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【第五届35under35初赛作品】乳酸：肿瘤代谢的关键驱动因子

2021年06月01日

作者：李娟芝

医院：咸阳市中心医院

长时间以来，乳酸在肿瘤的发生与发展过程中的作用一直被忽略，对其的认识仅仅是糖酵解过程中的代谢废物，以及恶性肿瘤的生物标记物。近期，大量的细胞实验、动物实验以及临床试验发现乳酸在肿瘤的代谢、免疫应答以及在肿瘤微环境中细胞之间的物质交换过程中起到至关重要作用。本文就肿瘤中乳酸代谢与调控、乳酸对肿瘤生物学行为的影响等方面作一综述，旨在为针对乳酸这一异常代谢特征的靶向抗肿瘤药物开发及临床治疗提供必要依据。

李娟芝

主治医师

1.乳酸不仅是代谢产物

Warburg 最早指出：乳酸作为肿瘤细胞有氧糖酵解的主要代谢终产物，在细胞内和细胞间隙大量聚集，存在肿瘤的微环境中，密切影响肿瘤细胞的生物学行为，也提出了乳酸与生物合成之间的明确相关性，包括在有氧条件下和致癌作用。这种观点没有改变，尽管现在已经发现多种细胞可分泌乳酸，并且分泌的乳酸的作用不仅有致癌作用，而且是恶性肿瘤。Warburg提出的理论依赖的细胞具有产生ATP的“低效”机制，有利于细胞溶质中的有氧糖酵解和乳酸生成，而不是利用葡萄糖氧化通过线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）。这种能量学的优点是有利于糖酵解中间体的积累，为衍生物提供燃料合成代谢途径，如磷酸戊糖途径，己糖胺途径和氨基酸合成，进而使细胞增殖^（1）。但是，近期的实验研究重点发现肿瘤代谢的特异性，是根据组织的结构和肿瘤微环境不同，调节肿瘤细胞的代谢方式，这导致在同一组织中同时进行糖酵解和葡萄糖氧化的两种代谢途径^（2）。众所周知，大多数肿瘤细胞的快速增殖需要更多的葡萄糖和谷氨酰胺，在需氧糖酵解肿瘤细胞中，葡萄糖被部分氧化成丙酮酸，随后将其还原成乳酸，然后将其排到细胞外空间。在需氧糖酵解肿瘤细胞中，葡萄糖被部分氧化成丙酮酸，随后将其还原成乳酸，然后将其分泌到细胞间质。此外，谷氨酰胺可以通过为癌细胞提供多种优势来促进三羧酸（TCA）循环，特别是在代谢受限的环境中（低氧、低糖环境中），谷氨酰胺通过还原羧化合成脂质^（3），并通过苹果酸酶活化将苹果酸转化为丙酮酸促进谷胱甘肽合成和NADPH生成（因此可能有助于乳酸产生），以提高其抗氧化防御能力^（4）。

癌细胞中通过乳酸转运蛋白的过表达加速的乳酸产生，乳酸阴离子和质子的同向转运体称为单羧酸盐转运(MCTs)，这种特殊的肿瘤微环境和（或）可以双向转运，通过依赖乳酸生物合成细胞通过MCT释放的乳酸是一种富含能量的副产物，被TME内的几个细胞利用，主要通过MCT1上传^（5）。多项实验发现：乳酸可以被多种肿瘤分泌，亦可以在缺氧（或缺氧症）的环境下被所有癌细胞分泌，另外，基质细胞也可以是产生乳酸。因此，在肿瘤中，一部分细胞经历类似Warburg的代谢，而另一部分通过OXPHOS依赖性代谢进一步分解乳酸盐。所以，乳酸水平在糖酵解肿瘤中显着升高(1–40 mM)^（6）。

乳酸并与癌症侵袭性和生存率低有关（^7、8）。肿瘤内乳酸水平的升高一部分可能是由于较高的葡萄糖 - 乳酸量（依赖于Warburg的细胞的特点），另一部分与乳酸依赖细胞的乳酸盐 - 二氧化碳通量和乳酸依赖性细胞相比，这是快速生长的肿瘤的特征，用氟脱氧葡萄糖（FDG） - 阳离子发射断层扫描（PET）测量的特征在临床实践中监测肿瘤的生长和转移。除了是代谢产物之外，TME中的乳酸还用于多种功能，包括细胞间的信号传导，表观遗传重编程和提供能量^（9）。肿瘤细胞的糖酵解途径和肿瘤相关成纤维细胞（CAF）是乳酸的主要来源，不仅仅因为它们是肿瘤中最丰富的群体，并且还为乳酸的合成提供营养。相比之下，M1巨噬细胞和糖酵解T细胞是肿瘤中的罕见种群，并且可用于上传乳酸的细胞的信号传导和表观遗传修复。

