Metabolic reprogramming and cancer progression

摘要¶

背景¶

代谢重编程是恶性肿瘤的标志，早在一个世纪前就已被认识。在某些情况下，可以利用重新编程的代谢活动来诊断、监测和治疗癌症。培养的癌细胞中的固定代谢活动——尤其是有氧糖酵解、谷氨酰胺分解代谢、大分子合成和氧化还原稳态——支持指数级增长和增殖的需求。这些途径由致癌信号和转录网络自主控制。这导致普遍认为，一组固定的核心代谢依赖性将成为各种癌症类型的优秀治疗靶点。设计用于靶向这些途径的几种代谢抑制剂已进入临床试验。

进展¶

过去十年中，我们在理解肿瘤为何会发展出不同于相邻非恶性组织的代谢表型以及这些表型何时代表可操作的治疗弱点方面取得了许多进展。借助日益广泛使用的先进分析技术对肿瘤代谢进行详细表征，关于致癌基因型如何决定代谢模式的机制性洞察得到了迅速发展。这导致了几个可以直接促进肿瘤发生的显著代谢特性的发现，包括在有异柠檬酸脱氢酶 -1 和 -2 突变的肿瘤中积累 D-2- 羟基戊二酸。其他进展则展示了人类肿瘤中，甚至在同一肿瘤的不同区域中存在的巨大代谢异质性。这种异质性是由包括癌细胞内外过程在内的一系列复杂因素导致的。许多研究在实验模型中已经确定了一些有前景的亚型选择性代谢弱点。然而，这些研究对经典的由致癌基因驱动的组织学和基因多样性肿瘤间趋同脆弱性的范式提出了质疑。更为根本的是，随着肿瘤从癌前病变进展到局部侵袭性肿瘤再到转移性癌症，代谢表型和脆弱性会不断演化这一事实变得越来越清晰。微环境和遗传因素似乎会引起选择压力，从而驱动肿瘤内的克隆进化，这既可以创造也可以消除代谢弱点，同时促进癌症的进展。例如，在转移过程中，一些研究表明癌细胞需要激活抵抗氧化应激的机制，否则这些细胞会在血液中的氧化环境中被淘汰。最近研究的一个主要主题是，刺激局部、未经治疗的肿瘤生长的通路与支持转移和治疗耐药性活动的通路是不同的，有时甚至是无关的。

展望¶

癌症代谢的新兴观点认为，它是灵活且特定于情境的，具有很少固定的、广泛适用的弱点。要理解重编程的代谢如何支持肿瘤生长，并识别哪些重编程活动与治疗弱点最相关，需要更复杂的视角来看待代谢表型在癌症进展中的演化。先进的动物模型可以重现人类癌症进展中的关键事件，这对于发现最重要的代谢弱点至关重要。这些动物研究需要通过代谢组学、代谢同位素示踪剂和代谢成像技术来直接评估人类肿瘤的代谢。关键是，需要多学科合作研究来将动物模型的发现转化为临床应用，并将人类癌症的发现转化为小鼠模型以进行机制研究和假设检验。理想情况下，这些工作将产生有效的方法，以检测人类肿瘤中代谢行为的预测性特征，从而帮助设计临床试验，并将患者分层以接受最有效的治疗。在未来十年，这些努力应当能够形成一个更细致且在治疗上更具操作性的癌症代谢观。

代谢重编程是恶性肿瘤的标志。随着我们对肿瘤生物学复杂性的理解增加，我们对肿瘤代谢复杂性的认识也在增加。人类肿瘤中的代谢异质性给开发利用代谢脆弱性的治疗方法带来了挑战。最近的工作还表明，肿瘤的代谢特性和偏好在癌症进展过程中会发生变化。这在同一患者或实验模型中产生了原发肿瘤和转移性癌症之间的不同脆弱性集合。我们回顾了关于癌症中代谢重编程的新兴概念，特别关注为什么代谢特性在癌症进展过程中演变以及如何利用这些信息来开发更好的治疗策略。

图示摘要¶

癌症进展过程中的代谢演变：癌症进展过程中，代谢需求和弱点不断演化。肿瘤生长的早期阶段需要营养物质的摄取和生物合成，而局部侵袭性癌症会出现额外的亚型选择性代谢需求。在癌症进展的后期阶段，尤其是转移和治疗耐药性阶段，肿瘤对新路径的依赖性增加。这些依赖性包括对抗氧化应激机制的依赖以及对氧化磷酸化的依赖增加，这些都是潜在的可靶向弱点。

