糖酵解途径靶向治疗恶性肿瘤研究进展

李 烁 高进良综述 高春生审校

目前针对恶性肿瘤的主要治疗方法是放疗和化疗。尽管随着医学科学技术的进步，放疗设备及技术、化疗药物及方法不断更新，但很多恶性肿瘤患者的治愈率及生存质量还是没有得到明显提高，其根本原因是恶性肿瘤的的发病机制还远未阐明。因此，对恶性肿瘤发生、发展和转移机制的进一步研究有助于发现更为有效的治疗措施。

1 恶性肿瘤的能量代谢研究

1.1 研究现状

Weinberg[1]在2000年提出癌细胞有6个标志，曾被广泛引用。癌细胞的六大特征：自我增殖能力,凋亡抵抗,无限的复制潜能，对抗生长信号的不敏感性,持续的血管生成能力和组织侵袭转移能力。近来研究发现，恶性肿瘤中不但存在基因异常，而且常常存在代谢异常，尤其是能量代谢的异常。关于肿瘤细胞能量代谢特性，德国生化和生理学家Otto Warburg早在20世纪20年代就提出了著名的瓦伯格效应[2]：肿瘤细胞比正常细胞需要更多的能量和核酸维持其生长增殖，而能量代谢不但为肿瘤细胞的生长提供能量，而且为肿瘤细胞增殖所需核酸的合成提供原材料,即使在有氧情况下，肿瘤细胞仍偏好于糖酵解方式进行葡萄糖代谢，而不采用能产生更多ATP的线粒体氧化磷酸化方式进行能量代谢[3，4]。但是，上世纪中期，随着分子生物学技术的兴起,肿瘤是基因疾病的观念在学界得到普遍认可,因此肿瘤能量代谢的研究陷入低谷。20世纪90年代，随着氟化去氧葡萄糖正电子摄影断层扫描(fluorodeoxygucose positron emission tomography，FDG- PET)技术的应用，组织标本的葡萄糖摄取量可检测并成像，瓦伯格效应在越来越多的肿瘤类型中得以证实。在2006年美国癌症研究协会年会上Gottlieb预言能量代谢异常将成为癌细胞的第7个标志[5]，近年来,探索通过阻断糖酵解途径而抑制癌细胞中能量的生成从而治疗恶性肿瘤的策略正备受关注[6]。

1.2 糖酵解途径在肿瘤细胞能量代谢中的作用

正常细胞生长增殖所需的能量主要是由葡萄糖的有氧氧化获得，而恶性肿瘤细胞所需能量主要是靠糖酵解途径获得(既使在有氧的条件下也是如此)。随着生物能学的发展，近来发现恶性肿瘤细胞中普遍存在糖酵解途径的增强。肿瘤细胞增殖不但需要 ATP，也需要脂肪酸、核酸、蛋白质和膜磷脂。在肿瘤细胞中，随着葡萄糖摄入增加，通过糖酵解途径产生大量代谢中间产物，以满足肿瘤细胞增殖的需求。其中，为满足肿瘤细胞快速的 DNA 复制，6-磷酸葡萄糖通过磷酸戊糖途径合成核酸，并产生大量的丙酮酸，刺激合成脂类，用于合成快速分裂的肿瘤细胞膜。有研究表明，磷脂的合成是肿瘤形成必备的，甚至能有效促进恶性肿瘤的形成。在肿瘤组织中脂肪酸合成酶表达上调，但在正常组织中表达下调[2]。

1.3 糖酵解酶

恶性肿瘤细胞的能量代谢途径在较大程度上依赖活性和表达水平上调的糖酵解酶。因此,特异性地阻断糖酵解途径而不影响正常细胞的生长就必须抑制特异性高表达的糖酵解代谢酶，从而切断肿瘤细胞能量供应。因为即使在糖酵解途径受抑制的情况下,正常细胞也可通过其它途径利用氨基酸和脂肪酸产生能量。糖酵解途径是依赖细胞膜上的葡萄糖转运体将胞外的葡萄糖转运进胞内，通过己糖激酶(HK)、丙酮酸激酶(PK)、乳酸脱氢酶(LDH)、磷酸果糖激酶(PFK)和磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)、烟酰胺磷酸核糖转移酶(NAMPT)等糖酵解酶分解代谢，生成终产物丙酮酸。研究表明也这些糖酵解酶在恶性肿瘤中高表达[7]，它们均有可能成为通过糖酵解途径靶向治疗恶性肿瘤的靶点。可以推测，如果能阻断肿瘤细胞中糖酵解途径，即可减少肿瘤细胞中大部分能量的生成，就可能会阻滞肿瘤细胞的生长增殖。Xu等[8]研究发现用一些糖酵解途径的抑制剂如2-去氧葡萄糖、砷化物、3-溴化丙酮酸等作用于癌细胞，使癌细胞的增殖和侵袭性受到了抑制。

