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重庆大学 生物工程学院（重庆  400030）, College of Bioengineering, Chongqing University, Chongqing 400030, P.R.China

重庆大学 生物工程学院（重庆  400030）, College of Bioengineering, Chongqing University, Chongqing 400030, P.R.China

肿瘤细胞具有独特的糖代谢特征，即高糖吸收、有氧糖酵解与高乳酸生成，具体表现为肿瘤细胞参与氧化代谢的相关蛋白表达下调、葡萄糖转运蛋白及单羧酸转运蛋白表达上调。研究表明，靶向肿瘤细胞糖代谢的药物具有杀死肿瘤细胞的能力，为肿瘤治疗带来了新希望。此外，肿瘤干细胞被认为是肿瘤复发、转移及预后不良的根源，其能量代谢特征目前尚不清楚。有研究表明，逆转肿瘤干细胞的能量代谢可以增加其化疗敏感性。本文综述近年来肿瘤细胞及肿瘤干细胞糖代谢方面的研究进展，以及通过靶向糖代谢进行肿瘤治疗面临的机遇与挑战，期望可为临床上肿瘤治疗提供新的思路与契机。

Tumor cells have unique energy metabolism phenomena, namely high glucose absorption, aerobic glycolysis and high lactic acid production, which are characterized by down-regulation of related proteins involved in oxidative metabolism in tumor cells, and up-regulation of glucose transporters and monocarboxylate transporters. Studies have shown that drugs that target tumor cell glucose metabolism have the ability to selectively kill tumor cells, bringing new hope for tumor treatment. Tumor stem cells are considered to be the root cause of tumor recurrence, metastasis and poor prognosis, and their energy metabolism characteristics have not yet been agreed. Studies have shown that reversing the energy metabolism of tumor stem cells can increase their chemosensitivity. This article reviews recent studies on tumor and tumor stem cell glucose metabolism and the opportunities and challenges of tumor treatment through targeting glucose metabolism, which might provide new ideas and opportunities for clinical tumor therapy.

糖酵解与氧化磷酸化是细胞进行能量代谢的主要途径。对于普通细胞而言，当氧气充足时葡萄糖经彻底氧化产生 32 分子三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）；当氧气供应不足时仅通过糖酵解产生 2 分子 ATP。因此，普通细胞只有在缺氧情况下才使用糖酵解这种低效率的产能途径。而肿瘤细胞即便在氧气充足的情况下也依然依靠糖酵解供能，这是肿瘤细胞与普通细胞在糖代谢上的差别，被称为“瓦博格（Warburg）效应”[1]。基于此，利用药物调控肿瘤细胞的糖代谢从而达到肿瘤治疗的目的已成为肿瘤细胞生物学及代谢领域的研究热点。

肿瘤细胞生长、增殖旺盛，所需营养物质的量远大于普通细胞。葡萄糖、氨基酸、维生素、脂肪酸等营养物质大多数是亲水性的，不容易透过细胞膜，需要借助质膜中特定的转运体进入细胞，因此肿瘤细胞表面的转运蛋白表达上调，以达到促使营养物质高效进入细胞的目的。因此，这些上调的转运蛋白有望成为肿瘤治疗的药物靶点，对其进行靶向干预可能导致肿瘤细胞因缺乏必要的营养物质而死亡。

1923 年，Outto Warburg 发现增殖的腹水肿瘤细胞可以将大部分葡萄糖转化为乳酸，即使在氧气充足的条件下也依然如此，这种以高糖吸收、有氧糖酵解与高乳酸生成为表现形式的独特能量代谢现象，称为“Warburg 效应”[1]，自此肿瘤也被认为是一种“代谢疾病”。肿瘤细胞旺盛地生长、增殖， 所需能量远大于普通细胞，但其为何选择糖酵解如此低效率的产能方式呢？Warburg 认为这种独特的代谢现象与肿瘤细胞线粒体功能受损有关，线粒体功能的缺陷使葡萄糖无法通过电子呼吸链转变为 CO2，这是肿瘤细胞进行恶性转化所必需的[2]。虽然尚未有证据令人完全信服这一假设，但目前已有大量文献证明多种肿瘤细胞具有“Warburg 效应”。研究发现，糖酵解过程中产生的三碳中间体大部分被用于合成肿瘤细胞生长增殖所必需的蛋白质和脂质等大分子物质，以维持肿瘤细胞对葡萄糖的高摄取[3]。有研究表明，肿瘤细胞氧化磷酸化的部分抑制使电子无法通过电子传递链直接传递到氧，从而增加了活性氧的产生，而活性氧可以导致原癌基因发生突变，进而导致细胞的恶性转化[4]。因此现已认为，肿瘤细胞中下调的线粒体氧化磷酸化是其为了启动恶性转化而做出的妥协。除此之外，有文献报道肿瘤细胞糖酵解过程中产生的大量酸性物质可以促进巨噬细胞极化为非炎性类型，从而阻止其对肿瘤细胞的攻击；当阻断酸性微环境对巨噬细胞的影响时会导致 T 细胞的抗肿瘤功能被重新激活，也就是说“Warbug 效应”带来的弱酸性肿瘤微环境有助于肿瘤细胞逃避免疫细胞的“追杀”[5-6]。

