糖酵解

不知道大家对癌细胞有什么样的印象？是不是觉得癌细胞都很疯狂？一边从人体中贪婪地抢夺营养，一边又不好好利用抢到的营养，造成极大的浪费。 不过，最近《自然》上的一项研究发现，癌细胞其实相当的节俭[1]。它们不但最大限度的减少了没有必要的细胞活动，还把省下来的每一分能量都用到了自己的增殖上。 Warburg效应 上世纪20年代，德国生理学家Otto Heinrich Warburg发现了一个奇怪的现象：肿瘤细胞即使在氧气充足的情况下，也会优先使用糖酵解供能。这一现象后来以发现者的名字命名为Warburg效应。 经过一个世纪的研究，科学家们已经发现了不少Warburg效应的意义。比如： ● 糖酵解产生的乳酸可以为肿瘤产生一个酸性的微环境，帮助肿瘤逃避免疫监视； ● 糖酵解过程中产生的丰富有机物也能为癌细胞的增殖提供充足的材料。 Otto Heinrich Warburg 但是，在供能的角度上，糖酵解是一种相当低效的供能方式。要知道，一分子葡萄糖通过糖酵解只能产生2分子的ATP，但如果在糖酵解后面续接上三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化，一分子葡萄糖平均可以产生29分子ATP，足足是糖酵解的14.5倍。 传统观点中高代谢的癌细胞，真能依靠糖酵解满足自己的能量需求吗？ 为此，普林斯顿的研究人员在小鼠中，使用同位素示踪法详细测得了各种正常组织与肿瘤组织的代谢水平。 研究显示，在健康无肿瘤的小鼠中，心肌、膈肌和比目鱼肌是TCA水平最高的3种组织。毕竟肌肉收缩是消耗ATP最多的生理活动之一。而且，心脏每时每刻都要跳动，负责呼吸的膈肌也要定期收缩。 几种正常组织的TCA水平 而在几种实体瘤中，TCA水平相比正常组织都有明显下降： ● KRAS突变型和TP53突变型的胰腺肿瘤，TCA水平均只有正常一线组织的1/6； ● 自发性和植入的肺肿瘤，TCA水平分别为正常肺组织的2/3和1/3左右； ● 植入的结肠肿瘤，TCA水平大约为正常结肠的1/9。 不过，肿瘤组织有更高的糖酵解活动，糖酵解能否弥补TCA减少导致的能量缺口呢？研究人员根据各种肿瘤组织的TCA水平和葡萄糖摄取量，估算了肿瘤中ATP的产生速率。各种实体瘤的ATP产生速率，均比相应的正常组织更低。 肿瘤的代谢水平，其实要比相应的正常组织更低！ 实体瘤中的ATP产生速率低于相应正常组织 进一步的研究发现，癌细胞代谢水平更低，其实是减少了正常生理功能的能耗。比如说胰腺的生理功能是合成并分泌胰酶等消化液，这需要高水平的蛋白质合成活动，消耗大量ATP。而在胰腺肿瘤中，蛋白质合成活动大约只有正常胰腺的1/4。 不过研究中还发现，转移瘤的情况有些不同。相比于原发肿瘤，转移瘤有着更高的TCA水平。这可能与肿瘤转移需要更强的代谢灵活性，以适应不同的微环境有关。 论文作者Caroline R. Bartman对自己的研究评论道：“我认为对于这个领域来说，这是一个令人激动的时刻。随着过去50年的进步，现在是时候回顾并重新审视所有这些旧概念，并利用它们更好地理解疾病。”  

