作者：常涵月，马海龙，杨溪，张志愿，上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔医学院口腔颌面-头颈肿瘤科

头颈鳞癌（head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）是一种侵袭性恶性肿瘤，伴有局部高复发，淋巴结转移等特点。全球每年报告的头颈部鳞状细胞癌新发病例超过50万例。根据HNSCC的TNM分期以及原发病灶来选择手术，放疗以及化疗的不同组合方式。

18氟脱氧葡萄糖正电子断层成像（18Ffluorodeoxyglucose，PET-CT）对于淋巴结阳性的隐匿原发性肿瘤更加敏感。而18-FPET-CT的应用正是基于肿瘤细胞糖代谢活跃的原理。糖代谢可以给肿瘤细胞的增殖和迁移提供能量来源，对于肿瘤细胞的生存是必不可少的。糖代谢的研究为我们进一步了解头颈鳞癌细胞的生物学特性以及寻求治疗方法提供了帮助。

1.肿瘤细胞糖代谢的改变

能量代谢的重新编程被认为是癌症的一个标志。正常细胞一般只会在无氧条件下才会进行糖酵解产生乳酸，无氧氧化的生理意义是不利用氧迅速提供能量。肿瘤细胞显著的特点是有氧条件下的糖酵解。虽然糖酵解相比于氧化磷酸化产生的ATP含量低，但是癌细胞代谢可迅速得到ATP并且糖酵解产生的中间产物转导到生物合成途径，重新编程的新陈代谢有助于肿瘤细胞转移，抵抗细胞死亡和其他恶性特征。糖酵解途径中的3个不可逆步骤的关键酶对糖酵解的速率至关重要。

1.1糖代谢的3个关键酶

1.1.1己糖激酶（hexokinase，HK）

HK控制着糖酵解的第一步，催化葡萄糖转变为葡萄糖-6-磷酸（G6P）。哺乳动物中HK4种亚型HKI，HKII，HKIII和HKIV在组织中的表达各不相同。其中，肝细胞中存在的是HKIV型，称为葡糖激酶（glucokinase），但对葡萄糖的亲和力最低，是哺乳动物4种亚型中唯一不受G6P抑制的亚型。HKI和HKII是与线粒体有高亲和力的亚型，HK1在大多数哺乳动物组织中广泛表达，HKII大量存在于脂肪、心脏和骨骼肌中。相对于HKI，HKII有着更高的糖酵解速率。

HKII对肿瘤代谢而言是必不可少的。在肿瘤细胞中，HKII的表达增高有助于维持细胞增殖并且与肿瘤患者的不良预后相关。在肝癌中，HKII的表达受到P53的调控。P63也可以通过调控HKII的表达而参与肿瘤细胞代谢表型的转变。

1.1.2磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK）

调解糖酵解流量最重要的是PFK-1活性。果糖2，6-二磷酸（fructose2，6-bisphosphate，F26BP）可通过与PFK1相互作用而克服ATP的抑制，增加葡萄糖的摄取。

在哺乳动物中，特别是在人类组织中，PFK首先被确定为3种亚型，肌肉中的PFK-M、血浆中的PFK-P和肝脏中的PFK-L等亚型。M和L之间的序列同源性为68.6%，M和P之间的序列同源性为70.3%，L和P之间的序列同源性为66.6%，虽然骨骼肌肉只表达M亚型，而其他组织按不同比例表达3种亚型，但这可能有助于特定的糖酵速率。PFK是少数几种能被自身底物（即ATP）异常抑制的酶之一，ATP对PFK有双重作用；当ATP浓度为1mm时，PFK被激活，当ATP浓度更高时，PFK被抑制。在几种人乳腺肿瘤细胞系中，侵袭性细胞中糖酵解效率较高，这和PFK-L与其他两种亚型相比表达比例较高有关。

1.1.3丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）

PK是一种进化保守的代谢酶，催化磷酸烯醇丙酮酸生成丙酮酸。几乎所有的哺乳动物基因组，包括人类，编码两个不同的PK基因，分别是PKLR和PKM的基因，它们表达4种PK亚型（L，R，M1和M2），其中PKL和PKR是由PKLR基因编码的，分别表达肝细胞和红细胞，PKM1和PKM2通过选择性剪接由同一个PKM基因编码，PKM1在许多正常分化的组织中表达，而PKM2表达在高度增殖的细胞如胚胎细胞，干细胞和肿瘤细胞。PKM1和PKM2都是由4个相同亚基组成的四聚体蛋白。

