腫瘤代謝研究開始于上世紀中期，然而在過去幾十年中，靶向腫瘤代謝治療的進展十分緩慢。只有少數基于代謝的抗腫瘤藥物正在或準備進行臨床試驗（表1）。隨著對腫瘤代謝的研究，研究工作者認識到腫瘤藥物設計框架必須考慮腫瘤免疫微環境（TIME）中非癌細胞的代謝脆弱性，以及癌細胞的代謝脆弱性。最近，免疫療法強調了TIME中非癌細胞自主成分的重要性。靶向腫瘤代謝必須基于對特定代謝途徑如何影響TIME細胞以及TIME細胞如何抑制或促進腫瘤進展的透徹理解。來自Wistar研究所和Ludwig腫瘤研究所的Chi V. Dang團隊全面匯總了腫瘤代謝治療相關進展及難點，相關成果發表于《Nature Reviews Drug Discovery》。

表1. 靶向腫瘤代謝的小分子藥物

葡萄糖代謝：葡萄糖為生物合成提供了能量和碳骨架（圖1,2）。為維持細胞穩態，葡萄糖通過糖酵解代謝為丙酮酸，丙酮酸通過線粒體丙酮酸載體進入線粒體。有研究發現線粒體丙酮酸載體具有腫瘤抑制作用，但線粒體丙酮酸載體可能不是開發腫瘤抑制劑的理想靶點。線粒體丙酮酸脫氫酶將丙酮酸轉化為乙酰輔酶A（乙酰CoA），通過三羧酸(TCA)循環進一步氧化，最終生成草酰乙酸。草酰乙酸與新生成的乙酰CoA結合生成檸檬酸，補充代謝循環。碳骨架和ATP由糖酵解和線粒體氧化代謝產生，提供能量和構件以維持細胞完整性（圖1,2）。

圖1. 致癌因子調節腫瘤細胞代謝

圖2. 糖代謝和小分子抑制劑

氨基酸代謝：必需氨基酸（組氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和支鏈氨基酸）在人體中不能從頭合成。這些必需氨基酸和非必需氨基酸，如谷氨酰胺（圖3）、絲氨酸和甘氨酸，通過各種轉運蛋白進入細胞并用于一碳代謝、核酸和蛋白質合成。支鏈氨基酸可以通過線粒體支鏈α-酮酸脫氫酶復合物轉化為酮酸，并生成琥珀酰CoA和乙酰CoA通過TCA循環進行氧化作用。TCA循環中間體草酰乙酸可以被轉氨以產生天冬氨酸，精氨酸琥珀酸合成酶(ASS1)的缺失可導致天冬氨酸積累，ASS1通過消耗天冬氨酸將瓜氨酸轉化成精氨酸琥珀酸。積累的天冬氨酸則通過核苷酸和天冬酰胺合成進而維持細胞增殖。

圖3. 谷氨酰胺代謝和小分子抑制劑

脂肪酸代謝：膳食脂肪酸和膽固醇由肝臟包裝并輸送到外周組織進行攝取、儲存或代謝。特別是，脂肪酸轉運進入細胞并與脂肪酸結合蛋白結合，以脂滴形式儲存或輸送至線粒體或過氧化物酶體進行氧化（圖1,4）。脂肪酸氧化提供了主要的能量來源。脂酰CoA通過線粒體膜結合的肉堿棕櫚酰轉移酶1(CPT1)轉化為脂酰肉堿，并通過肉堿-�；�肉堿轉位酶轉運到線粒體中。然后脂酰-肉堿通過CPT2重新轉化為脂酰CoA，進而被氧化成乙酰CoA，進入TCA循環進一步分解（圖4）。

