谷氨酰胺与癌症：细胞生物学、生理学和临床机会

摘要

介绍

自从发现肿瘤显示出新陈代谢活动以来，已经有近一个世纪了，这些代谢活动将肿瘤与分化的非增殖组织区分开来，并可能有助于肿瘤的超生理存活和生长(1). 癌基因和肿瘤抑制剂可以调节营养代谢，一些代谢酶的突变参与了恶性肿瘤的发展，这一发现增强了人们对癌症代谢的兴趣(2,三). 癌症代谢作为一个研究领域的持久吸引力在于它能够揭示恶性肿瘤的基本方面，以及利用癌症代谢来改善我们诊断、监测和治疗癌症的方式的转化潜力。此外，对新陈代谢改变如何导致癌症的更好理解，有助于与翻译工作协同作用。例如，天冬酰胺是快速生长的癌细胞中一种条件必需的营养素的证明为L-天冬酰胺酶治疗白血病铺平了道路。此外，一些肿瘤对葡萄糖摄取的渴求导致了¹⁸氟-2-脱氧葡萄糖PET显像；这反过来刺激了数百项关于肿瘤葡萄糖代谢生物学基础的研究。

在了解癌症中哪些代谢途径发生了改变，这些改变是否对肿瘤有实质性的益处，以及这些信息如何用于临床肿瘤学方面，仍然存在很大差距。在这篇综述中，我们考虑了谷氨酰胺，这是一种用途广泛的营养素，其代谢对肿瘤细胞生物学、代谢成像以及可能的新疗法都有影响。

谷氨酰胺在中间代谢中的作用

谷氨酰胺代谢已被广泛审查，并在这里简要概述(4,5). 谷氨酰胺作为一种营养素在癌症中的重要性源于其将氮和碳捐献到一系列促生长途径中的能力（图​（图1）。1). 在0.6–0.9 mmol/l的浓度下，谷氨酰胺是血浆中最丰富的氨基酸(6). 虽然大多数组织都能合成谷氨酰胺，但在快速生长或其他应激期间，需求大于供应，谷氨酰胺成为条件必需的(7). 这种对谷氨酰胺的需求尤其适用于癌细胞，其中许多癌细胞在培养中表现出对谷氨酰胺依赖性的依赖性(8). 谷氨酰胺分解代谢始于其转化为谷氨酸的反应，这些反应要么将酰胺氮提供给生物合成途径，要么将其释放为氨。后一种反应由谷氨酰胺酶（GLS）催化，谷氨酰胺酶的几种同工酶由人类基因编码GLS公司和GLS2级(9). 经典研究表明，GLS同工酶，尤其是由GLS公司在大鼠和小鼠的实验性肿瘤中表达，其酶活性与生长速度和恶性程度相关。沉默GLS公司在许多模型中，表达或抑制GLS活性足以延缓肿瘤生长(10–13). 的作用GLS2级在癌症中，似乎是特定于环境的，并由尚不完全确定的因素调节。在一些组织中，GLS2级是一个p53靶基因，似乎在肿瘤抑制中起作用(14). 另一方面，GLS2级在一些神经母细胞瘤中表达增强，有助于细胞存活(15). 这些观察以及c-Myc刺激GLS公司表达式(12,16)，将至少一些GLS同工酶定位为前致癌酶。

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图1

谷氨酰胺代谢作为癌症诊断成像和治疗的靶点。

谷氨酰胺通过SLC1A5和其他转运体输入，然后进入复杂的代谢网络，通过该网络向促进细胞生存和生长的途径供应碳和氮。文中讨论的酶以绿色显示，针对谷氨酰胺代谢各个方面的抑制剂以红色显示。绿色箭头表示还原羧基化。¹⁸谷氨酰胺的F-标记类似物也正在开发中，用作肿瘤组织定位的PET探针。乙酰辅酶A；DON，6-二氮杂-5-氧代-L-异亮氨酸；谷胱甘肽、谷胱甘肽；NEAA，非必需氨基酸；ME，苹果酸酶；草酰乙酸；TA、转氨酶；968，化合物968；α-KG、α-酮戊二酸。

