張 鵬，劉同族

(武漢大學中南醫(yī)院泌尿外科，湖北武漢 430071)

前列腺癌(prostate cancer，PCa)是歐美國家成年男性最常見的惡性腫瘤，也是導致男性死亡的第2大腫瘤，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活方式的改變，該病的發(fā)病率和死亡率逐年上升[1-2]。在生理情況下細胞通過線粒體呼吸鏈及三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量，而腫瘤細胞具有獨特的能量代謝模式，在氧氣充足的條件下腫瘤細胞并不依靠線粒體進行氧化磷酸化供能，而是攝取大量葡萄糖并產(chǎn)生乳酸和能量，該現(xiàn)象稱為“有氧糖酵解”或“Warburg效應”，這是腫瘤細胞最為基礎的代謝改變之一[3]。在該過程中，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)將葡萄糖轉化為丙酮酸后不通過線粒體的三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)進行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)，而是由乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)將丙酮酸轉化為乳酸，腫瘤組織中的乳酸堆積是其惡性生物學行為的標志之一[4]。

長期以來，乳酸在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中扮演的角色一直被低估，主要被作為糖酵解產(chǎn)生的代謝廢物或不良預后的標志物。近年來，乳酸被發(fā)現(xiàn)在腫瘤生長、免疫逃逸、血管生成、侵襲轉移、代謝調節(jié)以及腫瘤微環(huán)境細胞間的相互作用等方面發(fā)揮著關鍵作用[5-6]。本文對乳酸調控PCa惡性生物學行為的相關研究進行綜述。

1 乳酸與前列腺癌

1.1 乳酸在腫瘤能量代謝中的生物學作用乳酸(2-羥基丙酸)是以2種同分異構體存在于人體內(nèi)的羥基酸：主要來源于細胞丙酮酸無糖酵解產(chǎn)生的L-乳酸和主要由胃腸道細菌發(fā)酵產(chǎn)生的D-乳酸。哺乳動物細胞產(chǎn)生的乳酸主要是L-乳酸，血液中L-乳酸含量約為D-乳酸含量的100倍[7]。葡萄糖在細胞質中主要有2種分解途徑：糖酵解和磷酸戊糖途徑，乳酸是二者共同的終末產(chǎn)物，也是線粒體呼吸和氧化磷酸化通路的底物[8]。盡管L-乳酸是參與腫瘤細胞能量代謝的主要分子，但是有研究發(fā)現(xiàn)前列腺癌PCa-3細胞線粒體中較正常前列腺上皮PNT1A細胞表達更多的D-乳酸脫氫酶，從而使腫瘤細胞能更為有效地進行D-乳酸代謝[9]。隨著人們對腫瘤異質性和腫瘤微環(huán)境認識的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)實體腫瘤生長速度超過其滋養(yǎng)血管生成速度，距離血管近的腫瘤細胞處于相對“常氧(normoxia)” 狀態(tài)而遠離血管的腫瘤細胞則因缺乏充足氧氣供應而處于“低氧(hypoxia)” 狀態(tài)：這導致處于不同狀態(tài)的細胞低氧誘導因子(hypoxia-inducible factor，HIF)表達和代謝模式不盡相同；然而研究發(fā)現(xiàn)不同亞群的腫瘤細胞在乳酸代謝上卻表現(xiàn)出某些共性，上皮腫瘤細胞氧化應激誘導腫瘤相關基質細胞發(fā)生自噬，后者糖酵解生成大量乳酸給腫瘤細胞供能，即“反Warburg效應”[10]。此外，最近一項研究顛覆了人們對細胞能量代謝的認知：研究人員發(fā)現(xiàn)循環(huán)乳酸而非葡萄糖是腫瘤及多數(shù)正常組織三羧酸循環(huán)和能量的主要來源[11]。因此乳酸代謝調控是一個復雜的生物學過程。