文章来源：医学界肿瘤频道     人类与癌症对抗已有一两百年的历史。然而，至今我们仍未能攻克大部分的癌症。   免疫逃逸、代谢合成、凋亡……医学界和科学家们试图从肿瘤细胞的各个机制发现规律，找到抑制肿瘤的办法。   德国生理学家Otto Warburg提出“Warburg效应”轰动一时。“饿死癌细胞”这一理论得到了追捧。   小司机 Warburg效应究竟是咋回事呢？莫非真能通过这个途径“饿死癌细胞”？   嘿嘿，我这就跟你说一说。   1924年，Otto Warburg提出：相比于正常成熟细胞，肿瘤细胞以更高的效率吸收更多的葡萄糖来产生能量和满足快速生长需求。   图：Otto Warburg   即使在供氧充足的情况下，肿瘤细胞也主要是通过糖酵解途径，摄取大量的葡萄糖，且产生大量的乳酸。   小司机 通俗地来说，就是肿瘤更喜欢通过无氧呼吸的方式，消耗大量葡萄糖。   这一理论，也帮助我们发现了一个观察肿瘤细胞踪迹的好办法——PET-CT。 PET-CT就是通过示踪剂来观察机体及病灶组织细胞代谢、功能、血流、细胞增殖的和受体分布情况。一般来说，照完是这个样子的——   可以明显看到图中的亮点与其他机体组织不一样   PET-CT的结果直观，可检测大多数种类的原发和转移的上皮性肿瘤，且灵敏度和特异性都高达90%以上。   然而，有时候，医生会发现在PET-CT成像中观察到的葡萄糖（FGD）浓聚部位经过病理检查后发现并不存在肿瘤细胞。   小司机 这是为什么呢？其实，最近一个研究发现：肿瘤细胞虽然爱吃糖，但它们不是“吃糖界”的老大。髓系免疫细胞更爱吃糖！   研究截图  这篇研究被发表在《Nature》上[1]。研究人员发现，在肿瘤组织中（包括了大量的肿瘤细胞和浸润的免疫细胞、间质细胞等），所有癌细胞消耗的葡萄糖约占葡萄糖总量的三分之二，髓系免疫细胞则约占葡萄糖摄取量的三分之一。   图：CD45-（肿瘤细胞群体）对FDG的摄取最多   研究人员随后将小鼠皮下MC38肿瘤中的细胞分为CD45-（肿瘤细胞）和CD45 +（免疫细胞）群体，测定两种细胞的18F放射性。结果十分有趣：就单个细胞而言，与CD45-相比，肿瘤中浸润的CD45 +对FDG的摄取量更大。   在其他肿瘤模型：人肾细胞癌（RCC）、小鼠结肠癌（MC38）、小鼠结肠癌（CT26）、小鼠肾细胞癌（Renca）、小鼠结肠癌（AOM/DSS诱导）、以及（PyMT）基因乳腺癌（GEMM）都表现了相同的结果。   图：多个肿瘤模型中结果基本一致   表明在葡萄糖充足的肿瘤微环境中，肿瘤中浸润的免疫细胞比肿瘤细胞摄入更多的“糖”。   小司机 看来“不吃糖”还不是那么简单的。小心伤敌一千，自损一千二！！！ […]

糖，大家都很熟悉，跟每个人都息息相关。它是甜蜜的来源，是美味的秘籍，是人们活动最主要的燃料，也是人们长胖的罪魁祸首。 在肿瘤中，糖的作用也很复杂，它既是诱发肿瘤的疑犯，又是肿瘤生长所必需的能源，它有时能激活抗肿瘤免疫，有时又保护了肿瘤细胞。 1 糖吃多了易得癌 糖这个东西，在古代可是稀缺品，马可波罗游记中记载中国糖价是半个银币能买1.7公斤糖，还感慨十分便宜。但随着制糖工业的发展，现在，糖已经是一种廉价调味品了。而上世纪80年代可乐等含糖饮料的流行，更是让全世界的糖摄入量大为提升。 与此同时，世界上的肥胖率也开始大增，多少跟糖吃多了有关。肥胖可是多种癌症的一个重要危险因素，肝癌、前列腺癌、卵巢癌等等都跟肥胖有关，也观察到了这些癌症风险与糖摄入量的关系[1]。 除了肥胖造成的癌症风险升高，糖的摄入还可能额外增加结肠癌的风险，尤其广泛使用的玉米糖浆。 2019年，康奈尔医学院的Jihye Yun等就发现，每天给小鼠喝400μL的25%玉米糖浆，就可以促进结肠肿瘤的生长，小鼠肠道中的高级别腺瘤数量明显增加。这一剂量大概也就相当于每天喝一罐可乐，远不足以引起肥胖[2]。 玉米糖浆让小鼠肠道腺瘤达到更高级别 这是因为，玉米糖浆里接近一半的糖是果糖。