姜宏衛(wèi)，彭慧芳，張穎裕，馬瑜瑾

糖尿病是一種嚴重的慢性病，造成巨大的經(jīng)濟負擔，我國成人糖尿病患病率高達10.9%，糖尿病前期在成人中的發(fā)生率為35.7%[1]。糖尿病患者糖代謝失調(diào)、激素紊亂、肥胖等癥狀以及某些器官的特異性機制與多種惡性腫瘤發(fā)生關聯(lián)，顯著增加糖尿病患者的腫瘤發(fā)生率和惡性腫瘤死亡率，對其治療和預后也產(chǎn)生不利的影響[2-3]。LKB1(liver kinase B1)或稱STK11(serine-threonie kinase 11)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，AMPK[denosine 5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase]激活的必要因子，參與多種細胞通路的調(diào)控，在細胞代謝、細胞周期、細胞增殖、細胞極性維持等過程中發(fā)揮重要作用，也是一種重要的抑癌基因，該基因缺失、突變與多種腫瘤的發(fā)生密切相關[4-5]。

二甲雙胍是目前2型糖尿病患者的一線用藥，主要通過LKB1/AMPK通路發(fā)揮降糖作用[6]。使用二甲雙胍控制血糖可以減少糖尿病患者的腫瘤發(fā)生風險，對腫瘤化療或放療有一定的增敏作用，還對許多腫瘤有一定的抑制作用，包括胰腺癌、肺癌、結腸癌、卵巢癌、乳腺癌[7]、前列腺癌、黑素瘤、淋巴細胞瘤等[8]。本文結合近年來研究報道，探討二甲雙胍通過LKB1或獨立于LKB1/AMPK的降糖作用機制，以及對腫瘤細胞的抑制途徑，為提高糖尿病患者二甲雙胍獲益率提供參考，同時也為二甲雙胍應用于腫瘤患者提供理論基礎。

1 二甲雙胍降血糖機制

二甲雙胍可以引起細胞內(nèi)AMP/ATP比值升高，這種能量平衡的變化是激活AMPK的信號之一，活化的AMPK引起一系列下游反應是二甲雙胍降糖作用的主要機制。AMPK是一個αβγ異源三聚體，其激活作用需在LKB1的作用下，磷酸化α亞基172位蘇氨酸(Thr)[9]，如果LKB1缺失，則無法激活。激活后AMPK會打開分解代謝通路，關閉合成代謝途徑和細胞循環(huán)，調(diào)節(jié)激素或細胞活素類(如瘦素、脂聯(lián)素、抵抗素、饑餓激素、大麻醇)對機體能量平衡的調(diào)控[10]。

LKB1/AMPK調(diào)控糖異生通路的主要靶標分子之一是TORC2(target of rapamycin complex 2)，活化的AMPK可以磷酸化轉錄激活因子TORC2，抑制mTOR信號通路，抑制糖異生相關基因的表達，降低血糖和胰島素水平[11]；二甲雙胍可以通過抑制mTOR來抑制ISR-1(insulin receptor substrate-1)Ser636/639磷酸化和PI3K/Akt通路，減弱糖尿病患者的胰島素抗性[12]。AMPK的激活還可以抑制ACC(aceacetyl coA carboxylase)和HMGCR(3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-coenzyme A reductase)，限制脂肪酸氧化和固醇類合成，激活PFK(phosphofructokinase-1)，促進糖酵解作用[13]。同時活化的LKB1/AMPK可以通過SITR1(sirtuin 1)來形成對二甲雙胍降糖作用的代謝記憶[14]。

AMPK激活引起一系列的下游反應是二甲雙胍降糖作用的主要機制，但是AMPK的活化必須有磷酸化的LKB1存在，如果LKB1受到抑制或缺失等負調(diào)控，AMPK激活也會受到抑制。敲除小鼠肝臟中LKB1基因，會增加糖異生基因表達，引起肝臟葡萄糖輸出和顯著高血糖癥狀，二甲雙胍的降血糖作用也會受到抑制[15]。多磷酸肌醇激酶(inositol polyphosphate multikinase,IPMK)在細胞能量代謝和葡萄糖相關的AMPK調(diào)控中發(fā)揮一定的作用，IPMK缺失或抑制IPMK與LKB1之間的顯性負調(diào)控作用可以減弱二甲雙胍對AMPK的激活，引入IPMK過表達載體則可以恢復二甲雙胍作用的LKB1/AMPK激活，表明IPMK是二甲雙胍引起LKB1/AMPK激活的上游調(diào)節(jié)因子[16]。二甲雙胍處理臍靜脈內(nèi)皮細胞，激活AMPK的同時還可以激活蛋白激酶C-zeta(protein kinase C-zeta type,PKC-zeta)，增加其轉錄，藥理或基因抑制PKC-zeta可以減弱二甲雙胍作用下LKB1/AMPK的激活，表明PKC-zeta可能是LKB1的上游激酶[17]。

