信号转导通路与代谢途径的关系

信号转导通路与代谢途径的关系

肿瘤细胞的克隆与糖代谢异常密切相关。在代谢过程中，许多肿瘤仍然倾向于糖和化合物分解，这是一种著名的“交替效应”。原来的葡萄糖消耗是消耗的。这是著名的“交替效应”。代谢途径是指在生物体内多种代谢反应相互连接起来,完成物质的分解或合成的通路。肿瘤细胞除了通过糖酵解途径代谢外还有丝氨酸生物合成途径、磷酸戊糖途径、三羧酸循环途径等其他代谢途径。比如,肿瘤细胞可通过对各种代谢途径间的协调,提供增殖所必须的脂肪酸、核苷酸等,从而使生物大分子的合成过程更适合于肿瘤细胞的快速增殖。肿瘤细胞的快速增殖需要消耗大量能量,而肿瘤细胞主要通过有氧糖酵解途径获取能量,因此以糖酵解途径中的代谢酶为靶点开发抗肿瘤药物是一种可行策略。但由于正常分化细胞和肿瘤细胞具有相同的代谢需求,所以在正常分化细胞和增殖肿瘤细胞的代谢通路上开发有效的治疗靶点,找到一个合适的治疗窗仍是一件非常具有挑战的任务。1糖酵解过程中关键代谢酶的转化肿瘤细胞与正常细胞在葡萄糖代谢方式上差异很大,正常细胞主要是通过氧化磷酸化代谢葡萄糖,只是在缺氧的情况下才会启用糖酵解途径,而肿瘤细胞无论是否缺氧都会启用糖酵解途径。糖酵解途径是组织中葡萄糖经酶催化降解一系列反应过程,有点类似发酵(见图1)［2］。葡萄糖首先经葡萄糖转运体(GLUTs)转运入细胞内,并通过己糖激酶(HK)磷酸化为不能透过细胞膜的葡萄糖-6-磷酸,从而将其限制在细胞内。接着葡萄糖-6-磷酸又经过磷酸己糖异构酶、磷酸果糖激酶(PFK)等一系列酶的作用转化为丙酮酸。由糖酵解产生的丙酮酸可以直接进入三羧酸循环途径或者由乳酸脱氢酶(LDHA)转化为乳酸。从丙酮酸转化得来的乳酸再经单羧酸转运体1/4(MCT1/4)转运到细胞外。糖酵解过程中与肿瘤相关的关键代谢酶包括葡萄糖转运体(GLUTs)、己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶(PFK)异构体和丙酮酸激酶(PK)等。这些代谢酶也受致癌因子信号转导通路如HIF-1α(低氧诱导因子-1α)的调控,将致癌因子信号转导通路与糖酵解途径的关系研究透彻,有可能促进更好的肿瘤疗法的发现［3］。2glut1抑制剂肿瘤细胞似乎更依赖某些糖酵解酶的特定亚型,因此以这些亚型作为靶点,也许能够用于调节肿瘤细胞的糖酵解,下面将对这些糖酵解酶及其抑制剂进行介绍。2.1抑制葡萄糖转运体葡萄糖进入细胞内是被动运输,细胞外葡萄糖由细胞膜上葡萄糖转运体(GLUTs)转运入细胞内并进行糖酵解,这是糖酵解途径中的第一个决速步骤。GLUTs可以被选择性抑制,从而阻断肿瘤细胞对葡萄糖的摄取,最终能使肿瘤细胞缺少营养补给而“饿死”［4］。目前已发现至少有13种GLUT亚型,其中GLUT1,GLUT3,GLUT4对葡萄糖的亲合力最高。GLUT1是细胞内分布最广并对葡萄糖有相对较高的亲和力,能在所有正常组织中表达,且在肿瘤组织中表达增高。虽然GLUT1在肿瘤细胞中表达水平高于正常细胞,但是要想直接抑制肿瘤细胞的葡萄糖摄取而不影响正常组织仍比较困难。目前以GLUT1为靶点,正在开发的药物有STF-31、根皮素等(见表1)。此外,研究还发现,当对肿瘤细胞使用其他药物时,部分抑制葡萄糖摄取能起到增敏的效果［5－6］。