2 针对糖酵解途径酵解酶的靶向治疗

2.1 己糖激酶

己糖激酶(hexokinase,HK)是糖酵解途径的第1个酶，也是糖酵解途径的限速酶。人类细胞有 4种 HK亚型,它们分布于不同的组织和细胞内。研究表明4种亚型中，HK2与恶性肿瘤的相关性最大。在正常情况下,HK2主要分布于骨骼肌和脂肪组织中。HK2在许多生长迅速的恶性肿瘤细胞中高表达[9]。它与线粒体结合可以促进蛋白的合成,特别是在增生活跃的细胞中[10]。同时，与线粒体结合的 HK2 能有效地利用 ADP，产生更多的ATP以进行三羧酸循环,调控保护细胞免凋亡[11]。

在体外培养中，氯尼达明可以抑制 HK2和线粒体的结合,使肿瘤细胞死亡[12]。3 -溴化丙酮酸( 3 -bromopyruvate)和2 -去氧葡糖均为 HK2的抑制剂,两者联用在动物试验中能抑制兔肝癌细胞模型的糖酵解水平。2 -去氧葡糖主要抑制被 HK 磷酸化的产物进一步代谢，而3 -溴化丙酮酸则直接消耗HK，从而影响肿瘤代谢，促进细胞死亡[13]。但也有学者认为[14]，3-溴化丙酮酸促进肿瘤细胞死亡的剂量并不足以抑制HK，因此，以3 -溴化丙酮酸通过抑制HK的机制来解释其促进肿瘤细胞死亡仍有争论。

2.2 丙酮酸激酶

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是另外1种重要的糖酵解限速酶，在哺乳动物中，有2种不同的基因及产物。人体的大部分组织表达为pyruvate kinase M (PKM)中的2种亚型PKM1或 PKM2，所有的肿瘤细胞都表达PKM2，而分化组织多表达PKM-1。PKM2能促进细胞糖酵解。

有研究表明，在体外实验中，通过PKM2的一些小分子抑制剂，如磷酸酪氨酸蛋白(tyrosine-phosphorylated proteins)等,能抑制糖酵解和肿瘤细胞增殖，并促进肿瘤细胞死亡[15～17]。但是,这种抑制作用能否同样在体内起作用还有待证实,而且,因为有许多正常组织也表达PKM2，因此对PKM2的抑制是否对正常组织产生副作用也值得关注。

2.3 6-磷酸果糖激酶

6-磷酸果糖激酶(phosphofructo-kinase，PFK)是糖酵解途径中第2个限速酶，它是糖酵解途径3个限速酶中最重要的1个。其中6-磷酸果糖激酶2(PFK2)为双功能糖酵解酶,有2个独立的催化中心,分别催化6-磷酸果糖2位磷酸化及果糖2 ,6-二磷酸 2位去磷酸化，以下调2 ,6-二磷酸果糖水平和6-磷酸果糖激酶1(PFK1)活性来实现对糖酵解通路的调节[18]。其中，PFK2的FB3亚型(PFKFB3)在许多恶性肿瘤中都有高表达，而PFKFB3几乎没有磷酸酶活性而只有激酶活性，PFKFB3通过其激酶活性调控肿瘤细胞的代谢水平。已有动物实验表明，通过PFKFB3的一些小分子抑制剂能够下调2 ,6-二磷酸果糖水平，抑制动物肿瘤细胞的增殖[19]。

近来研究发现，在6-磷酸果糖激酶几个亚型中与恶性肿瘤关系密切的还有6-磷酸果糖激酶-1。在一些糖酵解途径增强的肿瘤组织中，6-磷酸果糖激酶-1表达明显增强,且通过改变6-磷酸果糖激酶-1的活性，可以调节糖酵解途径的强弱[20]。目前，最亟待解决的问题是如何在恶性肿瘤细胞中通过沉默6-磷酸果糖激酶-1的表达特异性阻断糖酵解途径。

2.4 乳酸脱氢酶

乳酸脱氢酶(lactic dehydrogenase， LDH)能催化丙酮酸转化成乳酸，同时伴有 NADH向 NAD+氧化的过程。由于 NAD+在由磷酸甘油醛脱氢酶催化的糖酵解过程中是必需的,因此通过 LDH催化反应产生 NAD+对于维持糖酵解过程持续是重要的[21]。NADH和NAD+除了参与能量代谢过程，还作为一些酶的底物参与DNA的修复、蛋白的乙酰化以及炎症反应过程[22]。

2.5 烟酰胺磷酸核糖转移酶

烟酰胺磷酸核糖转移酶(nicotinamide phosphoribosyltransferase，NAMPT)是糖酵解途径的另一重要酶。有报道[22]，NAMPT抑制剂在癌症模型的实验中有抗肿瘤活性，但由于NAMPT在旁路途径聚集NAD+的过程中起关键作用，因此也发现了动物因NAD+耗竭而死亡的副作用。

3 问题与展望

目前发现的部分糖酵解途径的抑制剂，要么抑制效率低，要么对正常细胞有较强的毒副作用，很多不能特异性地抑制肿瘤细胞的生长。如何特异性地阻断糖酵解途径，有效抑制恶性肿瘤细胞生长及增殖，而不影响正常细胞生长，亟待进一步研究。