谷氨酸是GLS反应的产物，是主要的细胞抗氧化剂谷胱甘肽的前体。它也是丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和甘氨酸等非必需氨基酸的氨基的来源，所有这些都是大分子合成所必需的。在谷氨酰胺消耗细胞中，谷氨酸也是α-酮戊二酸的主要来源，α-酮戊二酸是TCA循环的中间产物，是修饰蛋白质和DNA的加氧酶的底物。这些加氧酶包括脯氨酰羟化酶、组蛋白去甲基酶和5-甲基胞嘧啶羟化酶。他们对α-酮戊二酸的需求，虽然可能只占α-酮戊二酸总利用量的一小部分，但使这种代谢物成为细胞信号和表观遗传网络的重要组成部分。

谷氨酸转化为α-酮戊二酸是通过线粒体中谷氨酸脱氢酶（GDH）的氧化脱氨作用或通过转氨作用在胞浆或线粒体中产生非必需氨基酸来实现的。在剧烈的葡萄糖代谢过程中，转氨途径占主导地位(17). 当葡萄糖缺乏时，GDH成为向TCA循环提供谷氨酰胺碳的主要途径，是细胞生存所必需的(17,18). 谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸在TCA循环中的代谢有几个目的：它产生电子传递链（ETC）和氧化磷酸化的还原当量，成为主要的能量来源(19); 它是一种重要的再生营养素，为草酰乙酸的净生产提供营养，以抵消循环中中间体的出口，从而提供合成代谢(20). 谷氨酰胺氧化还通过向苹果酸酶提供碳来支持氧化还原平衡，苹果酸酶的一些亚型产生NADPH（图​（图1）。1). 在KRAS公司-由胰腺癌细胞驱动，一条涉及谷氨酰胺依赖性NADPH生成的通路对氧化还原平衡和生长至关重要(21). 在这些细胞中，谷氨酰胺被用来在线粒体中生成天冬氨酸。然后，天冬氨酸酯被输送到胞浆，在胞浆中脱氨基生成草酰乙酸，然后生成苹果酸，苹果酸是苹果酸酶的底物。

最近的研究发现，谷氨酰胺在线粒体功能降低的细胞中发挥了意想不到的作用。尽管谷氨酰胺是一种传统的呼吸底物，但几项研究表明，ETC或TCA周期突变导致永久性线粒体功能障碍，或缺氧导致短暂损伤的细胞中，谷氨酰胺依赖性持续存在(22–25). 在这些条件下，谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸被NADPH依赖的异柠檬酸脱氢酶亚型还原羧基化，生成异柠檬酸、柠檬酸和其他TCA循环中间产物（图​（图1）。1). 这些条件扩大了谷氨酰胺作为碳源的用途，因为它不仅成为草酰乙酸的主要来源，而且还生成乙酰辅酶a，相当于TCA循环代谢的惊人重组。

谷氨酰胺促进恶性肿瘤的特征

健康和疾病中的器官特异性谷氨酰胺代谢

作为碳和氮运输的主要参与者，谷氨酰胺代谢显示出复杂的机体间动力学，一些器官充当净生产者，其他器官充当消费者（图​（图2）。2). 通过测量血浆谷氨酰胺丰度的动静脉差异，经常在人类和动物模型中研究器官特异性谷氨酰胺代谢。在健康受试者中，血浆谷氨酰胺池主要是骨骼肌释放的结果(37–39). 在大鼠体内，肺的谷氨酰胺生成量与肌肉相当(40,41)人的肺部也有明显的谷氨酰胺释放能力，尽管这种释放在应激时最为显著(42,43). 糖皮质激素信号和其他机制导致谷氨酰胺合成酶表达，从而调节应激诱导的肺释放(44,45). 虽然这会导致较小的动静脉差异，但由于肺灌注较大，谷氨酰胺的总体释放量显著。在大鼠和人类中，脂肪组织是谷氨酰胺的次要但潜在的重要来源(46,47). 肝脏有合成或分解代谢谷氨酰胺的能力，这些活性既受肝细胞区域异质性的影响，也受全身酸中毒和高氨血症的调节作用的影响。然而，肝脏似乎不是健康大鼠和人类血浆谷氨酰胺库的主要来源(39,48,49).

