综述| MOL CANCER:代谢研究为胰腺癌的治疗策略提供新思路（国人佳作）
编译：Tracy，编辑：谢衣、江舜尧。
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胰腺癌是目前最致命的疾病之一。代谢重编程在胰腺癌的癌变、进展、治疗和预后过程中发挥着重要作用。在内、外因素的影响下，胰腺癌细胞可通过不同的代谢过程来满足自身生长的需求。葡萄糖、氨基酸和脂质代谢以及肿瘤微环境内的代谢串扰都会影响胰腺肿瘤的发生发展。此外，胰腺癌对化疗、放疗和免疫治疗的耐药也涉及代谢重编程过程，最终会导致预后不良。由于代谢在肿瘤中的发挥着重要作用，目前关于胰腺癌的代谢靶向治疗临床实验也越来越多。胰腺癌患者的不良预后有可能通过在治疗中调节某些代谢过程而得到改善。因此，对代谢的研究不仅有助于了解癌变和癌症进展，也为胰腺癌的治疗提供了新思路。
论文ID
原名：Metabolism of pancreatic cancer: paving the way to better anticancer strategies
译名：胰腺癌的代谢：为更好的抗癌策略铺平了道路
期刊：Molecular Cancer
IF：10.679
发表时间：2020.03
通讯作者：赵玉沛、王维斌、由磊
通讯作者单位：北京协和医院普外科
综述内容
癌细胞能在相对缺氧和营养不足的环境中表现出非凡的生长优势，主要是通过以下三方面：(1) 重新编程细胞内营养物质的能量代谢，如葡萄糖、氨基酸和脂质；(2) 通过清除和循环利用，提高养分的摄取；(3) 与微环境中的其它成分形成代谢串扰。胰腺癌细胞中的葡萄糖、氨基酸和脂质代谢呈现出复杂的异质性重编程，这主要是由于一些关键酶和转运蛋白的改变造成的。
1.1细胞内的糖代谢
胰腺癌细胞的有氧糖酵解过程，会促进葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）的表达并使其向癌细胞的膜转移，从而增加对葡萄糖的摄取。其次，胰腺癌细胞还会表达许多编码糖酵解限速酶的基因，增强了Warburg效应，促进葡萄糖代谢为乳酸。与糖酵解相反，磷酸化的丙酮酸脱氢酶激酶1（PDHK1）可抑制丙酮酸脱氢酶（PDH）复合物，阻碍胰腺癌细胞中的线粒体氧化磷酸化的发生。为了处理有氧糖酵解过程中产生的过量酸性产物，如乳酸，胰腺癌细胞还会在质膜上表达羧酸转运蛋白1（MCT1）、MCT4和CD147来加速乳酸通量。在增强的戊糖磷酸途径（PPP）非氧化阶段，胰腺癌细胞中的核酮糖-5-磷酸异构酶（RPIA）和5-磷酸核酮糖-3-差向异构酶（RPE）的表达增加。除了增加糖酵解途径中关键酶外，胰腺癌细胞也比邻近的正常组织表达更多的烟酰胺磷酸核糖转移酶（Nampt）。Nampt是合成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的限速酶，而NAD是许多氧化还原反应中非常重要的辅助因子，Nampt的高表达可以维持癌细胞内高水平的糖酵解通量。这些代谢过程同时也会受到其他因素的调节。胰腺癌中的KRAS被激活后，可持续刺激下游的信号分子如PI3K和RAF，从而促进了上述葡萄糖代谢过程中GLUT1和一些关键酶的表达。除了调节糖酵解过程外，突变的KRAS信号也能刺激磷酸甘油酸激酶1（PGK1）的线粒体转位，导致PDHK1磷酸化并限制胰腺癌细胞中的氧化磷酸化。葡萄糖剥夺反过来也会促进KRAS基因的突变，这表明代谢与致癌基因之间存在复杂的相互作用。TP53突变是增强Warburg效应和减少线粒体活动的关键因素。在胰腺癌细胞中，TP53不仅可以通过增加对氧磷酶2的表达来促进葡萄糖的摄取，而且突变的TP53还能通过维持糖酵解过程中的甘油醛-3-磷酸脱氢酶的稳定以支持Warburg效应。此外，低氧诱导的HIF-1一方面可增强糖酵解作用和上调谷氨酰胺果糖-6-磷酸转氨酶1（GFPT1）的表达，另一方面通过抑制己糖胺途径可导致线粒体氧化受损。
