谷氨酰胺在癌症中的作用——治疗和影像学意义

摘要

癌症分子成像有潜力非侵入性地阐明肿瘤的生物学特性，以便个性化治疗和提高预后咨询的准确性。虽然传统的解剖成像提供了有关肿瘤大小和位置的关键信息，但对肿瘤的分子特征却知之甚少。肿瘤代谢的成像关键方面为现有模式增加了信息量，因为代谢报告了肿瘤生物学的许多临床相关方面，包括组织学分级、侵袭性和微环境的影响。20世纪20年代，Warburg在癌症代谢方面的开创性工作，特别是他观察到一些肿瘤的葡萄糖摄取率高于正常组织，为¹⁸FDG-PET是目前最常用的代谢成像形式。这项技术利用了这样一个事实，即葡萄糖摄取增加是导致恶性转化的许多突变的共同作用(1). 它在临床上用于精确定位肿瘤组织的位置和分布，确定治疗反应，并监测复发。

尽管¹⁸在临床肿瘤学中，FDG-PET提供的有关肿瘤代谢的信息实际上相当有限。PET没有提供示踪剂进入肿瘤后的去向信息，因此用户对细胞内肿瘤葡萄糖处理的微妙之处一无所知。此外，肿瘤不消耗葡萄糖作为其唯一的营养物质，其对其他底物的利用也通过PET进行开发(2,三). 例如，甲硫氨酸或酪氨酸的类似物用¹⁸F或¹¹C已被成功使用，它们在肿瘤内的浓度可能反映了癌细胞中氨基酸转运蛋白表面表达的增加(4). 在肿瘤所消耗的其他营养素中，谷氨酰胺是用途最广的，可能也是消耗最快的(5). 谷氨酰胺是血浆中最丰富的氨基酸，通过提供氮和碳的主要组织间穿梭物，在中间代谢中占据独特的位置(6). 在这里，我们讨论了为什么谷氨酰胺是肿瘤维持和生长的关键营养素，以及为什么谷氨酰胺代谢是癌症新分子成像策略的诱人靶点。

肿瘤细胞中的谷氨酰胺代谢

谷氨酰胺作为氮和碳的来源，使其成为细胞增殖过程中的关键营养素(图1). 谷氨酰胺含有氨基和氨基氮素，在合成核酸、蛋白质和己糖胺时，这些氮素要么被转移到代谢中间体，要么被释放为氨。虽然这两类物质中有很大一部分最终都是由快速分裂的癌细胞分泌出来的，但除非这些氮中的一部分被保留下来以形成复杂分子，否则增殖是不可能发生的(7). 在简单的细胞生长模型中，作为氮供体的角色似乎可以解释谷氨酰胺缺乏的一些生长抑制效应(8,9). 己糖胺，尤其是UDP-连接的N-乙酰氨基葡萄糖（UDP-GlcNAc）用于翻译后蛋白质修饰，是谷氨酰胺依赖性细胞生长和增殖所必需的(10). 己糖胺生物合成整合了葡萄糖和谷氨酰胺代谢，因为速率限制步骤是谷氨酰胺的γ-氨基通过谷氨酰胺果糖-6-磷酸酰胺转移酶（GFAT）添加到己糖中。在造血细胞中，IL-3刺激谷氨酰胺摄取和细胞生长需要IL-3受体α亚基的GlcNAc和N-连接糖基化(11). 由于谷氨酰胺也需要用于从头开始GlcNAc生物合成，研究结果表明存在一种前馈机制，即在细胞增殖期间持续摄取谷氨酰胺会传播生长信号。

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图1

癌细胞中谷氨酰胺代谢及其癌基因和肿瘤抑制因子的调节。谷氨酰胺通过表面转运体如ASCT1或SN2导入细胞后，大部分谷氨酰胺要么向大分子提供氮，要么被谷氨酰胺酶脱酰胺，谷氨酰胺酶去除γ-氮形成谷氨酸（Glu）。谷氨酸可用于谷胱甘肽（GSH）的生物合成，或在线粒体中进一步加工，在线粒体中，通过氨基转移酶或谷氨酸脱氢酶（GDH）去除α-氮可产生α-酮戊二酸（α-KG）。谷氨酰胺酶（GLS，GLS2）的表达分别受到c-Myc和p53的上调。谷氨酰胺合成酶（GS）的表达由β-catenin（β-cat）驱动。缩写，Ac-CoA，乙酰-CoA；丙氨酸氨基转移酶；天冬氨酸转氨酶；Cit，柠檬酸盐；草酰乙酸；丙酮酸；TCA，三羧酸。