圖4. 脂肪酸代謝和小分子抑制劑

核苷酸合成：腫瘤細胞的生長和增殖依賴于TCA循環中間體的從頭合成核苷酸、來自戊糖磷酸途徑(PPP)的葡萄糖衍生的核糖以及產生嘌呤和嘧啶核苷酸的氨基酸。一碳代謝對于核酸合成至關重要。葉酸是四氫葉酸(THF)合成必不可少的成分，并作為一碳載體，具有三種碳氧化態。亞甲基-THF(5,10-CH2-THF)通過胸苷酸合酶(TYMS)參與dUMP生成dTMP，TYMS可被化療藥物5-氟尿嘧啶的產物氟脫氧尿苷單磷酸(FdUMP)抑制。從頭合成嘧啶由六個步驟組成（圖5），伴隨著線粒體二氫乳清酸脫氫酶（DHODH）的參與，它需要一個功能性電子傳遞鏈（ETC）用于泛醌介導的二氫乳清酸氧化成乳清酸。甲酰-THF(10-CHO-THF)提供一碳單位并參與嘌呤的11步從頭合成。從頭合成嘌呤時，來自甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸和葉酸載體的甲�；�的碳和氮原子依次添加到葡萄糖衍生的核糖上（圖5）。嘧啶和嘌呤的從頭合成對于生長和增殖的腫瘤細胞的mRNA合成和DNA復制至關重要（圖5）。因此，這些途徑包含多個潛在的治療靶點。由于人類組織正常增殖也依賴這些途徑，因此骨髓抑制、胃腸道粘膜炎和脫發是靶向核苷酸化學療法的常見臨床副作用。

圖5. 核苷酸代謝和小分子抑制劑

在觸發RAS-RAF-MEK-ERK和PI3K-AKT-mTOR信號轉導通路的細胞受體驅動下（圖1），增殖細胞吸收營養物質和氨基酸，刺激mTORC1并通過誘導癌基因MYC和其他轉錄因子激活轉錄重編程。MYC加速了許多“管家”基因的表達，這些基因主要是代謝、線粒體和核糖體基因，允許生長信號的轉錄放大。新的轉錄本，特別是那些編碼營養轉運蛋白的轉錄本，被翻譯以增加細胞生長和增殖所需的營養攝入。氨基酸進一步刺激mTORC1，促進蛋白質合成和核糖體合成，促進生長信號放大（圖1）。從理論上講，正常增殖細胞與腫瘤細胞的區別在于正常細胞感知營養缺乏并停止增殖的能力，而由癌基因驅動的生長失調的腫瘤細胞則依賴于營養。因此，營養剝奪可能會引發腫瘤細胞死亡，而正常細胞可能會退回到G0/G1細胞周期狀態。

腫瘤細胞的代謝脆弱性：盡管腫瘤代謝的致癌激活使腫瘤細胞易受不同代謝途徑的抑制，但這些途徑也被免疫細胞利用，特別是在受體激活狀態。因此，特定營養轉運蛋白或酶的精確抑制可能會破壞TIME中抗腫瘤細胞對腫瘤細胞的精準靶向作用。事實上，細胞毒性T淋巴細胞(CTL)和自然殺傷(NK)細胞等抗腫瘤免疫細胞的代謝抑制可以減弱其他抗腫瘤方式效果。因此，應該在正常免疫系統下研究腫瘤治療的靶向代謝策略，特別是實體瘤，例如胰腺癌，其包含的非腫瘤細胞比腫瘤細胞更多。相比之下，血液腫瘤，特別是依賴代謝快速增殖的急性白血病細胞，可能更容易受到代謝抑制。

目前多種方法發現腫瘤細胞的代謝脆弱性，包括靶向糖酵解、天冬氨酸、谷氨酰胺或脂肪酸代謝，或采用siRNAS、 shRNAs、CRISPR-Cas9進行基因編輯篩選。一項整合代謝組學和CRISPR–Cas9篩選的研究發現，天冬酰胺合成酶(ASNS)在實體瘤細胞系（如胃癌和肝癌細胞系）中存在細胞脆弱性，這表明L-天冬酰胺酶的治療用途可以從ALL擴展到實體瘤。特定致癌突變也可能賦予選擇性代謝脆弱性。肺癌小鼠模型中KEAP1突變可以影響谷氨酸\谷氨酰胺代謝， KRAS激活導致對支鏈氨基酸的代謝依賴性與胰腺癌不同。此外，MYC驅動的轉基因小鼠的肺癌細胞可以表達谷氨酰胺合成酶，而MYC驅動的小鼠肝癌細胞則不表達該酶，說明細胞類型在強調不同腫瘤的特定代謝依賴性中的重要性。飲食對腫瘤代謝治療敏感性方面的作用也在不同的小鼠腫瘤模型中得到證實，因為飲食會影響諸如絲氨酸或甘氨酸等營養物質的可用性。