为满足自身的能量需求，肿瘤细胞的葡萄糖吸收速率是普通细胞的 20～30 倍，其糖酵解效率是普通细胞的 30 倍以上。临床上利用肿瘤细胞的高糖吸收，采用18F-脱氧葡萄糖-正电子发射计算机断层显像/电子计算机 X 射线断层扫描技术（18F-deoxyglucose-positron emission tomography/computed tomography，18F-DG-PET/CT）检测肿瘤组织葡萄糖的摄取和转化，用来判断肿瘤的恶性程度。糖酵解速率的升高意味着细胞中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的高消耗，普通细胞通过氧化磷酸化再生 NAD+以弥补糖酵解中 NAD+的损失，使能量代谢不间断的进行；肿瘤细胞的氧化磷酸化被部分抑制，其通过上调乳酸脱氢酶 A（lactate dehydrogenase A，LDHA）、抑制乳酸脱氢酶 B（lactate dehydrogenase B，LDHB）将糖酵解中生成的丙酮酸高速率地转化为乳酸以再生 NAD+。LDHA 有利于丙酮酸转化为乳酸，而 LDHB 则有利于乳酸转化为丙酮酸。因此，高乳酸生成被认为是肿瘤细胞维持高速率糖酵解的必要条件。

利用药物对肿瘤细胞的代谢行为进行干预，使其主要产能途径由糖酵解转变为氧化磷酸化，这一过程称为能量代谢重编程或“反 Warburg 效应”。

正常干细胞干性的维持不但需要表观遗传的修饰，还需细胞内能量代谢的协同参与，其能量代谢途径与肿瘤细胞类似，严重依赖于糖酵解。现已知，人的胚胎干细胞、造血干细胞、间充质干细胞、肌肉干细胞、诱导多能干细胞等都依赖于糖酵解供能，发生分化时产能途径转变为氧化磷酸化。肿瘤细胞因具有无限增殖的能力又被认为是一种“病变的干细胞”。如前所述，“Warburg 效应”是肿瘤细胞进行恶性转化及逃避免疫攻击所必需的，那么逆转肿瘤细胞的“Warburg 效应”能否诱导其发生分化进而降低其恶性呢？

最近有研究表明，分化诱导剂双丁酰环磷酸腺苷（dibutyryl cyclic adenosine monophosphate，db cAMP）可以通过环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）-cAMP 效应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）-过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 辅激活子 1α （peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC1α）通路调控能量代谢 ，即：cAMP-CREB-PGC1α 通路，从而使胶质母细胞瘤细胞恶性增殖率降低，向正常的星形胶质细胞分化[7]。Xing 等[7]研究发现，db cAMP 上调线粒体生物发生相关基因的表达，从而增加线粒体活性使细胞能量代谢重编程，产生“反 Warburg 效应”，进而调控胶质母细胞瘤细胞朝着正常细胞分化，表达星形胶质细胞的表面标记。其中，线粒体生物发生的改变是细胞能量代谢改变的驱动力，能量代谢重编程又驱动了胶质母细胞瘤细胞的分化。维甲类药物是最早用于研究肿瘤细胞分化的诱导剂，早在 1986 年，我国学者首次将全反式维甲酸（all-trans-retinoic acid，ATRA）应用于临床治疗急性早幼粒细胞白血病，并取得成功[8]。近年来已有研究证实 ATRA 可诱导人肝肿瘤细胞 HepG2 分化，使其朝着正常肝细胞形态转化，化疗药物敏感性显著提高[9]。Molinari 等[10]及 LaGory 等[11]也报道，上调肿瘤细胞中 PGC1α 的表达后，可以通过恢复线粒体功能和氧化磷酸化来抑制肿瘤细胞生长，增加其化疗敏感性。这些研究说明，恢复线粒体功能、上调氧化代谢可以对肿瘤细胞进行有效分化诱导治疗。除此之外，一些针对糖酵解酶如己糖激酶 2（hexokinase 2，HK2）和 LDHA 的特殊抑制剂已经证明具有选择性杀死肿瘤细胞的能力[12]，表明了靶向代谢抑制肿瘤的潜力。

