肿瘤细胞代谢的治疗靶向性

摘要

正常细胞和组织的代谢谱

在许多癌细胞中发现的Warburg效应[1]应该考虑正常人类细胞的不同代谢特征。正常细胞的基本代谢特征可能会影响癌细胞中癌基因和抑癌基因的改变对代谢的最终重新编程。正常的人体细胞因其在组织和器官中的居住地而异，而这些组织和器官本身为人体提供不同的功能。通过胃肠道吸收的食物物质通过门静脉输送到肝脏，在那里营养物质被储存或加工以循环到其他组织。在这方面，肝脏被组织成小叶，小叶包含中央静脉，并被门静脉三联体包围。门静脉三联体中的肝动脉为小叶提供含氧血液，而门静脉三联体中的门静脉携带肠内营养物质进行处理，如将脂肪重新包装为循环脂蛋白颗粒或将葡萄糖储存为糖原。当血糖水平低时，胰腺释放的胰高血糖素刺激肝糖原转化为葡萄糖，葡萄糖通过循环供应给其他器官。因此，葡萄糖是人类重要的能量货币。然而，喂食后，当血糖水平较高时，胰岛β细胞会释放胰岛素。胰岛素通过与细胞表面受体的结合，触发葡萄糖通过转运体进入组织，如肌肉利用或肝脏储存为糖原。心脏的主要功能是向身体灌注含氧血液和营养物质，它利用脂肪酸氧化作为关键的能量来源。心脏还可以输入乳酸并将其转化为丙酮酸，以便在线粒体中氧化，因此被视为氧化器官。相反，骨骼肌的主要功能是提供运动能力，它使用葡萄糖作为线粒体中氧化的快速能量来源。然而，随着长时间的运动和氧气供应的限制，肌肉可以利用厌氧糖酵解在缺氧的情况下将葡萄糖转化为乳酸来产生能量(图1). 因此，骨骼肌被视为无氧器官。通过Cori循环，循环中的乳酸可以在肝脏中转化为丙酮酸，用于糖异生。

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图1

参与癌细胞代谢的葡萄糖和谷氨酰胺代谢途径。葡萄糖和谷氨酰胺被描绘成通过糖酵解和三羧酸循环运输到细胞质进行分解代谢。葡萄糖通过己糖激酶2（HK2）、丙酮酸激酶M2（PKM2）和乳酸脱氢酶A（LDHA）等酶的作用转化为三糖，有助于脂质合成。丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）被HIF-1激活，抑制丙酮酸转化为乙酰辅酶A。谷氨酰胺通过谷氨酰胺酶（GLS）转化为谷氨酸，然后进一步分解为α-酮戊二酸，进入TCA循环，其中包括异柠檬酸脱氢酶（IDH）。TCA循环中的合成代谢碳有助于氨基酸、脂质和核酸的合成。谷氨酰胺也被描述为有助于谷胱甘肽和核酸合成

有趣的是，大脑的功能是处理信息，它是高度依赖葡萄糖的代谢最活跃的器官[2]. 星形胶质细胞输入葡萄糖，葡萄糖可以作为糖原储存或通过有氧糖酵解分解为乳酸(图1) [2]. 乳酸从星形胶质细胞输出，然后由神经元输入，转化为丙酮酸，丙酮酸被线粒体氧化生成ATP。因此，星形胶质细胞和神经元之间的共生代谢关系对于正常的大脑功能至关重要。星形胶质细胞和神经元之间的伙伴关系延伸到谷氨酰胺代谢，神经元吸收的谷氨酰胺转化为谷氨酸作为神经递质。一旦释放到突触间隙，谷氨酸被导入星形胶质细胞，然后通过谷氨酰胺合成酶再循环为谷氨酰胺。过量的谷氨酸对神经元有毒，因此，星形胶质细胞和神经元之间的共生稳态对正常的大脑功能至关重要。该电路的紊乱与神经退行性疾病和神经精神疾病的病因有关。