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图2

健康和癌症中的组织间谷氨酰胺代谢模型。

向血液中释放谷氨酰胺的器官显示为绿色，而消耗谷氨酰胺的则显示为红色；阴影表示消耗量/释放量。对于某些器官（肝脏、肾脏），来自模型系统和/或人体研究的证据表明，在肿瘤发生过程中，谷氨酰胺净流量发生了变化。

谷氨酰胺消耗主要发生在肠道和肾脏。门静脉排出的胃肠道器官，尤其是小肠，是大鼠和人类血浆谷氨酰胺的主要消耗者(37,38,49,50). 肠细胞将一半以上的谷氨酰胺碳氧化为一氧化碳₂占空腹动物这些细胞呼吸的三分之一(51). 肾脏净消耗谷氨酰胺以维持酸碱平衡(37,38,52,53). 在酸中毒期间，肾脏显著增加谷氨酰胺的摄取，GLS将其裂解以产生氨，氨与有机酸一起排出以维持生理pH(52,54). 谷氨酰胺也是淋巴细胞和巨噬细胞的主要代谢底物，至少在培养的原代细胞有丝分裂刺激期间是如此(55–57).

重要的是，癌症似乎会引起有机间谷氨酰胺贩运的重大变化（图​（图2）。2). 目前，这一领域的许多工作都来源于对大鼠甲基胆蒽诱导的纤维肉瘤的研究，这是一种生长迅速、消耗谷氨酰胺的肿瘤模型。在这个模型中，纤维肉瘤诱导骨骼肌谷氨酰胺合成酶的表达，并大大增加谷氨酰胺释放到循环中。随着肿瘤体积的增大，肌肉内的谷氨酰胺池会随着瘦肌肉质量的减少而耗尽，这与癌症晚期患者的恶病质表型相似(52). 同时，肝脏和肾脏都成为谷氨酰胺的净输出者，尽管随着肿瘤变大，肝脏的作用可能会减弱(48,49,52). 癌症患者门静脉供血器官对谷氨酰胺的利用减少(48). 除了作为肿瘤本身的营养素，以及可能对癌相关免疫细胞的营养素外，谷氨酰胺还为肿瘤和宿主提供额外的间接代谢益处。例如，谷氨酰胺被用作患有大型原位胶质瘤的恶病质小鼠的糖异生底物，为血糖库提供了重要的碳源(58). 这种葡萄糖被肿瘤吸收并代谢，以产生乳酸并供应TCA循环。

在健康受试者和癌症患者中推广人体间谷氨酰胺贩运的工作将是很有价值的。这些研究可能会更好地了解癌症恶病质的病理生理学，恶病质是发病率和死亡率的主要来源。该领域的研究还应有助于预测旨在干扰谷氨酰胺代谢的药物的器官特异性毒性。与健康受试者相比，癌症中谷氨酰胺处理的改变可能会引起不同谱的毒性。

肿瘤因其对谷氨酰胺的需求而异

一个重要的考虑是，并非所有的癌细胞都需要外源性谷氨酰胺供应。一组肺癌细胞株对谷氨酰胺缺乏的反应表现出显著的变异性，其中一些细胞几乎完全独立(59). 乳腺癌细胞在谷氨酰胺依赖性方面也表现出系统性差异，基底型细胞倾向于谷氨酰胺依赖，管腔型细胞趋向于谷氨酰胺非依赖(60). 对谷氨酰胺缺乏的抵抗与从头合成谷氨酰胺和/或参与替代性恢复途径的能力有关(10,60).

肿瘤在体内也显示出不同水平的谷氨酰胺代谢。一项对原位胶质瘤的研究表明，基因多样的人源性肿瘤在小鼠大脑中摄取谷氨酰胺，但没有分解代谢(58). 相反，肿瘤从头合成谷氨酰胺，并使用丙酮酸羧基化来修复。来自这些肿瘤的细胞在体外培养时不需要谷氨酰胺来存活或增殖。从葡萄糖合成谷氨酰胺也是注射了¹³手术切除时的C-葡萄糖(61). 此外，对肺和肝肿瘤中谷氨酰胺代谢的分析表明，来源组织和癌基因都会影响肿瘤是否产生或消耗谷氨酰胺(62). MET诱导的肝癌产生谷氨酰胺，而Myc诱导的肝癌分解代谢谷氨酰胺。然而，在肺部，Myc的表达与谷氨酰胺的积累有关。

