肿瘤细胞能量代谢特征

肿瘤细胞能量代谢特征

线粒体呼吸链酶也称为线粒体呼吸链复合物、线粒体呼吸链复合酶。线粒体呼吸链位于线粒体内膜上，由5个复合物组成，分别为：NADH-Q氧化还原媒（也称为复合物I）、琥珀酸-Q氧化还原酶（也称为复合物II）、UQ-细胞色素C氧化还原酶（复合物III）和细胞色素C氧化酶（也称为复合物IV）ATPase(ATP合成酶复合物V)。

https://www.360docs.net/doc/c413036246.html,/trade/pdetail3398759.html

来自纽约州立大学上州医科大学的研究人员报告称，他们发现了一条新的线粒体介导细胞

死亡信号通路，并揭示出了抑制线粒体介导蛋白质稳态应激及细胞死亡的一个胞质溶胶网络。这些重要的研究发现发布在7月20日的《自然》（Nature）杂志上。

论文的通讯作者是华人科学家、纽约州立大学上州医科大学生物化学与分子生物学教

授陈新杰（Xin Jie Chen）博士。陈新杰教授早年毕业于浙江大学，主要研究兴趣为线粒

体生物合成与遗传、衰老及衰老相关退行性疾病。

线粒体是细胞内能量合成的主要场所，对于维持细胞正常生理功能起着重要作用。近

年研究表明，线粒体不仅作为体内的“能量加工厂”，而且还与氧自由基的产生、细胞死

亡进程的调控有关。

线粒体功能异常多指由于线粒体膜受到破坏、呼吸链受到抑制、酶活性降低、线粒体DNA(mtDNA)损伤等引起的能量代谢障碍，进而导致的一系列相互作用的损伤过程。线粒体功能异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。许多研究表明，帕金森病、阿尔茨海默氏症、糖尿病、肿瘤等疾病及衰老均与线粒体功能异常有关。由于线粒体的多功能性，了解线粒体功能障碍导致特异病变的机制仍面对着巨大的挑战。

以往的研究证实线粒体介导细胞死亡与能量耗尽、自由基生成、铁硫簇生物合成缺陷、释放促凋亡和非细胞自主性信号分子以及应激信号改变有关。在这篇 Nature文章中研究人员报告称，在酵母中发现了一条新的线粒体介导细胞死亡信号通路。他们将这一信号通路命名为线粒体前体过度累积应激(mPOS)，其特征为线粒体前体在胞质溶胶中异常累积。

随后研究人员证实，不只是影响核心蛋白质转运机器的突变，破坏线粒体内膜完整性和功能的损伤也可以触发mPOS。他们还发现一个胞质溶胶基因网络通过调节核糖体生物合成、信使RNA脱帽、转录物特异性转录，蛋白质陪伴及周转抑制了mPOS。响应mPOS，几个核糖体相关蛋白包括Gis2和Nog2上调，Gis2和Nog2分别促进了帽子结构非依赖性（cap-independent）翻译及抑制了60S核糖体亚基出核转运。研究人员指出，Gis2和Nog2上调促进了细胞存活，这有可能是抑制mPOS反馈环路的一个组成部分。

这些研究数据表明，线粒体功能异常可直接导致胞质溶胶蛋白质稳态应激，由此解释了退行性疾病和衰老两个标志之间的关联。这些研究结果对于更深入地了解脊髓小脑性共济失调、肌萎缩侧索硬化症和强直性肌营养不良等与这一网络突变相关的疾病具有重要意义。

1.对血管线粒体标志性蛋白COXIV和sirt3的影响

2.