肝脏通过尿素循环和谷氨酸合成谷氨酰胺和谷氨酰胺合成酶合成氨，部分通过去除氨来解毒血液，谷氨酰胺合合酶在肝小叶静脉周围区域富集[三]. 肌肉是饥饿时谷氨酰胺循环的主要来源，在营养缺乏时也能合成谷氨酰胺。另一方面，肾脏利用谷氨酰胺产生氨来调节血液pH值。身体也通过脂肪酸氧化将脂肪酸作为燃料来源。来自脂肪酸的乙酰辅酶A需要碳水化合物或谷氨酰胺分解代谢物进入三羧酸（TCA）循环形成柠檬酸盐，这允许乙酰辅酶a氧化(图1). 在饥饿条件下，当葡萄糖耗尽时，草酰乙酸被消耗，通过糖异生形成葡萄糖，因此不能用于脂肪酸氧化。在这些条件下，乙酰辅酶A被转化为乙酰乙酸和3-羟基丁酸（称为酮体），这两种物质通常在无目标条件下由心脏和肾脏皮层使用。然而，大脑在长期饥饿条件下会适应和使用酮体。因此，正常细胞具有显著不同的代谢特征，可以通过饥饿进行重新编程。正常细胞向癌细胞的转化伴随着起源细胞的代谢特征，除非癌细胞几乎完全去分化并采用Warburg效应或有氧糖酵解，这是早期胚胎发生中代谢的特征。

在胚胎发生早期，细胞快速分裂的特点是有氧糖酵解，利用葡萄糖和乳酸生产，直至16细胞阶段，此时胚胎基因组被激活[4]. 在胚胎生长迅速增加的同时，有氧糖酵解和氧化磷酸化同时发生。然而，胚胎的不同层是否使用不同的代谢模式尚不清楚。葡萄糖、丙酮酸、乳酸和谷氨酰胺都被生长中的胚胎所消耗(图1). 因此，早期胚胎的未分化状态与有氧糖酵解增加有关，而后伴有氧化磷酸化，当快速生长伴随着胚胎基因组的激活时，谷氨酰胺用作氮源。

沃伯格效应的当前概念

Warburg效应描述了癌细胞在高水平使用葡萄糖并将其转化为乳酸的倾向，在过去几十年中，它主导了我们关于癌细胞代谢改变的概念框架(图1) [1]. 然而，在过去的五十年里，Warburg效应和癌细胞代谢的改变受到了尖锐的批评，而当现代分子肿瘤学出现在癌症研究领域时，这些都被进一步忽视了。事实上，随着癌基因和抑癌基因的发现，人们有望更深入、更深入地了解癌症的分子病因[5]. 这些发现提供了癌症的遗传基础，为深入了解控制正常细胞生长和增殖的分子电路提供了深刻的见解。当这些通路短路或因癌基因激活和肿瘤抑制因子丢失而变得混乱时，癌细胞增殖时不考虑通常会减弱正常细胞增殖的外部细胞信号。30多年来，癌症基因改变所产生的范式消耗了癌症研究者的社区，在这一时期，细胞自主遗传改变被认为是癌症发展和进展的关键驱动力。事实上，与癌基因激活或肿瘤抑制因子丢失相关的细胞代谢变化被认为是驱动细胞周期的更重要的基因改变的副现象。

致癌基因和抑癌基因本身的改变会导致细胞生长和分裂被解除管制，从而细胞与细胞的接触和其他外部线索不再会抑制细胞增殖。然而，获取细胞质量和增殖的动力需要能源供应和建筑模块[6]. 事实上，如果没有新血管进入肿瘤块，肿瘤在体内的直径就无法超过1毫米[7]. 随着人们认识到肿瘤相关新血管生成对肿瘤进展至关重要，对普遍认为基因改变足以触发肿瘤发生的概念进行了修正。本质上，一个正在生长的肿瘤需要原始的构建块和自我复制的能量来源。事实上，正电子发射断层扫描（PET）中放射性标记的氟-2-脱氧葡萄糖对肿瘤的摄取增加支持肿瘤对葡萄糖的摄取增加。事实上，沃伯格通过体内和体外研究表明，许多人类和动物癌症组织切片增强了葡萄糖摄取和乳酸生成[1]. 然而，值得注意的是，细胞不仅由葡萄糖提供的碳、氢和氧组成，而且还包括氮、磷、硫以及许多矿物质。因此，Warburg效应不足以维持癌症的生长和扩散，这需要输入其他营养物质作为细胞分裂的基石。

