肺癌体内代谢分析：与真实情况完全不同

摘要

肿瘤代谢的内部机制：探测完整的人类肿瘤

人们对癌症代谢的兴趣正在复苏，因为一些开创性的发现表明，癌症中受到干扰的信号通路调节着代谢，一些代谢酶发挥着真正的抑癌剂和致癌基因的作用(1). 此外，多种证据表明，癌细胞在恶性转化过程中依赖于特定代谢途径的激活。代谢重编程最常见的研究方法是操纵培养细胞模型中癌基因或抑癌基因的表达，并观察随后的通路活性或依赖性变化。这一范式已经确定了许多将信号转导与代谢网络联系起来的新调节机制。然而，迄今为止，很少有研究直接检查完整人类肿瘤中代谢途径的利用。患者肿瘤中缺乏代谢数据，这使得简化的细胞自主代谢模型与体内癌细胞所经历的更为复杂和临床相关的条件脱节。

在本期杂志中，Sellers等人通过分析非小细胞肺癌（NSCLC）患者完整肿瘤的代谢来缩小这一差距(2). 作者给这些肿瘤注射了一剂¹³手术切除前几个小时C标记葡萄糖。肿瘤和非恶性肺组织的碎片在切除后立即被快速冷冻。然后对从这些样品中提取的代谢物进行分析¹³C富集，产生了肿瘤和肺部葡萄糖处理的蓝图。该分析证实并扩展了范和同事之前的研究结果(三)这表明肿瘤代谢物具有通过糖酵解和线粒体TCA循环增强葡萄糖利用的标记特征。肿瘤中糖酵解增强并不奇怪，因为对这种现象的描述可以追溯到20世纪20年代Otto Warburg进行的实验(4). TCA循环活性增强的预测性要差得多，因为过去一个世纪的普遍思路涉及到肿瘤中从线粒体代谢到糖酵解代谢的“转换”。非小细胞肺癌肿瘤的数据反对“转换”，相反，强烈建议恶性组织中这两种途径都增强。

TCA循环作为肿瘤细胞生长的合成代谢途径

正如Sellers等人指出的，TCA循环除了在能量形成中更为常见的功能外，还起着生物合成的作用，特定生物合成产物的产生可能是TCA循环在肿瘤中的重要性的基础。蛋白质、脂质和核酸合成的前体是在TCA循环中产生的，这些前体从循环中输出以提供大分子合成是培养中肿瘤细胞增殖的一个显著特征(5). 丙酮酸羧化是碳可以重新供应到TCA循环以抵消前体出口的几种机制之一(图1A). 这种过程称为回补途径，可防止TCA循环中间产物在细胞生长过程中耗尽。虽然有几种营养物质可以提供补充剂，但迄今为止，谷氨酰胺在癌细胞中的研究最为广泛。谷氨酰胺在组织和血浆中含量非常丰富。谷氨酰胺在线粒体中转化为α-酮戊二酸，这是一个由谷氨酰胺酶（GLS）启动的过程，在许多培养的癌细胞系和小鼠的一部分肿瘤中提供补血(6,7)(图1A). Sellers等人发现，虽然GLS和丙酮酸羧化酶（PC）均在非小细胞肺癌中表达，但与健康肺组织相比，只有PC在肿瘤中的表达系统性增强。尽管谷氨酰胺代谢没有在体内直接评估，但注射后TCA循环中间体的标记特征¹³C-葡萄糖与肿瘤中PC-依赖性充盈增强相一致。Sellers等人通过分析新鲜制备的肿瘤切片和体外培养的肺组织，补充了他们的体内方法¹³C标记营养素。这些实验表明，GLS和PC在肿瘤组织中均具有活性；事实上，谷氨酰胺是一个更突出的无补来源。然而，与正常肺相比，肿瘤中只有PC-依赖性标记增强。沉默非小细胞肺癌细胞株中PC的表达会改变TCA循环活性，并抑制培养物和异种移植物中的细胞生长(2).