3.对血管DNA氧化损伤的影响——高效液相色谱法测定DNA氧化损伤标志物8-

OhdG；彗星实验方法——凝胶电泳。

4.对血管端粒长度和端粒酶的影响——realtime PCR 荧光，送检。

人白细胞的端粒长度，可以反映生物年龄。建立方法，为今后产品检测提供方法学。

（用剩下的鼠建立方法，包括全血的白细胞分离，DNA提取，测定端粒长度，提取线粒体）

5.对血清中酮体、血糖、ATP含量影响——乙酰乙酸、β-羟基丁酸及丙酮、血糖

6.对血清半乳糖苷酶的影响——衰老指标

7.对细胞自噬的影响——自噬诱导剂

探讨不同细胞对糖利用的敏感性

细胞培养：HL-60；Jurkat；内皮细胞、血管平滑肌细胞、L929、正

常T淋巴细胞。观察48h，

药物处理：低糖培养、无糖培养、无谷氨酰胺培养、高糖培养、芹菜素、阿糖胞苷、芹菜素+阿糖胞苷（正常含糖培养基）、二甲双胍、二甲双胍+阿糖胞苷

测定指标：MTT、上清液葡萄糖浓度、ATP含量（细胞裂解）、GLU

T1-5，realtime PCR （外包）。96孔板先做MTT。细胞耗氧量/线粒体膜电位，DNA氧化损伤测定，端粒长度

GLUT1是肿瘤细胞葡萄糖转运的主要蛋白，用芹菜素抑制+脂肪乳剂

输液和氨基酸输液，是否可提供机体营养，又增强肿瘤细胞的敏感性。

或配合核桃仁+黑芝麻+无谷氨酰胺的符合氨基酸+纤维素

GLUT1——多数细胞；GLUT2——肠道细胞；GLUT3——神经细胞；GLUT4，细胞内移位，心肌细胞、骨骼肌细胞、脂肪细胞

探讨芹菜素对线虫寿命的影响及对葡萄糖摄取的影响

适当减少ATP生成，可延长寿命。测定ATP量、端粒酶活性，

端粒长度。

p53-调控的细胞生长停滞被激活，接着它又抑制PGC-1α和 PGC-1

β（代谢过程和线粒体过程的主要调控因子）。这会导致线粒体质量

减少、线粒体功能丧失和ATP生成量减少、糖生成受损、心肌功能受

损和活性氧增加。

探讨芹菜素对动物耐缺氧的影响。

推测，芹菜素可降低细胞能量代谢，增强耐缺氧能力。

缬草——眩晕——脑供血不足——高血压、颈椎病、能量代谢障碍、

血糖低——ATP产生不足，葡萄糖含量高、丙酮酸含量高、ATP低。

缬草——催眠镇静——可能与降低脑细胞葡萄糖产生能量有关

缬草——是否具有钙拮抗作用，有报道可降血压。

牛——精神疾病——代谢组学

维拉帕米可增敏肿瘤细胞对化疗的敏感，与降低细胞能量代谢有关？维拉帕米是ca拮抗剂

生酮食疗法

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―生酮食疗法（Ketogenic food therapy）‖是一种利用高脂、低糖食物治疗神经系统疾病的方法。它会―诱使‖人的身体处于一种饥饿状态，促使人体通过燃烧脂肪来产生能量，而不是燃烧碳水化合物。在这样的代谢过程中，丙酮类物质会大量产生，―安抚‖诸如癫痫类的神经系统疾病。

中文名

生酮食疗法

外文名

Ketogenic food therapy

性质

治疗神经系统疾病的方法

方法

利用高脂、低糖食物

目录

1. 1概述

2. 2案例

3. 3背景资料

生酮食疗法概述

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―生酮食疗法‖是一种利用高脂、低糖食物治疗神经系统疾病的方法。它会―诱使‖人的

身体处于一种饥饿状态，促使人体通过燃烧脂肪来产生能量，而不是燃烧碳水化合物。在

这样的代谢过程中，丙酮类物质会大量产生，―安抚‖诸如癫痫类的神经系统疾病。

生酮食疗法案例

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食谱

9岁的山姆患有儿童癫痫症。他正在进行―生酮食疗法‖。以下是他一天的食谱：早餐

是鸡蛋和培根，外加厚厚的一层奶油；午餐是全脂的希腊酸奶添加椰子油；晚餐是热狗、

培根、夏威夷果和奶酪。每次他无辜地睁着大眼睛，将饼干或者糖递到嘴边希望获得父母

首肯的时候，答案都是―不行‖。他的零食每天也是固定的：2片培根，8颗坚果，不到1/8

个苹果。

儿童癫痫

儿童癫痫是儿童时期最常见的一种的反复发作性神经系统综合征，病因复杂。简单地说，每一次癫痫发作就好像是一次大脑电子风暴。我们的大脑和身体都是充满―电流‖的，

大脑产生的生物化学电信号，使得脑细胞、神经和肌肉能够互相交流。癫痫发作时，大脑

神经元过度放电引发了部分脑功能紊乱。

山姆的癫痫病并不会猛烈发作，而是强度小、发作频率高的小癫痫。在绝望之际，医生介绍山姆使用―生酮疗法‖。这个脂肪含量高达90%的食谱，有悖于人们一般对与健康饮

食的想象。这种食疗必须像吃药一样严格执行：食谱中的脂肪、蛋白质和碳水化合物必须

严格配比，病人每一餐的卡路里计算都必须精确到个位数。

效果

―生酮疗法‖有效地控制住了山姆的病情。他的癫痫发作次数降低到平均每天6次，他

开始玩溜冰板、学游泳，终于，他成了一个看起来快乐、健康、独立的孩子。如果癫痫症

状消失达2年，食疗就可以停止了。但中间并没有一个明确的时间点。

生酮食疗法背景资料

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我们知道，若不是断水，人在饥饿状态下仍然能够生存一段时间。饥饿状态下，人体动员体内脂肪、蛋白质水解提供能量，由脂肪转变而来的分子——酮体，取代了通常的糖，开始为大脑的新陈代谢提供能量。此时，代谢产物中丙酮类物质增加。不知何故，当由酮

体而不是葡萄糖来供给器官能量时，一些神经系统疾病会减轻。

早在公元前五世纪，就有使用断食的方法治疗儿童癫痫病症的记录。让一个病人饿一个星期，他们的癫痫症状就会消失。1920年代，约翰霍普金斯大学的医师发现使用高脂肪、低醣分的饮食，只要―骗‖过身体让它以为一直是在饥饿状态下，可以和古法断食一样让身

体产生酮体，控制住癫痫的发作。于是，―生酮食疗法‖开始流行，直到1938年，Dilantin

作为抗惊厥药物的出现，这种食疗法因为执行痛苦而日渐式微。

酮体对于神经系统的―安抚‖作用，吸引了整个神经科学界的注意。两位美国国家健康

研究所的科学家正在研究它对于帕金森患者的作用。过去两年发表的论文显示，酮可能减

缓脑肿瘤的生长。一个名为Accera的生物科技公司正在推广他们的一种高脂粉末产品给

阿兹海默患者，服用后会出现―酮病‖的症状，而减缓阿兹海默的症状。然而，对于酮作用

于神经系统的机理，却一直是个谜。在加拿大卡尔加里大学任职的阿伯塔儿童医院小儿神

经科主任JongRho提出一个理论，酮有保护脑细胞不受损害的作用。他最近从国家健康研究所申请到了200万美金，为期五年的项目对这个理论作进一步的研究。Pho的理论只带来了更多的问题。酮体如何能保护脑细胞？科学家一点也不了解我们的细胞是如何应对酮

病的。在透彻研究基础的生物学机理之前，科学家们还无法开始昂贵而漫长的药品研发之路。

临床综述：不容小视的肿瘤细胞能量代谢

2014-11-04 16:50 来源：丁香园作者：rio2016

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这篇综述于 2014 年 8 月 4 日在线发表在 Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry 杂

志上，Oronsky BT等肿瘤学家系统性地介绍了肿瘤细胞能量代谢的特点，并详细列举了肿瘤能量代谢通路中有哪些潜在的药物作用靶点。此外，他们还分析了抗肿瘤细胞能量代谢