虽然血管生成为生长中的肿瘤提供氧气和营养，但新生血管形成不良，常有漏出的血管，这些血管不连接动脉和静脉循环，而是相当闭塞[8]. 因此，与正常组织相比，肿瘤组织往往灌注不良。灌注不足导致肿瘤组织普遍缺氧，导致HIF-1α稳定(图2)，以氧依赖的方式组成性转化和降解[9]. HIF-1α与HIF-1β二聚体形成转录因子，激活参与糖酵解的许多酶并抑制参与线粒体生物生成的基因。HIF-1进一步诱导血管生成，并且在癌症中通常作为一种适应性措施或作为不依赖于氧气稳定HIF-1α的信号转导途径的结果而增加。

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图2

由肿瘤血管灌注的肿瘤组织的假想动画。肿瘤组织块的三维切口，中心毛细血管从动脉侧向细胞内层输送氧气和营养物质。靠近动脉侧的细胞层消耗氧气，葡萄糖和谷氨酰胺作为底物，导致静脉血缺氧，使癌细胞向静脉侧缺氧。缺氧，如远离中心毛细血管动脉侧的氧梯度降低所示，如果上游致癌途径尚未稳定，则会诱导HIF-1。解除调控的HIF-1和致癌基因，如Myc，可以诱导Warburg效应。注意，细胞缺氧袖带中LDHA产生的乳酸在细胞中央层被LDHB转化为丙酮酸，在线粒体中被氧化

尽管癌症中HIF-1的激活将肿瘤代谢重新编程为糖酵解，但Warburg并未考虑低氧适应，他精心设计了体外实验，使氧气不受限制。Warburg效应的定义是，即使在氧气充足的情况下，癌细胞也会加强葡萄糖的使用并将其转化为乳酸，这一过程也称为有氧糖酵解。这与缺氧时糖代谢向厌氧糖酵解的经典转换形成对比。缺氧细胞适应和细胞自主致癌改变对癌细胞代谢的贡献对于理解癌细胞生物学都很重要。这些问题多年来一直处于争论的十字路口，引起了混乱。

华伯格效应的分子基础是什么？华伯格效应是指癌细胞以氧气不能像正常细胞那样抑制糖酵解的方式进行有氧糖酵化的能力？致癌基因和抑癌基因的功能与有氧糖酵解或Warburg效应有关吗？一般来说，癌基因的激活，如Ras、Akt和Myc，或p53的失活，可以以HIF-1诱导的依赖方式促进Warburg效应[10,11]. 然而，许多致癌途径，包括Ras、Akt、PI3K和VHL，都汇聚在HIF-1上，导致HIF-1的非缺氧表达，从而产生糖酵解的转录程序[12]. 在这方面，氧不能抑制糖酵解或Warburg效应可以由独立于HIF-1的致癌基因触发，也可以通过HIF-1触发。

癌细胞与正常细胞类似，生活在异质的生态位和微环境中。具体来说，氧气和营养素的梯度可能会很陡，在新肿瘤血管附近的浓度会升高，而在远离血液的地方浓度会降低[13] (图2). 因此，除了定义癌细胞的细胞自主遗传改变外，改变的基因组和代谢网络也受到营养和氧气可用性的干扰。事实上，最近的研究表明，肿瘤细胞可以挤出乳酸，然后乳酸可以被使用氧化磷酸化的肿瘤细胞再循环为丙酮酸，用于线粒体氧化，这些肿瘤细胞可能位于血管附近[14]. 该模型表明，即使癌细胞中的细胞自主性变化导致其主要依赖氧化磷酸化，远离新生血管区域的缺氧微环境也会诱导缺氧肿瘤细胞的糖酵解(图2) [15]. 虽然糖酵解的刺激是癌症基因改变的常见结果，但许多实验系统表明，癌细胞可能具有有利于氧化磷酸化的代谢特征。然而，体内缺氧肿瘤微环境似乎在调节肿瘤细胞代谢方面发挥着重要作用。具体而言，当我们寻求癌症治疗的靶向代谢策略时，了解缺氧如何影响癌细胞中的线粒体稳态和代谢将非常重要。