细胞代谢是一个灵活的网络，允许组织满足维持平衡和生长的需求。在癌症中，恶性细胞会根据各种细胞外部和内部信号获得代谢适应（见图 1）。其中一些适应启动了转化过程，另一些则促进恶性细胞的生长，并使它们对关键路径抑制剂敏感。历史上，大多数癌症代谢研究都集中于临床可检测肿瘤或由其衍生的实验模型中观察到的表型。因此，“癌症代谢”和“代谢重编程”通常被用来表示在高度增殖的肿瘤或癌细胞中观察到的一组共有路径。沃伯格效应，即在有氧环境中偏爱糖酵解和乳酸分泌，是一个在许多增殖的癌细胞和肿瘤中由致癌基因自主控制的代谢特性的例子（1）。如果癌细胞对沃伯格效应或其他保守路径产生固定的依赖，而非恶性细胞能够适应其抑制，那么治疗机会可能会出现。

内在和外在因素共同作用于肿瘤的代谢表型。

内在因素包括母体组织的特性以及由于信号传导和转录网络的改变在恶性细胞中产生的新特性。外在因素包括微环境施加的代谢压力和患者的整体代谢状况。

癌症代谢重编程的新见解¶

近期通过高级代谢分析技术和对体内真实肿瘤代谢的关注，我们认识到需要更细致地看待代谢重编程。首先，肿瘤细胞需要许多非恶性组织所拥有的途径和适应性，表明很少有代谢活动真正仅限于肿瘤。其次，随着评估代谢表型的方法变得更加信息丰富，人类肿瘤的代谢异质性变得清晰。因此，代谢特征和弱点是亚型选择性的，而不是所有癌症中统一存在的（2）。这与针对癌细胞中看似普遍的代谢弱点的疗法（如抗叶酸药物）效果不一的情况一致。

第三，也是本文综述的重点，代谢表型和依赖性会随着癌症从癌前病变到局部临床显现的恶性肿瘤再到转移性癌症的发展而演变。理解癌症代谢并识别其弱点需要一个更复杂的视角来看待代谢表型随时间的演变。尽管确定哪些代谢活动能够最大化细胞生长和增殖，以及这些活动如何在癌症中被持续激活仍然有价值，但新兴观点认为，癌症代谢是灵活且特定于情境的，一些最有前景的治疗靶点与支持细胞生长的途径或局部侵袭性肿瘤是不同的。本文综述了肿瘤进展的代谢基础的最新概念进展，特别关注代谢依赖性的发展如何与治疗机会相关。

癌前病变¶

非恶性组织中的器官特异性代谢表型由细胞内在和外在因素的综合作用产生。这些因素包括表观遗传调控的基因表达、细胞组成、组织结构，有时还包括共生微生物群落，这些因素在不同组织间有所不同（见图 1）。代谢扰动会引发支持整体平衡的组织特异性反应。例如，哺乳动物在禁食压力下，脂肪组织发生脂解作用，肝脏进行酮体生成，而大脑和其他器官则消耗酮体。理解组织特异性的代谢表型是理解癌症代谢的重要基础。

肿瘤发生的初始阶段在原生组织的代谢约束下进行，这可能解释了癌症中代谢异质性的两个现象。首先，尽管通过基因表达特征可以识别肿瘤，但它们保留了母体组织的转录组特征，因此在同一器官中产生的肿瘤彼此更相似，而不同器官产生的肿瘤则差异较大。一项对数千个人类肿瘤的研究发现，起源组织是定义 DNA 甲基化和基因表达模式的主要因素（3）。基于代谢网络的基因表达特征也更接近其起源组织，而不是不同器官的肿瘤（4）。其次，尽管不同的致癌基因以不同方式重编程代谢，致癌基因表达的组织会影响代谢重编程的执行。例如，在小鼠中表达人类 MYC 致癌基因，转基因 MYC 在肝脏肿瘤和肺部肿瘤中都引起代谢变化，但在肺部肿瘤中激活谷氨酰胺分解代谢，在肝脏肿瘤中激活谷氨酰胺合成。因此，根据致癌驱动因素而不是起源组织对肿瘤进行分类可能掩盖了原始组织代谢状态带来的代谢差异。

原发侵袭性癌症¶

通过过度细胞增殖和额外突变的获取，癌前病变发展为引起临床关注的恶性肿瘤。我们对癌症代谢的许多认识来自于局部侵袭性肿瘤，这些肿瘤局限于母体组织。细胞存活和增殖在癌前病变进展到临床可检测肿瘤的过程中非常重要，这可能解释了为何在癌症代谢研究中一些刻板的代谢特性反复出现。我们用“趋同性特性”来描述这些途径，因为它们似乎是无数调控异常导致肿瘤发生的共同结果（2）。涉及能量生产（包括沃伯格效应）、大分子合成和氧化还原控制的途径通常被致瘤突变重新编程，如 KRAS（29）、TP53（30）、MYC（31）等。这些途径可能表现出趋同性，因为临床明显的肿瘤和由其衍生的实验模型没有它们就不会出现。