在生理状态下，PKM1以四聚体形式存在，而PKM2即可以四聚体存在，也可以二聚体存在。果糖1，6-2磷酸是PKM2的变构激活剂，而对PKM1的影响甚小。近年来，越来越多的证据表明PKM2表达具有致瘤性，一方面作为代谢关键酶，另一方面参与细胞信号通路的调节，以促进肿瘤的进展。在大多数癌症中，存在着PKM1亚型向PKM2亚型转变，并且癌细胞通过c-Myc基因促进这一转换，以适应其增殖和代谢的需要。

1.2糖代谢产物乳酸对肿瘤的影响

癌细胞的糖酵解代谢利用乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）将丙酮酸转化为乳酸。大量代谢产物乳酸的堆积会影响肿瘤微环境中的pH值，并且乳酸作为促炎和免疫抑制的介质，会促进肿瘤的恶性进展。研究表明，高浓度的乳酸与癌症早期远处转移的高发病率有关。

乳酸还可以激活基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）组织蛋白酶，上调血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），低氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-α）和转化生长因子β2（TGFβ2），以及直接增强细胞迁移能力。HIF-1α可与其他转录因子或癌基因如c-Myc、p53和Oct1等协同作用，诱导糖酵解基因的表达，抑制三羧酸（tricarboxylic acid cycle，TCA）或柠檬酸循环。

乳酸的积累不仅反映了肿瘤的恶性程度，而且提高肿瘤的恶性程度。不仅如此，乳酸还能参与免疫调控，帮助癌细胞躲避免疫反应。糖酵解增强产生的大量乳酸可以使肿瘤中巨噬细胞减少。在头颈癌中乳酸可以诱导M2样巨噬细胞极化参与抗肿瘤免疫，并和其远处转移及预后不良相关。任何关键酶上调引起糖酵解的速率加快都会使乳酸的含量增多。

2.HNSCC中糖代谢3个关键酶的研究现状

2.1关键酶在HNSCC中表达增高

无论是在小鼠还是人类HNSCC中同样可以检测到HKII高表达。多种信号通路可以调控HKII表达，进而调节癌细胞的糖酵解。HNSCC细胞缺失HKII后生长减慢，上皮间充质转化导致细胞运动能力也下降。HKII缺失的HNSCC细胞对化疗药物顺铂和5-氟尿嘧啶表现出更高的敏感性，但对光动力治疗具有更强的耐药性。

HKII的改变可以驱动代谢向氧化磷酸化重编程，并调节HNSCC细胞中致癌Akt和突变TP53介导的信号。但是增加HKII表达是否可以促进HNSCC细胞的增殖和上皮间充质转化，以及在HNSCC中调控HKII表达的信号通路有哪些尚不清楚。虽然PFK-1的活性对于糖酵解流量调解十分重要，但是磷酸果糖激酶2（phosphofructokinase-2/fructose-2，6-bisphosphatase3，PFKFB3）具有类似于癌基因的调节元件，其激酶活性高，有利于F26BP的合成，进而促进糖酵解通量。并且由于PFKFB3在肿瘤中独特的高表达，使得其作为药物靶点对正常细胞伤害作用最小，相对于其他关键酶来说，更适合作为肿瘤的靶向药物。

PFKFB3在HNSCC组织中高表达，但在邻近正常组织中不表达。在HNSCC细胞中，利用PFKFB3抑制剂PFK15阻断糖酵解后，不仅可以通过抑制细胞增殖来抑制肿瘤生长，还能通过抑制突起的形成来减轻肿瘤转移。PKM2的作用广泛，不仅是参与糖酵解的关键酶，也被认为是一种转录共激活因子和蛋白激酶。它可以使组蛋白磷酸化，参与表观遗传调控，促进基因转录和肿瘤发生。

PKM2可以和低氧诱导因子1（hypoxia inducible factorl，HIF-1）相互作用，共同促进肿瘤的恶性进展。在人类胶质母细胞瘤中，位于细胞核内的PKM2可以调节β-catenin反式激活表皮生长因子受体，并提高c-Myc基因表达，糖酵解酶增加从而促进有氧糖酵解的正反馈循环。和其他肿瘤一样，PKM2在HNSCC组织中高表达并与不良预后相关。EGFRwt/VIII通过诱导PKM2核易位后促进β-catenin通路的激活而影响HNSCC细胞增殖能力和化学敏感性。PKM2在口腔鳞癌（oral squamous cell carcinoma，OSCC）细胞中具有多种功能并且与人OSCC标本中肿瘤的进展有关。PKM2是控制着丙酮酸含量最直接有效的酶，但是PKM2作为关键酶参与糖酵解而对HNSCC细胞增殖、侵袭和迁移的影响并没有相关报道。

