编译：江凌慧；审校：张军，缪长虹最新研究表明，线粒体代谢在肿瘤生长中的必要性。线粒体代谢通过为大分子合成提供关键代谢物以及生成代谢产物，维持肿瘤表型，从而支持肿瘤的合成代谢。已有多项临床试验对抑制线粒体代谢作为一种新的肿瘤治疗方法进行验证。年KarthikVasan等人在《CellMetabolism》上发表了一篇题为《MitochondrialMetabolismasaTargetforCancerTherapy》的综述，着重介绍了线粒体代谢在肿瘤发生发展中的作用及其作为肿瘤潜在治疗靶点的最新研究进展。现介绍如下：背景年，德国生化学家Warburg开创性的发现：即使在氧充足的条件下，肿瘤细胞摄取葡萄糖也会产生大量乳酸。这种有氧条件下肿瘤细胞倾向于将葡萄糖代谢为乳酸的反应被称为有氧糖酵解或Warburg效应。基于此Warburg提出“线粒体呼吸功能损伤”是细胞发生“恶性转化”的前提，有氧糖酵解与线粒体功能障碍也被广泛接受为肿瘤的标志。然而近期的研究发现，线粒体代谢对于肿瘤生长必不可少，线粒体代谢重编程是肿瘤发生发展中的一个动态过程，其代谢的灵活性可满足肿瘤发生到转移各个阶段的不同需求。线粒体代谢依赖性的大分子合成与致癌代谢物产生支持肿瘤生长肿瘤细胞通过糖酵解以及三羧酸（TCA）循环来生成ATP、NADPH和大分子（核苷酸、脂质和氨基酸）合成细胞增殖所必需的底物（图1）。主要致癌驱动因子（例如Myc和Kras）的激活以及信号通路（包括PI3K通路）的失控，部分原因是肿瘤细胞中糖酵解速率和TCA循环通量增加。升高的糖酵解速率可产生代谢中间体，后者可被分解为细胞增殖所需的多种生物合成途径，例如参与核糖和胞质中NADPH合成的戊糖磷酸途径（PPP），以及参与线粒体中NADPH产生、核苷酸合成和甲基化反应的一碳代谢途径。TCA循环产生的代谢产物参与核苷酸、脂质、氨基酸和血红素的合成。为了生物合成目的而分流TCA循环中间体产生了碳补充的需要，以使TCA循环继续起作用，即回补过程。肿瘤细胞利用多种回补反应进行生物合成，包括逐步将谷氨酰胺氧化以生成TCA循环中间体α-酮戊二酸，支链氨基酸分解代谢为琥珀酰-CoA，以及利用丙酮酸羧化酶生成草酰乙酸。图1.线粒体代谢支持大分子合成以促进肿瘤细胞生长TCA循环还会产生NADH和FADH2，它们需要通过线粒体电子传输链（ETC）将其再生为NAD+和FAD，以使TCA氧化循环发挥功能（图2）。最近研究表明，泛醇氧化还原为泛醌是ETC对肿瘤生长的重要作用。线粒体复合物I和II向泛醌产生电子，生成泛醇。线粒体复合物III将泛醇氧化回泛醌，从而使复合物I和II继续起作用并再生NAD+和FAD。泛醌还被二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）用作电子受体，DHODH是从头合成嘧啶的所必需的酶。肿瘤细胞线粒体泛醌再生能力降低，在体内形成肿瘤的能力受损。此外，线粒体复合物III亚基是体外肿瘤细胞增殖的必需基因。因此，肿瘤生长需要功能性ETC来氧化泛醇，这对于维持TCA循环功能和DHODH活性是必需的。图2.线粒体ETC满足肿瘤细胞的生物能和生物合成需求TCA循环除了在支持肿瘤细胞合成代谢中起重要作用外，还在某些肿瘤背景下产生致癌代谢物。尽管大多数肿瘤细胞包含功能性线粒体，但仍有一小部分显示出TCA循环中蛋白的突变从而导致致癌代谢物的积累。总体而言，尽管某些肿瘤仅依赖于糖酵解来满足其生物需求，但它们仍依赖于线粒体代谢残留的或重编程的功能来维持TCA循环中间体池，以满足细胞增殖所需的生物合成需求，并产生促进肿瘤发生的致癌代谢物。