趋同性代谢途径由丰富的营养物质如葡萄糖和氨基酸提供支持。癌症代谢的一个中心概念是恶性细胞通过激活营养物质摄取机制获得增强的自我供养能力（33）。这种细胞自主行为由调控细胞营养处理的保守机制突变硬连线。人类癌症中最常见的突变之一是磷脂酰肌醇 3- 激酶（PI3K）信号传导途径的激活突变，这种突变将生长因子信号与合成代谢的激活联系起来（34）。这些突变通过锁定细胞在营养物质摄取和合成代谢表型中，减少对外部生长因子的依赖，促进不受约束的生长。允许细胞感知营养物质可用性和能量状态的机制也常常发生突变，包括 STK11 的失活突变，该基因编码丝氨酸 - 苏氨酸激酶 LKB1。LKB1 刺激腺苷 5'- 单磷酸（AMP）激活的蛋白激酶，通常在能量应激条件下抑制合成代谢。生长因子信号和营养物质可用性在哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物 1（mTORC1）上汇聚，mTORC1 将这些信号整合以刺激核糖体生物合成、蛋白质合成和细胞生长所需的其他途径（35）。在原发侵袭性癌症中，激活 mTORC1 的突变常见，导致对受 mTORC1 控制的代谢途径抑制剂的敏感性增强（36）。

随着肿瘤从癌前病变进展到显性癌症，调控肿瘤代谢的因素，包括基因组环境和微环境，都在演变。即使是常见致癌驱动因素的已知影响，也可能在疾病进展过程中提供不同的益处。例如，致癌 KRAS 激活葡萄糖转运蛋白 GLUT1 的表达，并在葡萄糖丰富时促进高糖酵解率（37）。这些突变在葡萄糖充足的条件下没有特别的优势，但在葡萄糖稀缺时，突变细胞比野生型细胞更具竞争力，并最终占据培养环境。此外，仅仅在低葡萄糖条件下培养野生型细胞就会选择出具有增强 GLUT1 表达的细胞，包括自发获得 KRAS 突变的克隆。这些发现表明，致癌突变带来的益处可能由代谢环境决定。对于 KRAS 等致癌驱动因素，肿瘤发生早期的突变可能在营养物质供应受限时提供特定的竞争优势。在已建立的肿瘤中，持续表达的致癌 KRas 通过将葡萄糖引导至促进大分子合成的途径，推动快速生长。测试 KRas 和其他致癌基因的代谢效应依赖性在恶性肿瘤进展过程中是否会演变，将具有启示意义。

其他代谢特性随着肿瘤的生长而分化，导致原发性癌症中显著的代谢异质性（2）。这些分化表型反映了癌细胞分子异质性和微环境不一致性的影响；这些因素的相对重要性是一个活跃的研究领域。一些研究通过在一组基因多样的癌细胞系中进行代谢分析，描述了细胞内在过程定义的异质性范围。在一项研究中，在相同条件下培养了 80 多种肺癌细胞系，并使用 13C 示踪剂和其他检测方法观察了纯粹由细胞内在过程定义的代谢表型范围。尽管所有细胞都来源于恶性肺肿瘤，但它们的代谢特性显著不同。将这些特性与独立的基因组、转录组和蛋白质组数据相关联，发现一些特性（例如三羧酸（TCA）循环中营养物质利用的模式）反映了单一的致癌驱动因素，如突变的 KRAS 或表皮生长因子受体（EGFR）。其他特性则是由不同基因的多重突变综合作用产生的结果，而不是单一驱动因素，还有一些特性无法通过致癌基因型轻易解释。另一项研究得出了类似的结论，发现一些基因型 - 表型相关性，但未能揭示出许多常见驱动因素的可预测代谢特征。这些研究表明，癌细胞代谢对多重突变和未知过程的组合效应敏感。

体细胞突变的积累和选择驱动癌症进展，导致异质性的弱点。主干突变对癌症发生至关重要，而后续突变，包括它们出现的顺序，可能影响肿瘤生物学。KRAS 是人类肺腺癌中最常见的致癌驱动因素，但 KRAS 驱动的肿瘤行为受到其他基因突变的影响。例如，KRAS 和 STK11 的突变共同作用导致具有侵袭性恶性特征的肿瘤，包括转移和治疗耐药性。这种特定的共突变状态也影响代谢弱点。KRAS 和 STK11 的突变单独影响代谢，但两者共突变会产生新的弱点，包括对嘧啶代谢和氧化磷酸化（OXPHOS）的依赖性增加。KRAS-STK11 代谢表型进一步受到肿瘤抑制基因 KEAP1（核因子红细胞 2 相关因子 2（NRF2）抗氧化转录程序的负调控因子）的共突变影响。这三种突变共现的倾向表明，KRAS 和 STK11 突变引起的代谢状态选择了 KEAP1 丧失所提供的额外抗氧化能力。在临床前模型中，这种抗氧化功能需要谷氨酰胺分解代谢，使包含所有三种突变的肿瘤对谷氨酰胺酶抑制剂高度敏感。

