黄灿华教授 实验室

癌细胞胃口这么好，如何釜底抽薪 “饿死” 它们？

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图片来自news.yale.edu




- 引 言 -

上世纪20年代，德国生理学家瓦尔堡发现，和正常细胞不一样，癌细胞通过代谢大量葡萄糖促进生长。时隔八十多年，直到2011年癌症领域泰斗温伯格才将癌细胞特殊代谢方式列入癌细胞新兴特质之一，科学家们也纷纷将干扰癌细胞代谢作为药物开发新思路。癌细胞代谢异常复杂，将 “饿死癌细胞” 这美好初衷转化为现实任重道远，特别是越来越多证据显示人体干细胞和免疫细胞在 “吃” 这档子事上，和癌细胞有着类似的口味。



癌细胞到底爱吃什么？



A 葡萄糖和瓦尔堡效应

说到癌细胞爱吃什么，不得不提到葡萄糖以及被翻来覆去炒作了近百年的瓦尔堡效应，起起伏伏，一路被推崇、忽视、质疑和修改[3]。
到底什么是瓦尔堡效应？先敲黑板划两个重点：第一，和正常细胞相比，癌细胞吃掉更多葡萄糖；第二，葡萄糖代谢有两种模式[4]，一种通过糖酵解（Glycolysis），一个葡萄糖分子转化成两个能量分子（ATP） 和一个乳酸分子（就是运动之后让你酸爽的家伙）；另一种是通过氧化磷酸化（Oxidative Phosphorylation）生产 36 个ATP（图二）。

图二，葡萄糖糖代谢不同途径，图片来源：Science, 2009. 324（5930）: p. 1029-33

癌细胞的数学估计是体育老师教的，更喜欢第一种方式。这就意味着，吃同样数量的糖，癌细胞只能输出两个ATP。
所以，癌细胞是傻？ 恰恰相反，癌细胞布了一盘大局来求生。
近年来，有四大主流观点试图解释癌细胞为何选择看似更低效的代谢方式：1）产生的能量虽然少，但相比氧化磷酸化，糖酵解可以10到100倍地高速产生能量； 2）更有效地促进细胞生物合成； 3）调控肿瘤微环境来保护肿瘤生长； 4） 产生中间代谢物控制细胞信号通路 [5]。
这四种解释各有论证也各有漏洞。整体来看，第四种理论迄今为止最站得住脚。同时需要强调的是，瓦尔堡效应在不同癌细胞，癌症不同发展阶段的重要性大有不同，这也是瓦尔堡效应一直被争论的重要原因。


B 氨基酸

除了葡萄糖，为了保持青春活力，癌细胞也依赖各种氨基酸，特别是支链氨基酸 [6]。

所有氨基酸中研究最多的当属谷氨酰胺（Glutamine）[7]。和葡萄糖一样，癌细胞摄取谷氨酰胺不但量大，而且 MYC 致癌基因驱动癌细胞的生存更是依赖于谷氨酰胺。谷氨酰胺是三羧酸循环（TCA cycle：细胞内糖类、脂类、氨基酸的主要代谢通路）的动力，各种生物合成的基础，还能调节细胞内氧化还原的平衡。

图3 小恶魔 《权力的游戏》，图片来源：新浪娱乐

谷氨酰胺就好比一个多功能的大管家，当细胞遇到外来压力时，谷氨酰胺帮忙减压，需要扩增时，就帮着搬砖修建，当细胞内出现“内鬼”活性氧类时，谷氨酰胺挺身而出把它消灭。这么给力，是不是像你们的男神小恶魔（图3）？

除了谷氨酰胺外，几篇重磅级研究也发现其他氨基酸，包括精氨酸（Arginine）[8]、天冬酰胺酸（Asparagine）[9] 、丝氨酸（Serine）和甘氨酸（Glycine）[10]，对癌细胞也起着关键作用   [11]。特别值得指出的是，2017年4月《自然》杂志上发表的文章显示，在小鼠食物里去除丝氨酸和甘氨酸后，患有淋巴癌小鼠的中位生存期可从59天延长到192天（图4）[10]。

图4 淋巴瘤小鼠正常饮食 60天后, 一组小鼠继续正常饮食（绿线），另一组老鼠食用不含丝氨酸和甘氨酸的食物 （蓝线）图片来源：Nature, 2017. 544（7650）: p. 372-376.