目前流行的观点是，线粒体功能在癌症中必然会下降，或者伴随着Warburg效应，这一观点需要修正[15]. Warburg在1927年的观察表明，癌症仍然消耗氧气和呼吸，但与正常组织不同，癌症向静脉中挤出大量乳酸[1]. 事实上，在致癌基因活化的实验系统中，同时发生有氧糖酵解和氧化磷酸化，谷氨酰胺在氧化磷酸化和无胸膜病变中发挥着重要作用。由于葡萄糖和谷氨酰胺仅为细胞提供元素C、H、O和N，因此合成新细胞时还必须输入其他含有S和P以及大量离子的营养素。除了Warburg对癌症研究的贡献外，对癌症细胞代谢的全面了解还需要对葡萄糖和谷氨酰胺以外的其他营养素进行进一步研究。此外，癌细胞的代谢受原代细胞的影响，原代细胞印有反映其正常功能的代谢谱。因此，细胞类型特异性效应和癌细胞去分化程度可能会影响癌细胞的整体代谢表型，预期高度未分化的癌细胞往往具有更高的Warburg效应，这为癌症治疗中的靶向代谢提供了基础。

针对Warburg效应

考虑到癌细胞有氧糖酵解增强，正常增殖细胞也表现出Warburg效应，它以癌症代谢为靶点的可行性如何？癌细胞和正常细胞之间的一个显著差异在于，不依赖于癌细胞营养物质的可用性，生物量积累的非调节性的致癌激活。因此，致癌基因的激活或抑癌基因的丢失会使癌细胞沉迷于充足的生物能量和合成代谢底物供应，从而持续生长和增殖[16,17]. 当生物量积累的生物能量需求超过生物能量供应时，癌细胞会发生自噬，最终导致生物能量细胞死亡。在这方面，作为癌症生物能量供应管道的关键代谢调节因子和酶可能是具有足够治疗窗口的治疗靶点，当靶点时，将保留正常组织[18].

己糖激酶2（HK2）(图1)现已被证明是HIF-1和Myc的转录靶点，自发现线粒体相关酶以来，多年来一直被视为治疗靶点。葡萄糖一旦被转运到细胞内，就会被HK2磷酸化，并通过获得负电荷而在细胞内滞留。葡萄糖-6-磷酸通过葡萄糖磷酸异构酶转化为果糖-6-磷酸，葡萄糖磷酸异构酶也被称为自分泌运动因子。多年来，3-溴丙酮酸被认为是针对HK2的，尽管最近的蛋白质组分析表明3-溴丙酸是针对甘油醛3-磷酸脱氢酶（GAPDH）的[19]. 然而，3-溴丙酮酸盐虽然缺乏特异性和较强的烷基化潜力，但在体内似乎具有显著的抗癌作用。鉴于己糖激酶是葡萄糖分解代谢的重要第一步，目前还没有更多针对HK2的特异性抑制剂来确定HK2的靶向性是否可行和耐受。

6-磷酸果糖-1-激酶（PFK）位于糖酵解过程中HK2的下游，将果糖-6-磷酸转化为果糖-1,6-二磷酸。PFK是变构调节的，ATP是一种强有力的抑制剂，果糖-2,6-二磷酸（F2,6-BP）是一种有力的激活剂。F2,6-BP水平受6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶（PFKFB 1-4）家族的四种酶的影响，因此降低F2,6-PP水平可以降低PFK活性，并有利于葡萄糖-6-磷酸分流到戊糖磷酸途径（PPP），升高F2,6-BP水平可以促进糖酵解。PFKFB3是HIF-1的有效靶点，产生F2,6-BP并有利于糖酵解。据报道，PFKFB3的小分子抑制剂（3-（3-吡啶基）-1-（4-吡啶基）-2-丙烯-1-酮（3PO））可抑制体外糖酵解和体内异种肿瘤生长[20]. PFKFB酶家族可能在癌症代谢中发挥关键作用，因此，对靶向治疗很有兴趣。