体细胞获得性突变的积累改变了肿瘤生物学并导致代谢弱点的演变。

KRAS 突变在肺部引发肿瘤发生，推动营养物质摄取和合成代谢。STK11 突变增加了侵袭性肿瘤生物学的关键方面，包括转移效率和治疗耐药性，但也增加了对某些代谢抑制剂的敏感性。KEAP1 突变通过刺激谷胱甘肽合成增强了对氧化应激的抵抗力，但也使细胞对谷氨酰胺酶产生依赖，以提供合成谷胱甘肽的前体物质。细胞根据其基因型进行颜色编码。

有趣的是，KRAS 和 STK11 的共同突变在胰腺导管腺癌（PDAC）中也带来弱点，但其机制与肺癌中的不同。在小鼠 PDAC 模型中，这些突变协同激活丝氨酸和甲基供体 S- 腺苷甲硫氨酸的合成，后者是 DNA 甲基化的底物（48）。这导致基因组甲基化模式增加，从而促进肿瘤生长。在这些模型中，抑制丝氨酸生物合成或 DNA 甲基转移酶可以减少肿瘤生长。

随着临床显现的肿瘤从小的癌前病变中出现，肿瘤微环境也在演变。微环境可以对癌细胞施加许多非细胞自主的压力，包括营养和氧气缺乏、细胞外空间酸化以及异常的细胞 - 基质和细胞 - 细胞相互作用（2, 49）。肿瘤进展需要癌细胞耐受这些压力并发展出继续增殖的机制。由致癌基因驱动的营养物质转运蛋白的表达（24, 50），从多种营养来源获取能量的能力——包括从蛋白质、回收的细胞器和坏死碎片中获取能量（51-54）——以及癌细胞之间或癌细胞与基质细胞之间的代谢合作（55, 56），都可能有助于肿瘤细胞在压力环境中的适应性。

这些细胞自主和微环境过程不仅影响肿瘤之间的代谢差异，还导致同一肿瘤内的区域性代谢异质性。人类局部实体肿瘤的进展涉及具有额外突变的细胞的克隆扩展和分支进化生长。在 ccRCC 中，对原发性肿瘤的多个区域进行测序显示，大多数体细胞获得的突变并不在所有区域中存在（57）。这产生了具有细胞自主代谢效应的区域性多样化突变组合，包括主干的 VHL 突变，随后是 mTOR、PTEN 等基因的克隆突变。这些组合对代谢的影响尚不清楚。在人类肺癌中，在手术切除肿瘤期间给患者注入 13C- 葡萄糖，尽管在多个区域存在主干突变，但仍然揭示出显著的区域性代谢异质性（58, 59）。在这些肿瘤中，营养物质代谢和代谢基因表达的局部模式与灌注的局部差异相关，表明微环境和肿瘤细胞基因型协同调控代谢。我们需要更好的方法来评估人类癌症中的区域性代谢表型，因为肿瘤内代谢脆弱性的一致性不足将限制代谢疗法的实用性。除非脆弱性由主干突变建立，并且足够强大以抵御后续突变和环境因素的缓解效应，否则它可能不会成为一个有用的治疗靶点。

转移性癌症¶

癌症死亡主要由转移而非原发部位的局部肿瘤生长引起。与转移性癌症不同，局部肿瘤通常可以通过手术治愈。扩散的转移导致神经功能障碍、呼吸衰竭、血栓形成等潜在致命的并发症。转移要求细胞应对一系列生物挑战，包括逃离原发肿瘤、在循环系统中生存、定植于远处器官并在这些远处部位生长成肿瘤。许多因素有助于癌细胞的转移能力（60-63）。转移还对代谢提出了与支持细胞生长不同的要求，抑制这些活动可以减少转移的扩散（见图 3）。

肿瘤代谢支持转移级联的多个步骤。

在转移的多个步骤中都会出现瓶颈，而代谢重编程则支持成功通过这些障碍。细胞外酸化促进了原发肿瘤细胞的内侵。在细胞进入循环系统后，一个主要瓶颈是细胞存活需要产生 NADPH 和谷胱甘肽（GSH）的机制以抵抗氧化应激。成功定植远处器官并在休眠期间生存可能需要新的微环境与微转移病灶中的癌细胞需求之间的协调。最后，在大转移性肿瘤生长期间，合成代谢重新激活。