这些果糖直接被被肠道里的腺瘤截留利用，还促进了腺瘤的糖酵解，为肿瘤提供了极为依赖的脂肪酸从头合成的原料。 2 肿瘤爱糖，却消化不良 癌细胞跟正常细胞最大的区别就是它长得快，还不受控制。长得快，能量消耗就多，就要吃掉大量的葡萄糖。人们也根据癌细胞这一特性开发出一种检查癌症的特效方法——PET，使用带标记的葡萄糖类似物显示全身的肿瘤病灶。 PET/CT显示全身肿瘤 不过癌细胞吃糖虽多，却有点消化不良，被癌细胞吃掉的糖，大部分都没有被充分利用，只经过简单的糖酵解把葡萄糖分解成乳酸，这被称作Warburg效应。 Warburg效应倒不是癌细胞浪费，它这么做可没安好心，糖酵解对癌细胞的生长扩散可是有大大的好处。比如刚才就提到了，糖酵解可以给癌细胞提供脂肪酸从头合成的原料。 此外，转向糖酵解的代谢方式还会激活癌细胞的PI3K通路，刺激癌细胞分裂增殖[3]，促进肿瘤转移[4]。糖酵解产生的乳酸也能调节肿瘤中的巨噬细胞和Treg细胞，抑制抗肿瘤免疫[5,6]。 针对癌细胞这一代谢变化，约翰霍普金斯大学的Jonathan D. Powell团队开发了一个小分子代谢检查点抑制剂JHU083，它能阻断肿瘤的谷氨酰胺代谢，让癌细胞的Warburg效应瘫痪，使肿瘤微环境中的葡萄糖含量大幅上升[7]。 在小鼠试验中，JHU083联合PD-1抑制剂，让一种原本对PD-1抑制剂不敏感的结肠癌完全消退，10只小鼠里有9只存活了80天以上。单独使用JHU083也能在20天内让肿瘤完全消退，但之后会复发。 JHU083+PD-1抑制剂使小鼠肿瘤完全消退，存活80天以上 3 免疫细胞也吃糖，但让谁去吃有讲究 不久前，我们介绍了肿瘤大肆抢糖会让肿瘤里的Treg细胞没糖吃，增强Treg的免疫抑制能力，保护癌细胞。如果抑制住癌细胞摄取葡萄糖的能力，让Treg吃到糖，就能增强抗肿瘤免疫，抑制肿瘤生长。这一方法还跟CTLA-4抑制剂有协同作用。（参考：“饿死癌细胞”又有新理论: 癌细胞抢糖吃, 导致免疫疗效减弱） 但是，其它一些免疫细胞吃糖的结果可能完全相反，比如肿瘤里常常被忽视的中性粒细胞。 洛桑联邦理工学院的Etienne Meylan团队就发现，肺癌里的中性粒细胞，会表达更多的葡萄糖转运蛋白Glut1，摄取葡萄糖的能力相比健康肺组织中的中性粒细胞大为增强[8]。 而且，在小鼠中选择性敲除中性粒细胞的Glut1，不让中性粒细胞吃糖，可以延缓肿瘤的生长，还会让肿瘤对放疗更为敏感。 敲除中性粒细胞的Glut1使肿瘤对放疗更为敏感 也就是说，中性粒细胞摄取葡萄糖和Treg摄取葡萄糖，对肿瘤的治疗产生了截然相反的影响，要想通过阻止葡萄糖摄取来治疗肿瘤，还真得对肿瘤微环境中的各个组分好好的区分。 参考文献： [1]. Hodge A M,Bassett J K, Milne R L, et al. Consumption of sugar-sweetened and artificiallysweetened soft drinks and risk […]

不知道大家见没见过这种人，吃着碗里的看着锅里的，哪怕自己吃不下，也要把菜都夹到自己碗里，不让别人吃。 癌细胞也是这样，葡萄糖摄取得很多，却不好好利用，大多都拿去进行供能效率很低的糖酵解去了。按产生ATP的量来算，利用率不到1/10。癌细胞这么贪，其实是有它的目的的。 不久前，研究发现，癌细胞的大肆抢糖会让肿瘤中的免疫细胞没糖吃，其中起调节作用的Treg细胞会转向利用乳酸，导致Treg细胞的免疫抑制作用增强[1]。肿瘤中的免疫细胞缺糖还会影响免疫检查点抑制剂的疗效[2]。 