫瘤細胞因具有無限增殖的能力又被認為是一種“病變的干細胞”。如前所述，“Warburg 效應”是腫瘤細胞進行惡性轉化及逃避免疫攻擊所必需的，那么逆轉腫瘤細胞的“Warburg 效應”能否誘導其發生分化進而降低其惡性呢？
最近有研究表明，分化誘導劑雙丁酰環磷酸腺苷（dibutyryl cyclic adenosine monophosphate，db cAMP）可以通過環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）-cAMP 效應元件結合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）-過氧化物酶體增殖物激活受體 γ 輔激活子 1α （peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC1α）通路調控能量代謝 ，即：cAMP-CREB-PGC1α 通路，從而使膠質母細胞瘤細胞惡性增殖率降低，向正常的星形膠質細胞分化[7]。Xing 等[7]研究發現，db cAMP 上調線粒體生物發生相關基因的表達，從而增加線粒體活性使細胞能量代謝重編程，產生“反 Warburg 效應”，進而調控膠質母細胞瘤細胞朝著正常細胞分化，表達星形膠質細胞的表面標記。其中，線粒體生物發生的改變是細胞能量代謝改變的驅動力，能量代謝重編程又驅動了膠質母細胞瘤細胞的分化。維甲類藥物是最早用于研究腫瘤細胞分化的誘導劑，早在 1986 年，我國學者首次將全反式維甲酸（all-trans-retinoic acid，ATRA）應用于臨床治療急性早幼粒細胞白血病，并取得成功[8]。近年來已有研究證實 ATRA 可誘導人肝腫瘤細胞 HepG2 分化，使其朝著正常肝細胞形態轉化，化療藥物敏感性顯著提高[9]。Molinari 等[10]及 LaGory 等[11]也報道，上調腫瘤細胞中 PGC1α 的表達后，可以通過恢復線粒體功能和氧化磷酸化來抑制腫瘤細胞生長，增加其化療敏感性。這些研究說明，恢復線粒體功能、上調氧化代謝可以對腫瘤細胞進行有效分化誘導治療。除此之外，一些針對糖酵解酶如己糖激酶 2（hexokinase 2，HK2）和 LDHA 的特殊抑制劑已經證明具有選擇性殺死腫瘤細胞的能力[12]，表明了靶向代謝抑制腫瘤的潛力。
2.2 能量代謝調控與腫瘤干細胞分化
腫瘤干細胞假說認為，少量的腫瘤干細胞處于腫瘤群體的最頂端，是形成不同分化程度腫瘤細胞和腫瘤復發、轉移及預后不良的根源[13]。迄今為止，已在包括乳腺癌、肝癌、肺癌、前列腺癌、結直腸癌等多種實體瘤中發現了腫瘤干細胞。與腫瘤細胞“Warburg 效應”不同的是，腫瘤干細胞的能量代謝特征目前尚不清楚。有文章報道，來自乳腺癌、卵巢癌、結腸癌和膠質母細胞瘤的腫瘤干細胞表現出葡萄糖攝取、乳酸產生和糖酵解酶表達的顯著增加以及線粒體氧化代謝的減少[14-17]。與之相反的，有研究人員對來源于人體的肺癌干細胞及白血病干細胞進行研究，發現其主要依靠氧化磷酸化的能量代謝方式[18-19]。如前所述，能量代謝轉變為氧化磷酸化在正常干細胞的分化過程中起著決定性作用，那么對腫瘤干細胞進行能量代謝的調控能否誘導其發生分化、降低其放化療抗性呢？