策略是否可行，相关的抗肿瘤药物研究进展又如何。

摘要

早在 1920 年，德国生物化学家 Otto Warburg 就发现了肿瘤细胞代谢的特点 - 高水平的糖

酵解作用，并据此拿下了第二个诺贝尔奖。Warburg 认为，肿瘤发生的最初原因是线粒体

呼吸功能障碍，为了维持细胞生存和满足大分子合成的需要，细胞选择激活另一种能量代

谢方式 - 有氧糖酵解 (aerobic glycolysis)。

1．神经细胞线粒体呼吸功能？什么指标?膜电位？

肿瘤细胞用有氧糖酵解替代正常组织细胞的氧化磷酸化 (Oxidative Phosphorylation，OXP HOS)。这些不能经由线粒体途径获得 ATP 的肿瘤细胞，只能进行代谢重组，以维持细胞

内的 ATP 和 NADH 水平正常。众所周知，ATP 和 NADH 是生物大分子合成、生物膜整合、离子浓度维持和 DNA 合成所必需的。

氧化磷酸化的物质是什么？是否在细胞损伤或异常增殖时，这个物质低，而ATP、NA DH这2个物质实际测定无差异，测定线粒体呼吸功能应该下降。这种下降会导致两种情况，一种细胞凋亡，组织损伤；一种细胞异常增殖，形成肿瘤。那么在什么情况下，线粒

体功能障碍引起的是损伤，什么情况下引起的是异常增殖呢？哪个指标是关键？对精神分

裂症来说线粒体功能一定有障碍，是如何引起神经损伤？或为何精神分裂症会引起神经细胞，多巴胺释放增加，原因是什么，多巴胺合成原料为酪氨酸？？

设计实验：白血病细胞HL60、Jurkat，K562+维甲酸——诱导分化率——能量代谢指标

（代谢组）;+GAOH_诱导分化率——能量代谢；+芹菜素——诱导分化率——能量代谢；+阿糖胞苷——诱导分化率——能量代谢；所有测定线粒体呼吸功能障碍指标（陈晓芳）+

缬草+维拉帕米。希望做出来的结果是，白血病细胞主要通过有氧酵解途径，而经过维甲酸、GAOH诱导分化后恢复线粒体途径的代谢；芹菜素、缬草素可降低肿瘤细胞的有氧代谢，与阿糖胞苷合用，可增加凋亡率。GAOH途径可能通过AMPK/mtor; 芹菜素、缬草、

氯喹可能通过自噬

实验二、神经细胞培养（如何使正常细胞永生化？？？？查方法）+LPS，线粒体膜电位、能量代谢——细胞凋亡胶质瘤细胞与正常胶质细胞，比较差异。想观察的是，正常细胞线

粒体功能正常，代谢走的是线粒体途径；而胶质瘤细胞走的是有氧糖酵解途径。如果能够

选择性抑制有氧糖酵解，是否可以找到增敏肿瘤对化疗药的敏感。

那么对于精神疾病，是否精神分裂症存在线粒体代谢障碍，而抑郁症主要影响神经递质的

合成？而且，精神分裂阴性症状的代谢障碍较阳性症状严重？？？阴性症状与抑郁症主要

区别在于可能一个脱髓鞘，一个不脱髓鞘，因此，检测血清的碱性髓鞘蛋白，应该有差异。阳性症状的差异则很有可能体现在线粒体功能或代谢组的小分子差异。（陈晓芳）

巨噬细胞原代与永生化后的区别，难道是启动了有氧酵解通路？

―跟着钱走‖是一个发现和破获犯罪活动的久经考验的方法，因为非法所得的钱款需要销赃。同样，可以将这种方法沿用到肿瘤研究中，追踪和破坏细胞的能量通货 ATP 和氧化还原通货 NADH。因为肿瘤需要大量的 ATP 和 NADH，它们不仅是肿瘤细胞转移和增殖所必需的，还是维持肿瘤细胞生存所必需的。

目前，有四种可以有效降低肿瘤细胞 ATP 水平的策略：(1)使用靶向能量代谢的小分子能

量限制模拟药物 (ERMAs)，(2) 使用可以降低能量―补给‖的自噬抑制剂，(3)加速细胞内 AT

P 消耗以增大能量缺口，(4)控制食源性能量物质的摄入以切断能量供给。

1. 前言

―肿瘤后来居上，已经成为危害人类健康的第二大疾病。然而，因果相连，肿瘤发生有且仅

有一个最初原因。简而言之，肿瘤发病的最初原因是正常细胞的氧化呼吸被糖类物质发酵

所取代。正常情况下，所有人体细胞均是专性好氧细胞，而部分肿瘤细胞却是厌氧细胞。‖1966 年诺贝尔奖会议上，Otto Warburg 将其理论简述为―肿瘤是一种代谢疾病‖。如今的抗

肿瘤药物研究已经被―个体化治疗‖主导，旨在寻找可以抑制肿瘤细胞增殖相关特异性分子

活性的药物。随着人类染色体测序工作和特定肿瘤遗传易感基因鉴定工作的开展，已经发

现了多种靶向特定突变基因或基因产物的药物。

由于特定基因簇或基因突变并不是所有类型肿瘤发生所必需的，所以有必要寻找特定的生

物标记，以便确定哪些患者可以在治疗中获益。然而，如果恶性肿瘤正如 Warburg 所描述的那样―肿瘤是线粒体功能障碍的结果‖，那么 ATP 合成受阻会造成发酵的补偿性增加，因

