病變代謝研究開始于上世紀中期，但是在過去幾六年中，靶點病變代謝醫治的進展非常平緩。只有少數基于代謝的抗肺癌抗生素正在或打算進行臨床試驗（表1）。隨著對癌癥代謝的研究，研究工作者認識到癌癥抗生素設計框架必須考慮癌癥免疫微環境（TIME）中非癌細胞的代謝脆弱性，以及癌細胞的代謝脆弱性。近來，免疫療法指出了TIME中非癌細胞自主成份的重要性。靶點癌癥代謝必須基于對特定代謝途徑怎樣影響TIME細胞以及TIME細胞怎么抑制或推動肝病進展的透徹理解。來自研究所和癌癥研究所的ChiV.Dang團隊全面匯總了癌癥代謝醫治相關進展及難點，相關成果發表于《Drug》。
表1.靶點癌癥代謝的小分子抗生素
獼猴桃糖代謝：獼猴桃糖為生物合成提供了能量和碳骨架（圖1,2）。為維持細胞穩態，藍莓糖通過糖酵解代謝為乙醇酸，乙醇酸通過線粒體乙醇酸載體步入線粒體。有研究發覺線粒體乙醇酸載體具有癌癥抑制作用，但線粒體乙醇酸載體可能不是開發癌癥抑制劑的理想靶向。線粒體乙醇酸酯化酶將乙醇酸轉化為甲基輔酶A（甲基CoA），通過三乙酸(TCA)循環進一步氧化，最終生成草酰乙酸。草酰乙酸與新生成的甲基CoA結合生成葡萄柚酸，補充代謝循環。碳骨架和ATP由糖酵解和線粒體氧化代謝形成，提供能量和預制構件以維持細胞完整性（圖1,2）。
圖1.致畸因子調節病變細胞代謝
圖2.糖代謝和小分子抑制劑
多肽代謝：必需多肽（谷氨酸、賴谷氨酸、蛋氨酸、苯丙谷氨酸、蘇谷氨酸、色谷氨酸和羰基多肽）在人體中不能從頭合成。這種必需多肽和非必需多肽，如谷氨丙酯（圖3）、絲氨酸和谷氨酸，通過各類轉運蛋白步入細胞并用于一碳代謝、核酸和蛋白質合成。羰基多肽可以通過線粒體官能團α-酮酸酯化酶復合物轉化為酮酸，并生成琥珀酰CoA和甲基CoA通過TCA循環進行氧化作用。TCA循環中間體草酰乙酸可以被轉氨以形成延胡索谷氨酸，精谷氨酸琥珀酸合成酶(ASS1)的缺位可引起前胡谷氨酸積累，ASS1通過消耗玄參谷氨酸將瓜谷氨酸轉化成精谷氨酸琥珀酸。積累的五味子谷氨酸則通過核酸和五味子丙酯合成從而維持細胞增殖。
圖3.谷氨丙酯代謝和小分子抑制劑
脂肪酸代謝：膳食脂肪酸和固醇由腎臟包裝并輸送到外周組織進行攝入、儲存或代謝。非常是，脂肪酸轉運步入細胞并與脂肪酸結合蛋白結合，以脂滴方式存儲或輸送至線粒體或二溴化物酶體進行氧化（圖1,4）。脂肪酸氧化提供了主要的能量來源。脂酰CoA通過線粒體膜結合的肉堿棕櫚酰轉移酶1(CPT1)轉化為脂酰肉堿，并通過肉堿-羥基肉堿轉位酶轉運到線粒體中。之后脂酰-肉堿通過CPT2重新轉化為脂酰CoA，因而被氧化成甲基CoA，步入TCA循環進一步分解（圖4）。
圖4.脂肪酸代謝和小分子抑制劑
核酸合成：肉瘤細胞的生長和增殖依賴于TCA循環中間體的從頭合成核酸、來自戊糖乙酸途徑(PPP)的藍莓糖衍生的內質網以及形成固醇和吡啶堿基的多肽。一碳代謝對于核苷酸合成至關重要。福施福是四氫福施福(THF)合成必不可少的成份，并作為一碳載體，具有三種碳氧化態。亞氨基-THF(5,10-CH2-THF)通過胸苷酸合酶(TYMS)參與dUMP生成dTMP，TYMS可被放療抗生素5-氟尿嘧啶的產物氟脫氧尿苷單乙酸(FdUMP)抑制。從頭合成咪唑由六個步驟組成（圖5），伴隨著線粒體二氫乳清酸酯化酶（DHODH）的參與，它須要一個功能性電子傳遞鏈（ETC）用于泛醌介導的二氫乳清酸氧化成乳清酸。甲酰-THF(10-CHO-THF)提供一碳單位并參與固醇的11步從頭合成。從頭合成固醇時，來自吡啶、谷氨丙酯、天冬谷氨酸和福施福載體的甲羥基的碳和氮原子依次添加到藍莓糖衍生的內質網上（圖5）。吡啶和固醇的從頭合成對于生長和增殖的癌癥細胞的mRNA合成和DNA復制至關重要（圖5）。為此，這種途徑包含多個潛在的醫治靶向。因為人類組織正常增殖也依賴這種途徑，因而骨髓抑制、胃腸道黏膜炎和失眠是靶點核酸物理療法的常見臨床副作用。