谷氨酰胺氨基/酰胺基的丢失产生了碳骨架（α-酮戊二酸），也被广泛代谢。一些癌细胞通过氧化线粒体中谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸来产生50%以上的ATP(12). 此外，谷氨酰胺碳向三羧酸（TCA）循环的传递通过维持循环的功能促进生长，即使中间产物被移除以提供生物合成途径，如脂质合成(图1). 这一过程被称为无补，可以被视为所有代谢途径的总和，这些代谢途径在不首先通过乙酰辅酶A的情况下产生草酰乙酸。在一些癌细胞系中，尽管包括葡萄糖在内的许多其他营养素可以用于补体，但高比例的补体是由谷氨酰胺提供的(7). 谷氨酰胺作为补体前体的主要作用可能与其丰度和最终形成α-酮戊二酸的氮氧化反应的重要性有关。

谷氨酰胺还有助于减轻活性氧（ROS）的影响，活性氧是细胞快速生长的高通量代谢状态所形成的。谷氨酰胺脱酰胺后，生成的谷氨酸可以与半胱氨酸缩合，形成谷胱甘肽（GSH）的二肽前体，谷胱甘苷是一种主要的抗氧化剂。在ROS诱导的应激过程中，哺乳动物细胞可以激活谷氨酰胺分解代谢相关基因的表达。例如，暴露于过氧化氢或ROS诱导化学疗法的细胞激活GLS2级编码一种谷氨酰胺酶，将谷氨酰胺转化为谷氨酸(13). 这与谷胱甘肽丰度增加有关。应力引起的GLS2级表达受抑癌基因p53调控，并且过表达GLS2级减少肿瘤细胞的集落形成(13). 因此GLS2级可能在肿瘤抑制途径中发挥作用。

谷氨酰胺代谢的其他变化伴随着恶性转化，这些影响取决于转化的分子驱动因素。致癌转录因子c-Myc的活性增强通过增加表面转运蛋白ASCT2和SN2的表达以及该基因编码的肾型谷氨酰胺酶的表达来驱动谷氨酰胺代谢GLS公司(14,15). 重要的是，c-Myc增强的细胞对谷氨酰胺戒断非常敏感(14,16). 相比之下，其他肿瘤细胞似乎增加了从谷氨酸产生谷氨酰胺的能力。这种反应需要谷氨酰胺合成酶（GS）将谷氨酸和氨缩合。GS在小鼠和人中的表达与β-catenin激活突变相关(17). 在许多人类癌症中观察到β-连环蛋白活性增强，包括基底细胞癌、肝癌和结直肠癌。虽然GS对肿瘤启动或进展的作用尚不清楚，但这种酶可能减轻谷氨酰胺依赖性，并允许细胞为生物合成反应或其他目的生成谷氨酰胺库。

多年来，人们一直在努力抑制肿瘤（包括人类）中的谷氨酰胺分解代谢。非选择性抑制剂，如6-重氮-5-氧代-L-去甲亮氨酸（DON），一种抑制GFAT、谷氨酰胺酶和其他谷氨酰胺依赖性反应的氨基酸类似物，早在20世纪50年代就已在临床试验中，但发现其无效和/或有毒。最近，一些报告描述了旨在选择性靶向谷氨酰胺酶的药物。其中一种是苯并[a]菲啰啶酮化合物，在Rho-GTPase介导转化的小分子抑制剂的筛选中被鉴定。随后发现这些化合物中最活跃的（#968）是谷氨酰胺酶抑制剂，并且在小鼠异种移植实验中抑制谷氨酰胺酶表达淋巴瘤细胞的生长(18). 在异柠檬酸脱氢酶-1 R132H突变的背景下，研究了一种变构谷氨酰胺酶抑制剂，双-2-（5-苯基乙酰氨基-1,2,4-噻二唑-2-基）乙基硫醚（BPTES）(印尼盾1) (19). 这种突变经常出现在低度胶质瘤中，导致这种酶将α-酮戊二酸转化为2-羟基戊二酸，这是一种被怀疑与肿瘤发生有关的“肿瘤介素”(20). BPTES抑制星形胶质细胞中的α-酮戊二酸水平，并优先抑制表达突变IDH1的细胞的生长(19). 这些初步研究的成功刺激了行业赞助的项目，以确定具有更高特异性和效力的新型谷氨酰胺酶抑制剂。