这种可变性使得开发方法来预测哪些肿瘤对谷氨酰胺代谢抑制剂反应的可能性最大势在必行。在这方面，对体内谷氨酰胺代谢进行成像或量化的方法是有用的(63). 给术前受试者输注同位素标记的谷氨酰胺，然后从肿瘤中提取代谢物并分析¹³C富集，可用于检测谷氨酰胺摄取和分解代谢(58,62). 然而，这种方法需要获得肿瘤标本。基于谷氨酰胺的成像方法避免了这个问题，包括一些与PET兼容的谷氨酰胺类似物。虽然谷氨酰胺原则上可以用放射性同位素成像¹¹C、，¹³N、 或¹⁸F、 后者相对较长的半衰期增加了它的吸引力。在小鼠中，¹⁸F-（2S公司, 4R（右）)4-氟谷氨酰胺被高度谷氨酰胺分解细胞产生的肿瘤以及肠道、肾脏、肝脏和胰腺等含谷氨酰胺的器官大量摄取(64). 标记的谷氨酸类似物也被一些肿瘤吸收(65,66). 其中之一，（4S公司)-4-(3-[¹⁸F] 氟丙基）-L-谷氨酸(¹⁸F-FSPG，也称为BAY 94-9392），在涉及多种癌症患者的小型临床试验中进行了评估(65,67). 这种类似物通过胱氨酸/谷氨酸交换转运体（xC）进入细胞^–运输系统），与谷胱甘肽生物合成有关(68). 该类似物耐受性良好，在肝细胞癌和肺癌中具有较高的肿瘤检出率和良好的肿瘤背景比。

PET方法检测模拟物的摄取和滞留，但不能提供下游代谢的信息。对超极化核的分析可以提供酶催化反应的实时视图。这项技术涉及到核子能级的重新分布（例如。，¹³C、，¹⁵N） 从而使磁共振信号的增益暂时超过10000倍(69). 这种信号增益可以快速检测标记分子及其下游代谢物。谷氨酰胺在¹⁵N和¹³C(70,71). 在后一种情况下，在完整的肝癌细胞中可以检测到超极化谷氨酰胺转化为谷氨酸(70). 如果将这些类似物转化为临床研究，它们可能会提供体内谷氨酰胺水解近端反应的动态视图。

抑制癌症中谷氨酰胺代谢的药理学策略

使用氨基酸类似物抑制谷氨酰胺代谢的研究有着广泛的历史，包括临床试验中的评估。Acivicin、6-重氮-5-氧代-L-去甲亮氨酸和氮杂丝氨酸是研究最广泛的三种类似物（图​（图1），1)，均表现出不同程度的胃肠道毒性、骨髓抑制和神经毒性(72). 由于这些制剂非选择性地靶向谷氨酰胺消耗过程，最近的兴趣集中在开发针对谷氨酰胺代谢特定节点的方法上。首先是ASCT2，Na⁺-依赖性中性氨基酸转运体编码SLC1A5型在肺癌细胞系中广泛表达，并占这些细胞中谷氨酰胺转运的大部分（图​（图1）。1). 已有研究表明，γ-L-谷氨酰对硝基苯胺（GPNA）抑制这种转运体并限制肺癌细胞生长(73). GPNA的另一个兴趣在于它能够增强通过单羧酸转运体MCT1输入的药物的摄取。用GPNA抑制谷氨酰胺摄取可增强MCT1的稳定性并刺激糖酵解抑制剂3-溴丙酮酸（3-BrPyr）的摄取(74,75). 因为强制MCT1过度表达足以使肿瘤异种移植物对3-BrPyr敏感(76)GPNA可能在基于3-BrPyr的治疗方案中占有一席之地。

近年来，GLS亚型的两种抑制剂已被鉴定（图​（图1）。1). 化合物968GLS公司-编码剪接亚型GAC，通过致癌RhoGTPases抑制成纤维细胞的转化，并延迟表达GLS的淋巴瘤异种移植物的生长(13). 双-2-（5-苯基乙酰胺-1,2,4-噻二唑-2-基）乙基硫醚（BPTES）也能有效抑制由GLS公司(77). BPTES可在常氧和缺氧条件下降低P493淋巴瘤细胞的ATP水平和生长速度，并抑制P493衍生异种移植物的生长(78).

