Nat Rev Clin Oncol综述: LDH在癌症中的多重作用

背景：

高血清乳酸脱氢酶(LDH)水平通常与许多癌症类型的不良预后相关。即使是最有效的药物，在过去十年里从根本上改善了黑素瘤患者的预后，对血清LDH水平高的患者也只能提供边际疗效。当分别从肿瘤、生化、生物学和免疫学的角度来看时，血清LDH的解释往往非常不同。肿瘤学家通常只将高血清LDH视为预后不良的一个可靠的生物标志物，生物化学家意识到各种LDH亚型的复杂性及其在癌症代谢中的关键作用，而癌症生物学家和免疫学家通常认为LDH是致癌和/或免疫抑制的。综合这些观点可以看出，五种LDH亚型及其酶促和非酶促功能的调控与关键的肿瘤过程密切相关。

简介：

2022年10月7日，来自法国国立研究学院Médicale (INSERM)的Caroline Robert教授课题组在Nat Rev Clin Oncol（IF: 66.7）杂志上发表题为“The multiple roles of LDH in cancer”的文章[1]。在本文中，作者强调血清LDH远远不仅仅是肿瘤负荷的一个简单指标;它是一种复杂的生物标志物，与多种致癌信号通路的激活以及许多肿瘤的代谢活性、侵袭性和免疫原性相关，是癌症治疗极具吸引力的靶点。

主要结果：

乳酸脱氢酶(LDH)的生物学。

结构和酶功能。

在糖酵解的最后一步，LDH催化丙酮酸向乳酸的可逆转化，同时NADH氧化为NAD+。活性LDH是一种四聚体，由一个或两个不同的亚基LDHA和/或LDHB组成，分别由位于染色体11 (11p15.1)和12 (12p12.1)上的两个基因编码。LDHA和LDHB也被称为LDH-M和LDH-H，因为它们通常分别在骨骼肌和心脏中含量最高。改变A和B亚基的组合会产生两种同四聚体异构体，LDH1 (B4，也称为LDHB)和LDH5 (A4，也称为LDHA)，以及三种异四聚体异构体，LDH2 (B3A1)， LDH3 (B2A2)和LDH4 (B1A3)。每个异构体的分子量为35 kDa。因此，LDH异构体也是同工酶(或同工酶)，这意味着它们都可以催化相同的反应。LDH异构体存在于所有组织中，尽管它们的相对丰度在不同的器官和组织中有所不同。LDH1和LDH2主要存在于心脏和红细胞中，LDH3主要存在于大脑和肾脏中，LDH4和LDH5主要存在于骨骼肌和肝脏中。

检测血清LDH。

血清LDH的常规评估使用的是反映整体酶活性的功能测定法，而不是测量蛋白质的物理存在。LDH是一种非分泌酶，通常存在于细胞质中。使用标准测定法定量的基线血清LDH活性在成人中通常为247-248 U/l，而器官内的生理LDH活性可高达9000 - 25000 U/g，这取决于器官的代谢活性。在组织损伤期间，如休克或疾病，从受损细胞泄漏的LDH可导致非常高水平的血清LDH活性。整体酶活性(所有乳酸脱氢酶同工酶)与乳酸转化为丙酮酸时积累的NADH量成正比。NADH强烈吸收340 nm处的光，而NAD+不吸收，因此，在过量的乳酸和NAD+存在的情况下，通过测量340 nm处的光吸光度来量化LDH的整体活性，以迫使反应向丙酮酸生产方向平衡。血清电泳，使用经典的本地聚丙烯酰胺凝胶或包含琼脂糖凝胶的商业试剂盒，需要确定每个特定的LDH亚型的酶活性。在这两种方法中，同工酶在分离时使用特定的显色底物，然后用密度测定法进行精确的相对定量。

癌症中的LDH异构体。

虽然有几项研究调查了不同的LDH异构体在不同癌症类型中的作用，但在常规临床实践中，通常不会评估LDH异构体的存在。在转移性卵巢癌或睾丸生殖细胞肿瘤患者中，血清LDH1水平的升高比基于血清总LDH和用于分类这些癌症类型的其他预测标志物的分类将更多的患者划分为生存率较低的亚组。对252例非霍奇金淋巴瘤(NHL)患者的血清LDH同工酶谱分析显示，LDH2的表达比例在所有患者中平均为35.9%(±7.32%)，在血清LDH水平较高的患者中平均为39.7%(±6.96%)(32±2.5%;P＜0.0001)。血清LDH3水平高是复发NHL患者早期死亡的预测因素:血清LDH3水平正常的患者中位生存期为12个月，而血清LDH3水平高的患者中位生存期为2个月。对NHL队列数据的多变量分析强调，血清LDH3水平升高和血清LDH2百分比升高，而不是血清总LDH水平，是独立的生存预后，提示LDH同工酶表达的某些特征性改变存在，可能使血清总LDH的预后意义进一步细化，至少在血液系统恶性肿瘤患者中是这样。