转移级联过程中的肿瘤代谢¶

转移级联始于潜在转移细胞从原发肿瘤中逃脱。进入血液或淋巴系统（内侵）涉及细胞外基质（ECM）的降解、脱离原始环境和避免免疫监视。代谢因素被认为通过赋予癌细胞与增强侵袭性相关的自主特性或改变微环境来促进这些过程。一个趋同的代谢表型是代谢活跃的癌细胞释放 CO2、乳酸和其他有机酸，酸化细胞外空间并促进 ECM 的降解（图 3）。这涉及减少癌细胞上的黏附连接，使其从相邻细胞分离，并刺激降解 ECM 的蛋白酶（64）。

其他代谢适应促进上皮 - 间充质转化（EMT），这是一种涉及粘附丧失和迁移能力增强的多因素细胞状态。依赖于致癌基因的尿苷二磷酸（UDP）- 葡萄糖脱氢酶（UGDH）激活耗尽了 UDP- 葡萄糖，导致促间充质特性的转录因子 SNAIL 的表达增加，从而增强了小鼠的迁移和转移（65）。天冬酰胺合成酶（Asns）的表达将天冬氨酸转化为条件必需氨基酸天冬酰胺，支持 EMT，从而促进乳腺癌细胞的侵袭性和转移。沉默 Asns 或系统性耗竭天冬酰胺可以减少这些模型中肺部的转移（66）。

原发肿瘤微环境中的代谢压力也会影响转移。肿瘤内的缺氧区域预示着转移风险增加，而 HIF-1 和 HIF-2 下游的转录程序允许缺氧的乳腺癌细胞内侵和转移（67, 68）。癌细胞快速消耗营养物质被认为会耗尽免疫细胞的葡萄糖和谷氨酰胺等燃料，导致免疫监视环境不佳，并可能增加侵袭性癌细胞的生存机会（69）。

即使是小肿瘤也会将癌细胞释放到循环中，但这些细胞中只有很小一部分（0.01%）能够形成转移病灶（70-73）。这意味着转移中的主要瓶颈发生在逃离原发肿瘤之后。失去锚定后的抗氧化反应有助于转移能力（图 3）。在培养的乳腺上皮细胞中，基质分离会产生氧化应激，除非通过戊糖磷酸途径产生还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）来缓解压力，否则会导致细胞死亡。该途径提供还原当量以再生 ROS 解毒代谢物，如谷胱甘肽（74）。将 NADPH 从细胞质转移到线粒体的氧化还原穿梭对于细胞失去单层附着后的最大癌细胞生长是必需的（75）。在体内，血液循环的氧化环境使抗氧化防御成为转移效率的主要因素。在患者来源的黑色素瘤异种移植模型中，抑制氧化应激或通过细胞内激活抗氧化途径促进转移（76），并在基因改造的小鼠黑色素瘤（77）、乳腺癌（78）和肺癌（79-81）模型中验证了这一点。然而，并非所有肿瘤细胞都易受氧化应激的影响，在一些模型中，ROS 可能促进转移（82-84）。ROS 的确切作用可能取决于癌症的阶段和类型（85）。

远处器官的定植是转移中的另一个瓶颈（图 3）（70, 86-89）。定植包括在休眠微转移病灶中的细胞存活，并最终重新激活生长，导致临床显现的大转移病灶（90, 91）。器官培养转移病灶的倾向是可变的，肝、肺、脑和骨是许多癌症的重要转移部位（92）。一些原发性癌症倾向于转移到特定器官，这种关系被称为器官趋向性。通过淋巴系统和血流从原发部位到达远处器官的可达性有助于决定哪些环境最适合转移，但癌细胞的代谢需求与器官环境的协调也有贡献。在小鼠中，肺间质液中的丰富丙酮酸促进乳腺癌细胞 α- 酮戊二酸的合成，后者通过 α- 酮戊二酸依赖的酶脯氨酸 -4- 羟化酶刺激胶原交联（93）。ECM 中的过度胶原交联提高了肺支持乳腺癌转移的能力。转移性卵巢癌细胞优先选择脂肪酸作为燃料，这或许可以解释它们为什么经常转移到富含脂肪的大网膜脂肪垫。在小鼠中，阻止脂肪酸从邻近脂肪细胞向卵巢癌细胞转移可以减少转移生长（94）。脂肪酸氧化也支持一些癌细胞对淋巴结的定植（95）。在这些模型中，淋巴结内的生物活性胆汁酸通过 Yap（Yes 相关蛋白）介导的转录重编程刺激脂肪酸氧化，抑制 Yap 或脂肪酸氧化都能减少淋巴结转移。同样，三阴性乳腺癌依赖脂肪酸氧化来维持异常的 Src 活性，从而促进转移（96）。