线粒体ETC靶向肿瘤治疗如前所述，ETC功能减退会限制TCA功能，从而减少支持肿瘤生长的大分子合成。二甲双胍作为公认的线粒体ETC复合体I抑制剂，已在多个临床试验中作为抗肿瘤药与标准治疗方法相结合进行应用。二甲双胍是2型糖尿病患者的一线治疗方法，其治疗作用部分归因于肝糖异生减少，从而改善了胰岛素敏感性。年的回顾性研究报道了二甲双胍与肿瘤发生率降低存在关联。罹患肿瘤后才开始服用二甲双胍控制血糖的患者，其生存率也有所提高。多项实验室研究也报道二甲双胍可作为抗肿瘤药物。最近一项II期临床试验发现，二甲双胍联合标准EGFR-TKI治疗可显著改善晚期肺腺癌患者无进展生存期和总体生存期。一项针对卵巢癌的II期临床试验表明，二甲双胍治疗组的总生存期好于预期。二甲双胍的抗肿瘤的作用可能基于两种潜在机制。首先，二甲双胍可降低循环胰岛素水平，而胰岛素和类胰岛素生长因子（IGF）都可以刺激促肿瘤的PI3K信号通路。但是，这仅适用于那些胰岛素和（或）胰岛素生长因子受体阳性的肿瘤。第二个机制是通过抑制线粒体ETC复合体I。研究证实二甲双胍可以在体外和体内抑制线粒体复合物I发挥抗肿瘤作用。使用卵巢肿瘤患者样本分析证实二甲双胍主要的抗肿瘤作用是由靶向肿瘤细胞内线粒体代谢驱动的。而在乳腺肿瘤中，二甲双胍通过抑制线粒体ETC复合物I减少了TCA循环中间产物。二甲双胍需要有机阳离子转运蛋白（OCT）才能进入细胞。不同肿瘤类型对二甲双胍敏感性不同，可能是由于OCT表达的差异。研究者使用代谢文库进行基于CRISPR的功能基因组筛选，发现了与人类A肺腺癌细胞系二甲双胍耐药性相关基因OCT3（SLC22A3基因）。此外，在头颈部鳞状细胞弓形瘤（HNSCC）和乳腺癌中也均已证明二甲双胍的抗肿瘤作用需要表达OCT3，解释了二甲双胍在临床试验中表现出的抗肿瘤功效的差异。展望未来，类似于赫赛汀应用于Her2阳性肿瘤，可以通过对OCT蛋白表达类型进行鉴定来确定适合应用二甲双胍的特定肿瘤。除了直接抑制线粒体ETC以外，减少线粒体蛋白的翻译和稳定性也有望成为减少ETC活性的另一种途径。以与线粒体ETC活性相关的核苷酸代谢为靶向的肿瘤治疗线粒体ETC通过维持DHODH活性与嘧啶核苷酸生成偶联。DHODH位于线粒体内膜外表面，在嘧啶核苷酸从头合成途径中泛醌介导的二氢乳清酸酯氧化（图3）。最近的研究表明，泛醌可从二氢乳清酸盐中接收电子，只有在线粒体复合物III被抑制时才会受到影响，是维持嘧啶核苷酸从头合成的关键。因此，DHODH活性取决于线粒体复合物III的功能。DHODH抑制作用已在许多不同的小鼠肿瘤模型中显示出功效，这些模型包括高度侵袭性小细胞肺癌（SCLC）、急性髓细胞性白血病（AML）、三阴性乳腺癌和Kras驱动的肿瘤。虽然DHODH抑制剂来氟米特已被FDA批准为成人类风湿关节炎的抗炎药，但新一代DHODH抑制剂显示出了更高的效力，后者能否作为人类抗肿瘤药仍有待观察。图3.DHODH将线粒体ETC与嘧啶的合成联系起来以线粒体TCA循环为靶向进行肿瘤治疗TCA循环可产生用于肿瘤生长的中间代谢产物，因此，抑制TCA循环的药物可有效抗肿瘤。CPI-是第一个此类产品，可抑制两种主要的TCA循环酶复合物α-酮戊二酸脱氢酶（a-KGDH）和丙酮酸脱氢酶（PDH），这些复合物需要使用脂质才能发挥其活性（图4）。尽管CPI-抗肿瘤作用机制尚不完全清楚，但它在胰腺肿瘤和AML的I期和II期临床试验中已显示出显著治疗效果。目前，正在进行使用CPI-治疗复发/难治性AML或转移性胰腺腺癌的III期临床试验。