1.2 乳酸在前列腺癌能量代謝中的作用和機制早期研究表明，雄激素信號在正常氧分壓下即可促進PCa細胞的葡萄糖攝取和乳酸生成以維持細胞生長[12]。由于PCa復雜的分子亞型，不同患者對不同方式內(nèi)分泌治療的反應存在明顯異質性：其中雄激素受體(androgen receptor，AR)基因的擴增、點突變和選擇性剪接(如AR剪接變異體AR-V7)促進AR依賴性去勢抵抗性前列腺癌(castration-resistant prostate cancer，CRPC)的進展，表現(xiàn)為在低/無雄激素時AR及其下游信號通路即可維持腫瘤生長，通過阻遏配體-受體的相互作用不能抑制該生物學過程[13]；而對于具有小細胞癌特性的侵襲性變體前列腺癌(aggressive variant prostate cancer，AVPC)，其AR及抑癌基因PTEN、TP53、RB1缺失，并通過神經(jīng)內(nèi)分泌轉化或表達神經(jīng)相關標志物來促進腫瘤AR非依賴性生長[14]。與AR類似，AR-V7亦能導致PCa細胞糖酵解和乳酸水平升高并促進細胞生長、遷移[15]。應用超極化13C磁共振波譜成像技術(hyperpolarized13C magnetic resonance spectroscopy imaging，HP13C MRSI)，將超極化[1-13C]丙酮酸注射至患者來源移植瘤模型(patient-derived xenografts，PDX)中，該分子被腫瘤細胞穩(wěn)定攝取并迅速在乳酸脫氫酶A(LDHA)的作用下代謝成為[1-13C]乳酸，發(fā)現(xiàn)AR依賴的CRPC模型在低雄激素(動物去勢)狀態(tài)下乳酸生成水平顯著高于AR非依賴的AVPC模型[16]。通過三維細胞培養(yǎng)技術培養(yǎng)不同級別PCa手術標本組織，通過HP13C MRSI檢測證實乳酸代謝水平隨著腫瘤惡性程度的增加(良性、Gleason評分≤3+4、Gleason評分≥4+3)而顯著升高[17]。以上研究表明，乳酸作為腫瘤代謝通路的“crosstalk”，在PCa的發(fā)生發(fā)展和異質性中具有重要意義，通過HP13C MRSI技術敏銳檢測機體乳酸代謝狀況，已在臨床中用于對PCa和乳腺癌患者進行早期診斷和治療反應評估[18]。

2 乳酸生成與PCa——LDH

2.1 LDH的生物學特性LDH是由乳酸脫氫酶A(LDHA)和乳酸脫氫酶B (LDHB)兩種亞基組成的四聚體，有5種同工酶：LDH1由4個LDHB亞基組成，LDH2由1個LDHA和 3個LDHB亞基組成，LDH3含有2個LDHA和2個LDH亞基，LDH4包含3個LDHA和1個LDHB亞基，LDH5則含有4個LDHA亞基，在腫瘤細胞增殖、侵襲、轉移、代謝異常、血管生成、免疫逃逸等惡性生物學行為中具有重要作用[19]。當葡萄糖被腫瘤細胞攝取并氧化為丙酮酸后并沒有進入線粒體進行氧化磷酸化，而是由LDHA將丙酮酸分解為乳酸并產(chǎn)生輔酶Ⅰ或稱為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)及少量腺苷三磷酸(adenosine triphosphoric acid，ATP)[20]。對于某些氧化磷酸化水平較高的腫瘤，其遠離血管區(qū)域處于相對“低氧”狀態(tài)的腫瘤細胞通過上調葡萄糖轉運體(glucose transporter，GLUT)攝取大量葡萄糖，經(jīng)糖酵解產(chǎn)生的乳酸被排入細胞間質后又被鄰近血管豐富區(qū)域的腫瘤細胞攝取，此時乳酸作為主要供能物質同NAD+在LDHB的作用下重新轉變成還原型輔酶Ⅰ(NADH)、H+和丙酮酸并進入線粒體進行氧化磷酸化[21]。