此肿瘤就是一种由能量失衡触发的疾病。

查资料，肿瘤的代谢失衡与细胞损伤的代谢损伤有什么区别？2个问题，对精神疾病，我

们需要解决细胞损伤的代谢障碍，对于肿瘤，我们希望解决发酵补偿性增加的代谢失衡，

为何这种是衡可以导致细胞永生

这种从代谢方面的看法与当前的主流观点相悖，主流观点认为多基因突变是不同类型疾病

发生的基础。按照 Warburg 的思路，基因突变只是肿瘤发生―犯罪现场‖的―旁观者‖，反而

―真正的罪犯‖发酵却逃脱法网，但是 Warburg 并没有验证这种分析方式的真实性。

简而言之，不可逆的线粒体功能障碍触发了一系列的基因突变连锁反应，这在很大程度上

促进了―第二个最佳‖ATP 产生方式 - 糖酵解的进行。的确，通常将基因突变当做肿瘤发生

的最初原因，不过基因突变可能是代谢和能量失衡的结果或补偿性反应（！！！！）。

延伸开来，尽管 Warburg 没有直说 HIF1-α、c-myc、ras、IGF-1 和 PI3K/Akt/mTOR 基因

突变或过表达直接或间接地促进了糖酵解代谢，但是基因突变可能在肿瘤发生中扮演了

―第二大角色‖而非―内奸角色‖。因为 HIF1-α、c-myc、ras、IGF-1 和 PI3K/Akt/mTOR 等因

子在糖酵解代谢中发挥了重要作用。

在缺氧环境下，肿瘤细胞选择开启糖酵解代谢并上调促血管新生因子的表达，最终促进肿

瘤的发生和转移。很明显，一个基于 ATP 来源而非氧化磷酸化的恶性循环最终形成了。有趣的是，有些肿瘤处于常氧状态仍可能选择糖酵解代谢以便获得更多的能量通货 ATP，这

在某种程度上触发一种恶性肿瘤表型。

（糖酵解途径和线粒体途径产生的ATP过程中，什么小分子物质不一样？？？）

从治疗层面出发，曾经那个所谓的靶向抑制剂伊马替尼 (imatinib) 在临床应用中却偏离了

它原先设定的靶点葡萄糖转运体 -1(GLUT-1)和葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶(G6PD)，于是也失

去了干扰细胞能量代谢的能力，可见个体化基因医学的发展并没有提供有效的抗肿瘤策略。

此外，Seyfried 等多位科学家认为任何一个―反向理论‖，例如 Warburg 效应，一旦偏离了

当前主流研究的基因 - 中心框架，不可避免地沦为边缘科学。靶向肿瘤能量代谢的抗肿瘤

药物研发过程已经彻彻底底地演变为分子水平的―猎巫行动‖。

图 1. ATP 的来源和用途

肿瘤就像一条九头蛇，某条信号通路一旦受到抑制，新的替代性信号通路就会出现。只要细胞内的能量充足，新的通路就可能激活，哪怕是一条―性价比极低‖的通路。按照逻辑极端方式分析，个体化用药类似于一种基因药理学领域的―打地鼠‖游戏，一个致瘤基因突变受到抑制，另一个致瘤基因就―蹦出来了‖。

这里有个前提，个体化用药策略的理论基础是―基因突变是肿瘤发生过程的核心‖。从另一个逻辑极端分析，HIF1-α、c-myc、ras、IGF-1 和 PI3K/Akt/mTOR 基因的过表达或功能异常可能是细胞能量产生的必需分子，这表明基因突变可能是肿瘤发生的结果而非原因。（一个非常有意思的设想：是结果而不是原因！！！）

正如执法机关追踪黑社会犯罪和恐怖组织活动资金的来源一样，科学家应该追踪肿瘤细胞能量通货 ATP 的来源，因为肿瘤细胞的―资金来源‖似乎只有一个不稳定的单一途径。这条途径容易受到其他需求冲击或供给冲击的影响。

过度的 ATP 缺乏会导致 Na+-K+-ATP 酶依赖性离子泵功能障碍，破坏细胞内离子稳态平衡，最终诱发细胞水肿和死亡。18F-FDG PET/CT 扫描结果显示肿瘤细胞摄入大量的葡萄糖，这在一定程度上验证这一观点：肿瘤细胞过度依赖葡萄糖和糖酵解代谢。

（减少碳水化合物，就是减少糖，采用脂肪通路功能或蛋白质通路供能，是否就可以饿死肿瘤细胞呢？）

图 2. 细胞代谢对比：正常细胞依赖氧化磷酸化，肿瘤细胞依赖糖酵解和谷氨酰胺代谢

除了对糖酵解的依赖外，肿瘤细胞也需要谷氨酰胺。和葡萄糖一样，谷氨酰胺也是一种回补物质，它可以为 Krebs 循环 (Krebs Cycle，三羧酸循环) 提供草酰乙酸等能源性前体物质。

（明白了，这是为何术后，肠屏障损伤，补充谷氨酰胺可以加速肠道细胞的修复，因为加强了能量供给）

由于糖酵解和谷氨酰胺代谢 (glutaminolysis) 提升了细胞内的碳通量，造成 Krebs 循环前体中间物的聚集，从而激活另一条代谢通路磷酸戊糖途径(Pentose Phosphate Pathway)。

磷酸戊糖途径可以产生大量 NADPH，这可以还原谷胱甘肽的，从而缓解细胞内的氧化应激水平。此外，磷酸戊糖途径可以产生大量核糖 -5- 磷酸，后者是核酸生物合成必需的构件分子。

（肿瘤细胞内的GSH水平比正常细胞高？）

图 3. 肿瘤细胞的 ATP 和能量来源

面对化疗和放疗所带来的遗传毒性应激，肿瘤需要适应这种环境并开启自我防御机制，其中包括药物外排、DNA 损伤修复、生存相关基因表达上调、抗凋亡和胞内存活信号通路激活，这一系列生命活动均需要大量的持续的 ATP 供给。