C 乳   酸

癌细胞的神奇之处在于它不但通过糖酵解生产乳酸，还可以食用乳酸来产生能量。可见，癌细胞利用了一切可利用资源进行顽强地战斗。
2017年之前，已有大量研究表明乳酸也是癌细胞的食物之一，可毕竟乳酸是作为葡萄糖的配角进入癌症研究舞台，一直活在葡萄糖的明星光环下。
2017年10月，顶级期刊《自然》和《细胞》，不约而同地发表了两篇关于体内癌细胞摄取乳酸的文章。DeBerardinis 团队将碳13标记的乳酸静脉注射到五位非小细泡肺癌患者体内，首次在人体内证实了癌细胞可以利用乳酸来支持三羧酸循环（图5）[12]。无独有偶，老鼠肺癌模型中，Rabinowitz 团队系统地分析了碳13标记的葡萄糖、乳酸和谷氨酰胺对三羧酸循环的贡献。他们发现，和传统的理论相悖：乳酸，而不是葡萄糖，竟是最大庄家 [13]。

至此，乳酸总算扬眉吐气，逆袭成主角。

图5 乳酸和三羧酸循环示意图 图片来源：J Hematol Oncol, 2017. 10（1）: p. 144.


谁来给大胃口的癌细胞买单？

除了血液循环孜孜不倦地给癌细胞送外卖，癌细胞还买通了人体正常细胞，寻求更多的食物，以达到其无止尽复制繁衍的目的。
2016年，哈佛医学院 Kimmelman 团队发现，胰腺星形细胞（pancreatic stellate cells）可给胰腺癌细胞提供谷丙氨酸（alanine）, 使其在营养极度缺乏的环境中代谢丙氨酸获取能量和进行生物合成（图6）[14]。

图6 胰腺癌细胞和星形细胞的对话 图片来源：Nature, 2016. 536（7617）: p. 479-83

看到这，读者可能会想，癌细胞如此神通广大，竟然可以买通星形细胞成为共犯，乖乖进贡？
进一步研究表明，星形细胞实际是受到了癌细胞的控制，启动细胞内的自释机制而被迫释放丙氨酸，完全属于胁迫行为。另一篇报道也指出，癌相关成纤维细胞（CAFs）能够使用外泌体，打包氨基酸和其他三羧酸循环代谢物，给癌细胞输送营养 [15]。除了简单粗暴地摄取氨基酸，癌细胞投机取巧，直接利用 CAFs 分泌的三羧酸循环代谢物推动三羧酸循环产生能量。
在免疫疗法如日中天的现如今，读者应该知道癌细胞的天敌就是我们的忠实保护者：免疫细胞。癌细胞进行绝地反击的战术之一也包括和免疫细胞抢食物。

华人科学家邹伟平教授发现，当癌细胞和免疫T细胞处在同一微环境时，狡猾的癌细胞会释放小分子核糖核酸（miRNA），进而影响T细胞的“食欲”，把葡萄糖拱手相让给癌细胞。于是，T细胞饥饿难耐，大呼一声，“硕鼠硕鼠，无食我黍”，便无心恋战卸甲归田[16]。

癌细胞这一招可谓一石二鸟，一来可以利用抢来的葡萄糖进行自我繁衍，二来削弱了最强劲敌的战斗力。于是，悠哉乐哉，无后顾之忧。


如何釜底抽薪，饿死癌细胞？


癌细胞胃口这么好，简直就是饿不死的 “小强”。秉着对吃货们的负责态度，让大家享受美食的同时不让 “小强” 得逞，便有了针对癌细胞代谢特征展开的各项药物研发：


A 进攻瓦尔堡计划

要破坏瓦尔堡效应，最传统的的方法莫过于开发和糖酵解相关的药物（图7）。

图7 糖酵解途径及相关药物（红色）

图片来源：Cell Chem Biol 24（9）: 1161-1180

此外，借助人工智能的东风，BERG Health 脱颖而出，打破了以假设和生化机理为指导的传统思路，而是让癌症患者数据来引导新药的研发。作为第一个享受从美国国防部获取人体组织的公司，BERG通过其 Interrogative Biology® 技术平台对患者样品进行高通量分析，从中获得基因组、蛋白组、代谢组等多维信息，通过人工智能深度分析描绘癌症 “航空地图”。
BPM31510 便是 BERG 人工智能比较健康细胞和病变细胞数据而发现的先导化合物，包含辅酶Q10。买过保健品的读者应该对辅酶Q10不陌生，它是抗氧化剂，也是细胞代谢起关键作用的小分子。
体外实验显示，BPM31510 在不影响正常组织的同时可改变癌细胞的代谢特征，逆转瓦尔堡效应，使癌细胞 “代谢正常化”。鉴于 BPM31510 在人体天然存在，临床一期实验结果显示耐受性良好，现在正在积极地开展针对胰腺癌的临床二期工作。
BERG大数据平台有专利保护，将会陆续发现更多候选药物。BERG联合创始人 Carl Berg，作为硅谷房地产亿万富翁出圈投资了BERG，期冀它能引发医疗界的一场革命。