证据也支持靶向谷氨酸到α-酮戊二酸的流量的作用，尽管还没有有效的特异性抑制剂来抑制完整细胞中的这些酶。氨基氧乙酸（AOA）非特异性地抑制转氨酶，但通常使用毫摩尔剂量在培养细胞中实现这种效果（图​（图1）。1). 然而，AOA在小鼠乳腺癌异种移植瘤和本地神经母细胞瘤中均显示出疗效(15,79). 表没食子酸儿茶素（EGCG）是一种绿茶多酚，具有多种药理作用，其中之一是抑制GDH(80). EGCG对GDH的作用已被用于在葡萄糖剥夺或糖酵解抑制期间杀死谷氨酰胺依赖的癌细胞(17,18)抑制神经母细胞瘤异种移植瘤的生长(15).

利用癌症中谷氨酰胺代谢的范例

基于谷氨酰胺的成像技术的最新进展，再加上谷氨酰胺代谢抑制剂在小鼠肿瘤模型中的成功应用，使得我们有可能构思出考虑肿瘤谷氨酰胺利用的治疗方案。一个关键的挑战是预测哪些肿瘤最可能对谷氨酰胺代谢抑制剂产生反应。神经母细胞瘤被用作肿瘤的一个例子，证据支持将基于谷氨酰胺的成像和治疗策略的实用性（图​（图3）。三). 神经母细胞瘤是儿童第二常见的颅外实体恶性肿瘤。高危神经母细胞瘤是根据肿瘤的年龄、分期和生物学特征定义的，包括MYCN公司放大，在大约20%–25%的病例中发生(31). 因为MYCN公司-扩增的肿瘤细胞需要谷氨酰胺分解代谢才能生存和生长(15)标准诊断成像时基于谷氨酰胺的PET有助于预测哪些肿瘤可能对谷氨酰胺代谢抑制剂产生反应。输液¹³C-谷氨酰胺与诊断活检相配合，可以检查¹³肿瘤中谷氨酰胺衍生代谢物中的C富集，证实了谷氨酰胺分解代谢途径的活性。根据神经母细胞瘤小鼠模型的证据，治疗可以包括针对谷氨酰胺分解代谢的药物(15). 值得注意的是，一些肿瘤对ATF4激动剂芬瑞汀（FRT）敏感，无论是单独使用还是与EGCG联合使用。重要的是，FRT已经成为包括神经母细胞瘤在内的实体瘤儿童I期临床试验的重点，并且耐受性相当好(81).

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图3

将谷氨酰胺代谢整合到神经母细胞瘤的诊断、分类、治疗和监测中的策略。

神经母细胞瘤通常以腹部肿块的形式出现在儿童身上。对疑似神经母细胞癌儿童的标准评估包括尿液儿茶酚胺的测量、骨骼扫描和用偏碘苄基胍（MIBG）进行全身成像，所有这些都有助于诊断和疾病分期。在动物模型中，这些肿瘤的一个子集需要谷氨酰胺代谢。这一发现表明，对人类神经母细胞瘤中谷氨酰胺代谢（以红色突出显示）进行成像、量化或阻断的方法可以纳入该疾病的诊断和治疗。尤其是，谷氨酰胺代谢研究可能有助于预测哪些肿瘤会对针对谷氨酰胺代谢的治疗产生反应。HVA，高香草酸；VMA，香草扁桃酸。

结论

谷氨酰胺是一种多功能营养素，对潜在的大型肿瘤的生存和生长是必需的。未来几年的工作应能更准确地描述谷氨酰胺成瘾的分子决定因素，并识别谷氨酰胺分解代谢受损时执行细胞的死亡途径。基于谷氨酰胺的成像技术进入临床应用后，很快就可以将摄取谷氨酰胺的肿瘤与不摄取谷氨酰胺肿瘤区分开来。最后，开发安全、高效的关键代谢节点抑制剂应该有助于以抑制谷氨酰胺代谢为特征的治疗方案。

致谢

脚注

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