圖1 二甲雙胍降糖作用分子途徑

二甲雙胍降糖作用相關的分子激活通路如圖1所示，LKB1/AMPK及其下游調(diào)控通路，胰島素等激素調(diào)節(jié)，以及基因、蛋白等不同分子水平的作用是一個互相關聯(lián)的作用網(wǎng)路[18]，而LKB1是激活AMPK的必要因子，如果細胞中LKB1受到抑制或失活，則AMPK不能被激活，依賴AMPK的下游調(diào)控路徑也會受到抑制。有報道指出，在LKB1或AMPK缺失的情況下，二甲雙胍可以獨立于LKB1/AMPK途徑發(fā)揮一定的作用，例如在AMPK缺乏的小鼠中，二甲雙胍對于其血糖仍有一定的調(diào)節(jié)作用，肝細胞中糖異生受到抑制，此時的降糖作用可能是通過調(diào)整糖異生相關基因PGC-1α(PPARγ coactivator-1α)過表達來實現(xiàn)[18]。在LKB1/AMPK失活的情況下，二甲雙胍的降糖作用是否仍然與LKB1/AMPK正常情況下有同樣的效果，尚無明確報道，對于其發(fā)揮作用的主要通路尚缺乏充足的數(shù)據(jù)支持。

2 二甲雙胍對糖尿病患者腫瘤作用情況

二甲雙胍對腫瘤有一定的治療或輔助作用，使用二甲雙胍作為降糖藥可以減少糖尿病患肝癌的風險[19]，糖尿病子宮內(nèi)膜癌患者在服用抗癌藥物貝伐單抗同時用二甲雙胍來控制血糖時，會增加貝伐單抗的作用效果[20]。糖尿病合并實體腫瘤患者用二甲雙胍比用胰島素或磺脲類藥物有更好的生存率[21-22]。臨床上用二甲雙胍作為糖尿病腫瘤患者的降糖藥，對腫瘤發(fā)生的抑制以及腫瘤治療都有一定的積極作用，其在體內(nèi)外抑制腫瘤細胞的作用機制包括激活LKB1/AMPK通路，細胞周期阻斷或引起細胞凋亡，抑制蛋白合成，減少循環(huán)胰島素水平，抑制蛋白未折疊反應，激活免疫系統(tǒng)，除去腫瘤干細胞等[23-24]。

2.1二甲雙胍對LKB1缺失腫瘤細胞的作用

LKB1/AMPK信號在保護細胞免受凋亡中發(fā)揮重要作用，尤其對增加細胞AMP/ATP比率的藥物起作用?；罨腁MPK信號通路可以為細胞爭取到調(diào)整AMP和ATP濃度的安全時間和相關的反應信號而對細胞起到保護作用，如果細胞不能及時調(diào)整AMP/ATP，將會發(fā)生細胞死亡[24]。

作為腫瘤抑制因子之一，LKB1在許多腫瘤細胞中發(fā)生缺失或失活，這也是多種細胞癌變的誘發(fā)因素之一[25]。在這種情況下，AMPK則無法被激活，mTOR通路將不受抑制[26]，二甲雙胍作用于LKB1失活的腫瘤細胞時，可以調(diào)節(jié)STAT3通路，抑制腫瘤細胞血管內(nèi)皮生長因子，該途徑是獨立于LKB1/AMPK的作用途徑，同時通過對ROS的作用和IL-6自分泌的影響，產(chǎn)生與腫瘤細胞的轉移和化療藥物耐藥性相關的作用[27]。對肝癌細胞，二甲雙胍的作用會對p21和p27上調(diào)，并下調(diào)cyclin D1，影響細胞周期[19]。二甲雙胍還可以通過作用于與線粒體相關的生物合成活性，影響線粒體電子傳遞鏈復合體1，而對腫瘤細胞的增殖產(chǎn)生抑制作用，缺乏有功能的線粒體的腫瘤細胞在二甲雙胍處理下表現(xiàn)為減弱對二甲雙胍引起的抑制增殖作用的敏感性[28]。其相關的作用通路及作用效果總結如圖2所示。