STF-31是一种以GLUT1为靶点的磺胺类药,能靶向抑制过度表达的肾脏上皮肾细胞癌(RCC)中的GLUT1,从而抑制肾癌细胞的增殖。STF-31可与GLUT1结合,阻碍肿瘤细胞对于葡萄糖摄取和利用。由于正常肾脏细胞不会完全依赖糖酵解或者GLUT1存活,并且可以利用其他葡萄糖转运体如GLUT2摄入葡萄糖,因此STF-31对于正常细胞毒副作用较小［7］。染料木素(Genistein)是一种异黄酮类化合物,是GLUT1的竞争性抑制剂,能抑制肿瘤细胞对于葡萄糖的摄入,并有可能用于乳腺癌和前列腺癌的治疗［8－9］。目前Genistein用于膀胱癌治疗的临床II期试验已完成(ClinicalTrials.govidentifier:NCT00118040),该试验目的是研究Genistein或安慰剂如何对正在进行膀胱癌手术治疗的患者起作用。另外还有一些非特异性葡萄糖转运体抑制剂如Fasentin和根皮素。Fasentin能够与GLUT1直接结合,抑制前列腺癌细胞(PPC1)和U-937白血病细胞对葡萄糖的摄入。单独使用葡萄糖转运体抑制剂的效果和肿瘤的类型有关,但在和其他化疗药物联用时能避免肿瘤的化疗抵抗,而取得较好的效果。低氧环境是造成肿瘤化疗抵抗的主要原因,同时在低氧环境下HIF-1α能诱导GLUT1高表达。因此当GLUT1抑制剂根皮素与多柔比星联用时,能有效克服低氧诱导的化疗抵抗［10］。WZB117是俄亥俄州大学研究的一种多酚酯类不可逆GLUT1抑制剂,它能降低人红血球中的GLUT1和其他糖酵解酶的水平,从而抑制葡萄糖转运。另外,WZB117还能对H1299肺癌和其他癌症中的葡萄糖转运进行抑制。在细胞存活率检测实验中发现,WZB117对肿瘤增殖抑制的IC50大约是10mmol·L－1。体内实验发现,对人类A549细胞来源肺癌荷瘤小鼠每天腹腔注射WZB117(10mg·kg－1)10周后,对肿瘤体积的抑制率超过70%［11］。利托那韦(Ritonavir)及其衍生物是人免疫缺陷病毒-1(HIV-1)和人免疫缺陷病毒-2(HIV-2)天冬氨酸蛋白酶抑制剂,起初用于艾滋病的治疗,但无意中发现它们能特异性抑制GLUT4,从而降低肿瘤细胞对葡萄糖的利用,抑制肿瘤的生长。利托那韦在20μmol·L－1浓度时就能诱导骨髓瘤肿瘤细胞凋亡,而该浓度大约相当于该药在人体内的血药浓度峰值。另外,抑制葡萄糖转运体能提高骨髓瘤肿瘤细胞对于其他化疗药物的敏感性,如用利托那韦抑制GLUT4能提高多发性骨髓瘤细胞系对阿霉素的敏感性［12－13］。但在利托那韦和洛匹那韦联用用于进展或复发性晚期胶质瘤(HGG,WHOgrade3~4)治疗的临床II期试验中发现,虽然患者耐受性良好,未出现等级3或4的毒副作用,但只有10%~25%患者获得了6个月的无进展生存期,试验未达到其有效性终点,目前该临床试验已终止［14］。2.2抑制己糖激酶葡萄糖在进入细胞后被己糖激酶(HK)捕获,消耗1分子ATP转化为6-磷酸葡萄糖。HK在人体内具有一定的组织特异性,在正常心肌、脂肪和肌肉组织中微量表达,在大部分恶性肿瘤中则高表达。目前已发现人类HK有4种亚型,目前已发现很多肿瘤细胞特别依赖于HK2亚型(HK的一种亚型),而HK2在骨骼肌肉和脂肪组织中正常表达,因此以HK2为靶点能够避免对表达其他HK亚型组织的副作用。