【论肿道麻】Nature Reviews治疗抵抗和肥胖背景下的肿瘤脂肪酸代谢

  近年来，慢慢的变多的人认识到，脂肪酸代谢通过β氧化和甘油磷脂合成，深刻地影响肿瘤的进展。

  众所周知，肿瘤的形成和进展以及抵抗治疗中，脂肪酸代谢通过增强脂肪合成、储存和分解的方式发挥作用。最近，膜脂肪酸的组成（例如饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的比例）在促进细胞存活，同时限制脂肪毒性和铁死亡中的作用慢慢的受到重视。除了这些见解，肿瘤细胞在脂肪酸代谢方面表现出显而易见的可塑性，对肿瘤外和全身代谢信号（如肥胖和癌症治疗）做出一定的反应，从而促进侵袭性、免疫治疗抵抗。悉尼大学医学与健康学院的Andrew J.Hoy教授向我们描述了与抵抗治疗有关的细胞脂肪酸代谢变化，并将肥胖相关的宿主脂肪酸代谢变化纳入背景，这些变化可能会影响肿瘤局部微环境，改变肿瘤细胞的行为，同时产生新的潜在薄弱点。

  癌细胞具有独特的代谢过程，通过快速制造生物量，在管理氧化还原的同时，支持细胞复制和癌症的其他特征。近年来，该领域对癌症新陈代谢的了解日益深入，尤其是关于癌症类型、分级和转移状态的异质性中。事实上，癌细胞的新陈代谢表现出相当大的可塑性和灵活性，使其在应对治疗和环境信号变化中，能够迅速生长和生存。

  脂肪酸代谢以多种方式影响癌细胞生物学，特别是包括膜脂质成分的合成，即甘油磷脂， 以及信号中间体，如磷脂酰肌醇 (4，5)二磷酸、二酰 基 甘油 (DAG)和磷脂酸盐，以促进有丝分裂和/或致癌信号 传导 。脂肪酸也是线粒体 ATP和NADH合成 、 二十烷类化合物的产生以及信号蛋白的翻译后蛋白质 -脂 质 修饰 的底物 。癌细胞可以从一系列细胞内和细胞外来源获得脂肪酸，这些脂肪酸的代谢变化是肿瘤 形成 和转移的一个特征 (图1)。 最近， 膜脂 成分作为新出现的肿瘤相关特征受到了极大的关注，尤其是由脂肪酰基饱和度 (例如饱和、单不饱和或多不饱和) 。 与非恶性细胞和良性组织相比，癌细胞和临床肿瘤标本 中 甘油磷脂 的 饱和脂肪 酸 链，特别是单不饱和脂肪 酸 链的比例增加 是肿瘤脂质体的特点 。此外，临床肿瘤脂质体可以区分 正常组织和恶性细胞 ，并反映抗癌治疗的反应和 /或抵抗。

  虽然缺乏临床肿瘤转移的数据，但 通过比较 不同转移潜力的细胞 株，发现 与未转移和正常细胞 株 相比，转移细胞 株 中 DAGs和磷脂酰肌醇 脂的 饱 和以及单不饱和脂肪酸链水平更高。作为肿瘤信号通路中膜支架和第二信使，磷脂酰肌醇中甘油磷脂比例的增加起到了 关键作用。 肺肿瘤的显著特征中， 除了脂肪和脂肪酸的丰度和 去 饱和度之外，脂肪酸链的 延长也是特点之一，但 其功能仍有待确定。 去饱和是至关重要的，因为它通过避免过量饱和脂肪酸链的脂毒性 和由多不饱和脂肪 酸 链的过氧化引发的铁 死亡 ，降低细胞膜通透性 ， 促进 免疫治疗抵抗 ，从而有利于肿瘤细胞的存活 (参见治疗抵抗中的脂肪酸代谢)。

