孫叔昕　朱文博　張繼　陳智杰　賽克*

(1中山大學(xué)腫瘤防治中心神經(jīng)外科，廣東 廣州 510060; 2中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物研究中心，廣東 廣州 510080)

高級(jí)別膠質(zhì)瘤作為高度惡性的中樞神經(jīng)系統(tǒng)原發(fā)腫瘤，具有致死率高，治療抵抗，易復(fù)發(fā)等特點(diǎn)，患者的中位生存期僅在15～19個(gè)月。具備多向分化等干細(xì)胞生物學(xué)特征的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的存在，將成為高級(jí)別膠質(zhì)瘤治療的關(guān)鍵[1]。

近來(lái)腫瘤代謝方式的異常改變受到了廣泛關(guān)注，例如研究證實(shí)，高水平的合成代謝將會(huì)驅(qū)動(dòng)膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展，一型葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporter 1, GLUT1)及二型已糖激酶(herxokinase 2, HK2)等代謝相關(guān)蛋白及基因也有望成為新的惡性腫瘤干預(yù)靶點(diǎn)[2-3]。本文旨在針對(duì)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的糖代謝特點(diǎn)及其具備的臨床意義作一綜述。

一、膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的糖代謝特點(diǎn)

腫瘤細(xì)胞較之于正常的組織細(xì)胞需要更多的能量以滿足其自我復(fù)制、生長(zhǎng)分化等高度活躍的生物學(xué)行為。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，不論是腦組織還是腫瘤組織，糖代謝都是其主要的能量來(lái)源并且后者具有更強(qiáng)的葡萄糖攝取能力[4]。細(xì)胞的糖代謝模式主要包含以線粒體為主要功能單位進(jìn)行的氧化磷酸化以及在胞質(zhì)中進(jìn)行的糖酵解。雖然前者對(duì)糖類的利用效率更高-取決于經(jīng)過(guò)α-磷酸甘油穿梭還是蘋果酸-天冬氨酸穿梭，一分子的葡萄糖經(jīng)氧化磷酸化可產(chǎn)生30或32分子的ATP，遠(yuǎn)高于糖酵解產(chǎn)生的1.5或2.5分子的ATP。但是大量實(shí)驗(yàn)研究證明，糖酵解才是大多數(shù)腫瘤細(xì)胞主要的能量來(lái)源[5]。

與正常細(xì)胞主要通過(guò)有氧呼吸即氧化磷酸化供能不同，腫瘤細(xì)胞有其特殊的糖代謝特點(diǎn)，即高度依賴糖酵解，來(lái)降低對(duì)氧的依賴性及區(qū)域低氧環(huán)境的影響，從而獲得一定的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。這一觀點(diǎn)最早由Otto Warburg在1924年所提出，被稱之為Warburg效應(yīng)。其主要理論有：首先，細(xì)胞呼吸作用強(qiáng)度的下降誘發(fā)了腫瘤的發(fā)生與演進(jìn)；其次，腫瘤細(xì)胞糖酵解水平逐漸增強(qiáng)以代償其氧化磷酸化產(chǎn)能的不足；然后，腫瘤細(xì)胞通過(guò)糖酵解不斷產(chǎn)生乳酸鹽并長(zhǎng)期處于乏氧微環(huán)境中，使得氧化磷酸化能力的降低成為不可逆的改變；最后，即使在含氧量正常的環(huán)境中，腫瘤細(xì)胞仍高度依賴糖酵解[6]。

在高級(jí)別膠質(zhì)瘤組織中，膠質(zhì)瘤干細(xì)胞主要聚集于兩個(gè)特定的區(qū)域，腫瘤血管周圍以及血供較差的壞死區(qū)域，兩種微環(huán)境的特點(diǎn)截然不同，前者的氧含量及糖類相對(duì)充足而后者恰恰相反。然而，隨著腫瘤的演進(jìn)，后者占的比重將逐漸增加。另一方面，基于基因表型的不同，膠質(zhì)瘤干細(xì)胞至少可被分為兩個(gè)亞型，即前神經(jīng)元型及間葉型[7]。膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的生物學(xué)特征與其所處的微環(huán)境緊密相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，聚集于低氧壞死區(qū)域的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞以惡性程度相對(duì)較高的間葉型為主，而且低氧的微環(huán)境有利于自我復(fù)制、低分化等干細(xì)胞特征的維持。與之相對(duì)應(yīng)的，腫瘤血管周圍區(qū)域的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞，多以惡性程度較低的神經(jīng)元型為主。值得注意的是，伴隨腫瘤體積增長(zhǎng)及血管發(fā)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程，微環(huán)境的改變將會(huì)通過(guò)影響干細(xì)胞糖代謝方式及其他調(diào)控因子的表達(dá)，促進(jìn)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化[8]。