肿瘤高表达HK2的原因仍不是很清楚,但很多肿瘤特别依赖HK2的现象表明,当对肿瘤细胞使用HK2选择性抑制剂时,肿瘤细胞几乎不会通过重新表达其他亚型来逃避抑制［15－16］。2-脱氧-D-葡萄糖(2-DG)是一种葡萄糖类似物,能够竞争性抑制HK2的活性。2-DG在细胞内被HK2磷酸化为2-脱氧葡萄糖-6-磷酸(2-DG-P),2-DG-P无法再进行代谢,能够竞争性抑制葡萄糖-6-磷酸的代谢酶［17］。当对细胞使用足量的2-DG时,能抑制细胞生长和造成细胞凋亡,此外2-DG还能增强一些常用细胞毒化疗药物的效果。目前2-DG已经作为一种抗肿瘤的药物正在进行临床I/II试验,初步数据表明,在动物试验的有效剂量下2-DG耐受良好(ClinicalTrials.govidentifier:NCT00096707,NCT00633087)。虽然初步研究结果表明2-DG和多西他赛联合使用时是安全的,而且2-DG对乳腺癌和头颈肿瘤具有一定抗肿瘤效果,但目前很少2-DG在癌症临床治疗有效性数据报道［18－19］。3-溴丙酮酸(3-BrPA)是乳糖类似物,它能够将HK2中巯基烷基化而直接抑制HK2的活性,这点与2-DG不同。据报道,3-BrPA是比2-DG更有效的HK2抑制剂,它在μmol·L－1浓度仍有效,而2-DG只在mmol·L－1浓度时有效。3-BrPA在浓度低到无法抑制HK2时仍对一些肿瘤细胞有细胞毒性。考虑到3-BrPA是一个较强的烷化试剂,除HK2外它还能与其他分子作用,因此有人猜测这是对几个代谢酶联合抑制的结果［20］。虽然3-BrPA不是一个高度选择性的HK2抑制剂,但该试剂能单独使用,在很多肝癌和乳腺癌动物模型中都有很好的抗肿瘤活性。此外在很多动物模型中发现,3-BrPA能提高一些抗肿瘤药物如格尔德霉素、顺铂等的抗肿瘤作用。2013年3月美国FDA批准PrimocurePharma公司将3-BrPA作为“孤儿药”用于肝和肝内胆管癌的罕见疾病的治疗［21］。氯尼达明(Lonidamine)是由意大利Angelini公司开发的一种选择性HK2抑制剂,于1987年在意大利上市,目前用于肺癌、前列腺癌、乳腺癌和宫颈癌的治疗［22］。氯尼达明能通过抑制HK2抑制肿瘤的有氧糖酵解,并延长癌症患者的平均生存时间和一年生存率［23］。由于在高、低水平糖酵解的神经胶质瘤中HK2的形态不同,氯尼达明仅会抑制糖酵解水平较高的神经胶质瘤中的HK2,在糖酵解水平较低的神经胶质瘤中它反而会刺激肿瘤生长。此外,氯尼达明也能用于阻断乳酸产出［24］。在氯尼达明联合地西泮用于复发性多形性胶质细胞瘤(GBM)治疗的临床II期试验中,有50%的患者病情稳定,患者病情恶化平均时间为8周(范围:5~19周),平均生存时间为15周(范围:14~61周),除了嗜睡外,未出现等级3或4的不良反应［25］。在另一个氯尼达明用于良性前列腺增生症治疗的临床II期试验中发现它有可能导致人体肝药酶水平异常,FDA已终止了其临床试验(ClinicalTrials.govidentifier:NCT00435448,NCT00237536)。2.3抑制磷酸果糖激酶在很多癌症中具有亚型选择性的糖酵解调控酶还有磷酸果糖激酶2(PFK2),它能通过生成果糖-2,6-二磷酸(F-2,6-BP)来激活PFK1,从而增加该步糖酵解的通量。