  脂肪酸代谢改变是许多疾病的重要潜在机制之一，包括肥胖、2型糖尿病和/或代谢综合征患者。在肥胖症患者中，随着激素环境的改变，有丝分裂和生长因子信号的增强，富含碳营养的东西(如脂质和葡萄糖)的增加，从而促进生物质的生产和增殖，加速疾病的进展和治疗抵抗。根据世界卫生组织的数据，自1975年以来，全球肥胖率几乎增加了两倍，与前几代人相比，现在更多的成年人不仅患有肥胖症，而且可能长期患有肥胖症。令人担忧的是，在过去20年里，与肥胖不相关的癌症(例如肺癌和皮肤癌)相比，肥胖相关癌症(例如结直肠癌和乳腺癌)的死亡率改善更加缓慢。肥胖对癌症发病率、进展和治疗效果的影响正在日益增加癌症管理的难度。

  虽然基因指导治疗在很大程度上影响了精确肿瘤学，但定义疾病亚型的基因组变化总是与代谢变化相关。最近对脂质稳态生物学重要性的深入研究已被报道，并表明肿瘤迫切地需要保持脂肪酰基链物种的最佳比例(即单不饱和与饱和、单不饱和与多不饱和比例)，以避免脂肪毒性和铁死亡。本文着重关注脂肪酸代谢在癌症治疗和肥胖环境中对肿瘤外或全身信号改变中所起的作用，讨论脂类和治疗抵抗的特征和途径，强调与肥胖相关的宿主脂肪酸代谢的变化可能会影响肿瘤微环境，影响癌细胞的行为和治疗反应。

  肿瘤脂质反映癌细胞行为的变化，这一概念在肿瘤外环境中得到了延伸引用，包括耐受治疗的癌细胞，因为它们能提高自身生存和转移能力，迅速适应环境。肿瘤细胞脂肪酸代谢的变化与一系列癌症治疗抵抗有关。

  肿瘤细胞对化疗药物的反应和耐药性一直被认为与细胞膜脂质成分的变化有关，然而，该领域在很大程度上局限于比较耐药永生细胞株与亲本细胞株，或观察治疗对选定的代谢酶和/或途径的急性影响的研究。肿瘤中的脂质代谢与耐药性相关的临床研究仍然缺乏，根据现有的临床数据，耐药癌细胞的特征之一是膜脂双层流动性降低，流动性的降低是由于膜脂中饱和脂肪酸链占优势，特别是脂质肿瘤细胞，例如，与敏感株相比，耐化疗卵巢癌和白血病细胞系中鞘磷脂和/或胆固醇含量增加。由于流动性降低，通过被动扩散和/或内吞作用的药物摄取可能被破坏。此外，它导致耐洗涤膜结构域的增强形成，可激活膜结合ATP结合盒(ABC)多药物外排转运体，如ATP依赖易位酶(也称为p糖蛋白；ABCB1)，从而促进了多药耐药表型，该表型影响化疗以外的其他抗癌药物。令人感兴趣的是，对细胞膜流动性的药理学调节(例如补充多不饱和脂肪酸)能改变ABCB1介导的药物流出量，表明临床调脂药物或饮食干预是有前景的化疗增敏策略。

  由于多不饱和脂肪酸基和饱和脂肪酸基的细胞总比例相比来说较低，耐化疗的癌细胞比敏感的癌细胞更不容易受到毒性脂质过氧化(可引发细胞凋亡和铁死亡)的影响，毒性脂质过氧化是由于许多化疗药物诱导的氧化应激而发生的。事实上，化疗耐药与对谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的依赖有关，GPX4是一种含硒半胱氨酸酶，可以消散脂质过氧化物，防止铁细胞死亡。抗氧化剂防御的增强降低了脂质过氧化敏感性，是癌细胞耐药的特征机制之一。

  随着慢慢的变多的证据将上述细胞膜变化与耐药性联系起来，药物干预的重点是驱动肿瘤细胞脂质特征改变的关键途径和酶。因此，FASN编码的脂肪酸合酶(FAS)的药理学靶点可使多种类型的癌细胞在体外和体内对化疗敏感，而FASN在乳腺癌细胞中的异位过表达可以在体外中产生广泛的化疗耐药。但是人们对FAS介导的敏化的机制研究有限，这在很大程度上反映了脂肪酸代谢和脂肪成分的变化仍不清楚，只有一项研究表明外源性棕榈酸酯能够更好的降低卵巢癌细胞的体外化学敏化。有趣的是，FAS抑制剂奥利司他的化学增敏作用与多药耐药蛋白的表达减少有关，这表明细胞膜性质的改变是重要的。