人体细胞的呼吸方式有两种——有氧呼吸和无氧呼吸（也称糖酵解）。 有氧呼吸是一种高效的呼吸方式，葡萄糖被完全氧化分解成二氧化碳和水，1分子葡萄糖大约能产生30余个ATP。而糖酵解的效率就低多了，葡萄糖只能部分分解成乳酸，一分子葡萄糖只能产生2个ATP。 正常情况下，大多数组织细胞中进行的都是高效的有氧呼吸，糖酵解只在氧供应跟不上时起到应急的作用。比如剧烈运动时，肌肉组织的能量需求激增，氧供应跟不上，只能通过糖酵解来供应能量，而糖酵解产生的乳酸也是我们剧烈运动后肌肉酸痛的罪魁祸首。 不过，癌细胞是个例外。1924年，德国生理学家Otto Warburg发现，即使在有充足氧气的条件下，癌细胞也偏好使用低效的糖酵解产生能量[3]，这一现象也被后人称为Warburg效应。 Otto Warburg 癌细胞代谢旺盛，能量需求很高，为何要放着高效的有氧呼吸不用，偏偏选择了效率很低的糖酵解？ 其实Warburg效应对癌细胞的好处不少，研究已经证实，糖酵解产生的乳酸可以让巨噬细胞向促进癌症的M2表型转变[4]，还对肿瘤的生长和转移有好处[5]。 对于抗肿瘤免疫中最重要的T细胞，Warburg效应又会产生哪些影响呢？ Treg细胞是一种抑制作用的T细胞，在肿瘤中常被癌细胞利用来抑制抗癌免疫。UPMC希尔曼癌症中心的Greg Delgoffe团队发现，肿瘤中的Treg细胞与正常组织里的Treg细胞不大一样，葡萄糖的摄取量显著低于正常组织里的Treg细胞。 Treg细胞摄取葡萄糖的多少，会不会对它的功能产生影响？果然，研究人员发现，摄取葡萄糖较多的Treg细胞，免疫抑制作用较弱，而摄取葡萄球较少的Treg细胞有很强的免疫抑制作用。 进一步的研究发现，摄取葡萄糖较少的Treg细胞，主要利用乳酸产生能量，而乳酸正是癌细胞糖酵解的产物。此外，乳酸也是肿瘤相关Treg细胞维持免疫抑制状态所必需的，如果把抑制肿瘤相关Treg细胞摄取乳酸的能力，免疫抑制作用就大幅下降了。 缺乏乳酸摄取能力的Treg（红色），肿瘤中的免疫抑制能力显著低于正常的Treg（黑色） Warburg效应对肿瘤免疫有这么多影响，对免疫治疗会不会也有影响？ 纪念斯隆凯瑟琳癌症中心的研究人员，在分析接受CTLA-4抗体ipilimumab治疗的黑色素瘤患者的肿瘤RNA测序数据时发现，CTLA-4抗体的治疗，部分缓解了肿瘤中免疫细胞缺糖的状况。 接下来，研究人员通过基因敲出降低了一种乳腺癌细胞的糖酵解能力，将其植入小鼠，再用CTLA-4抗体治疗。结果显示，CTLA-4抗体对低糖酵解肿瘤的治疗效果明显优于高糖酵解肿瘤。而且治疗后，低糖酵解肿瘤可以形成长期的免疫记忆，高糖酵解肿瘤则不行。 抑制肿瘤糖酵解与CTLA-4抗体可产生协同作用 进一步研究显示，低糖酵解肿瘤在CTLA-4抗体治疗后，Treg细胞出现了很大的变化，IFN-γ和TNF-α的表达水平大幅增加，免疫抑制作用大幅降低。 抑制癌细胞的糖酵解大大增强了CTLA-4抗体的治疗效果。 抑制肿瘤的糖酵解，帮肿瘤里的免疫细胞抢糖吃，或许能成为一种新的免疫治疗方法。 参考文献： [1]. Watson M L J,Vignali P D A, Mullett S J, et al. Metabolic support of tumour-infiltratingregulatory T cells by lactic acid[J]. Nature, 2021: 1-7. [2]. Zappasodi R,Serganova I, Cohen […]