B 阻断精氨酸进口供应链

癌细胞仗着可获取充分的外源营养，便任性地开除（变异）了精氨酸琥珀合成酶（ASS），导致ASS掌控的精氨酸（Arginine）生产线无法工作，依赖进口支持内需。
所谓聪明反被聪明误，针对癌细胞这个小伎俩，新型癌症药物 ADI-PEG20（精氨酸脱亚胺酶，将精氨酸转为瓜胺酸）、AEB1102（精氨酸酶），可阻断癌细胞精氨酸的进口，而正常细胞却通过正常的ASS自给自足（图8）。

图8 ADI-PEG 20的药理机制，图片来源: Abou-Alfa GK et al. J Clin Oncol, 2016

缺乏足够的精氨酸，为了存活癌细胞必须重写其代谢途径，这个过程会带给癌细胞压力，让传统化疗也更加有效。除单一疗法外，ADI-PEG20 也和化疗药物进行联合疗法，比如吉西他滨和顺铂等。
遗憾的是，2016年公布的 ADI-PEG20 临床三期结果并没有达到预期的效果：安慰剂组晚期肝癌病人平均总生存期（OS）为7.4个月，而用药组OS为7.8 个月。但连续用药七周患者OS可达12.5 个月，而用药少于七周OS只有6.3 个月。可见用药的时间需进一步的优化。此外，不是所有的癌症病人都具备ASS缺陷，结合生物标记物进行病人筛选非常必要。
2017年7月的临床二期有了反转，结果显示21个急性髓细胞性白血病人中，2位病人所有靶病灶消失，7位疾病稳定，进一步肯定了 ADI-PEG20 的治疗效果。目前 ADI-PEG20 已经获得美国和欧盟治疗肝细胞癌、间皮瘤、黑色素瘤的孤儿药资格。


C 靶向异柠檬酸脱氢酶

异柠檬酸脱氢酶（IDH）变异发生在多种肿瘤中，比如胶质母细胞瘤（胶质瘤的一种）二期/三期病人中的变异高达80%-90% [17]。IDH基因突变导致代谢重编影响了细胞的氧化还原稳态。
在以IDH突变基因为肿瘤治疗靶点的研发公司中，Aigos是当之无愧的明星公司，连美国知名投资理财服务的公司 “The Motley Fool” 在2017年一篇名为 “三个能让你暴富的抗癌药” 的文章中[18]，也将 Agios 列为最具投资潜力的三大公司之一。
2017年，Aigos 的IDH第一代抑制剂IDHIFA获得FDA批准上市，这是针对IDH基因突变急性髓细胞白血病人史无前例的全新口服药。全球每年急性髓细胞白血病发率大概为35万，其中只有8% 到19% 的病人有IDH基因突变，远远低于胶质瘤的突变率。因此，Agios新代IDH抑制剂，包括 AG-881，AG-120，AG-221 的临床试验中都招募了胶质瘤患者。
除了Aigos外，其他靶向IDH临床期药物包括IDH305、BAY1436032、FT-2102等。


D 破解谷氨酰胺成瘾

最后，我们来谈谈癌细胞爱吃的氨基酸、谷氨酰胺。看看怎么才能 “夺其所好”。
正如上文已经提到，谷氨酰胺代谢对癌细胞的生长和存活至关重要。早在1950年代，科学家就开始研究如何利用谷氨酰胺代谢化合物阻断癌细胞谷氨酰胺代谢，包括阿西维汀等。虽然动物模型显示一定程度的抗癌作用，但毒副作用阻止了对这些药物的进一步开发。近年来，伴随着对谷氨酰胺在癌症代谢中进一步认识，新一波的药物开发策略蓬勃发展（图9）。