與其他腫瘤細(xì)胞相似，即使在氧含量相對(duì)正常的條件下，膠質(zhì)瘤干細(xì)胞也高度依賴糖酵解來(lái)維持自身的供能，來(lái)自美國(guó)安德森癌癥中心Zhou等[9]研究成果進(jìn)一步驗(yàn)證了該理論。其他研究也證實(shí)，膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中，尤其是間葉型膠質(zhì)瘤干細(xì)胞，糖酵解水平顯著上調(diào)，成為其主要的糖代謝方式。另一方面，加利福尼亞大學(xué)Vlashi研究團(tuán)隊(duì)[4]通過(guò)對(duì)比葡萄糖消耗速率以及乳酸鹽產(chǎn)生速率發(fā)現(xiàn)，較之于普通高級(jí)別膠質(zhì)瘤細(xì)胞，膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的糖攝取水平相對(duì)較低，但是，膠質(zhì)瘤干細(xì)胞內(nèi)的ATP生成量卻高于高級(jí)別膠質(zhì)瘤細(xì)胞，說(shuō)明氧化磷酸化仍是膠質(zhì)瘤干細(xì)胞重要的能量來(lái)源。日本金澤大學(xué)的Hegazy等[10]研究者也得到了類似的研究成果。然而，就兩種糖代謝方式在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞能量來(lái)源中所占比例而言，目前并沒(méi)有得出一致的結(jié)論，這提示我們：①膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的代謝特點(diǎn)區(qū)別于同組織來(lái)源的高級(jí)別膠質(zhì)瘤細(xì)胞，且不同的組織來(lái)源或不同基因表型的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的糖代謝特點(diǎn)存在異質(zhì)性；②膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中氧化磷酸化與糖酵解相互代償，無(wú)論氧含量充足與否，糖酵解均為其糖代謝的重要組成部分；③膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的糖代謝模式是一個(gè)隨著其生長(zhǎng)發(fā)展而動(dòng)態(tài)演進(jìn)的過(guò)程，處于不同分化階段的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞，其主要依靠的糖代謝方式亦不盡相同[11-12]。

二、低氧誘導(dǎo)因子對(duì)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞糖代謝的調(diào)控

膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的糖代謝過(guò)程受到眾多代謝相關(guān)酶類、基因及信號(hào)通路的調(diào)控，其中，低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factors, HIFs)處于核心地位[9]。低氧誘導(dǎo)因子屬于異二聚體超家族，包含α亞基和β亞基兩個(gè)單位，其中α亞基是其主要的功能單位，在低氧環(huán)境中與β亞基結(jié)合而被激活。此外，包含磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B, PI3K/PKB)、促分裂素原活化蛋白激酶/雌激素受體(mitogen-activated protein kinases/estrogen receptor, MAPK/ER)以及信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)在內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活，也會(huì)在轉(zhuǎn)錄水平上，上調(diào)HIFs的表達(dá)水平。與HIF-1α在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞與高級(jí)別膠質(zhì)瘤細(xì)胞中均有表達(dá)不同，無(wú)論在常氧環(huán)境中還是低氧環(huán)境中，HIF-2α都主要在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中表達(dá)。研究表明，低氧誘導(dǎo)因子通過(guò)對(duì)八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4(octamer-binding transcription factor 4, Oct4)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)、c-Myc等基因的調(diào)控，對(duì)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞生存及干性的維持起重要作用[13]。