原发肿瘤中癌细胞的代谢异质性可以调控总体转移效率和器官趋向性。一部分人类口腔癌细胞表达脂质转运蛋白 CD36，CD36 将脂肪酸导入细胞供氧化。CD36 的表达对于这些细胞高效形成淋巴结转移既是必要的也是充分的（97）。在小鼠乳腺癌模型中，癌细胞显示出异质的代谢特性，影响转移部位，肝转移需要 Hif-1 靶点丙酮酸脱氢酶激酶 -1（Pdk1），后者促进缺氧适应（98）。在人类黑色素瘤中，脑转移富含与氧化磷酸化（OXPHOS）相关的基因集，抑制 OXPHOS 可以减少小鼠模型中的脑转移，但对肺转移没有影响（99）。这些发现表明特定的代谢适应促进黑色素瘤的器官趋向性。同样在黑色素瘤中，单羧酸转运蛋白 -1（MCT1）的表达定义了一部分高转移效率的细胞。在患者来源的异种移植和同系模型中，MCT1 依赖的乳酸转运使黑色素瘤细胞能够维持支持戊糖磷酸途径和缓解氧化应激的细胞内 pH 值和氧化还原比（100）。

转移细胞到达远处器官与大转移病灶出现之间的休眠期变化很大。胶质母细胞瘤转移到肺部仅在将已故供体的肺移植到免疫抑制患者时观察到，表明在免疫功能正常的宿主中存在无限期的休眠期（101）。癌细胞在长时间休眠期间如何存活尚未完全了解。当体内选择用于识别潜伏能力癌细胞时，这些肿瘤表现出类似于干细胞和祖细胞的静息状态（102）。在小鼠胰腺癌模型中，从已建立的肿瘤中去除致癌 Kras 显示出一部分存活并最终繁殖的细胞。这些休眠细胞相比表达 KRas 的细胞显示出增强的 OXPHOS，抑制 OXPHOS 可以减少肿瘤复发（103）。尽管该模型未评估转移，但它确实表明了休眠期间代谢依赖性的转变。一旦休眠细胞开始增殖，预计将激活涉及生物质同化的合成代谢途径以支持进展到大转移病灶（图 3）。确定大转移病灶中的促进生长的代谢网络是否与原发肿瘤不同将是有趣的。

靶向代谢¶

传统上认为肿瘤具有普遍的、固有的代谢脆弱性。然而，到目前为止，这一观点并未产生许多在人体癌症中具有广泛和可预测疗效的代谢疗法。以上综述的见解表明，癌细胞代谢是灵活和异质的，对癌症进展过程中不断演变的信号作出反应，并阻碍了针对固定弱点的努力。那么我们应该如何优先考虑潜在的代谢脆弱性以进一步研究和开发新疗法？

一个罕见但关键的干预机会涉及基因定义的代谢改变，这些改变在机制上促进了转化。最简单的例子是代谢酶的突变，这些突变永久性地改变了细胞代谢并促进了恶性特征。目前，AML 中的 IDH1 和 IDH2 突变最能说明这种范式。任何一个基因的主干突变都会产生对由此产生的代谢改变（D-2HG 积累）的细胞自主和持久依赖性。这些是有吸引力的治疗靶点。IDH1 和 IDH2 突变抑制剂在 AML 患者中的临床疗效已被证明，目前正在进行实体瘤的临床试验。除了其表观遗传效应外，D-2HG 还抑制经典代谢网络中的酶（104）。这些酶包括产生谷氨酸用于谷胱甘肽合成的转氨酶，使 IDH 突变的胶质瘤易受谷氨酸耗竭和增强氧化应激的治疗（105）。这可能在 IDH1 和 IDH2 突变肿瘤中提供了抑制突变 IDH 以外的治疗机会。

FH 和 SDH 突变也会产生主干代谢异常。这些突变在临床前模型中导致 TCA 循环的永久性重组，并导致许多代谢弱点（106-108）。它们还带来了非直觉的弱点，可能为临床干预提供机会。除了在 TCA 循环中的作用外，SDH 和 FH 缺陷癌症中的高水平琥珀酸和富马酸会损害同源重组 DNA 修复（109）。这种修复途径需要 α- 酮戊二酸依赖的组蛋白去甲基化酶 KDM4A 和 KDM4B。与 D-2HG 类似，高浓度的琥珀酸和富马酸会抑制包括 KDM4A 和 KDM4B 在内的 α- 酮戊二酸依赖的酶。缺乏 FH 和 SDH 的癌细胞中无效的 DNA 修复使它们对阻断 DNA 修复的药物敏感。

研究治疗耐药状态中的代谢重编程可能也会带来新的临床机会。获得性治疗耐药是导致癌症相关死亡的一个主要因素，代谢改变有可能促成治疗耐药。一例涉及通过可逆的、非突变机制在细胞毒性治疗中存活的耐药性持久细胞。在各种细胞毒性治疗和癌症类型中，这种持久状态赋予对脂质过氧化酶 4（GPX4）的依赖性。抑制 GPX4 会诱导脂质过氧化和持久细胞死亡，并减少对细胞毒性治疗耐药的肿瘤的重新出现（110）。