研究表明，偏向于氧化代謝的腫瘤干細胞往往伴隨著 c-Myc 基因的低表達，低表達的 c-Myc 可以調控 PGC1α 表達上調，進而導致腫瘤干細胞線粒體生物發生、線粒體活性及抗氧化活性均增加[20]。抗糖尿病藥物二甲雙胍可以通過抑制甲狀腺癌干細胞、胰腺癌干細胞的線粒體生物發生以抑制其增殖及清除腫瘤干細胞[21-22]。但研究人員發現，在二甲雙胍治療過程中部分胰腺癌干細胞會產生耐藥性，換用線粒體活性氧誘導劑甲萘醌進行治療則不會導致耐藥性的產生[22]，這一研究提示線粒體活性氧誘導劑可為氧化代謝型腫瘤干細胞的靶向帶來新的契機。與之相反，偏向于糖酵解的腫瘤干細胞，如食管鱗狀細胞癌干細胞及結直腸癌干細胞，其 c-Myc 基因往往高表達，利用小干擾 RNA（small interfering RNA, siRNA）技術對其進行沉默，可縮小腫瘤體積[23-24]。此外，有研究表明，分化誘導劑鹽霉素可以通過誘導肝腫瘤干細胞分化，降低其遷移及侵襲能力[25]。
3 腫瘤細胞糖代謝中的轉運蛋白
腫瘤細胞高速率的代謝需求是通過上調葡萄糖轉運蛋白（glucose transporters，GLUTs）、增加葡萄糖攝取來實現的，其高乳酸生成導致了低 pH 的腫瘤微環境，因此腫瘤細胞必須找到消除乳酸的方法來避免自身酸化中毒。細胞表面上調的葡萄糖轉運蛋白 1（glucose transporter 1，GLUT1）滿足了腫瘤細胞的高葡萄糖需求；乳酸的轉運則主要通過質膜上高表達的單羧酸轉運蛋白（monocarboxylate transporter proteins，MCTs）實現。這些轉運蛋白不但是腫瘤細胞進行能量代謝的必要條件，還對腫瘤微環境起著重要的調控作用，對其進行靶向干預可為腫瘤的臨床治療提供新的思路與契機。
3.1 葡萄糖轉運蛋白
葡萄糖轉運蛋白是轉運葡萄糖的蛋白家族，目前這一家族共有 14 位成員，GLUT1 因最早發現而得名，是最重要的葡萄糖轉運蛋白。GLUT1 在人體內廣泛表達，參與葡萄糖轉運的生理過程，它的異常表達與許多病理過程密切相關，如糖尿病慢性并發癥及惡性腫瘤，其表達上調是罹患腫瘤的主要特征。2014 年 6 月，Deng 等[26]首次成功解析了人源葡萄糖轉運蛋白 GLUT1 的三維晶體結構，他們發現完整的 GLUT1 蛋白由 12 個跨膜螺旋組成 N 端、C 端兩個結構域，這兩個結構域組成一個典型的協助轉運蛋白超家族折疊的向內構象。根據這一結構信息可以對由 GLUT1 突變導致的疾病，如實體瘤，進行氨基酸水平的準確定位和機制解釋。
GLUT1 順濃度梯度將葡萄糖轉運至細胞內，在肝癌、乳腺癌、胃癌等大多數腫瘤細胞中表達上調，是臨床上腫瘤診療的一個重要指標。有研究發現，抑制 GLUT1 蛋白水平的表達可以抑制肝腫瘤細胞的增殖和遷移[27]。Wang 等[28]發現 GLUT1 抗體、GLUT1-短發夾 RNA（short hairpin RNA，shRNA）分別通過破壞 GLUT1 的葡萄糖轉運活性、降低 GLUT1 的表達來抑制腫瘤細胞增殖、增加腫瘤細胞的化療敏感性。Kurahara 等[29]的臨床研究發現，胰腺導管腺癌患者的預后與 GLUT1 的表達直接相關，低 GLUT1 表達意味著更好的預后。Yakisich 等[30]發現雙胍類抗腫瘤藥物與 GLUT1 抑制劑 WZB-117 聯合使用可大大提高其對肺癌干細胞的靶向效果。