上述任何一种适应 / 防御策略均需要与 ATP 产生相关通路交联，例如有氧糖酵解 / 谷氨酰胺代谢 / 磷酸戊糖途径。然而，这些代谢通路的产能效率远低于氧化磷酸化。如果 ATP 需求大于了供给，就会出现一种―能量赤字‖，此时肿瘤会有三种应对策略：提升 ATP 产量、通过自噬“补给”ATP 产生或降低 ATP 消耗。

随着 ATP 供给的减少，多种细胞活动受到限制，例如由 ATP 依赖性多药耐药泵介导的药物外排、p53 等肿瘤抑制基因的表观遗传沉默。Chen 等研究发现，能量限制模拟剂 (2-de oxyglucose 和 3-bromopryuvate) 可以重新激活沉默的 KLF6 肿瘤抑制基因。

Zhou 等研究发现，药物耐受性肿瘤细胞在 ATP 耗尽的情况下化疗敏感性升高，而药物敏感性肿瘤细胞在外源 ATP 补给的请款下化疗耐药性升高。相比正常组织细胞，肿瘤细胞需要更多的 ATP，但是肿瘤细胞在能量来源切换方面的灵活性很差。因此，通过抑制糖酵解降低 ATP 水平可以选择性杀死肿瘤细胞

（这个可以设计实验验证下）

这就造成了―生存重于生长‖，以及获得性耐受。这种策略与 Warburg 效应一样，成为了肿瘤治疗的统一标准，也是肿瘤治疗策略转变的基础和理由。然而，肿瘤治疗策略研究不应该仅仅局限于代谢本身，而应该从总的 ATP 和 NADH 产生角度开展。

并非一种达尔文优势，肿瘤对发酵的依赖可能仅是能量供给不足情况之下的无奈之举，相比正常组织，这是一种竞争性劣势。因此，可以将肿瘤的这个缺点应用于治疗层面，特别是用于提升化疗敏感性。（如何限制肿瘤发酵途径呢？）

先前的肿瘤化疗策略往往因为化疗敏感性低而失败，如今有了可以升高肿瘤化疗敏感性的方法，肿瘤治疗也就变成了慢性的可治愈性的疾病，而且可以在锝 99m (99mTc) - 甲氧基异丁基异腈 (sestamibi) 扫描仪下成像。

图 4. 肿瘤细胞的能量产生过程和潜在抑制靶点

甲氧基异丁基异腈是 ATP 依赖性 p- 糖蛋白泵 (Pgp，由 MDR-1 基因编码) 的底物，这种

放射性核素显像剂可以检测 Pgp 的抑制情况，从而反映肿瘤相对于基线水平的化疗敏感性。按照这种显像方法，―跟着 ATP 走‖的任务就可以顺利完成(如图 4. 所示)。

2. 葡萄糖代谢

2.1 葡萄糖转运体抑制剂

由于葡萄糖具有极性亲水性，它不能穿透疏水性的细胞膜，因此需要借助一类特殊的跨膜

转运蛋白 - 葡萄糖转运体 (Glucose Transporters，GLUT)。肿瘤细胞的 GLUT 表达显著上调，这表明肿瘤细胞将葡萄糖作为主要的 ATP 能量来源。肿瘤大量消耗葡萄糖必然加大了葡萄糖的摄入量，最终加剧葡萄糖代谢。

图 5. 常用的葡萄糖转运抑制剂

研究发现，ATP 过量表达与肿瘤的恶性程度、侵袭性和不良预后密切相关。我们列举了多

种 GLUT-1 抑制剂，例如不可逆抑制剂 (WZB117 和 Phloretin 根皮素)、diclofenac(双氯

芬酸)、apigegnin、fasentin、STF-31、以及临床获批药物 ritonavir(利托那韦)，如图 5. 所示。（葡萄糖转运酶抑制剂，体外筛选方法建立，研究构效关系，黄酮类物质，要减少芹

菜素副作用，就希望不要进入血脑屏障，否则可能引起缺糖，眩晕，芹菜素预防肿瘤可能

与此有关，降低葡萄糖转运，那么芹菜素抗高血压，抑制平滑肌增殖，是否也与GLUT-1

抑制有关呢，好像逻辑很对啊，难道芹菜素是个双靶点，enOS诱导，和GLUT-1抑制。

那么雌激素与糖代谢有关系吗，因为芹菜素同时也是雌激素受体激动剂，它降压的机制，

恢复血管弹性的机制是什么呢？如果是这样，我需要做一个水溶性黄酮，不能过血脑屏障。WZB117 和 Phloretin 是 GLUT1 的不可逆性抑制剂，可以显著降低葡萄糖的摄入量和细胞

内的 ATP 水平，从而抑制糖酵解和细胞生长。补给外源性 ATP 可以缓解肿瘤细胞的 WZB 117- 诱导性细胞毒性，这表明 WZB117 等 GLUT 抑制剂通过降低细胞内 ATP 水平抑制肿瘤细胞生长。

Diclofenac 除了具有抗炎症作用和抗肿瘤活性 (由 COX-1 和 COX-2 介导) 外，还是一种 G LUT-1 抑制剂。最近研究表明，Diclofenac 可以有效抑制黑色素瘤细胞摄入葡萄糖。与 Di clofenac 相同，天然产物黄酮类化合物 apigenin 也是一种 GLUT-1 抑制剂。

先前有人推测 apigenin 可能通过细胞周期阻滞来发挥抗肿瘤活性，但是最近研究发现 apig enin 可以显著抑制 GLUT-1 的表达，从而降低人类胰腺癌细胞的葡萄糖摄入。查阅临床试

