作者：王莹，周芳
单位：中国药科大学药物代谢动力学重点实验室
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肿瘤耐药的概述
肿瘤细胞对化疗药物产生耐药是肿瘤化疗失败的主要原因之一。肿瘤对化疗耐药后易进展为肿瘤复发和转移，故80%～90%的肿瘤患者死亡直接或间接归因于耐药性。耐药性的产生是由多种因素引起的复杂过程，包括患者的个体变异和肿瘤细胞遗传差异。其产生机制有：1）肿瘤细胞异质性；2）肿瘤微环境（如血液供应、组织流体动力学、邻近细胞的行为）；3）肿瘤干细胞；4）药物靶点基因突变或发展替代途径；5）解毒机制；6）药理变化，如药物失活、药物吸收减少、药物代谢活性增强、药物外排转运体表达增加等；7）细胞凋亡的敏感性降低；8）修复DNA损伤的能力提高；9）肿瘤免疫系统改变。肿瘤细胞可以同时利用其中的几种机制产生耐药。
随着致癌信号传导途径与代谢活动之间的众多联系渐渐为人所知，人们越来越认识到代谢重编程在肿瘤中的重要性。目前已有多种靶向肿瘤代谢通路的药物上市或在临床研究阶段。近年来，不少研究发现肿瘤耐药时内源性代谢谱也发生了明显的改变，有望通过靶向特征的代谢改变逆转耐药。
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肿瘤耐药后内源性代谢通路变化的特征
2.1糖酵解通路的改变
肿瘤代谢重编程最显著的一个特征就是优先依赖于糖酵解的方式产生能量。尽管糖酵解在ATP的净产率方面不如氧化磷酸化（OXPHOS）高，但癌细胞通过增加葡萄糖摄取促进更高的糖酵解速率来弥补这种缺陷。除了提供细胞能量之外，糖酵解的代谢中间体在大分子生物合成中也起关键作用，因此在减少营养供应的条件下赋予癌细胞生长优势。越来越多的证据表明，有氧糖酵解与肿瘤生长和化疗耐药性有关。
对亲代BT-细胞及其耐拉帕替尼的BT--J4细胞进行代谢组学和蛋白质组分析，发现耐药细胞内葡萄糖水平较高，糖酵解中间体（葡萄糖-6-磷酸、甘油醛-3-磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸）水平较高。与其亲本细胞相比，耐药细胞输出更多的乳酸，并且大量分泌丙酮酸。乳酸不仅仅是代谢物，还可作为肿瘤细胞产能的燃料、促血管生成和慢性炎症的信号分子，抑制免疫系统并有助于肿瘤对放射治疗的抵抗。淋巴瘤细胞系Raji和HCT在低氧条件下培养产生的乳酸量显著高于常氧条件下培养产生的乳酸，证明细胞缺氧时糖酵解活性增加。这种代谢适应伴随着细胞对阿霉素和阿糖胞苷（Ara-C）的敏感性降低。肿瘤患者中，高乳酸水平与头颈癌、直肠腺癌和宫颈癌的转移呈正相关。乳酸还增强MCF-7人乳腺癌细胞的克隆形成能力并诱导干细胞样相关的遗传特征。
多聚嘧啶区结合蛋白1（PTBP1）是糖酵解的调节因子，研究发现通过敲除PTBP1调控糖酵解，克服了耐药结肠癌细胞对长春新碱和奥沙利铂的耐药。己糖激酶2（HK2）是催化糖代谢的第一个限速步骤，促进ATP的立即利用。HK2抑制剂在几种体外模型中表现出了一定的逆转耐药的效果。使用2-DG作为HK2抑制剂致敏肿瘤细胞后，可提高细胞毒药物阿霉素或紫杉醇的疗效。研究发现沉默M2型丙酮酸激酶（PKM2）可导致ATP合成减少，增加多西他赛在A肺癌细胞内积累和抗肿瘤作用。乳酸脱氢酶-A（LDHA）催化丙酮酸和乳酸的相互转化，在人类肿瘤中上调，并且与肿瘤侵袭性相关。在致癌基因K-RAS或EGFR驱动的NSCLC小鼠模型中，LDHA的失活使肿瘤发生减少并导致疾病消退。同时，LDHA的小分子抑制剂减少了RAS诱导的肿瘤干细胞数量，也说明LDHA对于依赖于肿瘤干细胞的耐药非小细胞肺癌是可行的治疗靶标。线粒体钙摄入蛋白1（MICU1/CBARA1）驱动卵巢癌中的有氧糖酵解。在体外沉默MICU1增加氧消耗，减少乳酸产生，抑制细胞生长，抑制卵巢癌细胞的迁移和侵袭。体内沉默MICU1抑制肿瘤生长，增加顺铂药效和总体存活率。使用shRNA或单羧酸转运蛋白1（MCT1）抑制剂来抑制MCT1，在体内外包括在骨肉瘤的原位模型中均延迟肿瘤生长，也显著抑制了骨肉瘤的转移和侵袭。同时，靶向MCT1极大地增强了人骨肉瘤细胞对化疗药物ADR的敏感性。免疫化学分析显示MCT1是骨肉瘤患者的阳性预后标志物。