肿瘤干细胞假说认为，少量的肿瘤干细胞处于肿瘤群体的最顶端，是形成不同分化程度肿瘤细胞和肿瘤复发、转移及预后不良的根源[13]。迄今为止，已在包括乳腺癌、肝癌、肺癌、前列腺癌、结直肠癌等多种实体瘤中发现了肿瘤干细胞。与肿瘤细胞“Warburg 效应”不同的是，肿瘤干细胞的能量代谢特征目前尚不清楚。有文章报道，来自乳腺癌、卵巢癌、结肠癌和胶质母细胞瘤的肿瘤干细胞表现出葡萄糖摄取、乳酸产生和糖酵解酶表达的显著增加以及线粒体氧化代谢的减少[14-17]。与之相反的，有研究人员对来源于人体的肺癌干细胞及白血病干细胞进行研究，发现其主要依靠氧化磷酸化的能量代谢方式[18-19]。如前所述，能量代谢转变为氧化磷酸化在正常干细胞的分化过程中起着决定性作用，那么对肿瘤干细胞进行能量代谢的调控能否诱导其发生分化、降低其放化疗抗性呢？

研究表明，偏向于氧化代谢的肿瘤干细胞往往伴随着 c-Myc 基因的低表达，低表达的 c-Myc 可以调控 PGC1α 表达上调，进而导致肿瘤干细胞线粒体生物发生、线粒体活性及抗氧化活性均增加[20]。抗糖尿病药物二甲双胍可以通过抑制甲状腺癌干细胞、胰腺癌干细胞的线粒体生物发生以抑制其增殖及清除肿瘤干细胞[21-22]。但研究人员发现，在二甲双胍治疗过程中部分胰腺癌干细胞会产生耐药性，换用线粒体活性氧诱导剂甲萘醌进行治疗则不会导致耐药性的产生[22]，这一研究提示线粒体活性氧诱导剂可为氧化代谢型肿瘤干细胞的靶向带来新的契机。与之相反，偏向于糖酵解的肿瘤干细胞，如食管鳞状细胞癌干细胞及结直肠癌干细胞，其 c-Myc 基因往往高表达，利用小干扰 RNA（small interfering RNA, siRNA）技术对其进行沉默，可缩小肿瘤体积[23-24]。此外，有研究表明，分化诱导剂盐霉素可以通过诱导肝肿瘤干细胞分化，降低其迁移及侵袭能力[25]。

肿瘤细胞高速率的代谢需求是通过上调葡萄糖转运蛋白（glucose transporters，GLUTs）、增加葡萄糖摄取来实现的，其高乳酸生成导致了低 pH 的肿瘤微环境，因此肿瘤细胞必须找到消除乳酸的方法来避免自身酸化中毒。细胞表面上调的葡萄糖转运蛋白 1（glucose transporter 1，GLUT1）满足了肿瘤细胞的高葡萄糖需求；乳酸的转运则主要通过质膜上高表达的单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporter proteins，MCTs）实现。这些转运蛋白不但是肿瘤细胞进行能量代谢的必要条件，还对肿瘤微环境起着重要的调控作用，对其进行靶向干预可为肿瘤的临床治疗提供新的思路与契机。

葡萄糖转运蛋白是转运葡萄糖的蛋白家族，目前这一家族共有 14 位成员，GLUT1 因最早发现而得名，是最重要的葡萄糖转运蛋白。GLUT1 在人体内广泛表达，参与葡萄糖转运的生理过程，它的异常表达与许多病理过程密切相关，如糖尿病慢性并发症及恶性肿瘤，其表达上调是罹患肿瘤的主要特征。2014 年 6 月，Deng 等[26]首次成功解析了人源葡萄糖转运蛋白 GLUT1 的三维晶体结构，他们发现完整的 GLUT1 蛋白由 12 个跨膜螺旋组成 N 端、C 端两个结构域，这两个结构域组成一个典型的协助转运蛋白超家族折叠的向内构象。根据这一结构信息可以对由 GLUT1 突变导致的疾病，如实体瘤，进行氨基酸水平的准确定位和机制解释。