RNA干扰是近年来发现的1种研究基因表达调控的强有力工具，具有高度的序列专一性，可使特定基因表达沉默，而不影响其它基因的表达。利用RNA干扰技术特异性的沉默某些糖酵解途径光解酶的基因表达，值得探讨。因为正常细胞生长增殖所需能量主要通过糖的有氧分解获得，而肿瘤细胞即使在有氧的情况下也主要是靠糖酵解途径获得能量，故特异性阻断糖酵解途径对正常细胞及组织无明显影响，而主要抑制肿瘤细胞的生长和增殖。因此，糖酵解途径的靶向治疗研究将为调控恶性肿瘤侵袭、转移提供新的研究靶点，为恶性肿瘤的临床治疗提供新的思路。

[1]Hanahan D,weinberg RA.The hallmarks of cancer〔J〕.Cell,2000,100(1):57.

[2]Warburg O.On the origin of cancer cells〔J〕.Science,1956,123(3191):309.

[3]Vander Heiden M G,Cantley L C,Thompson C B.Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation〔J〕.Science,2009,324 (5930): 1029.

[4]DeBerardinis R J.Is cancer a disease of abnormal cellular metabolism? New angles on an old idea〔J〕.Genet Med,2008,10 (11):767.

[5]Garber K.Energy deregulation:licensing tumors to grow〔J〕.Science,2006,312(5777):1158.

[6]Hsu PP ,Sabatini DM.Cancer cell metabolism: Warburg and beyond〔J〕.Cell,2008,134(6):703.

[7]Pedersen PL.Warburg,me and hexokinase 2 : multiple discoveries of key molecular events underlying one of cancers 'most common phenotypes ,the "Warburg Effect ",i e ,elevated glycolys is in the presence of oxygen〔J〕.J Bioenerg Biomembr ,2007,39( 3) : 211.

[8]Xu RH,Pelicano H,Zhou Y,et al.Inhibition of glycolysis in cancer cells: a novel strategy to overcome drug resistance associated with mitochondrial respiratory defect and hypoxia〔J〕.Cancer Research,2005,65(2): 613.

[9]Sebastian S ,Kenkare UW.Expression of two type -like tumour hexokinase RNA transcripts in cancer cell lines〔J〕.Tumour Biol,1998,19(4):253.

[10]Golshani Hebroni SG,Bessman SP.Hexokinase binding to mitochondria: a basis for prolif erative energy metabolism〔J〕.J Bioenerg Biomembr,1997,29( 4) : 331.

[11]Robey RB,Hay N.Mitochondrial hexokinases: guardians of the mitochondria〔J〕.Cell Cycle,2005,4(5):654.

[12]Galluzzi L,Kepp O,Tajeddine N,et al.Disruption of the hexokinase-VDAC complex for tumor therapy〔J〕.Oncogene,2008，27(34):4633.

[13]Ko YH,Pedersen PL,Geschwind JF.Glucos ecatabolism in the rabbit VX2 tumor model for liver cancer: characterization and targeting hexokinase〔J〕.Cancer Lett,2001,173(1):83.

[14]Pereira da Silva AP,EI-Bacha T,Kyaw N,et al.Inhibition of energy-producing pathways of HepG2 cells by 3-bromopyruvate〔J〕.Biochem，2009,417(3):717.

[15]Christofk H R,Vander Heiden M G,Wu N,et al.Pyruvate kinase M2 is a phosphotyrosine-binding protein〔J〕.Nature,2008，452(7184):181.

[16]Spoden GA,Mazurek S,Morandell D,et al.Isotype-specific inhibitors of the glycolytic key regulator pyruvate kinase subtype M2 moderately decelerate tumor cell proliferation〔J〕.Int J Cancer,2008，123(2):312.

[17]Boxer MB,Jiang J,Vander Heiden MG,et al.Identification of activators for the M2 isoform of human pyruvate kinase Version 3〔J〕.Pharmacol,2010，79(9):1118.

[18]Yalcin A,Telang S,Clem B,et al.Regulation of glucose metabolism by 6-phosphofructo- 2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatases in cancer〔J〕.Exp Mol Pathol,2009，86(3):174.

[19]Clem B,Telang S,Clem A,et al.Small-molecule inhibition of 6-phosphofructo-2-kinase activity suppresses glycolytic flux and tumor growth〔J〕.Mol Cancer Ther,2008，7(1):110.

[20]Smerc A,Sodja E,Legisa M.Posttranslational modification of 6-phosphofructo-1-kinase as an important feature of cancer metabolism〔J〕.PloS ONE,2011,6(5):e19645.

[21]Fantin VR,St Pierre J,Leder P.Attenuati on of LDH-A expression uncovers a link between glycolysis,mitochondrial physiology,and tumor maintenance〔J〕.Cancer Cell,2006,9 (6):425.

[22]Garten A,Petzold S,Korner A,et al.Nampt: linking NAD biology,metabolism and cancer〔J〕.Trends Endocrinol Metab,2009,20(3):130.