背景：
代谢重编程是恶性转化和癌细胞生长的核心。肿瘤如何利用营养物质以及重编程通路的相对比率是研究的重点领域。肿瘤代谢是由癌细胞内在和外在因素的复杂而不完全确定的组合决定的。这种复杂性增加了评估疾病相关微环境(包括癌症患者)中癌症代谢的价值。稳定同位素示踪是探测体内肿瘤代谢的一种信息丰富、用途广泛的方法。它已广泛用于癌症的临床前模型，并越来越频繁地用于癌症患者。
简介：
2023年10月31日，来自美国德克萨斯大学西南医学中心霍华德休斯医学研究所和儿童研究所的Ralph J. DeBerardinis教授课题组在Nat Rev Cancer（IF: 78.5）杂志上发表题为“Metabolic pathway analysis using stable isotopes in patients with cancer”的文章[1]。在这篇文章中，作者描述了使用体内同位素示踪来定义肿瘤中燃料偏好和途径参与的方法，以及从这项工作中产生的一些原理。迄今为止的稳定同位素输注报告显示，在人类中，肿瘤使用一系列不同的营养物质来提供中心代谢途径，包括三羧酸循环和氨基酸合成。新出现的数据表明，通过稳定同位素示踪检测到的一些活动与不良的临床结果相关，并可能推动癌症进展。作者还讨论了同位素示踪目前面临的挑战，包括体内和体外模型的比较，以及未来在肿瘤代谢中发现的机会。
主要结果：
癌症患者肿瘤的分解代谢。
对癌症患者进行同位素示踪的一个目标是确定哪些营养物质在肿瘤中提供代谢途径，以及这些营养物质与邻近组织有何不同。大多数研究都集中在葡萄糖上，尽管也使用了乳酸、醋酸盐和谷氨酰胺。在所有分析的肿瘤中，包括胶质瘤、脑转移瘤、乳腺肿瘤、非小细胞肺癌和成人透明细胞肾细胞癌(ccRCCs)和儿童颅内外实体恶性肿瘤，包括神经母细胞瘤和肉瘤，都观察到循环[U-13C]葡萄糖产生的丙酮酸氧化。
迄今为止，在非小细胞肺癌患者的组织中，肿瘤中TCA循环中间体的标记率相对于邻近肺具有异质性，但通常较高。标记程度与局部灌注呈负相关，低灌注产生高标记。这些发现反映了相对于邻近肺，非小细胞肺癌中葡萄糖对TCA循环的贡献更高。在ccRCC中，相对于相邻肾脏，葡萄糖对TCA循环的贡献较低。这可能反映了von Hippel-Lindau (VHL)肿瘤抑制因子失活在这些肿瘤中的代谢作用，因为VHL的丧失会造成假性缺氧状态，促进糖酵解并抑制丙酮酸氧化。这些相对富集的研究有助于揭示肿瘤和产生肿瘤的器官之间碳源的差异。但请记住，碳源在器官之间是不同的，在解释肿瘤内相对增加或减少标记的生物学意义时，应该考虑到这一点。
图1：同位素标记的基本概念
癌症患者肿瘤的合成代谢。
虽然沃伯格代谢通常被认为是癌症的主要代谢标志，但一些最伟大的治疗癌症的成功却来自于靶向肿瘤合成代谢。许多化疗药物干扰核苷酸合成，从而改变DNA和RNA的合成，包括抗叶酸药，如培美曲塞和甲氨蝶呤，以及核苷类似物，如5-氟尿嘧啶和吉西他滨。尽管这些药物很重要，但我们仍然不能定量地了解肿瘤合成细胞组成部分(如氨基酸、蛋白质、核苷酸和脂质)的速度有多快，也不知道它们是通过什么途径合成这些物质的。同位素示踪为解决这些问题提供了一种直接的方法，但目前对癌症患者的示踪实验只开始涵盖对肿瘤重要的合成代谢反应的范围。
图2：不同种类人类癌症的代谢重组
从细胞和老鼠到癌症患者。
快速的葡萄糖分解代谢作为恶性肿瘤的标志经受住了时间的考验。通过18-氟脱氧葡萄糖(18FDG)-PET成像，可以在体外培养的细胞、动物模型和人类肿瘤组织以及癌症患者中观察到这种情况，该成像广泛用于临床肿瘤学诊断和跟踪许多实体肿瘤类型的进展，包括肺癌、结肠直肠癌、卵巢癌和前列腺癌。癌细胞在体外代谢的其他方面在体内较少保守。
细胞系和肿瘤之间的差异。
常规的培养条件是为了使细胞增殖最大化，而不是模仿生理。富营养培养基和坚硬基质上的单层生长对代谢有很大影响。因此，在培养物中显示的一些代谢特征在体内没有观察到，反之亦然。
标准组织培养基不含乳酸。因此，除了少数添加乳酸的专门实验外，体外研究捕获了乳酸分泌的有氧糖酵解，而不是乳酸的使用，尽管循环乳酸在肿瘤小鼠模型和癌症患者中都是重要的TCA循环底物(图3d)。虽然输注[13C]葡萄糖标记TCA循环是无可争议的，但由于输注[13C]葡萄糖导致大量血乳酸标记，区分葡萄糖还是乳酸是体内肿瘤TCA循环的直接底物是很复杂的。因此，即使在不消耗葡萄糖的组织中，输注[13C]葡萄糖的TCA循环标记也可以通过乳酸发生。相反，即使乳酸在肿瘤中运输的净方向是向外的，输注[13C]乳酸也可以通过循环乳酸与肿瘤丙酮酸之间的快速交换广泛标记TCA循环。