Libby 等[31]也報道，通過抑制劑 WZB-117 沉默 GLUT1 可降低腫瘤起始細胞的腫瘤形成能力。此外還有研究表明，GLUT1 的表達與腫瘤細胞的分化等級有關，在分化程度較低、增殖速率較大的腫瘤細胞中，GLUT1 的表達水平更高，可能因為這些惡性腫瘤細胞對能量代謝及葡萄糖的需求更大[32-34]。通過以上研究可見，抑制或破壞 GLUT1 的表達或許可為腫瘤的治療帶來新的希望。
3.2 單羧酸轉運蛋白
如前文第 1 小節所述，LDHA 高速率地將丙酮酸轉化為乳酸，是腫瘤細胞能量代謝持續進行的必要條件，但這一過程會導致乳酸在胞質中的大量積累，腫瘤細胞必須找到消除乳酸的方法來避免自身酸中毒。MCTs 家族共 14 位成員，在哺乳動物細胞中廣泛表達，是一種跨膜轉運蛋白，其中 MCT1～MCT4 被證明是丙酮酸、乳酸等單羧酸鹽的轉運蛋白，在腫瘤細胞能量代謝及腫瘤微環境方面發揮重要作用。
MCT1、MCT4 主要參與乳酸轉運，可將細胞內的乳酸轉運至細胞外，在避免細胞酸化中毒的同時保持弱酸性的腫瘤微環境，研究表明酸化的微環境可以殺死鄰近的正常細胞，為腫瘤細胞的擴散創造空間；抑制這兩種乳酸轉運蛋白可選擇性靶向腫瘤細胞[35-36]。MCT1、MCT4 在腫瘤患者中的表達上調被認為是腫瘤進一步惡化的前奏。研究表明，非選擇性的 MCTs 抑制劑 α-氰基-4-羥基肉桂酸酯（α-cyano-4-hydroxycinnamate, CHC）可抑制神經膠質瘤細胞的增殖和侵襲[37]；通過 RNA 干擾（RNA interference, RNAi）技術干擾 MCT1 在人乳腺腫瘤細胞中的表達會顯著降低乳腺腫瘤細胞的遷移與活力[38]；抑制 MCT1 的表達可有效降低膠質母細胞瘤干細胞的活力[39]；除此之外，體內和體外實驗均表明，特異性 MCT1 的抑制劑 AR-C155858 可以降低胰腺導管腺腫瘤細胞的遷移與侵襲能力[40]。最近，科學家將 AR-C155858 進行優化得到了 MCT1 的特異性抑制劑 AZD3965，可以更加精確地殺死糖酵解依賴型的腫瘤細胞，目前這一藥物正在英國進行臨床 I 期評估[41]。
4 結語
腫瘤每年奪走全球近 600 萬人的生命，是嚴重威脅人類生命的惡性疾病。能量代謝方式的不同是腫瘤細胞與普通細胞間最顯而易見的區別，針對其能量代謝方式的研究為腫瘤的治療帶來了新的思路。大量研究表明，能夠使腫瘤細胞能量代謝重編程的藥物可以誘導其發生分化，增加其化療敏感性；一些針對糖酵解酶（如 HK2 和 LDHA）的特殊抑制劑，已經證明具有選擇性殺死腫瘤細胞的能力；除此之外，抑制或破壞 GLUT1 及 MCTs 的表達可以顯著降低腫瘤細胞的增殖及致瘤能力，表明通過靶向糖代謝這一方式抑制腫瘤的潛力，以上研究均可為腫瘤治療帶來新的思路。但是目前為止，絕大部分研究未考慮到腫瘤組織的異質性及腫瘤組織代謝狀態的異質性，僅針對腫瘤細胞或腫瘤干細胞的糖酵解或氧化磷酸化中的某一條代謝通路進行干預，在治療過程中細胞易產生耐藥性，未來如果能考慮利用聯合治療對腫瘤組織的糖酵解及氧化磷酸化同時進行干預，可能會收到更好的治療效果。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。