图4.TCA循环提供多种生物合成途径谷氨酰胺是补充TCA循环中间体并维持其用于大分子生物合成的主要碳源。基于胰腺肿瘤基因工程小鼠模型的最新研究表明，谷氨酰胺在TCA循环中发挥重要作用。抑制线粒体谷氨酰胺酶（GLS1）在Keap1丢失的肺腺癌、肾细胞癌以及MYC驱动的肝细胞癌和淋巴瘤小鼠模型中显示出功效。人肾细胞癌已显示出来自谷氨酰胺的碳掺入TCA循环。目前，谷氨酰胺酶抑制剂CB-（Telaglenastat）与mTOR抑制剂Everolimus或多酪氨酸激酶抑制剂Cabozantinib联合用于晚期或转移性肾细胞癌处于II期临床试验。还有正在进行的使用CB-治疗血液恶性肿瘤和实体瘤（包括NSCLC）的I/II期临床试验。展望未来，使用[U-13C]谷氨酰胺输注确定谷氨酰胺是否为TCA循环提供了碳源，可以帮助明确谷氨酰胺代谢疗法的适用人群。线粒体代谢抑制剂与其他抗肿瘤药物相结合在过去的二十年中，利用肿瘤遗传学来进行个体化治疗是一项重大进步。当前，使用线粒体代谢抑制剂的主要问题是肿瘤遗传学与其他抗肿瘤疗法该如何组合应用（图5）。在化学疗法、抗血管生成疗法或靶向疗法治疗后，肿瘤细胞高度依赖线粒体代谢来维持生存和增殖，成为一个新兴课题。抑制线粒体代谢可提高肿瘤细胞内氧水平，可以显着改善放疗对肿瘤细胞的杀伤力。在转移性病变中也可见到这种依赖于氧化磷酸化的模式，但目前尚不清楚晚期肿瘤对线粒体代谢依赖性增加的机制。线粒体代谢抑制剂也可以与减少葡萄糖代谢的疗法联合使用。PI3K信号传导途径是葡萄糖代谢的主要激活因子。因此，在某些情况下，PI3K抑制剂与线粒体代谢抑制剂联合可能是有效的。此外，某些肿瘤如早期肺腺癌表现出高水平的钠依赖性葡萄糖转运蛋白2（SGLT2）。SGLT2抑制剂格列净类药物可显著降低临床前自体小鼠模型和患者来源的异种移植物中的肺腺癌生长并延长生存期。多种线粒体抑制剂可以联合使用，因为它们具有不同的靶标。例如，二甲双胍可以与TCA循环抑制剂CPI-或DHODH抑制剂联用。在前列腺肿瘤临床前模型中，二甲双胍可通过还原性羧化作用降低葡萄糖氧化，但增加谷氨酰胺依赖性回补过程。干扰谷氨酰胺代谢可能与二甲双胍协同改善预后。免疫检查点封锁和过继性细胞疗法（ACT）的成功彻底改变了肿瘤治疗策略。与肿瘤相似，线粒体代谢已证明在免疫细胞的存活和功能中起关键作用。因此，当使用代谢靶向疗法治疗肿瘤时，重要的是要考虑其可能对免疫系统造成的有害影响，因为已经证明活化的免疫细胞利用了许多归因于肿瘤细胞的相同代谢途径。T细胞是关键的免疫效应细胞群，具有强大而有效的抗肿瘤免疫应答作用。抑制线粒体ETC会减少效应T细胞增殖及减弱调节性T细胞（Treg）功能。尽管效应T细胞对于抗肿瘤应答必不可少，但持久的免疫治疗应答需要记忆T细胞的建立。记忆CD8T细胞优先依赖TCA循环代谢产物发挥功能，许多研究发现肿瘤微环境内CD8T细胞中的线粒体功能障碍，增强这些CD8T细胞内的线粒体功能可改善抗肿瘤反应。具有免疫检查点阻断作用的组合疗法是抑制谷氨酰胺代谢。效应T细胞激活后，类似于肿瘤细胞，可以利用谷氨酰胺回补。抑制谷氨酰胺酶GLS的表达可减弱T细胞活化并抑制Th17分化。而短暂的GLS抑制导致Th1和细胞毒性T淋巴细胞（CTL）数量增加，抗肿瘤免疫反应增强。新近研究表明，谷氨酰胺拮抗剂在肿瘤微环境中被激活并增强T细胞线粒体代谢以驱动抗肿瘤免疫反应。因此，抑制谷氨酰胺代谢在对免疫检查点封锁反应较差的患者中是否有效将是一个有趣的课题。图5.肿瘤代谢治疗的合理设计
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