GLUT1 顺浓度梯度将葡萄糖转运至细胞内，在肝癌、乳腺癌、胃癌等大多数肿瘤细胞中表达上调，是临床上肿瘤诊疗的一个重要指标。有研究发现，抑制 GLUT1 蛋白水平的表达可以抑制肝肿瘤细胞的增殖和迁移[27]。Wang 等[28]发现 GLUT1 抗体、GLUT1-短发夹 RNA（short hairpin RNA，shRNA）分别通过破坏 GLUT1 的葡萄糖转运活性、降低 GLUT1 的表达来抑制肿瘤细胞增殖、增加肿瘤细胞的化疗敏感性。Kurahara 等[29]的临床研究发现，胰腺导管腺癌患者的预后与 GLUT1 的表达直接相关，低 GLUT1 表达意味着更好的预后。Yakisich 等[30]发现双胍类抗肿瘤药物与 GLUT1 抑制剂 WZB-117 联合使用可大大提高其对肺癌干细胞的靶向效果。Libby 等[31]也报道，通过抑制剂 WZB-117 沉默 GLUT1 可降低肿瘤起始细胞的肿瘤形成能力。此外还有研究表明，GLUT1 的表达与肿瘤细胞的分化等级有关，在分化程度较低、增殖速率较大的肿瘤细胞中，GLUT1 的表达水平更高，可能因为这些恶性肿瘤细胞对能量代谢及葡萄糖的需求更大[32-34]。通过以上研究可见，抑制或破坏 GLUT1 的表达或许可为肿瘤的治疗带来新的希望。

如前文第 1 小节所述，LDHA 高速率地将丙酮酸转化为乳酸，是肿瘤细胞能量代谢持续进行的必要条件，但这一过程会导致乳酸在胞质中的大量积累，肿瘤细胞必须找到消除乳酸的方法来避免自身酸中毒。MCTs 家族共 14 位成员，在哺乳动物细胞中广泛表达，是一种跨膜转运蛋白，其中 MCT1～MCT4 被证明是丙酮酸、乳酸等单羧酸盐的转运蛋白，在肿瘤细胞能量代谢及肿瘤微环境方面发挥重要作用。

MCT1、MCT4 主要参与乳酸转运，可将细胞内的乳酸转运至细胞外，在避免细胞酸化中毒的同时保持弱酸性的肿瘤微环境，研究表明酸化的微环境可以杀死邻近的正常细胞，为肿瘤细胞的扩散创造空间；抑制这两种乳酸转运蛋白可选择性靶向肿瘤细胞[35-36]。MCT1、MCT4 在肿瘤患者中的表达上调被认为是肿瘤进一步恶化的前奏。研究表明，非选择性的 MCTs 抑制剂 α-氰基-4-羟基肉桂酸酯（α-cyano-4-hydroxycinnamate, CHC）可抑制神经胶质瘤细胞的增殖和侵袭[37]；通过 RNA 干扰（RNA interference, RNAi）技术干扰 MCT1 在人乳腺肿瘤细胞中的表达会显著降低乳腺肿瘤细胞的迁移与活力[38]；抑制 MCT1 的表达可有效降低胶质母细胞瘤干细胞的活力[39]；除此之外，体内和体外实验均表明，特异性 MCT1 的抑制剂 AR-C155858 可以降低胰腺导管腺肿瘤细胞的迁移与侵袭能力[40]。最近，科学家将 AR-C155858 进行优化得到了 MCT1 的特异性抑制剂 AZD3965，可以更加精确地杀死糖酵解依赖型的肿瘤细胞，目前这一药物正在英国进行临床 I 期评估[41]。

肿瘤每年夺走全球近 600 万人的生命，是严重威胁人类生命的恶性疾病。能量代谢方式的不同是肿瘤细胞与普通细胞间最显而易见的区别，针对其能量代谢方式的研究为肿瘤的治疗带来了新的思路。大量研究表明，能够使肿瘤细胞能量代谢重编程的药物可以诱导其发生分化，增加其化疗敏感性；一些针对糖酵解酶（如 HK2 和 LDHA）的特殊抑制剂，已经证明具有选择性杀死肿瘤细胞的能力；除此之外，抑制或破坏 GLUT1 及 MCTs 的表达可以显著降低肿瘤细胞的增殖及致瘤能力，表明通过靶向糖代谢这一方式抑制肿瘤的潜力，以上研究均可为肿瘤治疗带来新的思路。但是目前为止，绝大部分研究未考虑到肿瘤组织的异质性及肿瘤组织代谢状态的异质性，仅针对肿瘤细胞或肿瘤干细胞的糖酵解或氧化磷酸化中的某一条代谢通路进行干预，在治疗过程中细胞易产生耐药性，未来如果能考虑利用联合治疗对肿瘤组织的糖酵解及氧化磷酸化同时进行干预，可能会收到更好的治疗效果。

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

国家自然科学基金资助项目（11832008，11772073，31700810）