  针对脂肪酸氧化作为一种化学增敏策略也受到了关注，通过产生能量和维持氧化还原平衡促进肿瘤细胞存活，乳腺癌复发患者的肿瘤组织显示，与未复发的肿瘤相比，CPT1B mRNA的表达增强，并且在化疗耐药的乳腺癌患者中，CPT1B mRNA的表达高于原发乳腺癌。胃癌患者中，肿瘤CPT1A的表达与较差的总体生存期相关。CPT1抑制剂对化疗增敏肿瘤细胞的脂肪酸氧化有持续的药理抑制作用。

  耐受放疗的癌细胞株通常表现为脂肪酸氧化率增加，并伴随CPT1A48-51表达增加，类似于化疗耐药。对放射抗性鼻咽癌(NPG)和乳腺癌细胞的代谢和表达分析表明，与放疗敏感细胞相比，脂肪酸氧化和CPT1A蛋白水平增强，而抑制脂肪酸氧化(使用遗传或药物方法)在体外使耐药细胞对放疗敏感。据报道，在抗放疗的NPG细胞中，脂肪酸氧化率的增加是由于脂肪酸供应的增加，而更多的脂滴和线粒体之间的接触部位增加。在肺癌细胞中也有类似的发现，与单一治疗相比，依托莫司和放疗联合治疗进一步减少肿瘤球体的数量和大小。肿瘤CPT1A表达水平较高的NPG患者放疗后总生存率较低，表明脂肪酸氧化和CPT1A表达增加在放疗抵抗中有重要的临床意义。

  据报道，在头颈部鳞状细胞癌的等基因细胞株中，除了脂肪酸氧化之外，其他代谢过程可能有助于放疗抵抗，与敏感细胞株相比，放疗抵抗细胞对脂肪酸的摄取减少，对葡萄糖的摄取增加。与敏感细胞株相比，这些抗性细胞还上调了FAS，导致葡萄糖合成脂肪酸的能力增强，内源脂肪酸的氧化能力增强。

  研究发现，HER2信号通路激活FAS的表达和/或活性，驱动癌细胞增殖，并且这些通路之间有双向串扰，抑制FAS被认为是在临床前癌症模型中克服HER2靶向治疗药物曲妥珠单抗或拉帕替尼获得性耐药性的合理策略。例如，与正常组织相比，患者胃肠道间质瘤中FASN表达增加与较短的无病生存有关，而FASN耗竭或FAS抑制(使用C75)使耐药的胃肠道间质瘤细胞系对酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼重新敏感。然而，在机制上，C75至少部分通过降低药物靶标(KIT)的转录而不是预测的靶向脂质合成和PI3K信号通路发挥作用。重要的是，这项研究中没有报道脂肪酸代谢的任何方面，因此，在这种情况下，很难确定抑制脂肪酸从头合成对攻克曲妥珠单抗耐药是否至关重要。

  与化疗耐药类似，通过药物抑制PI3K途径后存活的癌细胞会增加脂滴的大小和数量，并增加脂肪酸的氧化，从而维持细胞生存和肿瘤生长。在这种情况下，ATG5介导的自噬体磷脂酶A2的水解从细胞器甘油磷脂中动员脂肪酸生成溶血磷脂，导致脂肪酸氧化增强，并将脂肪酸溢出到脂滴中暂时储存PI3K抑制剂和高胰岛素的降血糖作用一起，有助于临床观察到这类药物的耐药性。体外培养的乳腺癌细胞对拉帕替尼(HER2和EGFR抑制剂)的抗药性最显著的特征是脂肪酸转运体CD36转录上调，进而导致脂肪酸摄取和脂滴积累。在HER2靶向治疗后，临床乳腺癌组织中CD36的诱导也很明显，CD36水平较高的肿瘤临床结果较差，支持脂肪酸摄取和代谢参与耐药的观点。

  脂肪酸氧化也是热休克蛋白90(HSP90)靶向抑制的适应性生存途径。最近报道了使用前列腺癌细胞和患者来源的前列腺肿瘤，用HSP90抑制剂luminespib培养明显地增加了参与氧化磷酸化和脂肪酸代谢的蛋白质的丰度。此外，luminespib与脂肪酸氧化的临床抑制剂哌克昔林联合治疗，可协同降低前列腺癌细胞株的生存能力，并在患者来源的肿瘤外植体中具有非常明显疗效。有趣的是，这种结合也减弱了热休克反应(一种已知的抵抗力中介)，可能是通过调节肿瘤内的活性氧水平来实现的。