在以間葉型為主的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞糖代謝表型重編程過(guò)程中，低氧誘導(dǎo)因子做為關(guān)鍵的調(diào)控因子，上調(diào)或抑制一系列代謝相關(guān)酶類的表達(dá)，驅(qū)動(dòng)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中糖類的氧化磷酸化向糖酵解轉(zhuǎn)換，從而表現(xiàn)為經(jīng)典的Warburg效應(yīng)[14]。首先，HIF-1α上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1/3(glucose transporter 1/3, GLUT1/3)的表達(dá)。GLUT1/3表達(dá)的增加，使得膠質(zhì)瘤干細(xì)胞攝取葡萄糖的能力增強(qiáng)，即使細(xì)胞以糖酵解為主要的代謝方式，仍能滿足其生存的能量需求，從而使得Warburg效應(yīng)成為可能[15]。其次，HIF-1α上調(diào)己糖激酶2(hexokinase 2, HK2)的表達(dá)。HK2是糖酵解途徑的第一個(gè)限速酶和關(guān)鍵酶，研究證實(shí)，利用HK2的抑制劑能夠在一定程度上逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)，增強(qiáng)細(xì)胞的氧化磷酸化能力。另外，HIF-1α以正反饋的形式上調(diào)乳酸脫氫酶A(lactate dehydrogenase A, LDHA)的表達(dá)。LDHA是乳酸脫氫酶家族中的一員，乳酸脫氫酶催化丙酮酸與乳酸之間的氧化還原反應(yīng)，HIF-1α上調(diào)LDHA的表達(dá)，使得微環(huán)境中乳酸鹽的堆積，有利于膠質(zhì)瘤干細(xì)干性的維持。沉默LDHA基因能迫使細(xì)胞以氧化磷酸化為主要的能量來(lái)源，從而逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)[16]。最后，HIF-1α通過(guò)下調(diào)丙酮酸脫氫酶的表達(dá)抑制丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(pyruvate dehydrogenase complex)的功能。丙酮酸脫氫酶復(fù)合體催化丙酮酸脫羧反應(yīng)，使丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴］o酶A，從而進(jìn)入三羧酸循環(huán)。HIF-1α影響丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的生物學(xué)功能，阻止丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)，使得細(xì)胞氧化磷酸化水平降低，從而使得細(xì)胞糖代謝表型向Warburg效應(yīng)轉(zhuǎn)變[17]。

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與之對(duì)應(yīng)的是，在腫瘤組織內(nèi)血管周圍區(qū)域，主要以前神經(jīng)元型為主的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中，其各項(xiàng)生物學(xué)特征，主要受到血管生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)的調(diào)控。而大量研究已經(jīng)證實(shí)，VEGF的表達(dá)水平很大程度上受到低氧誘導(dǎo)因子的調(diào)控，VEGF通過(guò)促進(jìn)腫瘤血管的生成，改變腫瘤細(xì)胞所處的微環(huán)境，為細(xì)胞代謝提供相對(duì)充足的糖類及氧含量，從而影響細(xì)胞的代謝方式。綜上，低氧誘導(dǎo)因子一方面通過(guò)調(diào)控糖代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶類的表達(dá)水平，另一方面，通過(guò)對(duì)VEGF等因子的影響，改變膠質(zhì)瘤干細(xì)胞所處微環(huán)境中的氧含量，從而在膠質(zhì)瘤糖代謝表型重編程過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[18]。

三、基于干預(yù)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞代謝的治療策略及臨床意義

在過(guò)去的幾年里，作為高級(jí)別膠質(zhì)瘤治療的難點(diǎn)，圍繞膠質(zhì)瘤干細(xì)胞做了大量的基礎(chǔ)研究。其中，膠質(zhì)瘤干細(xì)胞代謝表型的重編程作為其主要的生物學(xué)特征之一，受到越來(lái)越多的關(guān)注。一定環(huán)境下，糖代謝方式由氧化磷酸化向糖酵解的轉(zhuǎn)變，為膠質(zhì)瘤干細(xì)胞提供了一定的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。部分實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證明，逆轉(zhuǎn)這種轉(zhuǎn)變或者打破二者之間的平衡，能有效抑制膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的生長(zhǎng)，成為膠質(zhì)瘤干細(xì)胞治療的新思路。