2.2糖酵解关键酶在HNSCC治疗中的应用

在许多实体瘤中HKII的表达增高，而正常组织中少有表达。HK被代谢葡萄糖类似物2-脱氧葡萄糖（2-deoxyglucose，2-DG）作为靶点，应用于晚期肺癌、乳腺癌、前列腺癌和胃癌等临床实验中。另一种被认为可以阻断HK的药物3-溴代丙酮酸，可导致细胞内ATP严重耗竭，在体内具有显著的抗癌作用。HKII抑制剂非诺贝特通过抑制HKII与线粒体转运蛋白VDAC的结合，调节AKT/mTOR信号通路，可抑制舌肿瘤的发展。己糖激酶介导的催化依赖于ATP，若能抑制葡萄糖通量这一早期关键步骤，可以更有效地降低癌细胞中的葡萄糖代谢。除了3-溴代丙酮酸以外，希望能有更多安全的抗癌HK2抑制剂被发现并用于头颈鳞癌临床实验中。

PFKFB3在乳腺癌、结肠癌、卵巢癌和甲状腺癌中普遍过表达，但在正常组织中表达不足，是多种肿瘤靶向治疗的基础。PFKFB3选择性拮抗剂在多种动物模型中均可延缓移植瘤的生长。阻断PFKFB3可以抑制病理性血管生成，而不影响正常血管。相比于可能引起严重毒性和全身不良反应的2-DG，PFKFB3的小分子拮抗剂3PO只会部分和短暂减少糖酵解，而不会对正常组织产生严重毒性。作为3PO衍生物的PFK15与3PO相比，对PFKFB3的活性抑制增加了约100倍。它可以诱导癌细胞凋亡，停止细胞周期。也有研究表明PFKFB3可以通过对生物钟的反应来控制人类舌肿瘤的生长。在同样高表达的HNSCC中，PFKFB3选择性拮抗剂是否可以达到很好的控制肿瘤生长效果，并且不影响周围正常组织，则有待进一步的实验研究。

有研究表明，PKM2分别与结肠癌和胰腺癌细胞的顺铂耐药和吉西他滨耐药相关。PKM2通过STAT3的磷酸化可以降低结肠癌细胞对吉非替尼的敏感性。HNSCC患者治疗的药物有限，PKM2在HNSCC细胞中的高表达可能也影响了药物的治疗效果，但是究竟PKM2能否降低HNSCC细胞的敏感性以及相关的信号通路值得进一步研究。抗肿瘤药物帕雷霉素可以同时降低PKM2和HIF-1的表达最终诱导癌细胞凋亡，更加强调PKM2的抑制对于肿瘤生长极其重要。目前PKM2抑制剂的临床运用并不多，对于头颈鳞癌治疗现状来说，靶向核PKM2有希望成为有效的治疗药物，并降低肿瘤细胞对其它药物的耐药性。

3.展望

糖酵解活跃仍然是癌症代谢的普遍特征，癌细胞代谢重新编程增高关键酶的表达并最终使乳酸分泌增加。乳酸可以被细胞释放到肿瘤微环境中，它既可以促进肿瘤的恶性进展，也能帮助肿瘤细胞逃逸免疫反应。糖酵解关键酶可以受到多种癌基因和信号通路的影响调控着糖酵解的速率，并且可以作为信号分子参与到信号通路的调节中。

虽然糖酵解酶在控制癌性特征方面的研究越来越多，但是考虑到肿瘤的高度异质性，关键酶以及与信号传导之间复杂交互的作用机制在HNSCC中的研究并不深入。对于哪种关键酶在HNSCC中的作用更显著也存在较多争议。所以，三种关键酶分别在HNSCC的恶性进展中发挥的生物学功能及其与微环境、免疫和信号通路的相互作用有待明确。寻找有效的关键酶抑制剂作为HNSCC分子靶向药物或者与肿瘤药物联合运用，使得对肿瘤细胞的杀伤效率达到最优化，有望成为HNSCC治疗的最佳方案。

来源：常涵月,马海龙,杨溪,张志愿.有氧糖酵解在头颈鳞癌中的研究进展[J].临床口腔医学杂志,2020,36(09):569-571.

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