图9 癌细胞谷氨酰胺分解，图片来源：Oncogene. 2016 Jul 14; 35（28）: 3619–3625

因为谷氨酰胺酶（Glutaminase，GLS）在谷氨酰胺代谢中的关键作用，GLS成为迄今为止在谷氨酰胺代谢途径中研究最广泛的药物靶标，其中 CB-839 目前处于多项临床二期临床试验中。

2019年公布的CB-839联合依维莫司治疗晚期肾细胞癌患者临床数据显示，和依维莫司单独使用对比，联合疗法中位无进展生存期延长了一倍至3.8个月，疾病进展或死亡的风险降低了36％（HR = 0.64）。


结   语

2015，诺奖得主、DNA之父 詹姆斯·沃森在接受《严肃科学》（Serious Science）采访时被问到对治愈癌症的看法，他说，“如果我们干扰癌细胞的非正常代谢，将会攻克癌症” [19]。当然，这是沃森一家之言，但癌细胞代谢途径对癌症治疗的前景可见一斑。


参考文献

1.Hanahan, D. and R.A. Weinberg, Hallmarks of cancer: the next generation. Cell, 2011. 144（5）: p. 646-74.

2.Wolpaw, A.J. and C.V. Dang, Exploiting Metabolic Vulnerabilities of Cancer with Precision and Accuracy. Trends Cell Biol, 2018. 28（3）: p. 201-212.

3.Koppenol, W.H., P.L. Bounds, and C.V. Dang, Otto Warburg's contributions to current concepts of cancer metabolism. Nat Rev Cancer, 2011. 11（5）: p. 325-37.

4.Vander Heiden, M.G., L.C. Cantley, and C.B. Thompson, Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation. Science, 2009. 324（5930）: p. 1029-33.

5.Liberti, M.V. and J.W. Locasale, The Warburg Effect: How Does it Benefit Cancer Cells? Trends Biochem Sci, 2016. 41（3）: p. 211-8.

6.Sivanand, S. and M.G. Vander Heiden, Emerging Roles for Branched-Chain Amino Acid Metabolism in Cancer. Cancer Cell, 2020. 37（2）: p. 147-156.

7.Altman, B.J., Z.E. Stine, and C.V. Dang, From Krebs to clinic: glutamine metabolism to cancer therapy. Nat Rev Cancer, 2016. 16（10）: p. 619-34.

8.Kremer, J.C., et al., Arginine Deprivation Inhibits the Warburg Effect and Upregulates Glutamine Anaplerosis and Serine Biosynthesis in ASS1-Deficient Cancers. Cell Rep, 2017. 18（4）: p. 991-1004.

9.Zhang, J., et al., Asparagine plays a critical role in regulating cellular adaptation to glutamine depletion. Mol Cell, 2014. 56（2）: p. 205-18.

10.Maddocks, O.D.K., et al., Modulating the therapeutic response of tumours to dietary serine and glycine starvation. Nature, 2017. 544（7650）: p. 372-376.

11.Fung, M.K.L. and G.C. Chan, Drug-induced amino acid deprivation as strategy for cancer therapy. J Hematol Oncol, 2017. 10（1）: p. 144.

12.Faubert, B., et al., Lactate Metabolism in Human Lung Tumors. Cell, 2017. 171（2）: p. 358-371 e9.

13.Hui, S., et al., Glucose feeds the TCA cycle via circulating lactate. Nature, 2017.

14.Sousa, C.M., et al., Pancreatic stellate cells support tumour metabolism through autophagic alanine secretion. Nature, 2016. 536（7617）: p. 479-83.

15.Zhao, H., et al., Tumor microenvironment derived exosomes pleiotropically modulate cancer cell metabolism. Elife, 2016. 5: p. e10250.

16.Zhao, E., et al., Cancer mediates effector T cell dysfunction by targeting microRNAs and EZH2 via glycolysis restriction. Nat Immunol, 2016. 17（1）: p. 95-103.

17.Losman, J.A. and W.G. Kaelin, Jr., What a difference a hydroxyl makes: mutant IDH, （R）-2-hydroxyglutarate, and cancer. Genes Dev, 2013. 27（8）: p. 836-52.

18.Speights, K., 3 Cancer Drug Stocks That Could Make You Rich 2017.

19.Polevaya, J. James Watson: “I believe that the most important people now are the chemists, not the DNA people”. 2015.


转自微信公众号知识分子

原文链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/dlj8JA7n76i2ORATdjdy9w