首先，異檸檬酸脫氫酶1(isocitrate dehydrogenase 1, IDH1)是三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶之一，IDH1的突變型與野生型的區(qū)分，也已成為膠質(zhì)瘤分型與判斷患者預(yù)后的重要指標(biāo)之一。研究證實(shí)，2-羥基戊二酸(2-hydroxyglutaric acid, 2-HG)的異常堆積可誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生，IDH1基因的突變一方面使下游代謝產(chǎn)物由α-酮戊二酸(α-Ketoglutaric acid, α-KG)向2-HG轉(zhuǎn)變，另一方面，作為還原型輔酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NAPDH)的主要來(lái)源，也會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)的一系列氧化還原反應(yīng)。由此可見(jiàn)，IDH1的突變改變了腫瘤細(xì)胞的代謝水平，靶向此關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可能對(duì)膠質(zhì)瘤的治療具備重要價(jià)值[19]。

其次，正如Michelakis的研究發(fā)現(xiàn)，二氯乙酸鹽(dichloroacetate, DCA)能夠抑制丙酮酸脫氫酶激酶，進(jìn)而提高膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中線粒體功能水平，增加葡萄糖的氧化磷酸化，從而逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)。線粒體膜電位的超級(jí)化，增加了細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species, ROS)的含量，通過(guò)一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡，抑制腫瘤的形成。另一方面，DCA還能夠?qū)Ω呒?jí)別膠質(zhì)瘤傳統(tǒng)的化療藥物替莫唑胺起到增效的作用并抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞放射性損傷后DNA的修復(fù)。

此外，其他研究證實(shí)，WZB117 [2-fluoro-6-(m-hydroxybenzoyloxy) phenyl m-hydroxybenzoate]、克霉唑(cotrimazole)、草氨酸乙酯(oxamate)等其他膠質(zhì)瘤干細(xì)胞糖代謝相關(guān)酶類的抑制劑也能起到有效的抗腫瘤作用[20]。

此外，HIFs作為調(diào)控細(xì)胞生物學(xué)功能的重要分子，除改變代謝的方式外，仍能通過(guò)促血管生成、抑制免疫功能及抗凋亡等方式，初進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展。在包含高級(jí)別膠質(zhì)瘤在內(nèi)的多種類型腫瘤中，異常表達(dá)的HIF-1α與常意味著不良的預(yù)后，因此，HIFs有望成為腫瘤治療更為關(guān)鍵的靶點(diǎn)。如上所述，在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中，HIFs一方面通過(guò)對(duì)糖代謝酶類的調(diào)控，使細(xì)胞表現(xiàn)為Warburg效應(yīng)，另一方面通過(guò)上調(diào)VEGF的表達(dá)，維持細(xì)胞干性，促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，降低HIFs的表達(dá)能夠有效抑制細(xì)胞的增殖，并通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)ROS含量，激活Casepase-3/7通路等方式誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡。值得注意的是，與HIF-1α相比，HIF-2α更多的在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中表達(dá)，而非正常細(xì)胞或膠質(zhì)瘤細(xì)胞，故而以此為靶點(diǎn)有望具備更高的特異性[13]。

四、總結(jié)與展望

綜上所述，膠質(zhì)瘤干細(xì)胞具備特有的代謝表型，而這一方面與腫瘤的惡性程度、浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移以及耐藥和預(yù)后等因素密切相關(guān)，另一方面也為未來(lái)藥物治療提供了潛在靶點(diǎn)。許多調(diào)控細(xì)胞代謝關(guān)鍵基因被研究證實(shí)對(duì)高級(jí)別膠質(zhì)瘤具有重要的臨床意義，干預(yù)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞代謝過(guò)程已成為高級(jí)別膠質(zhì)瘤治療的新思路[21]。然而盡管膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的代謝逐漸成為研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步解決，例如靶點(diǎn)的特異性，靶向藥物能否通過(guò)血腦屏障等。此外，糖代謝僅是膠質(zhì)瘤干細(xì)胞代謝的一個(gè)方面，脂類及氨基酸代謝對(duì)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的生物學(xué)功能亦存在重要影響，需要把它們綜合在一起進(jìn)行全面探究[22]。