基于代謝的藥物開發

靶向代謝的一個關鍵因素是藥物特異性。藥物化學與結構生物學相結合，可用于開發高度特異性的藥物，晶體學研究可以確認其與靶標的相互作用。其中，有幾種高度特異性的代謝抑制劑作用于催化位點和變構位點（圖6）。靶向活性位點的一個關鍵挑戰是代謝酶中普遍存在的疏水口袋，因此，變構抑制劑可能具有更好特異性。腫瘤細胞會重構代謝途徑，造成耐藥性產生，也會降低精準靶向治療的效果。因此，聯合療法或阻斷多種途徑的療法可能比單藥療法具有優勢。因此，酶或轉運蛋白特異性抑制劑的研究應該聯合藥物化學、結構生物學、藥代動力學和藥效學研究。

圖6. 與小分子抑制劑結合的酶或轉運蛋白的結構

代謝靶點

1.有氧糖酵解：抑制葡萄糖攝取是一種治療方法。STF-31是一種葡萄糖轉運蛋白1(GLUT1)的小分子抑制劑，體內實驗證明其具有抗腫瘤效應，但它具有脫靶效應。STF-31還可抑制煙酰胺磷酸核糖轉移酶(NAMPT)，添加煙酸或表達耐藥NAMPT突變體可賦予STF-31抗性，這表明GLUT1抑制不是STF-31抑制腫瘤的唯一靶點。Glutor可靶向作用于GLUT1、GLUT2和GLUT3抑制糖酵解。BAY-876可降低ATP產生。己糖激酶是糖酵解的第一步， HK2缺失可降低體內腫瘤發生。一系列HK2抑制劑進行了開發和應用，如3-溴丙酮酸、葡萄糖胺衍生物、benitrobenrazide。丙酮酸激酶是另一種關鍵的糖酵解酶，分為PKM1、PKM2、PKLR。非小細胞肺癌(NSCLC)研究中PKM2抑制劑被認為可以通過減少葡萄糖到乳酸的通量來改變生物合成，從而發揮抗腫瘤作用。不過，有些腫瘤中PKM2不會發生變化，因此PKM2抑制因子或激活因子(TEPP-46)在腫瘤治療方面還需進一步研究。乳酸脫氫酶以LDHA和LDHB同源四聚體和異源四聚體形式存在，對Warburg效應至關重要。抑制LDHA和LDHB可能都具有治療作用，不過大多數嘗試都針對LDHA，盡管已經開發了幾種有效的LDHA抑制劑，但小分子對其選擇性抑制的成功率有限。盡管關于乳酸作為腫瘤燃料存在爭議，但SLC16A家族成員單羧酸轉運蛋白1（MCT1）或MCT4的阻斷會導致細胞內乳酸積累，從而減少NADH向NAD+的再循環并抑制糖酵解。因此，抑制MCT1或MCT4可能具有抗腫瘤作用。

2.谷氨酰胺代謝：谷氨酰胺是體內水平較高的一種非必需氨基酸，血漿水平為0.5mM，比葡萄糖高出10倍。谷氨酰胺通過丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸轉運蛋白（ASCT2）主動運輸到細胞中，然后通過線粒體谷氨酰胺酶GLS1和GLS2脫氨作用轉化為谷氨酸，進而通過谷氨酸脫氫酶或谷氨酸-草酰乙酸轉氨酶(GOT)或GPT轉氨酶轉化為α-酮戊二酸，隨后進入TCA循環正向循環至琥珀酸或通過還原羧化轉化為異檸檬酸。ASCT2拮抗劑V-9302具有抗腫瘤作用，也被證明可通過增強T細胞活化抑制乳腺癌。此外，V-9302與谷氨酰胺酶抑制劑CB-839聯合使用可減少人肝癌異種移植物的生長。與V-9302的抗腫瘤活性及其對L型氨基酸轉運體1（LAT1）依賴的中性氨基酸轉運的抑制一致，LAT1在KRAS突變的結直腸癌(CRC)模型中被發現對腫瘤的發生至關重要。此外，LAT1抑制劑JPH203顯示出對HT-29CRC異種移植具有一定效果，它目前正在向II期臨床研究推進。