  雌激素和雄激素等性激素与它们的合成代谢作用一致，深刻影响其靶组织以及激素依赖型乳腺癌和前列腺癌的脂肪代谢。内分泌疗法(针对性激素的产生或作用)在治疗局部复发或转移性疾病中的核心作用反映了乳腺癌和前列腺癌细胞对这些激素信号通路的生存依赖，然而耐药性是普遍的。调脂药物(例如，CPT1或FAS抑制剂)与内分泌疗法的联合研究显示，在体外和乳腺癌和前列腺癌的小鼠模型中有良好的临床前疗效，但这些观察结果缺乏临床支持，特别是乳腺癌。

  在前列腺癌中，内分泌治疗抵抗(导致一种无法治愈的临床状态，称为去势治疗，CRPC)的特征是雄激素受体信号的重新激活。雄激素受体信号在正常和恶性前列腺上皮细胞中协调控制一系列脂代谢基因的转录。此外，伴生代谢分析表明，雄激素刺激脂肪酸从头合成，脂肪酸摄取和氧化，以及有氧糖酵解。有证据说明，与野生型雄激素受体不同，野生型雄激素受体在激活时主要促进脂肪合成和糖酵解，通过雄激素受体切片变体AR-V7-CRPC中表达的主要雄激素受体变体，促进柠檬酸利用，促进氨基酸生物合成，而不是脂肪合成。因此，雄激素受体变异体不但可以激活雄激素受体导向通路，还能够给大家提供进一步的代谢可塑性，提高生存优势。与雄激素敏感的肿瘤或细胞株相比，临床或者实验室的CRPC组织典型特征是雄激素受体调节的基因表达增强，促使人们对脂代谢过程中靶向治疗产生了浓厚的兴趣。最近的几项研究表明，靶向脂质代谢酶作为CRPC细胞株和小鼠模型的单一疗法或联合使用，能恢复对雄激素受体靶向剂的敏感性。例如，通过抑制CPT1来降低脂肪酸氧化，或通过抑制FAS来降低脂肪酸的合成，提高雄激素受体拮抗剂的敏感性。从机制上讲，靶向脂质合成能够大大减少雄激素受体的表达和/或活性，抑制FAS也能够大大减少固有活性的AR-V7变异体的表达。虽然这是一个合乎逻辑的基础，但目前尚不清楚这种敏化机制中的关键作用，是雄激素受体表达和/或信号的串扰，还是其他尚未确定的因素。

  最近研究表明，细胞外脂质摄取增加和CRPC发展之间的联系，雄激素敏感的前列腺癌细胞显示细胞内脂质含量增加，特别是甘油磷脂和中性脂。随着细胞株耐药的发展，含有更长和更多不饱和脂肪酸链的甘油磷脂种类增加。多不饱和脂肪酸摄取的增加在CRPC中的潜在意义被强调和编码DECR-1的基因相关，是催化多不饱和脂肪酸辅酶A氧化的限速步骤，与原发肿瘤相比在临床CRPC组织中过度表达，并与总生存期相关。与正常对照细胞相比，体外培养的前列腺癌细胞中DECR-1基因敲除可选择性地抑制多不饱和脂肪酰基COA的β氧化，并抑制前列腺癌细胞(包括耐药株)的增殖和迁移。总之，这些观察结果将线粒体多不饱和脂肪酸辅酶A氧化作为产生能量和防止脂质过氧化和铁死亡的关键机制，支持雄激素受体靶向治疗耐药性的发展。

  肿瘤异质性在复杂的微环境代谢影响机制中，仍然需要对治疗反应和其可塑性的机制进行详细理解。这方面的一个关键例子就是肥胖的影响，通常报道称，肥胖症患者的癌症进展会发生改变，包括治疗耐药的发展。在这种情况下，肿瘤脂肪酸代谢适应“宏观水平”宿主属性，并在局部微环境水平上影响疾病行为。