肿瘤细胞的Warburg代谢与燃料细胞增殖所需的构建块的产生相关^（1）。由于糖酵解无效率和对ATP的需求增加导致葡萄糖摄取的强烈增加导致葡萄糖摄取促进合成代谢途径的几种中间体的积累汇集在蛋白质和DNA合成上，从而使细胞生长。值得注意的是，乳酸生物合成不包括并入经历Warburg代谢的葡萄糖依赖细胞中的所有碳骨架，因为这些碳中的大部分在糖酵解中间体中积累并且促进源自糖酵解的合成代谢途径。丙酮酸激酶（PKM2）的M2同工酶的表达，由于其抑制作用，在癌细胞糖酵解结束时充当瓶颈，进一步增强了糖酵解中间体的积累，从而促进利用葡萄糖的不同代谢途^{径并且不仅有助于乳酸生物合成，但也合成生物分子（10）}。在这种情况下，乳酸生物合成是一种侧支途径，显然只需要下调NAD +水平以维持糖酵解。此外，乳酸合成应该被认为可以发挥额外的作用：它产生一种在TME中具有强烈活性的分子，作为营养素并且作为具有激素样特性的信号分子。

因为乳酸起以下作用：（1）富含能量的底物，（2）能够影响表观遗传学的分子，（3）通过膜受体感觉到的可溶性激素，乳酸被称为“乳酸激素”^（11）。

2. 乳酸重新激活肿瘤微环境并为恶性肿瘤提供动力

在肿瘤的进展过程中，肿瘤细胞处于低营养以及低氧的环境中，必须设置营养物质缺乏可达到这种环境。这种策略既可以是细胞自主的，也可以是被动的。更重要的是，肿瘤微环境中的异质细胞代谢，可以作为肿瘤标志物，亦可以有免疫抑制作用。当然，乳酸被在这种情况下作为细胞之间的可交换分子，而不仅仅是因为其作为单纯的糖酵解副产物的确定作用。研究发现，靠近血管的氧合癌细胞更容易受到高营养支持，并且可以与缺氧癌细胞建立代谢共生，这种现象在缺氧区对于快速生长的肿瘤的进展是必不可少的。事实上，由于葡萄糖主要转向促进远处缺氧癌细胞的糖酵解代谢，氧合癌细胞采用基于乳酸的氧化代谢，通过MCT4从缺氧癌细胞分泌的乳酸，其表达直接由缺氧控制，并通过MCT1由氧合肿瘤细胞上传^（5）。乳酸引发的氧化性癌细胞更容易通过增加谷氨酰胺转运蛋白ASCT2和谷氨酰胺酶1（GLS1）的表达来进行谷氨酸分解TCA循环^（12）。相反，在糖酵解中，谷氨酰胺酶仅是乳酸产生的第二来源^（12）。此外，大量的研究发现：乳酸代谢偶联利用乳酸脱氢酶（LDH）的可逆反应。在组织异质性的情况下，乳酸的细胞可能使用LDH同种型B将乳酸转化为丙酮酸，而产生乳酸的细胞优先使用LDHA来促进经典乳酸生物合成。实际上，在MCT1介导的进入时，乳酸和NAD +是由LDHB转化为丙酮酸、NADH和H +。虽然丙酮酸和NADH由线粒体有氧提供能量，LDHB产生的质子能够促进VATP酶依赖性溶酶体酸化和自噬，在代谢受限的微环境中构成能量和生物合成前体的额外来源^（13）。重要的是，表达MCT4的缺氧细胞和表达MCT1的氧合细胞之间的代谢共生刺激了小鼠和人类模型中抗血管生成治疗的特性，其中mTOR通路抑制代表了一种选择性方法来破坏对抗血管生成抑制剂具有抗性的血管周围MCT1阳性亚群^（14）。相反，PI3K / mTOR抑制剂的耐药性发生在积极参与乳酸氧化的乳腺癌细胞中，采用代谢适应性途径来抵抗葡萄糖的波动^（15）。