1.2细胞内的氨基酸代谢
癌细胞中高表达的多种氨基酸转运体可满足自身增殖的需求。作为氮和碳的主要来源的谷氨酰胺（Gln），它的代谢对癌细胞的存活至关重要。最初，进入线粒体的Gln被谷氨酰胺酶1（GLS1）脱氨为谷氨酸（Glu）。在胰腺癌细胞中，谷氨酸脱氢酶（GDH）受到抑制，但细胞质中的天冬氨酸转氨酶（GOT1）表达升高。在线粒体中，线粒体天冬氨酸转氨酶（GOT2）将谷氨酰胺来源的Glu和草酰乙酸（OAA）转化成天冬氨酸（Asp）和α-酮戊二酸（α-KG）。随后，Asp进入细胞质，被细胞质中上调的GOT1转化为OAA。胞质中的OAA在苹果酸脱氢酶1（MDH1）的作用下转化为苹果酸，再被苹果酸酶氧化成丙酮酸。另外，代谢过程产生的还原力可抵抗活性氧（ROS），并在胰腺癌细胞中实现对氧化还原过程的控制。因此，胰腺癌细胞持续上调酸性微环境中GOT1的表达，以处理生成的ROS进而维持癌细胞存活。以上胰腺癌细胞中代谢通路的改变主要是由KRAS突变所主导的。除Gln外，胰腺癌细胞中脯氨酸氧化酶（PRODH1）过表达，特别是在葡萄糖或Gln受限的条件下，能促进胰腺癌细胞的存活和增殖。在许多临床病例中发现，胰腺肿瘤中天冬酰胺（Asn）合成酶呈阴性或低表达。另外，胞内和循环中的支链氨基酸的增加也与胰腺癌的进展有关，这可能是TP53突变介导的组织蛋白分解增强和肿瘤消耗减少的结果。胰腺癌还具有强大的降解氨基酸的能力，拥有可与肝脏相媲美的尿素循环通路，这对癌细胞的存活也十分关键。肥胖或具有构效活性的AKT（一种已知可加速癌细胞生长的激酶）可在胰腺癌细胞线粒体内诱导精氨酸酶2的高表达，该酶可将精氨酸分解为尿素和鸟氨酸。
1.3细胞内的脂代谢
脂代谢不仅为膜的快速形成提供了充足的物质基础，而且还为蛋白质翻译后修饰提供了信号分子和底物。与依赖饮食获得脂质的正常细胞相比，肿瘤细胞中约93%的三酰基甘油脂肪酸是由线粒体中的柠檬酸从头合成的。在胰腺癌中，许多参与从头合成脂肪酸和胆固醇的酶明显上调，如柠檬酸合酶（CS）、ATP柠檬酸裂解酶（ACLY）、脂肪酸合酶（FASN）、硬脂酰辅酶A去饱和酶（SCD1）和3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGCR）。此外，缺氧或致癌基因KRAS也可促使细胞外溶血磷脂中单不饱和脂肪酸的摄取增加。在从头合成胆固醇过程中，过表达的醛酮还原酶家族成员1B10（AKR1B10）可在胰腺癌中代谢法呢醛和香叶基香叶醇，为胆固醇合成提供中间体。胆固醇的获取也高度依赖于胰腺癌细胞的细胞外摄取增强。与增强的胆固醇合成途径相比，小鼠胰腺癌细胞中以高度活化的低密度脂蛋白受体（LDLR）介导的高胆固醇脂蛋白摄取为主。此后，通过高表达酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶-1（ACAT-1），过量的游离胆固醇在酯化后以胆固醇酯的形式储存在胰腺癌细胞内。
饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸也可促进胰腺癌细胞的生长。ω3和ω6多不饱和脂肪酸（PUFA）都对胰腺癌细胞产生一定影响。ω3多不饱和脂肪酸通过减少AKT磷酸化抑制癌细胞增殖，而ω6多不饱和脂肪酸却能促进AKT磷酸化。有研究显示，在胰腺肿瘤中脂肪酶明显减少，而棕榈酸和硬脂酸对胰腺癌细胞的增殖有明显的抑制作用。因此，目前对脂肪酸在胰腺癌中的复杂作用还不明确。胆固醇也参与胰腺癌的进展。他汀类药物是胆固醇从头合成的抑制剂，在一些临床研究中发现它有助于提高胰腺癌患者的存活率，但其潜在机制尚存争议。与胆固醇在胰腺癌进展中的促进作用相反，高水平的游离胆固醇具有抑制ACAT-1的作用，可导致严重的内质网应激和癌细胞凋亡。