3.脂肪酸合成：盡管某些腫瘤依賴于脂肪酸氧化，但缺乏高度特異性的脂肪酸氧化抑制劑。使用stomoxir抑制脂肪酸氧化具有脫靶效應，但是其對MYC誘導型乳腺癌小鼠具有抑制作用。ST1326是肉堿棕櫚酰轉移酶1（CPT1，通過產生脂酰肉堿在脂肪酸氧化中起關鍵作用）的抑制劑，在體內對MYC誘導的小鼠淋巴瘤模型具有抗腫瘤活性；但ST1326是否有脫靶效應尚不清楚。腫瘤細胞對脂肪氧化與脂肪酸合成的依賴性還需要進一步明確。腫瘤細胞依靠脂肪酸從頭合成來生長和增殖，因此推測易受脂肪酸合成酶的抑制。檸檬酸從線粒體輸出到細胞質中，通過ATP-檸檬酸裂解酶（ACLY）轉化為乙酰CoA，是脂肪酸鏈延長的關鍵來源。ACC1和ACC2產生丙二酰輔酶A，經FASN延長生成硬脂酸鹽，經SCD1產生油酸鹽。ACLY是小鼠腫瘤模型發生發展所必需的，已報道，高活性ACLY抑制劑在肺癌和前列腺癌的異種移植模型中具有抗腫瘤功效。此外，還發現了一系列具有低競爭性抑制活性的ACLY變構抑制劑，但ACLY抑制劑對腫瘤模型的體內療效尚未報道。乙酰CoA合成酶（ACSS2）可以將醋酸鹽生成乙酰CoA，并且可以繞過ACLY抑制，因此它一直是藥物開發的靶點。在由MYC激活和PTEN缺失驅動的兩種人類肝細胞癌模型中，ACSS2敲除小鼠的腫瘤負荷減少。且ACSS2敲除小鼠沒有表現出任何表型缺陷，這表明ACSS2抑制劑的安全性。shRNAs或CRISPR的ACSS2敲除也可抑制體內腫瘤發生。這些研究表明ACSS2抑制可能具有有益的抗腫瘤作用。

乙酰CoA的產生是脂肪酸合成的第一步，然后是乙酰CoA羧化酶（ACC）產生丙二酰CoA，這也是腫瘤發生所必需的。使用低效ACC1抑制劑TOFA可以抑制MYC誘導的腎腫瘤。與ACC1敲除結果一致，ACC1抑制劑ND-646顯示可抑制腫瘤脂肪酸合成和體內A549異種移植物和KRAS驅動的肺癌發生發展。由ACC產生的丙二酰CoA被脂肪酸合成酶（FASN）進一步延長。幾十年來，FASN一直是備受關注的靶點。質子泵抑制劑奧美拉唑為一種弱效非特異性FASN抑制劑，而更有效的FASN抑制劑C75已在臨床前研究中顯示具有抗腫瘤作用。據報道，FASN抑制劑AZ22和AZ65可抑制2D和3D乳腺癌和前列腺腫瘤細胞培養物以及體內乳腺癌異種移植物的生長。此外，SCD1的抑制將導致細胞應激和細胞生長停滯或死亡，使其成為潛在的癌癥治療靶點。