图1：人乳酸脱氢酶同工酶的结构与功能

LDH在癌症生物学中的作用。

1928年，Otto Warburg观察到，与非恶性细胞相比，癌细胞中的葡萄糖摄取和糖酵解要高得多、快得多，而且糖酵解增加后，即使在氧气存在的情况下，LDH也会将丙酮酸还原为乳酸。这个有氧糖酵解过程，被称为Warburg效应，每个葡萄糖分子产生的能量比氧化磷酸化少得多，尽管它似乎对快速增殖的癌细胞有利。癌细胞可能受益于ATP、脂肪酸和核苷酸的快速生成，以及通过Warburg效应暗示的乳酸积累而使肿瘤微环境(TME)酸化。还有证据表明，肿瘤抑制蛋白p53的突变会导致线粒体呼吸功能缺陷，并迫使肿瘤细胞依赖糖酵解来产生能量。在大约一半的实体肿瘤中都可以发现p53。肿瘤细胞的大量葡萄糖需求与几种糖酵解酶和质膜葡萄糖转运体(GLUT1和GLUT3)的上调有关。例如，缺氧诱导转录因子1 (HIF1)可以刺激8种以上的糖酵解酶(烯醇化酶1、甘油醛-3- p -脱氢酶、醛缩酶A和C、己糖激酶1和2、G6PD、LDHA、磷酸果糖激酶l和丙酮酸激酶M)以及GLUT1和GLUT3的表达。Warburg效应导致的肿瘤细胞糖酵解活性的增加，以及在TME中缺氧条件和酸中毒的放大，也为使用同位素标记葡萄糖类似物2-[18F]氟-2-脱氧葡萄糖(18F- fdg)和PET一起检测代谢活性病变提供了基础。

图2：糖酵解和乳酸发酵

LDH和肿瘤免疫逃逸。

LDHA有很大的能力通过增加乳酸产量来影响免疫。大多数存在于TME中的细胞，如癌细胞和癌症相关的成纤维细胞，具有强大的糖酵解活性，因此是乳酸的强大生产者。肿瘤细胞通常在常氧条件下将69-80%的葡萄糖转化为乳酸，在低氧条件下这一比例增加到90%，这经常在癌症组织中观察到，由于癌细胞快速生长和不适当的血管化导致氧气可用性有限。细胞内乳酸积累抑制磷酸果糖激酶-1 (PFK1)活性，降低糖酵解速率。为了防止细胞内酸化和维持糖酵解，乳酸和氢(H+)通过几个H+/乳酸转运体或单羧酸转运体(MCTs)穿过质膜。因此，酸中毒在TME中积极促进，这种情况有利于细胞侵袭和转移的形成，血管生成和免疫抑制，所有这些都与较差的临床预后相关。

由于丙酮酸在线粒体中被氧化，通过TCA循环产生ATP，所以在非恶性组织中乳酸的产生通常很少。然而，在癌细胞中，由于Warburg效应，丙酮酸发酵成乳酸。因此，乳酸的浓度要高得多。例如，转移性宫颈癌患者的平均肿瘤乳酸浓度为10±2.9μM/g。乳酸会影响一些免疫细胞群。特别是，乳酸抑制细胞毒性T淋巴细胞的功能，通过减少增殖和进入TME，抑制它们产生IL-2、IFNγ、穿孔素和颗粒酶B的能力。在免疫能力强的C57BL/6黑色素瘤小鼠模型中，LDHA相关的乳酸积累通过阻断糖酵解流量和IFNγ的产生抑制T细胞和自然杀伤(NK)细胞的免疫监视。CD4+和CD8+ T细胞分别通过MCT2和MCT1检测到高浓度的乳酸，并抑制其运动性，从而限制炎症区域的募集。乳酸还可以促进骨髓源性抑制细胞的募集，通过阻止树突状细胞的成熟，抑制NK细胞毒性，抑制T细胞活化和促进调节性T (Treg)细胞的分化，抑制先天和适应性免疫。

图3：LDH表达的调控

LDH作为癌症治疗的靶点。

由于其在癌症生物学和抗癌免疫方面的重要作用，LDHA是一个极具吸引力的靶点。靶向抑制LDHA也可能是安全的，因为LDHA缺乏的个体(由于LDHA的功能突变丧失)除了高强度运动后的肌肉僵硬和肌红蛋白尿外，没有任何临床严重的病理影响。尽管LDH5的催化位点可能是安全的，但是LDH5的催化位点位于四聚体的界面上，并且含有丰富的阳离子残基，这不利于催化位点与小分子抑制剂之间的相互作用。为了改善这种相互作用，可以用带负电荷的基团富集潜在的抑制剂。然而，这样的设计有降低亲脂性的缺点，从而降低潜在抑制剂穿过细胞膜的能力，导致生物利用度低。考虑到癌细胞中经常存在的LDH酶的摩尔浓度，一种有效的抑制剂可能需要以异常高的亲和力水平和细胞内的高浓度结合LDH5，以实现治疗相关的靶点接合。迄今为止，尚无LDH抑制剂报道满足这些标准。尽管如此，一些新的小分子和肽抑制剂目前正在研究中，它们可能提供抑制LDH活性的新方法。此外，由于LDHA和LDHB是半冗余的，为了完全抑制癌细胞中的糖酵解，这两种酶的活性可能必须被抑制。

结论和展望：

评估癌症患者血清LDH活性可提供重要的预后信息。在黑色素瘤患者中，尽管过去十年在治疗方面取得了巨大进展，但血清LDH活性水平高仍然是预后不良的最有力指标。了解在非恶性和恶性细胞中存在的各种LDH异构体的功能是必要的，并强调了这些酶在癌症生物学中的关键作用。事实上，LDH协调了癌细胞代谢的一个标志:好氧糖酵解(Warburg效应)。这种产量特别低的生产能量的方式可能在最初有利于选择那些能够在酸性TME中生长的细胞，尽管氧气可用性有限。根据暴露在这些代谢挑战下的细胞的选择，使种群能够在进一步的缺氧和/或酸性压力下存活。高血清LDH水平是否反映肿瘤细胞泄漏或由于快速转移导致非恶性组织破坏尚不清楚。然而，即使LDH活性高的起源尚不清楚，强有力的证据表明，血清LDH不仅是预后的生物标志物，而且是肿瘤生物学的一个重要方面，具有各种直接和间接的肿瘤促进作用，因此是一个非常有吸引力但具有挑战性的治疗靶点。

原文链接：doi: 10.1038/s41571-022-00686-2.

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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