据报道，大脑中存在类似的共生关系，星形胶质细胞分泌的乳酸梯度增加，使神经元进入并使用这种营养素，这一过程称为“神经元 - 星形胶质细胞乳酸盐穿梭”^（16）。

同样的，由癌细胞和基质细胞建立的基于乳酸的代谢偶联是“双室代谢偶联”的另一个特例^（17）。在CAF中结合前列腺和乳腺癌细胞模型充分描述了这种过程。与癌细胞接触生长的CAF激活葡萄糖转运蛋白（例如，GLUT1）表达，增强葡萄糖摄取和MCT4介导的乳酸释放。同时，糖酵解活性在前列腺癌细胞中受到抑制，因为它们开始代谢CAF衍生的乳酸^（18）。经历与生长相关的代谢依赖，获得干细胞样特征和转移。有趣的是，上皮和间质区中的相互MCT1和MCT4表达与乳酸盐输入细胞中的抗氧化反应的激活相关，所述乳酸盐引入的细胞通过基质乳酸盐引发并适应氧化应激^（19）。然而，另一方面是CAF代表能够利用肿瘤细胞衍生的乳酸的细胞。Apicella等人研究显示，对c-Met抑制剂有抗性的患者来源的肺和胃肿瘤细胞可以使CAF上调和利用乳酸，触发异常基质HGF产生上游的促炎性介质并驱动肿瘤中的耐药性^（20）。

最近一项体内人肺癌中乳酸代谢的研究表明，外源性乳酸通过MCT1进入被消耗并优先用于葡萄糖作为TCA循环的呼吸燃料^（8）。也就是，乳酸盐优于其他能源的富集，是超过TCA循环补充的人类非小细胞肺癌中乳酸衍生丙酮酸羧化的关键代谢特征^（2）。从而证实了基质为线粒体利用提供乳酸的关键作用^（22）。因此，已经表明肿瘤细胞可通过适应TCA循环和线粒体相关途径使代谢灵活性最大化，使癌细胞对环境代谢信号作出反应，从而促进增殖和转移^（23）。肿瘤微环境中细胞外乳酸的梯度在另外的基质细胞如巨噬细胞中协调空间和表型模式。实际上，缺血性肿瘤区域中的乳酸积累与肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的浸润和活化相关。TAM中的乳酸感应驱动与内皮细胞的通信，从而促进这些区域的血运重建，促进肿瘤细胞的生长^（24）。由癌细胞提供的富含乳酸盐的环境能够将聚集的巨噬细胞转换成M2极化的TAM，这可以促进体内肿瘤生长^（25）。最后，大量的研究发现：乳酸与肿瘤免疫逃逸反应直接相关。早先报道过CD4 +和CD8 + T细胞亚群，进入炎症部位后，通过MCT2和MCT1转运蛋白检测高浓度的乳酸，分别由于乳酸介导的运动抑制而不利地进行灭活^（26）。至关重要的是，癌细胞和免疫细胞（主要是T和自然杀伤，NK，细胞）之间的代谢竞争是肿瘤进展的基础：事实上，Warburg代谢竞争性地为癌细胞提供了优势，导致细胞外葡萄糖的消耗和大量乳酸释放，肿瘤浸润的T细胞变得功能失调^（27）。与此观察结果一致，高度表达MCT4的胰腺肿瘤对周围免疫环境产生负面影响⁽²⁸⁾。此外，在表达高LDHA水平的黑素瘤中发现的糖酵解失衡反映了高度转移的结果，因为LDHA高肿瘤细胞是葡萄糖的强有力竞争者并使TME酸化^（29）。肿瘤分泌的乳酸还通过刺激免疫抑制细胞（如髓源性抑制细胞（MDSCs））的聚集来抑制NK功能(30)。值得注意的是，NKG2D受体对NK细胞的激活进一步受到响应细胞外LDH（LDH5）而聚集到TME的带有NKG2D配体的骨髓细胞的抑制^（31）。

然而，尽管乳酸抑制效应T辅助细胞（T H）的活化，但使它们不能缓冲细胞内酸性^（32）。其他T细胞亚群如调节性T细胞（Tregs）在低葡萄糖，高乳酸环境中表现出代谢适应性。特别是，Treg转录因子Foxp3通过刺激Treg维持细胞外乳酸氧化和线粒体活性的功能，为Treg细胞提供代谢优势^（33）。此外，在TME内的其他骨髓细胞（例如树突细胞，DC）受乳酸积累的影响。实际上，内源性乳酸的积累使DC分化倾向于耐受性表型，这有利于免疫原性耐受。此外，丰富的酸性环境中干扰了炎性细胞因子的产生，这是T H 1细胞极化以及炎性DC分化所必需的^（34）。此外，乳酸促进抗原降解，导致MHC I类抗原呈递失败，从而使DC细胞不能引发抗肿瘤反应^（35）。

3.乳酸跨膜和传感影响细胞信号通路

实验研究证明：在正常的生理环境中乳酸可以促进基因表达。例如，乳酸可以协调肌肉细胞耐力训练的代谢反应，