2.2二甲雙胍通過LKB1對腫瘤細胞的作用

同時有報道二甲雙胍對于一些癌變的細胞產(chǎn)生抑制作用必須依賴于LKB1/AMPK的作用，如果LKB1突變，則影響其作用效果[29]。用二甲雙胍處理宮頸癌細胞，發(fā)現(xiàn)只有LKB1未受損，AMPK-mTOR信號通路完整的細胞系對二甲雙胍的抑制作用敏感；在LKB1缺失的細胞中轉入過表達LKB1載體，可以促進AMPK的激活和其對mTOR的抑制作用，進而增加細胞對二甲雙胍的敏感性，而敲除LKB1基因則會減弱細胞對二甲雙胍的敏感性[30]。對于卵巢癌細胞，二甲雙胍的作用同樣顯著依賴于激活AMPK以及其下游調(diào)控，減弱mTOR-SS6RP磷酸化，抑制蛋白轉錄和脂質(zhì)生物合成，及對細胞周期和增殖的乳腺癌腫瘤細胞MCF-7中，二甲雙胍處理引起總蛋白表達量減少的作用是通過AMPK的作用實現(xiàn)的[31]。細胞極性的保持對保護細胞免受癌變有重要作用，而對細胞極性保持起作用的SAD激酶(single anomalous dispersion kinase)、Par-1(proteinase-activated receptor 1)以及GIV/Girdin的磷酸化依賴于AMPK的激活[32-33]。二甲雙胍還可以通過LKB1/AMPK的作用在mRNA和蛋白水平上對PI3K/Akt/mTOR通路進行下調(diào)，同時減少胰島素、胰島素樣生長因子、炎性因子、血管內(nèi)皮生長因子的產(chǎn)生，起到抗細胞分裂、抗炎、抗血管生成作用[34]。

圖2 二甲雙胍對LKB1缺失的腫瘤細胞作用通路

二甲雙胍對腫瘤細胞抑制必須通過LKB1/AMPK作用的情況在多種腫瘤細胞中均有驗證，但對LKB1缺失腫瘤細胞的抑制作用也有報道[24]。因此猜測：①在不同種類的腫瘤細胞中二甲雙胍作用途徑有所不同，或者在LKB1/AMPK功能受到抑制時，二甲雙胍通過替代通路發(fā)揮作用；②在細胞應對二甲雙胍作用的過程中可能還有其他的上游關鍵分子發(fā)揮重要作用；③二甲雙胍作用于腫瘤細胞不僅對相關核酸、蛋白進行調(diào)節(jié)，對激素等其他水平的調(diào)節(jié)發(fā)揮巨大的作用，尤其在LKB1/AMPK功能缺失的情況下，但具體的原因仍需要詳細的數(shù)據(jù)支持。

3 結語與展望

無論是二甲雙胍的降糖作用，還是其對腫瘤細胞的抑制作用，都經(jīng)過多條信號通路互相協(xié)作，在轉錄和翻譯水平上均進行相關調(diào)控。LKB1的突變與缺失又與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有密切關系，同時與二甲雙胍作用的主要激活通路密不可分。那么在糖尿病腫瘤患者獲益于二甲雙胍作用的分子機制中，LKB1的決定性作用值得深入研究。這種可能存在的作用是否與腫瘤類型有必然關系，這對于糖尿病、糖尿病腫瘤患者以及單獨腫瘤患者二甲雙胍用藥的分子分型，以及對二甲雙胍的用藥指導及擴大適用癥范圍有重要意義。

[1] Wang LM,Gao P,Huang ZL,et al.Prevalence and ethnic pattern of diabetes and prediabetes in China in 2013[J].JAMA,2017,317(24):2515-2523.

[2] Makhoul I,Yacoub A,Siegel E.Type 2 diabetes mellitus is associated with increased risk of pancreatic cancer:a veteran administration registry study[J].SAGE Open Med,2016,14(4):1-7.

[3] Ma RC,Tsoi KY,Tam WH,et al.Developmental origins of type 2 diabetes: a perspective from China[J].Eur J Clin Nutr,2017,71(7):870-880.

[4] Zhang CS,Li M,Lin SC.Methods to study lysosomal AMPK activation[J].Methods Enzymol,2017,587(9):465-480.

[5] Zhang M,Yang D,Gong X,et al.Protective benefits of AMP-activated protein kinase in hepatic ischemia-reperfusion injury[J]. Am J Transl Res,2017,9(3):823-829.

[6] Tan MH,Alquraini H,Mizokami-Stout K,et al.Metformin: from research to clinical practice[J]. Endocrinol Metab Clin North Am, 2016,45(4):819-843.

[7] 李璞玉,馮笑山.降糖藥二甲雙胍治療乳腺癌的研究進展[J].河南科技大學學報(醫(yī)學版),2015,33(4):311-314.

[8]Vallianou NG,Evangelopoulos A,Kazazis C.Metformin and cancer[J].Rev Diabet Stud,2013,10(4):228-235.

[9] Russo GL,Russo M,Ungaro P.AMP-activated protein kinase:a target for old drugs against diabetes and cancer[J].Biochem pharmacol,2013,86(3):339-350.

[10]Hardie DG,Ross FA,Hawley SA.AMP-activated protein kinase: a target for drugs both ancient and modern[J].Chem Biol,2012,19(10):1222-1236.