  在肥胖人群中，许多癌症类型的风险和癌症相关死亡率发生改变，这一结论得到了一系列临床前癌症模型的数据支持。肥胖患者癌症生存期缩短的相关机制仍有待确定，但已提出的包括高胰岛素血症、低度炎症、脂肪因子水平改变、高血糖和血脂异常(图3)。然而，这些机制中的任何一个都是肥胖患者可行的治疗靶点的证据缺乏。

  一项巴黎的前瞻性研究中，纳入7,700名男性，根据结果得出循环中升高的游离脂肪酸与肿瘤死亡率有关，其他研究评估了脂肪酸摄入量(即饮食)和/或循环脂肪酸水平与癌症风险和/或死亡率之间的关系。虽然这可能表明增加的脂肪酸供应与癌症有关，但总的来说，这些研究未能确定脂肪酸种类和/或总摄入量关系(即食物摄入量)，也未能揭示肥胖人群与非肥胖人群的不同机制。到目前为止，在临床前或临床环境中，基本上没有直接的证据说明，可获得性增加脂肪酸单独或特定脂肪酸种类体会影响肥胖宿主的癌细胞行为。虽然这仍然是该领域的一个主要局限性，但最近的一项研究报告了一种新的机制，即肿瘤微环境中脂肪酸的水平受到癌细胞脂肪酸代谢的影响，从而改变CD8+T细胞的活性。具体地说，高脂饮食喂养的患癌小鼠，包括同基因MC38结直肠腺癌、E0771乳腺癌、B16黑色素瘤和Lewis肺癌，出现了脂肪酸的摄取和代谢增加以及糖酵解减少。此外脂肪酸在肿瘤中的分配是以CD8+T细胞为代价的，T细胞脂肪酸含量的减少与抗肿瘤免疫功能受损有关。脯氨酸羟基酶3(PHD3)的过度表达会阻止这种分配，与PHD3表达基础水平的肿瘤小鼠相比，这导致肿瘤脂肪酸氧化减少，提高小鼠的抗肿瘤免疫功能。这一观察表明，肿瘤生长需要微环境中肿瘤和免疫细胞之间对脂肪酸的可获得性和竞争，然而缺乏与循环脂肪酸的联系的证据。

  肥胖患者中游离脂肪酸的可获得性是复杂的，肥胖患者的血浆总游离脂肪酸水平不会增加，并且与BMI无关。通过稳定同位素示踪技术的研究得出，肥胖患者的脂肪分解和脂肪酸转换存在细微的不同，该研究同时解释了脂肪质量的差异。此外循环中的甘油三酯池的大小远大于游离脂肪酸池的大小，与非肥胖患者相比，肥胖者的甘油三酯池进一步增加。因此，这些见解表明，肥胖症患者体内对癌细胞的全身性脂肪酸可获得性增加是由于含有脂蛋白的甘油三酯，而不是来自脂肪衍生的游离脂肪酸。由于细胞摄取甘油三酯通过多种途径，肥胖症患者中癌细胞对脂肪酸的摄取增加可能涉及多种机制。

  肥胖和肿瘤生物学改变之间的一种常见的机制是局部（基质）脂肪细胞和癌细胞之间的相互作用。许多肿瘤在疾病的不同阶段与脂肪组织共存。例如，乳腺癌发生于富含脂肪的乳腺组织，前列腺癌侵袭前列腺周围脂肪组织，卵巢癌转移至肠系膜脂肪组织，胰腺癌侵袭局部脂肪组织，许多癌症转移至富含骨髓脂肪细胞的骨骼。脂肪细胞是脂肪组织的主要细胞类型，与肿瘤-脂肪细胞界面远端的脂肪细胞相比，靠近肿瘤的脂肪细胞较小。这表明肿瘤会使附近的脂肪细胞脱脂。

  脂肪细胞可以影响癌细胞体外行为。脂肪细胞促生长所需的一系列脂肪酸摄取相关蛋白水平的增加促进了脂肪细胞来源的脂肪酸在癌细胞中的堆积(图3)。脂肪细胞来源的脂肪酸可当作癌细胞中脂质合成和储存的底物。此外，与脂肪细胞共培养的乳腺癌细胞中脂滴的堆积与癌细胞中脂肪TAG脂肪酶(ATGL)和激素敏感脂肪酶(HSL)蛋白水平的变化有关，这两种酶可以水解含TAG的脂肪酸，形成细胞内脂肪酸池。乳腺癌细胞中ATGL的沉默削弱了与脂肪细胞共培养的细胞的迁移能力，表明脂肪细胞来源的脂肪酸通过作用于脂滴影响癌细胞生物学。