大部分PFK2的亚型都是双功能酶,他们同时具有磷酸果糖激酶和磷酸酶活性,因此他们也能通过催化F-2,6-BP的降解来降低PFK1的活性。PFK2的亚型PFKFB3在很多癌症中都有表达,并且PFKFB3几乎没有磷酸酶的活性。它的激酶活性受到控制癌症代谢的调控因子影响,如调节代谢水平的RAS(ratsarcomaviralhomolog)和磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMPK)等信号通路。有文献报道PFKFB3的小分子抑制剂能够抑制RAS突变的癌细胞生长。动物实验也发现靶向抑制PFKFB3的化合物能够降低F-2,6-BP的水平,并减缓移植瘤的生长,因此以该酶为靶点开发癌症的治疗药物越来越受到人们的关注［26－28］。3PO是由AdvancedCancerTherapeutics公司开发的PFKFB3的小分子选择性抑制剂,它能明显抑制多种人体恶性腺瘤细胞株的增殖(如人乳腺癌MDA-MB231等,IC50=1.4~24mmol·L－1)。对Lewis肺癌移植瘤荷瘤小鼠腹腔注射3PO70mg·kg－1后,Fru-2,6-BP的合成速度、葡萄糖的摄入速度和乳酸的分泌速度都显著降低,糖酵解过程被抑制,肿瘤细胞生长速度减缓［29］。Clem等合成了73种3PO的衍生物,并检测了这些衍生物对于PFKFB3的抑制活性,最终选出了活性比较好的PFK15进行进一步临床前实验。PFK15是将3PO结构中的吡啶环替换为喹啉环得到的衍生物,拥有比3PO更好的药动学性质,对PFKFB3的抑制活性是3PO的100倍(IC50:3PO=22.9mmol·L－1;PFK15=207nmol·L－1)。3μmol·L－1的PFK15能够诱导T-细胞白血病细胞的早期凋亡。以伊立替康、替莫唑胺和吉西他滨为阳性对照,分别对结肠癌CT26、脑胶质瘤U-87MG和胰腺癌BxPC-3的异种移植瘤荷瘤小鼠抑瘤试验表明,除对脑胶质瘤的抑瘤效果略低于替莫唑胺外,PFK15的抑瘤活性与另外两个已上市的化疗药物相当［30］。2.4抑制丙酮酸激酶丙酮酸激酶(PK)是另一种有可能成为靶点的具有亚型选择性的糖酵解酶。哺乳动物体内有两种丙酮酸激酶基因,而大部分组织表达丙酮酸激酶M基因(PKM)产物,得到PKM1和PKM2两种亚型。所有肿瘤细胞都表达PKM2,而一些正常分化细胞表达PKM1。PKM2能够促进有氧糖酵解,研究也发现在小鼠移植瘤生长过程中PKM2也是高选择性表达。PKM1是固有活性酶,而PKM2是惟一能在高活态和低活态间转变的丙酮酸激酶亚型,分别为一种高活性的四聚体形式和一种较低活性的二聚体形式［31－32］。PKM2的活性还受由致癌信号调控的生长因子受体的磷酸化调节,PKM2被磷酸后可转化为低活态。当丙酮酸激酶转化为低活性态时,则有助于促进丙酮酸激酶的上游糖酵解产物进入生物合成途径。因此抑制PKM2激酶对有氧糖酵解和肿瘤细胞增殖具有重要作用,这也是推测肿瘤细胞能够通过调节糖酵解使各种糖酵解中间体用于各种途径的主要机理之一。研究发现一些多肽配体能够选择性抑制PKM2,并促使生成低活性丙酮酸激酶,从而导致能量应激和培养的肿瘤细胞死亡。