[11]Shaw RJ,Lamia KA,Vasquez D,et al.The kinase LKB1 mediates glucose homeostasis in liver and therapeutic effects of metformin[J]. Science,2005,310(5754):1642-1646.

[12]Tzatsos A,Kandror KV. Nutrients suppress phosphatidylinositol 3-kinase/Akt signaling via raptor-dependent mTOR-mediated insulin receptor substrate 1 phosphorylation[J].Mol Cell Biol,2006,26(1):63-76.

[13]Barnea M,Haviv L,Gutman R,et al.Metformin affects the circadian clock and metabolic rhythms in a tissue-specific manner[J]. Biochim Biophys Acta,2012,1822(11):1796-1806.

[14]Zheng Z,Chen H,Li J,et al.Sirtuin 1-mediated cellular metabolic memory of high glucose via the LKB1/AMPK/ROS pathway and therapeutic effects of metformin[J].Diabetes,2012,61(1): 217-228.

[15]Carling D.LKB1:a sweet side to Peutz-Jeghers syndrome[J].Trends Mol Med,2006,12(4): 144-147.

[16]Bang S,Chen Y,Ahima RS,et al.Convergence of IPMK and LKB1-AMPK signaling pathways on metformin action[J].Mol Endocrinol,2014,28(7):1186-1193.

[17]Xie Z,Dong Y,Scholz R,et al.Phosphorylation of LKB1 at serine 428 by protein kinase C-zeta is required for metformin-enhanced activation of the AMP-activated protein kinase in endothelial cells[J].Circulation,2008,117(7):952-962.

[18]Foretz M,Hebrard S,Leclerc J,et al.Metformin inhibits hepatic gluconeogenesis in mice independently of the LKB1/AMPK pathway via a decrease in hepatic energy state[J].J Clin Invest,2010,120(7):2355-2369.

[19]Chen HP,Shieh JJ,Chang CC,et al.Metformin decreases hepatocellular carcinoma risk in a dose-dependent manner:population-based and in vitro studies[J].Gut,2013,62(4):606-615.

[20]Indraccolo S,Randon G,Zulato E,et al.Metformin:a modulator of bevacizumab activity in cancer: a case report[J].Cancer Biol Ther,2015,16(2):210-214.

[21]De Souza A,Khawaja KI,Masud F,et al.Metformin and pancreatic cancer: is there a role[J].Cancer Chemother Pharmacol,2016,77(2):235-242.

[22]Li D.Metformin as an antitumor agent in cancer prevention and treatment[J].J Diabetes,2011,3(4):320-327.

[23]Kourelis TV,Siegel RD.Metformin and cancer: new applications for an old drug[J].Med Oncol,2012,29(2):1314-1327.

[24]Micic D,Cvijovic G,Trajkovic V,et al.Metformin: its emerging role in oncology[J].Hormones (Athens),2011,10(1):5-15.

[25]Shaw RJ.Tumor suppression by LKB1: SIK-ness prevents metastasis[J].Sci Signal,2009,2(86):55-62.

[26]Green AS,Chapuis N,Lacombe C,et al.LKB1/AMPK/mTOR signaling pathway in hematological malignancies:from metabolism to cancer cell biology[J].Cell Cycle,2011,10(13):2115-2120.

[27]Lin CC,Yeh HH,Huang WL,et al.Metformin enhances cisplatin cytotoxicity by suppressing signal transducer and activator of transcription-3 activity independently of the liver kinase B1-AMP-activated protein kinase pathway[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2013,49(2):241-250.

[28]Griss T,Vincent EE,Egnatchik R,et al.Metformin antagonizes cancer cell proliferation by suppressing mitochondrial-dependent biosynthesis[J].PLoS Biology,2015,13(12):1002309.

[29]KorsseSE,Peppelenbosch MP,van Veelen W.Targeting LKB1 signaling in cancer[J].Biochim Biophys Acta,2013,1835(2):194-210.

[30]Xiao X,He Q,Lu C,et al.Metformin impairs the growth of liver kinase B1-intact cervical cancer cells[J].Gynecol Oncol,2012,127(1):249-255.

[31]Dowling RJ,Zakikhani M,Fantus IG,et al.Metformin inhibits mammalian target of rapamycin-dependent translation initiation in breast cancer cells[J].Cancer Res,2007,67(22):10804-10812.

[32]Brenman JE,Temple BR.Opinion:alternative views of AMP-activated protein kinase[J].Cell Biochem Biophys,2007,47(3):321-331.

[33]Ghosh P.The stress polarity pathway:AMPK ′GIV′-es protection against metabolic insults[J].Aging,2017,9(2):303-314.

[34]Gadducci A,Biglia N,Tana R,et al.Metformin use and gynecological cancers:a novel treatment option emerging from drug repositioning[J].Crit Rev Oncol Hematol,2016,105(9):73-83.