在某些情况下，癌细胞与微环境之间的代谢相互作用会促进治疗耐药。非小细胞肺癌的代谢特性可以重新编程基质细胞以诱导对 EGFR 抑制剂的耐药性（111）。癌细胞的乳酸输出诱导邻近的成纤维细胞分泌肝细胞生长因子，后者在癌细胞上激活其受体酪氨酸激酶 c-MET。因此，即使在存在 EGFR 抑制剂的情况下，癌细胞也能维持致癌信号（111）。PDAC 细胞还会利用微环境来促进药物耐药性。PDAC 诱导的巨噬细胞极化会导致巨噬细胞释放脱氧胞苷，后者会竞争性地抑制化疗药物吉西他滨，从而降低其疗效（112）。

某些药物会诱导系统性代谢效应，从而复杂化治疗反应。PI3K 抑制剂会抑制肌肉和其他组织的葡萄糖摄取，导致药物使用后血糖和胰岛素释放增加。胰岛素激增重新激活肿瘤中的 PI3K 信号，限制了 PI3K 抑制剂对肿瘤生长的疗效。将小鼠置于低碳水化合物、酮症饮食中可以减缓伴随 PI3K 抑制的高血糖和胰岛素释放，从而提高 PI3K 抑制剂对肿瘤生长的疗效（113）。

研究癌症进展的一个反复出现的主题是癌细胞在疾病晚期对氧化磷酸化（OXPHOS）的依赖性增加。如上所述，长时间撤除体内致癌 Kras 的小鼠 PDAC 细胞需要 OXPHOS 才能从休眠中恢复（103）。在慢性淋巴细胞白血病中，获得性耐药性涉及线粒体质量增加和 OXPHOS 增强（114）。抑制 OXPHOS 可以增加培养和体内的耐药性。OXPHOS 还在小鼠 AML 模型中促进对抗代谢药物阿糖胞苷的耐药性（115）。在阿糖胞苷治疗后存活的细胞和具有先天阿糖胞苷耐药性的细胞都表现出增强的 OXPHOS。阿糖胞苷治疗 AML 小鼠中的细胞会保留高水平的 OXPHOS，而阿糖胞苷耐药细胞对 OXPHOS 抑制剂敏感（115）。尚不清楚为何细胞在癌症进展过程中对 OXPHOS 的依赖性增强，是否在所有情况下机制相同。然而，这种形式的代谢重编程值得进一步研究，因为其在各种临床前模型中的出现暗示了一定程度的普遍性，并且一种在小鼠模型中具有强效的 OXPHOS 抑制剂目前正在进行一期临床试验（116）。

考虑到 OXPHOS 在许多其他组织中的重要性，OXPHOS 抑制剂的治疗窗口是否足够宽？这是一个开放的问题。最近描述的 OXPHOS 抑制剂显示出对培养的癌细胞相比于非转化细胞或其他具有能够补偿 OXPHOS 损伤的代谢特性的癌细胞具有更强的毒性（116, 117）。令人鼓舞的是，这些药物还可以在小鼠中以短期内耐受的剂量抑制易感肿瘤的生长。目前我们还不知道是否可以在大动物和人类中持续用药，以在不引起心脏、肌肉、大脑和其他氧化器官的剂量限制性毒性的情况下诱导持久的治疗反应。

其他重编程路径也存在类似的问题，其中大多数不局限于肿瘤。谷氨酰胺依赖性是培养的癌细胞的一个常见特征，早期试图在体内靶向这一途径使用了谷氨酰胺类似物 6- 氮杂 -5- 氧代 -L- 诺氨酸（DON）。通过抑制许多使用谷氨酰胺作为底物的酶，DON 可以杀死癌细胞，但对胃肠道和其他组织的毒性过大，限制了其临床发展。然而，最近的 DON 类似物 JHU083 是一种在肿瘤微环境中被激活的前药，改善了治疗窗口（118）。在同系小鼠模型中，该药显著减少癌细胞对谷氨酰胺的消耗，抑制癌细胞生长，并增加肿瘤微环境中 T 细胞的谷氨酰胺和其他营养物质的可用性。这产生了强大的抗肿瘤免疫反应，导致肿瘤退化。