丙酮酸激酶（PK）(图1)其产物通过释放ATP将磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸，是Myc和HIF-1的靶基因，具有两个剪接变体mRNA。剪接变异体PKM2受到Myc诱导的剪接因子的青睐，十多年来一直与癌症代谢改变有关，但最近对这一潜在靶点的重新发现提高了人们对其作为Warburg效应关键贡献者的兴趣。PKM1是许多正常细胞中发现的剪接变体，其催化活性高于PKM2，PKM2在癌症中升高，这一点仍然存在一个主要的困惑。然而，与PKM1不同，PKM2由果糖-2,6-二磷酸（在活跃分裂的细胞中被酪氨酸磷酸化肽取代）进行变构正调控[21]. 因此，PKM2本身对Warburg效应本身没有贡献，而是提出了另一种从磷酸烯醇丙酮酸生成丙酮酸的途径，以解释PKM2表达增加的有氧糖酵解[22]. 鉴于活化的PKM2减缓糖酵解，正在努力探索PKM2抑制剂用于治疗目的的潜在用途[23]. 目前判断这一方法是否会取得成果还为时过早。

乳酸脱氢酶A（LDHA）(图1)是Myc和HIF-1的靶基因，在首次被证明对人类Burkitt淋巴瘤克隆原性至关重要之后，在三项独立研究中通过基因敲除证明对肿瘤发生至关重要[10,24]. 一种小分子LDHA抑制剂（FX11；3-二羟基-6-甲基-7-（苯甲基）-4-丙基萘-1-羧酸）被证明可以触发癌细胞中的氧化应激，类似于siRNA介导的基因敲除，导致坏死细胞死亡[9]. LDHA活性降低与NADH/NAD+比率升高有关，这与活性氧（ROS）增加和细胞死亡有关。据推测，过量的NADH可能会减少上游糖酵解通量，这需要回收NAD+，并增加不适当的呼吸复合物I活性和ROS生成，导致细胞死亡，而抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸部分挽救了细胞死亡。由于LDHA对Warburg效应中乳酸的产生至关重要，因此其抑制作用针对有氧糖酵解的心脏。

Myc和HIF-1通过诱导丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）增强Warburg效应(图1)磷酸化丙酮酸脱氢酶（PDH）并使其失活。抑制PDH会减少丙酮酸向乙酰辅酶A的转化，使更多的丙酮酸转化为乳酸。PDK1通过滴定丙酮酸盐通量进入线粒体，作为氧可用性的函数，对氧化还原平衡的调节至关重要。当氧气含量低时，丙酮酸向乙酰辅酶A的持续流动会触发活性氧生成增加和细胞存活率降低。在这方面，临床上用于治疗先天性乳酸酸中毒的二氯乙酸（DCA）对PDK的抑制似乎在选定的肿瘤模型中具有临床前抗肿瘤作用。据轶事记载，DCA也会影响人类胶质母细胞瘤的代谢。需要进行随机对照临床研究，以严格评估DCA对人类癌症的疗效[25].

值得注意的是，虽然Warburg效应是由已知的葡萄糖代谢关键酶介导的，由HIF-1和Myc调节，但抑制至少两种酶（LDHA和PDK1）会导致氧化还原应激和细胞死亡。这些观察结果表明，虽然葡萄糖代谢本身受到这些酶的抑制，但对氧化还原稳态有着深远的影响。在这方面，值得注意的是，葡萄糖-6-磷酸（由HK2产生）可以通过PPP分解代谢，产生核糖和NADPH，NADPH是还原代谢的关键分解代谢物(图1). 因此，PPP中的酶，如转酮醇酶（TKT）被提议作为治疗靶点，硫胺素类似物被提议作为转酮醇酶类抑制剂[26]. 然而，体内验证概念的临床前研究未能证明HCT 116异种移植物的治疗效果[26].

谷氨酰胺：癌症代谢的另一个致命弱点

大约80年前，Warburg还没有完全意识到癌细胞对谷氨酰胺的依赖性。最近，有文献证明，Myc调节谷氨酰胺代谢的许多步骤，这表明当癌症细胞中的代谢被重新编程时，谷氨酰胺代谢中的关键点可能成为目标。在这方面，值得注意的是，虽然Myc可以在转录后增加谷氨酰胺酶（GLS）(图1)激活的RhoGTPase可以将谷氨酰胺转化为谷氨酸，谷氨酸又被分解代谢为α-酮戊二酸，为TCA循环提供营养，还可以增加GLS，促进肿瘤转化。在筛选RhoGTPase介导的转化抑制剂时，发现一个小分子968通过抑制GLS抑制转化[27]. 化合物968，但不是其非活性衍生物，也能够通过Myc-inducible human Burkitt模型抑制体内淋巴瘤的生成。这一发现强调了一个主题，即癌症代谢的关键酶节点受多种致癌途径的影响。