2.2 LDH在PCa乳酸調控中的作用和機制薈萃分析顯示轉移性PCa患者血清LDH水平的升高與患者更低的總體生存(overall survival，OS)和無進展生存(progression-free survival，PFS)顯著相關[22]；且無論在激素敏感性前列腺癌(hormone-sensitive prostate cancer，HSPC)或者CRPC患者中，LDH均是影響OS的獨立危險因素[23]。在CRPC藥物治療的效果評估方面，LDH被證實能夠預測接受阿比特龍-恩雜魯胺序貫治療患者的PFS[24]，還能預測接受卡巴他賽化療患者的PFS和OS[25]。進一步研究表明血清LDH≥450 U/L預示接受多西他賽治療后患者在PFS和OS方面預后不佳且對姑息放療反應性更差；二代測序顯示這些患者的穿刺標本中更易出現(xiàn)DNA修復相關基因(BRCA1/2、ATM、CHEK2、Fanconi anaemia)的突變[26]。

含有4個LDHA亞基的LDH5同工酶過表達是PCa組織具有高度增殖能力的分子特征，與患者接受放療后的局部進展和生化復發(fā)高風險相關[27]。由β-catenin/myc信號介導的PCa中LDHA過表達通過強化細胞代謝重編程促進腫瘤生長，該作用能被具有poly(A)聚合酶活性的糖酵解調節(jié)因子46序列相似的家庭成員B(family with sequence similarity 46 member B，F(xiàn)AM46B)抑制[28]。如前文所述，腫瘤細胞LDHB執(zhí)行與LDHA相反的生物學功能。蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn)PCa低轉移潛能LNCaP細胞表達LDHB而高轉移潛能LNCaP-LN3細胞未見明顯的表達，DNA去甲基化制劑阿扎胞苷能夠誘導LNCaP-LN3細胞LDHB的表達；此外PCa組織中LDHB啟動子超甲基化水平顯著高于癌旁組織和前列腺增生組織；而LDHB蛋白表達水平則呈現(xiàn)相反趨勢，即在骨轉移灶標本中未見明顯LDHB蛋白表達，因此PCa的LDHB基因啟動子超甲基化導致蛋白表達缺失可能是腫瘤進展的重要機制之一[29]。

鑒于LDH異構體的功能差異，研究逐漸開始關注PCa中LDHA/LDHB比例的分子調控。異常的成纖維生長因子受體1(fibroblast growth factor receptor 1，F(xiàn)GFR1)信號通過酪氨酸磷酸化LDHA增加其在PCa細胞中的穩(wěn)定性，同時促進LDHB啟動子甲基化抑制LDHB蛋白表達，這導致細胞能量代謝模式從氧化磷酸化進一步轉變?yōu)橛醒跆墙徒?，并增加患者的生化復發(fā)和總體死亡風險[30]。后來的研究發(fā)現(xiàn)，PCa患者前列腺液和腫瘤組織標本中LDHA/LDHB比例升高與腫瘤的不良預后相關，芳香烴受體核轉位蛋白(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT)通過激活CC型趨化因子配體18(CC-chemokine ligand 18，CCL18)/CC型趨化因子受體8(C-C motif chemokine receptor 8，CCR8)通路上調LDHA并下調LDHB的表達，從而促進PCa細胞乳酸生成、增殖和侵襲能力增強[31]。