验官方网站可以发现，有一项旨在研究 apigenin 对结直肠癌复发影响的临床试验 (NCT00 609310)，不过该项试验尚未开展。

流行病学研究发现，抗HIV―鸡尾酒‖可以显著降低某些肿瘤的发病率，HIV 蛋白酶抑制剂

具有抗肿瘤活性？研究发现，Ritonavir 可以诱导多发性骨髓瘤细胞 (McBrayer) 和卵巢癌

细胞 (Kumar) 凋亡。卵巢癌组织中的葡萄糖转运体高水平表达 (GLUT 1 和 GLUT 3) 与不

良预后密切相关。

尽管 Ritonavir 对卵巢癌细胞的凋亡诱导作用可能与 PI3K/Akt 通路受抑制相关，但是有证

据表明 Ritonavir 可以抑制胰岛素依赖型 GLUT4 活性。多发性骨髓瘤细胞研究结果表明，GLUT8 和 GLUT11 是细胞增殖和存活所必需的，GLUT4 是细胞葡萄糖代谢 (ATP 产生)

所必需的。

体内研究发现，葡萄糖转运体抑制可以下调 ATP 依赖性 p- 糖蛋白泵水平，从而升高肿瘤

细胞的化疗敏感性。Ritonavir 可以升高多发性骨髓瘤细胞对 doxorubicin 的敏感性。部分

肿瘤细胞因为 P- 糖蛋白过量表达而产生 daunorubicin 耐药性，GLUT-1 抑制剂 phloretin

可以降低这些肿瘤细胞对 daunorubicin 的耐药性。

相比于上述对 GLUT-1 靶向性不强的分子或作用机制复杂的天然产物，fasentin 是一种小

分子GLUT-1 选择性抑制剂。研究发现，fasentin 可以与葡萄糖转运体的特异性位点结合，限制细胞对葡萄糖和营养的摄取，从而提升细胞对 FAS 和肿瘤坏死因子凋亡 - 诱导配体(TRAIL) 的敏感性。

尽管 fasentin 自身不能诱导细胞死亡，但是它为寻找高效非天然产物葡萄糖转运体抑制剂

起了个好头，例如 STF-31 就具有合成致死活性。

2.2 葡萄糖转运体 -1 与肾癌

肾细胞癌 (renal cell carcinoma，RCC) 就是代谢通路在肿瘤中发挥重要作用的最好例证。

肾细胞癌是典型的缺氧性肿瘤，主要依靠糖酵解获得 ATP。例如，肿瘤抑制琥珀酸脱氢酶(SDH) 和延胡索酸水化酶 (FH) 受到抑制或功能障碍会造成下游底物聚集(琥珀酸和延胡索酸)。

它们是代谢信号物质，可以抑制脯氨酰羟化酶 (PHD) 的活性。这些羟化酶是预防 HIF-1α

积累所必需的。HIF-1α积累会诱发VEGF、TGF-β、PDGF、GLUT1 和 EPO 基因的过量

表达，从而促进血管新生、细胞分化、细胞迁移和细胞增殖。特别是，GLUT1 过量表达会使肿瘤细胞对葡萄糖―上瘾‖。（李建需要做这几个指标）

肾细胞癌是成年人最常见的肾脏癌症，约占 90-95%。肾细胞癌细胞对化疗、放疗和免疫

疗法的耐药性很强。最近，新型靶向治疗药物已经取得了突破性进展，例如舒尼替尼 (Sut ent) 和索拉非尼 (Nexavar)。

在大多数肾细胞癌患者中，von Hippel–Lindau (VHL) 肿瘤抑制基因是失活的，这会造成 H IF-1α积累，以及肿瘤细胞对 GLUT1 的高度依赖。因此，我们可以据此设计具有合成毒性

的 GLUT1 抑制剂，用来治疗 VHL 失活性的肾细胞癌患者。

STF-31 是一种小分子 GLUT1 抑制剂，它具有很大的改造潜力，特备是针对 VHL 失活的

肿瘤细胞。动物模型研究发现，STF-31 可以用 VHL 依赖性方式抑制葡萄糖的摄入和 ATP

的产生，从而诱导细胞死亡，最终抑制肿瘤生长。因为正常组织中也存在 GLUT 受体，因此高剂量 GLUT 抑制剂可能会引发系统性毒性。

然而，低剂量 GLUT 抑制剂可以通过降低细胞内 ATP 水平和下调 MDR 转运体表达水平

升高细胞对化疗药物的敏感性，但不会产生系统性毒性。因此，在低剂量服药情况下可以

将 GLUT 抑制剂和细胞毒性药物联合使用，用来预防和治疗化疗耐药性。

2.3 己糖激酶抑制剂

葡萄糖一旦跨过细胞膜进入细胞质，就会发生磷酸化作用，形成葡萄糖 -6- 磷酸 (G6P)。

这是糖酵解的第一个关键步骤，由同工酶己糖激酶(hexokinase) 催化完成。己糖激酶通过

磷酸化将非离子化葡萄糖转化为葡萄糖 -6- 磷酸，葡萄糖 -6- 磷酸不是葡萄糖转运体的底物，所以葡萄糖就被困在细胞中了。

图 6. 己糖激酶抑制剂

氯尼达明 (Lonidamine) 是一种吲哚衍生物，作为口服己糖激酶抑制剂和抗锥虫药物。研究

发现，氯尼达明具有抗肿瘤活性，它可以将己糖激酶与线粒体解耦连，目前已经进入临床

前和临床实验阶段。临床实验结果表明，氯尼达明单独用药时治疗效果并不明显。

然而，氯尼达明用药与化疗联合进行时治疗效果较好。例如，氯尼达明与表柔比星 (epirub icin) 联合用药可以缓解乳腺癌对表柔比星的耐药性。氯尼达明同样可以提高卵巢癌和肺癌

的化疗敏感性，结果虽然喜人但是并不严谨，这表明仍需开展进一步深入的研究。

恶性神经胶质瘤是一种特别依赖糖酵解的肿瘤，那是否可以将线粒体耦连己糖激酶作为氯

尼达明治疗的靶点？临床研究发现，氯尼达明作为放疗增敏剂和放化疗增敏剂 (XRT 和 te mizolamide) 可以有效治疗恶性神经胶质瘤，升高肿瘤患者存活率。