谷氨酰胺成像的机会

由于谷氨酰胺提供的许多代谢功能独立于葡萄糖提供的代谢功能，因此谷氨酰胺代谢成像将为了解肿瘤生物学的不同方面提供一个窗口¹⁸FDG-PET。可以想象几个场景，基于谷氨酰胺的PET将作为补充¹⁸FDG和其他营养类似物。首先，一些恶性肿瘤缺乏通过¹⁸FDG-PET；前列腺癌、支气管肺泡癌、类癌和低度恶性淋巴瘤属于这一类。这些肿瘤的一个子集可能使用谷氨酰胺作为替代营养素，并且使用基于谷氨酰胺的示踪剂可能更容易识别。其次，这些药物对服用抑制葡萄糖摄取的药物（如PI3K/Akt/mTOR信号通路抑制剂）的患者有用。在培养中，当葡萄糖代谢受损时，暴露于这些药物的细胞需要持续利用谷氨酰胺来维持生存(21). 结合¹⁸FDG-PET与基于谷氨酰胺的PET在治疗期间可能会识别出持续谷氨酰胺代谢将支持细胞生存并对结果产生负面影响的肿瘤。第三，可靠性¹⁸当肿瘤靠近正常组织时，FDG-PET受到限制¹⁸FDG集中（例如心脏和大脑）。这些组织中谷氨酰胺的消耗量很低，因此基于谷氨酰胺的PET可以改善肿瘤组织和正常组织之间的对比度。第四，根据谷氨酰胺摄取量可以预测肿瘤的遗传改变体内并最终根据这些信息定制治疗方案。¹⁸FDG-PET作为癌症的常规成像策略是成功的，因为葡萄糖摄取增强是许多不同突变的常见结果。但这限制了它预测特定突变存在的能力。如果谷氨酰胺代谢增强仅限于较小的肿瘤亚群（例如-myc公司扩增），那么谷氨酰胺成像可能是非常有信息的。

原则上，谷氨酰胺可以使用¹¹C或¹³N作为放射性同位素。非常短的半衰期¹³N（10分钟）可能使计划联合的、同一天的成像研究来检测肿瘤谷氨酰胺摄取成为可能——首先使用¹³N-标记谷氨酰胺后接¹⁸FDG-PET达到可接受数量¹³N个半衰期过去了。然而，谷氨酰胺的中间代谢给使用带来了一些挑战¹³N或¹¹因为谷氨酰胺的大部分碳和氮是从谷氨酰胺分解细胞中快速输出的(7). 尤其是氨基（γ）氮被谷氨酰胺酶释放为氨，然后分泌。完整的谷氨酰胺分解途径导致谷氨酰胺衍生碳转移到乳酸，乳酸也被分泌。具有高活性谷氨酰胺合成酶的肿瘤可能易于¹³N-氨PET，因为这种示踪剂凝结成新形成的谷氨酰胺会将其困在细胞内(22). 另一种方法是将谷氨酰胺类似物标记为¹⁸F.谷氨酰胺和谷氨酸的γ-氟化衍生物面板已经制备，并且很容易以相当于¹⁸FDG公司(23,24).

磁共振波谱（MRS）也可用于评估肿瘤内谷氨酰胺及其代谢产物。在高磁场（如7T）下，可以通过以下方式将谷氨酰胺与谷氨酸、谷胱甘肽和γ-氨基丁酸区分开来¹大脑中的核磁共振波谱(25). 肿瘤中这些池的扰动可能意味着新的生物学特性，并增加了临床MRS的价值。然而，理想的代谢成像形式将支持对真诚地代谢通量&即观察和量化碳/氮从基质到感兴趣组织内产物的转移。示踪研究以观察¹³C-或¹⁵N-标记的谷氨酰胺已经使用了几十年，但体内这些核的丰度和灵敏度较低，限制了对它们的检测。一种可能的方法是使用自旋耦合质子的反向检测来提高灵敏度；已成功用于监视¹⁵癌症细胞系中的氮代谢(26). 另一种方法，动态核极化（“超极化”），通过暂时将未成对电子的自旋状态转换为核自旋（通常为¹³C.这会导致信号增强10000倍或更多(27)使实时检测碳-碳转移成为可能。人们对使用超极化¹³C图像肿瘤中的代谢通量，特别是通过乳酸脱氢酶将碳从丙酮酸转移到乳酸(28). 超极化已被用于检测[5]的转换-¹³C] 谷氨酰胺至[5-¹³C] 癌细胞中的谷氨酸(29). 这种单一的代谢转化可能整合了肿瘤细胞生长所需的多种个体活动，包括合成核苷酸和己糖胺过程中的谷氨酰胺酶和供氮步骤。超极化¹⁵对一些含氮化合物成功地进行了N(30)如果这可以扩展到氨或谷氨酰胺，那么在癌症成像中可能会有一些有用的应用。

结论

谷氨酰胺是一种用途极广的营养素，有助于癌症细胞中间代谢的许多方面。它在形成细胞增殖和抗氧化应激所需的大分子方面尤为重要。由于谷氨酰胺代谢在恶性转化过程中发生改变，针对谷氨酰胺的成像策略应该为了解肿瘤生物学提供一个有用的窗口，从而补充¹⁸FDG-PET和其他当前技术。随着我们确定这种关键营养素在肿瘤生物学中的更多作用，利用谷氨酰胺成像作为癌症研究和临床工具将是有利的。

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