1.4 通过清除和循环提高养分的获取
除了重新编程细胞内的葡萄糖、氨基酸和脂质代谢外，胰腺癌细胞还可以通过其他机制获得生存和生长所需的足够营养。例如，大胞饮途径可以使细胞外的大量液体通过大的内吞空泡被摄取，这对于后续细胞内消化和变性后维持胰腺癌细胞的氨基酸供应至关重要。自噬是另一个重要的细胞过程，通过降解细胞大分子和细胞器，为细胞内提供生物能量流动和物质循环。
1.5 肿瘤微环境中的代谢串扰
胰腺肿瘤内存在广泛的异质性代谢串扰。胰腺癌细胞在不同氧浓度和营养条件下可以采取相对不同的代谢模式。
胰腺癌微环境具有高度异质性，除了癌细胞外，也存在细胞外基质和基质细胞。胰腺癌细胞周围是由胶原网构成的致密的纤维组织增生，这会导致缺氧和营养不良，尤其是在肿瘤的中心部位。这些胶原蛋白为癌细胞提供能量。而且，由致密的纤维组织增生引起的不规则剪切应力会导致PI3K/AKT信号上调和ROS生成，二者都会促进癌细胞的糖酵解。肿瘤内产生大量的乳酸对需氧和缺氧状态下胰腺癌细胞产生不同作用。Connexin-43通道是一种缝隙链接，可以将肿瘤组织中心的胰腺癌细胞在糖酵解过程产生的多余的乳酸转运至外周，为灌注良好的需氧型癌细胞中的氧化磷酸化提供底物，并为胰腺肿瘤的生长提供适宜的化学环境。胰腺癌细胞膜上的Gi-偶联受体GPR81也能感知到微环境内的乳酸，促进MCTs和CD147基因的表达。活化的GPR81可上调过氧化物酶体PGC-1α和促进线粒体的生物发生和呼吸。因此，乳酸的吸收和利用都能得到改善，这对于低糖环境下的胰腺癌细胞的生长尤为重要。此外，癌细胞在糖酵解过程中产生的乳酸也具有一定的非代谢作用，如提高肿瘤的侵袭性、降低抗肿瘤免疫、促进血管生成等。
癌相关成纤维细胞（CAFs）是基质细胞的主要类型，它可以被邻近的癌细胞刺激，发生有氧糖酵解和分泌高能量代谢物，如丙酮酸和乳酸。邻近的癌细胞，特别是位于正常氧浓度区的，可以吸收和利用氧化磷酸化过程中产生的代谢物。CAFs与癌细胞之间的这种模式被称为反向Warburg效应。CAFs还可通过释放含有TCA循环中间产物、氨基酸和脂类的外泌体来丰富微环境。这些物质都是胰腺肿瘤生长的关键因素，特别是在缺乏营养的情况下。然而，胰腺癌细胞在吸收这些外泌体时，呈现出对线粒体氧化磷酸化的抑制和增强糖酵解作用。大部分CAFs来源于胰腺星状细胞（PSCs），在癌变过程中可被激活。特别是在被癌细胞刺激后，它们可以分泌丙氨酸以支持胰腺癌细胞的代谢。除了直接提供代谢产物外，活化的PSCs还可以受到邻近胰腺癌细胞中KRAS的刺激，从而反过来增强癌细胞中KRAS信号的下游代谢调节通路。此外，来自PSCs的旁分泌肝细胞生长因子（HGF）也可诱导胰腺癌细胞糖酵解代谢的增强。LipidemTM是一种富含ω3脂肪酸的乳化剂，它能够减少PSCs的增殖和抑制胰腺癌细胞的侵袭能力，尤其是在联合化疗药物吉西他滨使用时作用更明显。
肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）时另一种具有免疫功能的基质细胞，也参与微环境中的代谢串扰。与正常胰腺中稳定状态的巨噬细胞相比，胰腺癌中的TAMs表现出糖酵解代谢增强，促进胰腺癌的血管化和转移。TAMs还能通过旁分泌信号促进邻近胰腺癌细胞的有氧糖酵解，随后，微环境中的乳酸能促进TAMs向M2型极化，诱导免疫耐受。
2. 耐药与代谢
吉西他滨是目前胰腺癌化疗治疗中最常用的药物。吉西他滨在癌细胞中会经过一系列精确调控的磷酸化过程，之后它的衍生物可以干扰DNA合成，阻断癌细胞生命周期的进展，发挥抗癌作用。