2.2磷酸戊糖途径（PPP）通路的改变
PPP是磷酸戊糖和核糖核苷酸合成所必需的途径，也是NADPH的主要来源。PPP在帮助偏好糖酵解的肿瘤细胞满足其合成代谢需求并对抗氧化应激方面起着关键的作用。氧化应激、电离辐射或化学疗法可引起ROS水平升高，而肿瘤细胞通过增加PPP活性以抵抗氧化应激诱导的细胞凋亡。例如，在细胞暴露于电离辐射引起氧化应激后，细胞中葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）增加使细胞免受辐射损伤。有研究表明，在非药物诱导的耐药细胞模型中，PPP也起到了关键作用。已知，MCF-7形成3D球体细胞的过程中，通过P-gp的过表达介导耐药产生，对ADR耐药性逐渐增加。同时，代谢组结果显示PPP主要代谢物在耐药性形成的过程中显著减少，G6PD表达和活性均显著降低。在2DMCF-7细胞中沉默G6PD，伴随着ROS的增加，NADPH/NADP+和GSH/GSSG比值也降低，P-gp基因和蛋白水平显著提高。同时，当3DMCF-7细胞过表达G6PD时，ROS水平降低，NADPH/NADP+和GSH/GSSG升高，P-gp的基因和蛋白水平均显著降低。
相比于比药物敏感的肿瘤，大多数多药耐药肿瘤中PPP氧化分支更活跃。例如，在小鼠淋巴细胞白血病P耐药细胞中，PPP的活性增加了2倍，这是由于两个NADPH脱氢酶G6PD和6PGD的活性提高了40%。相似的，人T淋巴母细胞样细胞系CEM在长春碱的诱导下产生的CEM-VBL耐药细胞比敏感的细胞具有更高的G6PD活性和GSH水平。在PPP上调的情况下，GSH水平增加，这使得K-Ras突变的肺癌和胰腺癌在生长增殖方面更有优势，而且耐药性更强。因此，一些PPP通路抑制剂与放化疗药联用可增强疗效。比如，DHEA作为G6PD的非竞争性抑制剂在体外明显抑制PPP通量和NADPH产生，增强了紫杉醇对MDA-MB-乳腺癌细胞的治疗潜力。
2.3三羧酸循环（TCAcycle）通路的改变
虽然肿瘤细胞更依赖糖酵解途径，但是有研究显示化疗药物杀伤肿瘤细胞后，使得肿瘤细胞必须降低其增殖速度并转向OXPHOS代谢。利用转录组学方法进行通路富集分析，显示使用化疗药物后异种移植瘤中参与OXPHOS和线粒体生物转化的基因显著上调。对患者来源的结肠层培养物给予奥沙利铂和5-FU可导致线粒体生物量增加、呼吸链酶表达增加、耗氧量增加，表明化疗诱导肿瘤细胞代谢从糖酵解向OXPHOS转变。这是由组蛋白去乙酰酶-1（Sirtuin1）及其底物，转录辅因子PGC1α介导的。敲除Sirtuin1编码的基因SIRT1或PGC1α后可阻止化疗药引起的肿瘤代谢向OXPHOS转变，同时也使得病人来源的结肠癌细胞及其异种移植瘤对药物治疗敏感。
研究发现，利用鱼藤酮（线粒体电子传递复合物I的一种特异性抑制剂）对白血病细胞HL-60的线粒体呼吸进行抑制，产生的这种呼吸缺陷型细胞对临床常用的几种抗肿瘤药物包括Ara-C、ADR、紫杉醇和长春新碱的敏感性明显低于亲本细胞。一些研究指出，肿瘤干细胞（CSC）对肿瘤耐药和肿瘤复发起到了重要作用，例如，结肠CSC线粒体较少，并且ABT-增加线粒体使结肠CSC对治疗敏感。有研究观察到紫杉醇耐药细胞中柠檬酸水平降低，并且存在线粒体呼吸缺陷。二氯乙酸盐特异性作用于线粒体呼吸缺陷细胞，诱导柠檬酸盐积累，从而抑制糖酵解和糖蛋白，因此二氯乙酸盐逆转紫杉醇耐药。线粒体DNA（mtDNA）减少的细胞具有增强的葡萄糖摄取能力并产生高水平的乳酸，并且HK2和磷酸果糖激酶（PFK）的活性增加。这表明mtDNA降低的细胞转向有氧糖酵解，有利于细胞生存。此外，mtDNA降低的细胞对5-氟尿嘧啶（5-FU）和奥沙利铂诱导的细胞凋亡具有高度耐药性，并且这种耐药性在恢复mtDNA含量后是可逆的。作者还发现Akt/mTOR通路在mtDNA降低的细胞中被激活。该途径可能在mtDNA降低细胞的耐药性中发挥重要作用，当该途径被抑制时药物敏感性得以恢复。mtDNA突变的胰腺癌细胞系CFPAC-1和CAPAN-2对5-FU和顺铂均具有耐药性。
2.4脂质代谢通路的改变
相较于糖代谢，对肿瘤细胞中脂肪酸（FA）代谢的
本文编辑：佚名
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