使用短发卡RNA靶向抑制PKM2也能减缓肿瘤增殖,但发现即使当丙酮酸激酶几乎完全失活时,这些肿瘤细胞仍有增殖能力［33－34］。TT-232(CAP-232)是由ThallionPharmaceuticals公司开发的以PKM2为靶点的抑制剂,有望用于多种实体瘤的治疗。体外实验表明,它能抑制20种不同类型人类肿瘤的增殖,抑制率在50%~95%之间,同时还发现它有很强的诱导肿瘤细胞凋亡的作用。TT-232(750μg·kg－1)对结肠癌Colon-26异种移植瘤的抑制率为70%,当剂量降低到15μg·kg－1时也能达到约60%的抑制率。TT-232在750μg·kg－1时对B16黑色素瘤异种移植瘤的抑制率约为50%,当剂量降低到15μg·kg－1时,对该肿瘤的抑制率仍可达25%。TT-232在750μg·kg－1时对S180肉瘤异种移植瘤的抑制率约为70%,在500μg·kg－1时对MDA-MB-231人乳腺癌异种移植瘤荷瘤小鼠肿瘤抑制率为80%,其中有30%小鼠的肿瘤完全消失并存活长达200d之久。TT-232在20mg·kg－1时对人前列腺癌异种移植瘤荷瘤小鼠肿瘤抑制率为60%,在60d内小鼠存活率可达100%,而空白对照组有80%的小鼠死亡。TT-232还具有毒性低的特点,因为除了出现体重暂时的减轻(与对照组相比有10%的小鼠),在TT-232达到120mg·kg－1的高剂量时小鼠也未出现死亡,所以在毒性实验中难以找到TT-232的致死剂量［35］。临床I期和临床II期试验结果显示TT-232耐受性良好,无明显毒副作用。临床II期试验中对13个转移性黑色素瘤患者使用TT-232治疗,最终使其中4人病情稳定下来［36］。2.5抑制乳酸排出或转运的单羧酸转运酶和乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶(LDH)是一种能分别将丙酮酸和NADH与乳酸和NAD+进行互相转变的酶。其中LDH的一种亚型LDHA在很多肿瘤细胞中都有表达,目前开发中的LDH抑制剂也都是针对该亚型。当用RNA干扰技术敲掉LDHA后,肿瘤增殖速度无论在体外还是在体内都急剧降低。LDHA在很多肿瘤细胞中都表达,但大部分非癌组织都不依赖于LDHA,而且LDHA相对其他LDH亚型能够被选择性地抑制。进一步的研究表明,LDHA抑制剂和烟酰胺磷酸核糖转移酶(NAMPT)抑制剂联合使用时,能减缓小鼠异种移植瘤的生长,并导致肿瘤缩小,这些都表明LDHA有可能成为癌症治疗中的一个有效靶点［37－38］。糖酵解的最终产物乳酸会被排出细胞,所以抑制乳酸的生成或抑制乳酸转运出细胞是两种直接靶向抑制肿瘤“Warburg效应”的策略。负责各种肿瘤细胞中乳酸排出的蛋白主要由单羧酸转运体家族(MCTs)构成。有研究表明,在肿瘤内通过共生关系存在于不同细胞间的一些细胞是以其他细胞产生的乳酸作为能量来源,所以破坏乳酸转运体可能会“饿死”这些乳酸依赖细胞［31］。但当使用MCTs的小分子靶向抑制剂时,也会抑制依赖于有氧糖酵解的淋巴细胞。这个现象也暗示靶向肿瘤乳酸排出有可能会对免疫功能产生不良反应。抑制乳酸转运有可能会对其他在某些条件下也依赖乳酸作为能量来源的正常组织器官产生潜在不良反应,比如肝、肌肉和大脑［39－40］。不管怎样,只要降低毒副作用MCTs也可能成为抗肿瘤靶点。FX11是由新