在单独的窗口中打开

图1

人体肺癌体内代谢分析。

(一)非小细胞肺癌中间代谢的简化观点。中心碳代谢用蓝色表示，供给大分子合成的途径用绿色表示，补体途径用红色表示(B类)提出了分析肺部肿瘤代谢和分子异质性的工作流程。手术前成像技术，包括FDG-PET和多参数MRI，用于识别假定的异质性区域。然后给患者注入¹³手术时使用C标记底物，根据术前成像选择肿瘤样本。然后对每个样本分别进行分析，以获得各种潜在的信息特征。

Sellers及其同事的研究补充了一些最近的报告，这些报告强调了线粒体代谢在小鼠肿瘤中的重要性(7–9)和人类(10). 丙酮酸羧化明显优于谷氨酰胺依赖性再灌注，这与直接将患者植入小鼠脑内的人源性高级别原位胶质瘤的代谢表型相似(9). 在这个系统中¹³C-葡萄糖和¹³C-谷氨酰胺表明存在PC活性，但谷氨酰胺分解代谢很少（如果有的话），从这些胶质瘤中分离的细胞不需要谷氨酰胺维持生存或生长。因此，虽然回补可能是细胞快速增殖的基本特征，但癌细胞和肿瘤似乎偏好使用谷氨酰胺或丙酮酸来补充回补。这些偏好可能与癌基因型有关，因为增强的MYC在某些系统中明显诱导对谷氨酰胺的偏好(11–13). 有趣的是，尽管MYC驱动的谷氨酰胺依赖性癌细胞在培养中可以被诱导为谷氨酰胺依赖状态，但这种适应需要PC表达(14). 其他肿瘤细胞系在培养中使用PC作为首选的补体酶，当PC沉默时，不能强烈适应谷氨酰胺，类似于Sellers等人研究的NSCLC细胞系(14).

前进

Sellers等人的研究的一个主要优点是，它证明了用多维方法分析大量患者原发性肿瘤组织中同位素示踪剂代谢的可行性（80多名患者参与了该研究的一方面或多方面）。作者成功使用围手术期联合用药¹³C-葡萄糖输注与体外肿瘤切片相结合，预示着对多种实体肿瘤进行进一步研究的良好前景。希望这些技术将进一步减少对单层培养和小鼠模型作为研究癌症代谢流的唯一系统的依赖。然而，为了充分发挥这些方法的潜力，还有几个分析和生物学问题有待解决。首先，我们使用了两种截然不同的策略来实现¹³癌症患者的C-标记营养素：Sellers等人使用的团注法(2)并在血浆和肿瘤中持续输注近似同位素稳定状态(10). 每种方法都有其优点，包括推注的实用性和低成本，以及实现持续、高¹³通过输液富集C。对这两种方法进行严格的比较，最好是在同一模型中并排进行，这将有助于阐明每种交付方法的优势和缺陷。其次，目前，这些方法只提供了途径利用的定性而非定量观点，无法正式测量代谢率。例如，虽然可以精确测量乳酸标记，但它并不等同于测量糖酵解速率，因为大多数乳酸是从肿瘤中分泌出来的，并在分析中丢失。将复杂的计算模型应用于同位素示踪数据，再加上非侵入性监测代谢活动的动态方法，最终可能会实现定量通量测量；沿着这些路线的组合方法已经应用于癌细胞(15). 第三，除了示踪剂¹³现在应该使用C-葡萄糖来识别体内新的、潜在的靶向代谢负债。目前尚不清楚PC依赖性在癌症中是否可行，因为PC活性的严重降低会导致乳酸中毒、低血糖和发育异常(16); 然而，通过同位素输注可以发现其他途径。例如，从¹³胶质瘤和转移性脑肿瘤患者的C-葡萄糖输注表明，这些肿瘤除了葡萄糖外，还使用底物来供应TCA循环(10). 随后，对替代基质的研究表明¹³人脑肿瘤可氧化C-乙酸酯(17). 由于正常大脑中的氧化主要由葡萄糖控制，因此醋酸盐代谢可能被证明是一种可靶向的途径。

最后，扩展了Sellers等人描述的方法(2)可能有助于了解单个肿瘤内的代谢变化。实体瘤在区域灌注、基质细胞和免疫细胞对微环境的贡献以及分子独特细胞群的克隆扩张程度方面可能存在显著的异质性。所有这些都预计会影响新陈代谢，并可能影响针对特定酶或通路的治疗效果。因此，一个新出现的挑战是制定允许¹³C富集与肿瘤组织学和遗传学评估相结合。我们推测，术前代谢成像可用于指导患者的样本选择¹³C输注方案，从而实现代谢活性与生物参数的事后关联(图1B).¹⁸F-氟脱氧葡萄糖-PET（FDG-PET）通常用于评估肺部肿瘤，它可以识别葡萄糖摄取强烈的局部区域。多参数MRI对这类分析也特别有用(18)，因为它可以用于评估灌注、氧合、细胞数量、坏死和其他与癌细胞代谢相关的特征的区域异质性。利用这些成像特征来指导样本选择，可以直接测试增殖细胞需要高回补活性的假设，并可以检查肿瘤遗传学和微环境对代谢表型的相对贡献。

致谢

脚注

工具书类