在化疗治疗中，吉西他滨耐药与葡萄糖、氨基酸和脂质代谢有关。与亲代细胞相比，长期温和的吉西他滨治疗诱导的具有化学抗性的胰腺癌细胞系有更强的有氧糖酵解代谢和更低水平的ROS。增强的糖酵解过程维持低水平的ROS，诱导癌症干细胞（CSC）和上皮-间质转化（EMT）表型，促进了耐药的发生。增强的糖酵解过程部分是由升高的HIF-1α介导的。除缺氧外，跨膜蛋白MUC1的高表达也能激活和稳定HIF-1α，进而促进糖酵解和非氧化PPP以及嘧啶的生物合成。这些因素都会导致胰腺癌细胞对吉西他滨的耐药。L型氨基酸转运蛋白2（LAT2）是胰腺癌细胞中的一种致癌蛋白，可以通过Gln依赖性地激活mTOR，抑制癌细胞凋亡，促进糖酵解。它们都产生了吉西他滨耐药表型，而mTOR抑制剂（RAD001）能解决这类吉西他滨耐药的发生。过表达的Nampt提供了大量NAD, 可增强糖酵解代谢并促使癌细胞对吉西他滨的耐药。Nampt抑制剂（FK866）可逆转这种耐药的发生。此外，吉西他滨还通过ERK/E2F1通路促进胰腺癌细胞中核糖核苷酸还原酶M2（RRM2）亚基的表达，促进脱氧核糖核苷酸的生物合成，抑制吉西他滨导致的DNA损伤。CG-5是一种葡萄糖转运蛋白抑制剂，能够抑制E2F1的表达并提升吉西他滨在胰腺癌中的疗效。
与葡萄糖代谢相比，氨基酸代谢在耐药中的作用尚不明确。增强的Gln代谢可促进己糖胺代谢途径和糖基化。Gln水平对控制ROS产生和激活mTOR很重要，二者均有助于耐药的形成。吉西他滨治疗中引发的胰腺癌细胞ROS的产生与用药剂量有关。低到中等ROS水平升高能够激活NF-κB信号传导和STAT3信号级联通路，维持CSC表型和诱发药物抗性。除了吉西他滨外，低营养条件也有助于产生中等水平的ROS，进而激活RNA结合蛋白HuR，被激活的HuR可迅速上调异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）促进NADPH循环，来维持氧化还原平衡并产生对药物的抗性。因此，与血糖水平高的胰腺癌患者相比，血糖水平低或正常的胰腺癌患者更容易对吉西他滨产生耐药。
在脂质代谢中，FASN表达上调，对吉西他滨耐药也有影响。胰腺癌细胞中过表达的FASN可上调PKM2的表达，促进糖酵解和吉西他滨耐药发生。高表达的FASN可缓解内质网应激，维持CSC表型，抑制吉西他滨诱导的细胞凋亡。ω3脂肪酸能抑制NF-κB和STAT3的激活和改善吉西他滨的抗癌作用。
3. 免疫与代谢
胰腺癌是一种低免疫原性肿瘤，具有高度免疫抑制的微环境，由三种主要的白细胞亚型构成：TAMs、调节性T细胞（Tregs）和骨髓来源的抑制细胞（MDSCs）。有氧糖酵解是CD8+效应T细胞和产生IFN-γ的CD4+T细胞发挥免疫功能的关键。Tregs和M2型巨噬细胞主要是以脂质氧化为能量来源，较少依赖糖酵解途径。肿瘤相关的MDSCs也会发生代谢重编程，增强脂肪酸氧化和糖酵解代谢，从而维持其生存和发挥免疫抑制作用。肿瘤细胞的糖酵解增强会限制邻近T细胞的葡萄糖供应，从而导致T细胞功能失调和肿瘤微环境的免疫抑制。除了直接的营养竞争外，肿瘤来源的乳酸盐是微环境中重塑免疫的关键，诱导产生M2型TAMs和降低CD8+细胞毒性T细胞的功能。更重要的是，在胰腺癌细胞中，乳酸盐能上调MDSCs和抑制NK细胞活性，形成免疫抑制的微环境。在缺乏热量时，肿瘤诱导的IL-6会影响宿主的新陈代谢，从而抑制抗肿瘤免疫。因此，代谢为解决免疫抑制提供了新的方向，但同时也限制了许多免疫疗法的效果。
结论
在胰腺肿瘤中，从细胞到微环境甚至全身水平的葡萄糖、氨基酸和脂质代谢的重编程显著地影响着癌症的进展。而且，胰腺癌的代谢也与抗癌治疗有关。目前，越来越多的胰腺癌患者的临床试验开始涉及对代谢的调节。考虑到一些代谢调节因子的副作用，在未来研究中，非恶性组织中的代谢靶向治疗也应得到重视。同时，胰腺癌细胞系也表现出代谢异质性的特点。因此，在临床实验中识别胰腺癌真正的代谢中心或联合不同的靶向代谢治疗是十分必要的。综上所述，更好地了解胰腺癌代谢及其在治疗中的作用，有助于制定新的诊疗策略，改善胰腺癌患者的预后。
原文网址：https://doi.org/10.1186/s12943-020-01169-7