在将有前景的代谢疗法推进到临床实践中，面临的一个相关挑战是识别最有可能从药物中受益的患者。肿瘤间的代谢异质性使这一点变得困难，即使有特定的、强效的和耐受性良好的抑制剂。迫切需要更好的预测治疗反应的生物标志物，完整肿瘤的代谢表型进展表明了几条前进的道路（119）。首先，IDH1 和 IDH2 突变肿瘤中 2-HG 积累是一个罕见的例子，其中代谢物直接报告了致癌驱动因素和潜在治疗（图 4）。质子磁共振波谱可以无创地追踪 IDH 突变胶质瘤中的 2-HG 丰度，通过纵向 2-HG 测量预测疾病进展和治疗反应（120）。在诊断时检测到 2-HG 的肿瘤可以在临床试验中分层以接受突变 IDH 抑制剂。

利用体内分析将肿瘤代谢与代谢疗法匹配的前景

几种评估完整肿瘤代谢的新方法，特别是通过新成像技术，人类和实验模型中已经使用这些方法来报告亚型选择性的代谢特性，其中一些与治疗敏感性相关。MRS，磁共振波谱；D-2HG，D-2- 羟基戊二酸；mIDH，突变的异柠檬酸脱氢酶；MCT1，单羧酸转运蛋白 -1；18F-BnTP，4-[18F] 氟苄基三苯基膦；Gln，谷氨酰胺；PET，正电子发射断层扫描；GLS，谷氨酰胺酶。

然而，大多数代谢疗法缺乏生物标志物，传统的分子分析方法（如 DNA 和 RNA 测序）通常无法充分代表代谢过程。然而，代谢示踪剂可以原位评估肿瘤代谢（图 4）。13C 示踪剂可以追踪营养物质的去向，例如葡萄糖和乳酸，从而报告完整肿瘤中的代谢途径。将 13C- 乳酸静脉注射到人类非小细胞肺癌患者和携带患者来源的黑色素瘤的小鼠中，识别出了具有未来转移倾向的肿瘤，这些肿瘤在小鼠中需要依赖 MCT1 的乳酸转运（58, 100）。使用超极化磁共振成像（MRI）也可以对标记有 13C 的示踪剂进行成像，从而非侵入性地观察 13C 在丙酮酸和乳酸之间的转移等活动（121）。在人类前列腺癌中，肿瘤等级与 MCT1 表达及注射超极化 13C- 丙酮酸后 13C- 乳酸成像相关（122）。MCT1 抑制剂正在临床开发中，这些研究提出了识别可能从中受益的患者的方法。

最后，新的 PET 探针报告了与实验治疗相关的肿瘤代谢方面。尽管 18FDG 在临床肿瘤学中已经使用了 40 年，但它尚未被用来预测对特定代谢疗法的反应。一种新的探针 4-[18F] 氟苄基三苯基膦（18F-BnTP）在肿瘤中积累的比例与其对氧化磷酸化（OXPHOS）的依赖性成正比（123）。在小鼠肺癌模型中，18F-BnTP 成像预测了对 OXPHOS 抑制的敏感性，无论肿瘤是否摄取 18FDG。最近在人体癌症中评估了检测谷氨酰胺摄取的 PET 示踪剂，这与谷氨酰胺酶抑制剂的临床试验有关（124）。在使用谷氨酰胺酶将谷氨酰胺转化为谷氨酸的肿瘤中，谷氨酰胺酶抑制应耗尽谷氨酸并增加谷氨酰胺池。在小鼠乳腺癌模型中，使用 PET 和其他方式检测到谷氨酰胺酶抑制后的这些变化（125, 126）。

结论¶

最近在癌症代谢方面的研究重点是在人体和小鼠的原生微环境中评估代谢表型。这增进了对肿瘤代谢异质性的认识，将代谢依赖性的范围扩展到主导培养物代谢的经典途径之外。证据还表明，随着癌症进展，代谢表型会演变，在治疗耐药性和转移的背景下出现新的依赖性。未来的研究应进一步探索这些新出现的脆弱性，并设计出针对它们的治疗方法。这需要使用实验模型，使研究人员能够分离和操控关键细胞亚群，如休眠持久细胞和转移级联中的细胞。我们还期待在体内评估和量化人类癌症代谢表型的方法进一步发展，包括代谢组学、同位素追踪研究和代谢成像。这些努力最终可能使临床肿瘤学家能够通过将治疗与患者特定的肿瘤代谢相匹配来定制治疗策略。

致谢¶

我们遗憾地未能引用许多优秀的研究，这些研究塑造了我们对癌症代谢的理解。感谢 DeBerardinis 实验室的成员对手稿进行批判性阅读，以及 K. Regan 对图表的帮助。

资助：R.J.D.得到了霍华德·休斯医学研究所、国家癌症研究所、德克萨斯州癌症预防与研究机构以及穆迪基金会的支持。B.F.获得了加拿大健康研究院的博士后奖学金（MFE140911）。A.S.是国家儿童健康与人类发展研究所资助的 Ruth L. Kirschstein 博士后研究员（F32HD096786）。