图3：培养细胞、小鼠和患者的共同和不同代谢特性
稳定同位素示踪的局限性。
在解释癌症患者稳定同位素示踪研究的数据时，应考虑几个注意事项。一个重要的问题是，到目前为止，示踪剂输注测量的是营养物对代谢物的贡献，但不是绝对的代谢通量(图4a)。这种区别类似于汽车使用哪种燃料和燃料消耗的速度之间的区别。在涉及人类参与者的癌症研究中，肿瘤通常只取样一次。当这个单一活检时间点处于标记稳定状态时，它可以可靠地揭示部分贡献者(例如，葡萄糖到TCA代谢物)和途径相对比率(例如，相对于柠檬酸合酶的过敏症)。但是，如果没有额外的信息，如营养物质输入和分泌的绝对速率或同位素标记的稳态前积累速率，就无法可靠地测量绝对酶速度。
图4：癌症患者稳定同位素示踪研究的局限性
未来的重点和挑战。
未来几年，人类癌症代谢中的许多问题有望通过稳定同位素示踪剂得到解决(图5)。目前，大多数同位素示踪剂研究都使用了[13C]葡萄糖，并了解了葡萄糖提供的途径。注入其他营养物质，如[13C]谷氨酰胺或脂肪酸，将揭示它们对生物能量学的贡献。[13C]醋酸酯可用于检测脂肪酸合成，[13C]丝氨酸可用于检测从头核苷酸合成。用15N标记的营养素可以处理13C示踪剂无法处理的癌症代谢方面，包括氨基转移酶反应、尿素循环等。
量化肿瘤中的代谢通量率是癌症代谢领域的一个重要目标，因为这些速率可能包含有临床价值的信息，而不是由稳态输注捕获。最近的一项研究通过对小鼠进行短暂的呼吸燃料(如[13C]乳酸和[13C]谷氨酰胺)输注，然后在多个时间点进行组织采样，解决了这个问题。这使得中心通量得以量化，揭示与高代谢活跃的健康组织相比，肿瘤中糖酵解通量升高，TCA循环通量受到抑制。这些通量测量与Warburg效应的经典描述一致，但研究结果表明，低TCA循环通量的发生是因为肿瘤使分化组织的能量需求过程失活。因此，尽管肿瘤表现出Warburg效应，但其机制与Warburg关于癌细胞呼吸能力受损的概念有很大不同。
图5：肿瘤体内代谢的未来研究方向
结论和展望：
人类同位素示踪研究能否与临床肿瘤学相关?我们设想了几种将这些研究与临床研究和实践相结合的方法。同位素示踪提供了与遗传、转录组学或代谢组学分析不同的癌症生物学观点。因此，当我们收集来自更多不同类型癌症患者的同位素标记数据时，将这些特征与临床结果相关联可能会提供否则无法获得的预测信息。同位素示踪研究是繁琐的，但是一旦确定了具有预测价值的途径，就有可能开发可扩展的方法来评估多个中心的许多患者的该途径。优先考虑的应该是评估在非小细胞肺癌(NSCLC)中，通过稳定同位素输注、活检和质谱测量的乳酸过度使用与不良预后之间的相关性是否转化为高丙酮酸使用与不需要活检的超极化MRI测量的不良预后之间的相关性，如前列腺癌和肾癌患者。从长远来看，可以设计新型PET或超极化示踪剂来成像最初由稳定同位素揭示的临床信息通量。
最后，同位素示踪应该在评估代谢疗法的临床试验中发挥作用。在过去的十年中，已经开发了几种针对代谢酶的抑制剂，但到目前为止，很难获得强有力的治疗反应，例如吲哚胺2,3-双加氧酶-1 (IDO1)，脂肪酸合成和谷氨酰胺酶的抑制剂。目前尚不清楚治疗失败是由于靶向性差，肿瘤的代谢补偿还是仅仅是因为肿瘤没有使用药物阻断的途径。稳定同位素输注在这里是有价值的，因为它们可以通过评估途径的利用来帮助确定最有可能或最不可能从实验药物中获益的患者，并可能确认有效的靶标阻断。同位素研究也可以帮助绘制抗性机制。例如，当抗核苷酸化疗失败时，代谢追踪可能揭示哪些替代代谢途径被用来维持肿瘤生长，这些可能是未来的目标。因此，同位素示踪有望为抗击癌症做出贡献。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41568-023-00632-z
参考文献：
[1] Bartman CR, Faubert B, Rabinowitz JD, DeBerardinis RJ. Metabolic pathway analysis using stable isotopes in patients with cancer. Nat Rev Cancer. 2023 Oct 31. doi: 10.1038/s41568-023-00632-z. Epub ahead of print. PMID: 37907620.
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