最近，氯尼达明已经用于前列腺良性增生治疗，但是治疗过程中出现了药物相关肝脏毒性，相关治疗研究工作因此被叫停。检索可以发现，目前并没有正在开展的氯尼达明临床试验。然而，大家对氯尼达明的兴趣并没有消减，目前正在试图通过改变剂型以降低其器官毒性。

2- 脱氧 -D- 葡萄糖 (2-DG) 和 3- 溴丙酮酸 (3-BP) 是己糖激酶 -II 的小分子抑制剂，可以通

过降低细胞内 ATP 水平升高细胞对化疗药物的敏感性。2- 脱氧 -D- 葡萄糖是一种葡萄糖

类似物，可以进入细胞并通过磷酸化作用形成 2-DG-P。然而，2-DG-P 是一种―终结‖物质，不能参与进一步的代谢反应，从而阻断糖酵解的进行。

体内研究发现，2- 脱氧 -D- 葡萄糖单独使用时治疗效果十分有限，因为内源性葡萄糖会与

其竞争己糖激酶的活性位点。不过，2- 脱氧 -D- 葡萄糖与 adriamycin 和 paclitaxel 联合使

用时，它可以显著提升后者的抗肿瘤活性，其作用机制可能与降低细胞内 ATP 水平和抑制多药耐药泵相关，因为药物外排需要消耗大量 ATP。

曲妥单抗 (Trastuzumab) 是一种人源化的单克隆抗 ErbB2 抗体，研究发现它可以有效缓解 ErbB2 阳性乳腺癌患者的病情。然而，在治疗过程中肿瘤会出现针对曲妥单抗的获得性耐药，这是曲妥单抗的一大主要缺点。最近证据表明，肿瘤对曲妥单抗的耐药性主要与葡萄

糖摄入增加和乳酸产生有关。

研究发现，2- 脱氧 -D- 葡萄糖可以提升曲妥单抗耐药性细胞对曲妥单抗的敏感性，这表明

联合用药可能是一种有效的乳腺癌治疗策略。2- 脱氧 -D- 葡萄糖目前已经进入一期临床试验，它的耐受性很好且毒性较小。

3- 溴丙酮酸 (3-BP) 是丙酮酸的类似物，是己糖激酶和 3- 甘油醛磷酸脱氢酶的抑制剂，这

两种酶在糖酵解中发挥了重要作用。临床前研究发现，经肝动脉灌注给药时，3-BrPA 对肝内和肝外肿瘤有很好的治疗效果，而且没有明显的毒性。

Cardaci 等研究发现，3-BP 可以通过抑制谷氨酰胺代谢发挥毒性作用，谷氨酰胺代谢是肿瘤细胞的另一个非线粒体性 ATP 能量来源。尽管谷氨酰胺可以替代肿瘤细胞的葡萄糖，但是在谷氨酰胺不存在的情况下，3-BP 在体外仍有很强的的细胞毒性。

2.4 丙酮酸激酶 M2(PKM2) 抑制

在糖酵解的倒数第二步由丙酮酸激酶 (pyruvate kinase) 催化完成，磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 转化为丙酮酸。丙酮酸激酶有四个亚型：L、R、M1 和 M2，其中 M2 是肿瘤细胞丙酮酸激酶的主要亚型。有趣的是，相比其他亚型丙酮酸激酶，PKM2(丙酮酸激酶 M2)的活性很低，这会造成糖酵解上游中间产物的积累。

这些中间产物可以经磷酸戊糖途径转化为核糖 -5- 磷酸等大分子合成的底物。尽管 PKM2 抑制会抑制肿瘤的发展，但是 PKM2 催化磷酸烯醇丙酮酸生成丙酮酸是 ATP 产生的关键步骤，是能量稳态维持必不可少的。

图 7. 丙酮酸激酶 M2(PKM2) 抑制剂

紫草素 (Shikonin)(图 7.) 是一种具有抗肿瘤活性中药萘醌衍生物。紫草素通过产生活性氧(ROS) 抑制肿瘤细胞 PKM2 的表达，具体机制可能与 358 位胱氨酸残基氧化相关。紫草素治疗膀胱癌的研究已经进入临床二期阶段，但是迄今为止尚没有数据报告。紫草素，目前有人用于子宫内膜异位）

因为相比正常组织，在肿瘤细胞中 M2 亚型丙酮酸激酶更为常见，所以 PKM2 已经成为药物治疗的潜在靶点。基于 MTT 法的小分子药物高通量筛选结果显示，抑制率为 50% 分子的命中率约占 7%。尽管已经发现了 PKM2 抑制剂，但是它对 M1 亚型丙酮酸激酶的选择性不佳。

理论上，高效的 PKM2 抑制剂可以完全抑制糖酵解代谢和 ATP 产生。不过，这些选择性不强的 PKM2 抑制剂可能对其他亚型的丙酮酸激酶有很好的靶向性，或者可以与其他细胞毒性药物联合使用。

紫草素及其类似物 (例如 alkannin 紫草红) 是一种天然染料和食品添加剂，在中国中药领域已经使用了很多年。研究发现，紫草素和紫草红均能有效抑制 PKM2，但对 PKM1 或丙酮酸激酶 -L(PKL)没有抑制作用，从而限制糖酵解和 ATP 的产生。这两种分子药物对人类皮肤癌细胞有化学预防作用。但是，目前在美国并没有关于紫草素和紫草红的临床试验。

关于老药新用有一个很好的例子，奥利司他 (orlistat) 是胃肠道脂肪酶和脂肪酸合成酶 (FA SN) 抑制剂，主要用于减肥，然而研究发现奥利司他还具有抗肿瘤活性。最近研究发现，奥利司他可以抑制卵巢癌细胞(SKOV3)PKM2 的活性，这表明在卵巢癌治疗领域有潜在的应用价值。