3 乳酸轉運與PCa——單羧酸轉運體

3.1 單羧酸轉運體的生物學特性乳酸的跨膜轉運依靠單羧酸轉運蛋白(monocarboxylate transporter，MCT)，由溶質載體(solute carrier，SLC)16基因家族編碼，其中MCT1(SLC16A1)、MCT2(SLC16A7)、MCT3(SLC16A8)、MCT4(SLC16A3)4個亞型被證實能夠對丙酮酸和乳酸進行雙向跨膜轉運[32]。研究發(fā)現(xiàn)MCT1和MCT4在多種癌組織中過表達，與患者的不良預后和高死亡風險相關。雖然二者在腫瘤細胞和腫瘤相關基質細胞之間的代謝調控中發(fā)揮重要作用，但其調控機制和生物學功能不盡相同[33]。在糖酵解水平較高的腫瘤細胞中，HIF-1通過強化MCT4基因的轉錄促進乳酸從細胞內(nèi)向細胞外轉運；在氧化磷酸化水平較高的腫瘤細胞中，MCT1過表達主要受c-myc和p53的正向調控，從而增加細胞對乳酸的攝取并在一定程度上參與乳酸外排；值得注意的是，MCT1/4需要在細胞表面糖蛋白CD147的協(xié)同調節(jié)下(分子伴侶)發(fā)揮作用[10]。當乳酸被MCT4轉運至細胞外并在腫瘤微環(huán)境中堆積時，處于相對“常氧”狀態(tài)的腫瘤細胞和基質細胞通過MCT1將乳酸輸送至細胞內(nèi)作為氧化磷酸化的能量來源，從而避免“低氧”細胞大量消耗葡萄糖[34]。

3.2 單羧酸轉運體在PCa乳酸調控中的作用和機制研究發(fā)現(xiàn)PCa具有獨特的能量代謝模式：在疾病的早期階段，腫瘤主要通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化供能，而進展期腫瘤則主要利用有氧糖酵解供能，近年來發(fā)現(xiàn)MCT可能是導致PCa獨特代謝特征的機制之一[35]。雖然MCT1和MCT4在正常前列腺、PCa原發(fā)灶和轉移灶組織中均有表達，MCT1僅表達于上皮來源的組織中，而MCT4在腫瘤和間質組織中均有表達；并且高水平的腫瘤MCT1和腫瘤間質MCT4共表達與PCa患者生化復發(fā)風險正相關[36]。PCa組織中MCT1的高表達導致乳酸水平升高，且乳酸水平隨Gleason評分的升高而增加，在PTEN缺失的標本中亦能檢測到更高的乳酸含量[37]。而MCT4在轉移性CRPC患者和糖酵解程度高的組織標本中表達更為顯著，是這類患者不良預后的危險因素[38]。

在體外實驗中，PCa轉移性DU145細胞MCT1和MCT4表達水平明顯高于局限性22RV1細胞，沉默MCT1和MCT4均能抑制乳酸外排和細胞生長[39]。在荷瘤小鼠模型中，低級別和高級別腫瘤區(qū)域的pH值不同，高表達MCT4區(qū)域的細胞外pH值更低，表明MCT4是導致細胞外酸中毒的因素之一[40]。用反義寡核苷酸沉默PCa-3、DU145和C4-2細胞MCT4的表達能顯著降低細胞增殖能力，并抑制PCa-3細胞荷瘤小鼠的腫瘤生長[41]。研究認為，與MCT1相比，以糖酵解為主要供能模式的腫瘤細胞傾向于通過MCT4排出乳酸，因此MCT4是進展性PCa組織乳酸外排的主要轉運體[39]。有趣的是，雄激素能上調PCa激素依賴性LNCaP細胞MCT4表達，促進乳酸外排，提示MCT4可能是AR通路的下游分子，有望成為包括CRPC在內(nèi)的進展性PCa治療的靶點[42]。

4 展 望

代謝綜合征與PCa有著千絲萬縷的聯(lián)系，適當?shù)倪\動通過調節(jié)機體代謝狀態(tài)改善PCa內(nèi)分泌治療的不良反應和患者預后[43]。早期一項研究用每周進行5次規(guī)律有氧代謝運動和久坐人群的血清分別培養(yǎng)LNCaP細胞，發(fā)現(xiàn)與久坐人群的血清相比，規(guī)律有氧運動人群的血清能抑制腫瘤細胞生長并促進其凋亡[44]。推測機體對糖酵解和乳酸代謝異常的適應在一定程度上影響著PCa的發(fā)生發(fā)展和預后。

“癌癥是一種代謝病”這一觀點已被學術界廣泛認可，而越來越多的研究也認為乳酸是腫瘤異常代謝調控的驅動因素[45]。針對乳酸代謝通路探索PCa治療靶點和預防策略具有重要意義。