  脂肪细胞对癌细胞的促生长和迁移作用涉及线粒体脂肪酸氧化。脂肪细胞在一系列癌细胞中刺激长链脂肪酸氧化，这与CPT1A或CPT1B蛋白水平升高相关(图3)。重要的是，乳腺癌细胞中CPT1A的表达是代谢脂肪细胞来源的脂肪酸所必需的，从而促进脂肪细胞诱导的侵袭和上皮间质转化的增加。

  肥胖与癌症治疗的较差临床生存率有关，从机制上说，这种联系可能是多因素的，肥胖对药物药代动力学和新陈代谢的影响、健康情况较差导致的剂量调整都影响最终结局。此外，许多药物在脂肪细胞中被阻隔和代谢，而脂肪细胞大小、缺氧导致的血流减少和炎症反应增强，都潜在地限制了肥胖症患者的有效药物暴露水平。然而，药物的可获得性和剂量因素不能完全解释肥胖症的治疗抵抗。

  越来越多的证据说明，脂肪细胞驱动的机制与获得性治疗耐药有关。具体地说，与脂肪细胞共培养的血液或实体肿瘤细胞对一系列化疗药物和靶向治疗产生了耐药性，诱导肥胖在癌症动物模型中促化疗耐药性。有必要注意一下的是，原发或者继发肿瘤的脂肪细胞中这种行为最常见，大量研究集中在脂肪因子上，如瘦素或白介素6，部分通过改变癌细胞的脂肪酸摄取和氧化，诱导药物的耐药性。总之，癌细胞刺激脂肪细胞脂解，将脂肪酸转移到癌细胞和脂肪细胞，进一步刺激癌细胞对脂肪酸的摄取和氧化，耐药细胞的脂肪酸代谢特征，包括脂肪酸氧化增加，脂滴扩张和膜组成的变化(图2)，上述机制都暗示在肥胖的背景下，癌细胞的脂肪酸代谢驱动了治疗抵抗。此外，化疗药物对脂肪细胞的脂肪代谢有直接影响，提高了游离脂肪酸的可获得性，促进了癌症动物模型中癌细胞的存活。根据前面的部分，肥胖供体和消瘦供体的脂肪细胞在促进治疗抵抗方面的作用增强，在饮食诱导的乳腺癌肥胖模型中的进一步观察到了这一现象，该模型的特点是肿瘤细胞的脂肪生成和脂解作用增强，对阿霉素的耐药性增加。因此，在富含脂肪的肥胖症患者中，肿瘤脂肪酸代谢活性的增强可能在肥胖诱导的治疗抵抗中发挥核心作用。

  近年来，慢慢的变多的人认识到，脂肪酸代谢通过β氧化和甘油磷脂合成，深刻地影响肿瘤的进展。具体地说，这包括与氧化还原应激有关的脂肪酸稳态维持，从而防止铁死亡以及影响膜的流动性和通透性，以促进运动和转移。脂肪酸代谢中的很多变化也与获得性治疗抵抗有关，包括与肥胖相关的抵抗，并支持肥胖患者癌细胞行为的变化。重要的是，最近许多针对脂肪酸代谢以攻克治疗抵抗的报告表明，未来联合靶向策略可能是一种可行的方法，在肥胖和代谢功能障碍的背景下可能尤其关键。所有这些结果都依赖于未来的研究，包括涉及新兴药理药物的研究，这些药物克服了目前实验和临床抑制剂的一些已知缺陷和脱靶效应。此外，如果要在临床实践中有效地使用联合靶向策略，在这些研究中使用更复杂的三维和患者衍生模型和临床标本是至关重要的。最后，我们大家都认为，将肿瘤基因组分类与外因(包括饮食和系统代谢)相结合，改善患者预后，并设计更全面的精准药物策略，仍有宝贵的机会。