3. 磷酸戊糖途径

3.1 葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶抑制剂

葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶 (G6PD) 是肿瘤细胞内主要的抗氧化酶，它可以维持谷胱甘肽 (GSH)水平以免细胞遭受 ROS 损伤。谷胱甘肽活性池的再生情况视 NADPH 的还原力而定，肿瘤细胞需要保持很高的还原性谷胱甘肽水平以便保护细胞免受 ROS 的毒性作用。

图 8. 葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶抑制剂

因此，葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶抑制可能会产生灾难性影响，ROS 水平失控，从而促进细胞死亡。尽管早在 1960 年有报道称类固醇可以抑制葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶，然而处于抗肿

瘤研究中的葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶抑制剂的数量并不是很多。

到目前为止，大多数的葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶抑制剂主要是类固醇，包括内源性脱氢表雄酮 (DHEA) 和儿茶素没食子酸盐 (catechin gallates)。如图 8 所示，6- 氨基烟酰胺(6-amin

onicotinamide) 和海藻天然产物溴苯酚 (bromophenols) 也是选择性和可逆性的葡萄糖 -6-

磷酸脱氢酶抑制剂。

随着葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶在抗肿瘤治疗中的重要性日益升高，研究工作的重点已经转移

到如何寻找更加有效的 DHEA 类似物上。肿瘤细胞的多药耐药性 (MDR) 形成与药物外排

泵的激活相关。（GAOH是葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶抑制剂吗）

研究发现，多柔比星耐药性结直肠癌细胞的药物外排泵 MRP1 和 MRP2 表达水平上调与

葡萄糖-6- 磷酸脱氢酶活性增加、磷酸戊糖途径水平升高和细胞内谷胱甘肽水平升高相关。这些数据表明，抑制葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶可以使肿瘤细胞的药物外排泵失活，从而升高

HT-29DX 细胞对多柔比星的敏感性。

RRx-001 (如图 8. 所示) 可以抑制组蛋白去乙酰化酶 (HDACs) 和 DNA 甲基转移酶活性，

是一类结构新颖的抗肿瘤化合物，目前已经进入临床实验一期阶段。RRx-001 是一种亲电体，可以与谷胱甘肽和脱氧血红蛋白的亲核硫醇基团结合。

RRx-001 的抗肿瘤活性机制可能与肿瘤细胞中的活性氧和活性氮水平升高有关 (reactive o xygen and nitrogen species，RONS)。半胱氨酸依赖性酶对氧化修饰 / 损伤特别敏感，它

活性部位的半胱氨酸残基是催化反应所需的，因此可以通过活性氧调控实现对葡萄糖 -6-

磷酸脱氢酶(G6PD) 的抑制。

RRx-001 是一种强有力的和选择性很高的肿瘤细胞葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶抑制剂，在 RRx

-001 所产生的氧化迸发情况下肿瘤细胞敏感性更高。同样，RRx-001 也可以通过活性氧抑制丙酮酸激酶 M2 的活性。

在一期临床试验阶段，25 位晚期转移性肿瘤患者在接受 RRx-001 预处理后，病情显著改

善且没有显著的系统毒性，这表明 RRx-001 对肿瘤细胞的毒性更强。ATP 水平是反映化

疗耐药性药物的关键决定因素，研究发现 RRx-001 可以增强后续化疗的疗效，其中包括 4位结直肠癌患者和 1 位非小细胞肺癌患者。

这个研究结果可能与先前的假设―化疗耐药性是不可逆的‖相悖，恢复敏感性 (resensitizatio n) 可能是一种新的癌症治疗方法。

4. 谷氨酰胺代谢

4.1 谷氨酰胺转运体

肿瘤细胞对两种营养物质特别上瘾，它们分别是葡萄糖和谷氨酰胺。谷氨酰胺是人体含量

最丰富的循环性氨基酸，谷氨酰胺经过代谢可以转化为α- 酮戊二酸，α- 酮戊二酸是 Krebs 循环的中间产物。Krebs 循环不仅细胞提供 ATP，还为大分子合成提供前体物质，例如为

糖异生提供苹果酸、为氧化磷酸化提供 NADH、为亚铁血红素合成提供琥珀酰 CoA。

其中，回补反应 (anapleurotic reactions) 是 Krebs 循环正常进行所必需的。尽管正常细胞

很少动用谷氨酰胺进行代谢，但是肿瘤却可以将谷氨酰胺代谢相关的中间产物回补进入 Kr ebs 循环。此外，谷氨酰胺还是还原性谷胱甘肽 (GSH) 的前体。（长期生肌肉的，吃生肌

粉是否很容易得肿瘤呢）

图 9. 谷氨酰胺代谢抑制剂

它莫西芬 (Tamoxifen) 和雷洛昔芬 (Raloxifene)(如图 9. 所示) 均可以通过抑制谷氨酰胺转运体 (ASCT2) 阻断谷氨酰胺的细胞摄入，从而降低细胞内谷胱甘肽水平，产生一定的细胞毒性。不过，通过添加外源性 N- 乙酰 -L- 半胱氨酸 (N-acetyl L-cysteine) 和雌二醇 (17 b eta-estradiol) 可以升高细胞内谷胱甘肽水平，这可以缓解上述两种药物的细胞毒性。

谷氨酰胺类似物阿西维辛 (acivicin) 和 6- 重氮 -5- 氧代 -L- 正亮氨酸 (DON) 可以抑制谷氨酰胺代谢，从而显著抑制体内外肿瘤细胞的。然而，由于它们的选择性较低和毒性较大，目前尚未进入临床试验阶段。

5. 自噬抑制

在营养物质匮乏的条件下，肿瘤细胞动用和调配一些生物大分子用于代谢反应。自噬是一种维持 ATP 正常水平的自我补给方式，从而将能量消耗降到最低水平。