4.核苷酸代謝：臨床上被批準的代謝藥物大多是靶向核苷酸代謝，特別是中斷DNA合成。Sidney Farber開發的抗葉酸療法是第一個靶向代謝的抗腫瘤療法，近些年一碳代謝又重新引起關注。甲氨蝶呤靶向二氫葉酸還原酶(DHFR)在腫瘤化療中發揮了關鍵作用。培美曲塞靶向胸苷酸合成酶(TYMS)和5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(AICAR)轉化酶，用于非小細胞肺癌（NSCLC）治療。絲氨酸和甘氨酸通過介導一碳代謝對核苷酸合成也很重要。絲氨酸可由3-磷酸甘油酸通過磷酸甘油酸脫氫酶(PHGDH)和磷酸絲氨酸氨基轉移酶1(PSAT1)合成。從頭合成的絲氨酸經絲氨酸羥甲基轉移酶（SHMT1和SHMT2）轉化成甘氨酸。甘氨酸通過甘氨酸裂解系統向THF提供一個甲基，THF向胸腺嘧啶和嘌呤的合成提供1C。PHGDH是催化絲氨酸從頭合成的第一個限速步驟，研究發現PHGDH在4%的黑色素瘤和胰腺癌病例中出現擴增，并且已經開發出PHGDH抑制劑來中斷腫瘤一碳代謝和核苷酸代謝。目前已經開發的PHGDH抑制劑（包括酮硫酰胺、BI-4924、吲哚酰胺、哌嗪-1-硫脲基抑制劑和變構抑制劑）均具有抗腫瘤效果。不過，目前還沒有一種PHGDH抑制劑進入臨床研究。針對細胞質SHMT1、線粒體SHMT2、嘌呤或嘧啶代謝酶（如IMPDH、DHODH）抑制劑也在開發中。

5.線粒體：線粒體是一種呼吸和代謝細胞器，對腫瘤發生至關重要，因此是一個具有吸引力的靶點。然而，直接針對其呼吸活動是一項重大挑戰。二甲雙胍和苯乙雙胍因乳酸酸中毒而被停用，它們是靶向線粒體復合物I的雙胍類藥物，目前在臨床上用于治療糖尿病。更強效的雙胍類藥物IM156對MYC誘導的小鼠淋巴瘤具有治療效果。IM156已在實體腫瘤和淋巴瘤的I期臨床試驗(NCT03272256)中進行研究，II期研究正在等待中。

靶向TIME相關代謝

腫瘤代謝領域的里程碑是FDA批準突變IDH2和IDH1抑制劑用于AML治療。其他值得注意藥物研究包括CPI-613、谷氨酰胺酶抑制劑CB-839、DRP-104 DON前體藥物 (NCT04471415）。然而，除了DRP-104之外，這些藥物對腫瘤微環境的影響尚不清楚。TIME是復雜的，并且隨著腫瘤細胞、基質細胞、免疫細胞等細胞組成改變而變化。TIME間代謝相互作用關系仍知之甚少，還需不斷積累。值得注意的是，腫瘤細胞可以產生各種免疫抑制代謝物，如腺苷、2-羥基戊二酸、犬尿氨酸、乳酸和甲硫腺苷等，它們對腫瘤免疫治療造成障礙。不同的腫瘤類型在TIME組成上也有所不同——增生性胰腺癌中富含大量基質細胞，而白血病則是大量循環腫瘤細胞。基質細胞可以提供營養，而免疫細胞可以抑制由CD8+CTL和NK細胞介導的抗腫瘤免疫反應。因此，靶向代謝治療需要在腫瘤細胞和免疫細胞中找到協同的靶點，產生協同效應。而研究靶向各種代謝酶如何影響TIME中各類細胞功能至關重要。

未來方向

迄今為止，許多代謝酶已被作為腫瘤治療的靶點，但特定腫瘤類型對特定抑制劑的脆弱性仍有待進一步研究，無論是單一藥物還是聯合化療、放療、靶向療法（如激酶抑制劑）或免疫療法。當靶向特定的代謝酶時，代謝可塑性仍是一個挑戰。無論未來采如何，靶向腫瘤治療既能使腫瘤細胞失能，又能協同增強抗腫瘤免疫才是最理想的結果。

參考文獻

Targeting cancer metabolism in the era of precision oncology. Nat Rev Drug Discov. 2022.

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