异柠檬酸脱氢酶（IDH）对癌细胞代谢的重新编程(图1)人类胶质瘤和急性髓细胞白血病中常见的突变也可用于治疗[28,29]. 具体来说，IDH1和IDH2突变导致新酶活性，将α-酮戊二酸转化为2-羟基戊二酸，而不是导致异柠檬酸转化为α-酮戊二酸的IDH正常反应[30]. 因此，可以想象，如果具有突变型IDH的癌细胞的癌症表型依赖于突变酶，那么突变IDH抑制剂可能在治疗上有用。目前尚不清楚突变型IDH是否为肿瘤起始因子，这可能会干扰表观基因组，因为组蛋白和DNA脱甲基酶需要α-酮戊二酸，因此不需要肿瘤维持。突变型IDH对代谢的重新编程，特别是通过增加谷氨酰胺产生2-羟基戊二酸，表明具有突变型IDHs的癌细胞对谷氨酰胺上瘾，谷氨酰胺是α-酮戊二酸的来源，然后转化为2-羟基戊二酸。通过siRNA-介导的敲除和小分子抑制剂（BPTES；双-2-（5-苯基乙酰氨基-1,2,4-噻二唑-2-基）乙基硫醚）对谷氨酰胺酶的抑制来测试这一概念[31]. 与表达野生型IDH1的胶质瘤细胞相比，这两种方法都能显著延迟诱导表达突变IDH1胶质瘤细胞的生长。这项研究表明，癌细胞的重新编程代谢可以作为靶点。

谷氨酰胺代谢涉及谷氨酸转化为α-酮戊二酸，由两种酶介导：谷氨酸脱氢酶（GLUD1）和氨基转移酶（谷氨酸-丙酮酸转氨酶（GPT）或谷氨酸-草酰乙酸转氨酶。而GLUD1脱除谷氨酸，并可被绿茶成分表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）抑制[32]氨基氧乙酸（AOA）抑制转氨酶。EGCG已被证明在体内具有抗肿瘤作用，但鉴于已有许多候选分子靶点的报道，其确切靶点尚不清楚[33]. 有趣的是，已用于人类的AOA似乎对乳腺癌异种移植物具有显著的体内抑制作用[34]. 然而，目前尚不清楚这两种酶中的哪一种（GLUD1与转氨酶）用于特定类型癌症的谷氨酰胺代谢。癌症使用这两种途径产生α-酮戊二酸的差异可能有助于区分对EGCG或AOA的敏感性。

结束语

对癌症新陈代谢的重新关注带来了新的希望，一类新的治疗药物可能最终出现在癌症治疗的舞台上。然而，应该注意的是，正如本综述开头所暗示的那样，癌症的代谢谱可能会受到来源细胞的影响，而来源细胞因组织而异。即使是单一类型的癌症，例如胰腺癌，其代谢谱的异质性也必须得到更好的理解，才能将癌症定位于更致命且目前无法治疗的癌症。对于其他具有更统一表型的癌症，如不缺乏有效治疗方案的Burkitt淋巴瘤，我们对难治性淋巴瘤及其代谢特征的更深入了解可能会导致代谢抑制剂在临床上的有效使用。本综述中未讨论影响代谢调节器的分子，如HIF-1、mTOR和AMP激酶的抑制剂或激活剂。具体而言，mTOR抑制剂提供了确凿的证据，证明癌症代谢在临床上是可靶向的，尽管结果各不相同。最后，通过癌症流行病学研究，二甲双胍（一种抗糖尿病药物）已成为另一种临床有形的代谢抑制剂[35]. 二甲双胍通过抑制线粒体复合物I诱导AMPK，这被认为与降低癌症发生率有关[36]. 目前已有十多项临床试验使用二甲双胍治疗癌症。在接下来的5年里，对癌症新陈代谢的重新关注可能会加强我们的理解，并提供一类新的抗癌药物。

致谢

脚注

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