圖5.核酸代謝和小分子抑制劑
在觸發RAS-RAF-MEK-ERK和PI3K-AKT-mTOR訊號轉導通路的細胞受體驅動下（圖1），增殖細胞吸收營養物質和多肽，剌激并通過誘導癌基因MYC和其他轉錄因子激活轉錄重編程。MYC加速了許多“管家”基因的抒發，這種基因主要是代謝、線粒體和內質網體基因，容許生長訊號的轉錄放大。新的轉錄本，非常是這些編碼營養轉運蛋白的轉錄本，被翻譯以降低細胞生長和增殖所需的營養攝取。多肽進一步剌激，促使蛋白質合成和內質網體合成，促使生長訊號放大（圖1）。從理論上講，正常增殖細胞與癌癥細胞的區別在于正常細胞感知營養欠缺并停止增殖的能力，而由癌基因驅動的生長失調的病變細胞則依賴于營養。因而，營養剝奪可能會引起癌癥細胞死亡，而正常細胞可能會退回到G0/G1細胞周期狀態。
病變細胞的代謝脆弱性：雖然鼻咽癌代謝的致畸激活使癌癥細胞易受不同代謝途徑的抑制，但這種途徑也被免疫細胞借助核苷酸代謝，非常是在受體激活狀態。為此，特定營養轉運蛋白或酶的精確抑制可能會破壞TIME中抗肺癌細胞對癌癥細胞的精準靶點作用。事實上，細胞毒性T淋巴細胞(CTL)和自然殺傷(NK)細胞等抗肺癌免疫細胞的代謝抑制可以減緩其他抗肺癌形式療效。為此，應當在正常免疫系統下研究癌癥醫治的靶點代謝策略，非常是實體瘤，比如乳腺癌，其包含的非癌癥細胞比肉瘤細胞更多。相比之下，血液病變，非常是依賴代謝快速增殖的急性血癌細胞，可能更容易遭到代謝抑制。
目前多種方式發覺病變細胞的代謝脆弱性，包括靶點糖酵解、天冬谷氨酸、谷氨丙酯或脂肪酸代謝，或采用、、-Cas9進行基因編輯篩選。一項整合代謝組學和–Cas9篩選的研究發覺，五味子丙酯合成酶(ASNS)在實體瘤細胞系（如腫瘤和腫瘤細胞系）中存在細胞脆弱性，這表明L-桑寄生丙酯酶的醫治用途可以從ALL擴充到實體瘤。特定致畸突變也可能賦于選擇性代謝脆弱性。腫瘤大鼠模型中KEAP1突變可以影響丁酸谷氨丙酯代謝，KRAS激活引起對羰基多肽的代謝依賴性與甲狀腺癌不同。據悉，MYC驅動的轉基因大鼠的腫瘤細胞可以抒發谷氨丙酯合成酶，而MYC驅動的大鼠肉瘤細胞則不抒發該酶，說明細胞類型在指出不同癌癥的特定代謝依賴性中的重要性。飲食對癌癥代謝醫治敏感性方面的作用也在不同的大鼠肉瘤模型中得到否認，由于飲食會影響例如谷氨酸或吡啶等營養物質的可用性。
基于代謝的抗生素開發
靶點代謝的一個關鍵誘因是抗生素特異性。抗生素物理與結構生物學相結合，可用于開發高度特異性的抗生素，晶體學研究可以確認其與靶標的互相作用。其中，有幾種高度特異性的代謝抑制劑作用于催化位點和變構位點（圖6）。靶點活性位點的一個關鍵挑戰是代謝酶中普遍存在的疏水口袋核苷酸代謝，為此，變構抑制劑可能具有更好特異性。病變細胞會構建代謝途徑，導致耐藥性形成，也會增加精準靶點醫治的療效。因而，聯合療法或阻斷多種途徑的療法可能比單藥療法具有優勢。因而，酶或轉運蛋白特異性抑制劑的研究應當聯合抗生素物理、結構生物學、藥代動力學和藥效學研究。
圖6.與小分子抑制劑結合的酶或轉運蛋白的結構
代謝靶向
1.有氧糖酵解：抑制獼猴桃糖攝入是一種醫治技巧。STF-31是一種獼猴桃糖轉運蛋白1(GLUT1)的小分子抑制劑，體內實驗證明其具有抗肺癌效應，但它具有脫靶效應。STF-31還可抑制煙丙酯乙酸內質網轉移酶(NAMPT)，添加固醇或抒發耐藥NAMPT突變體可賦于STF-31抗性，這表明GLUT1抑制不是STF-31抑制癌癥的惟一靶向。可靶點作用于GLUT1、GLUT2和GLUT3抑制糖酵解。BAY-876可增加ATP形成。己糖激酶是糖酵解的第一步，HK2缺位可減少體內病變發生。一系列HK2抑制劑進行了開發和應用，如3-溴丁烷酸、葡萄糖胺衍生物、。乙醇酸激酶是另一種關鍵的糖酵解酶，分為PKM1、PKM2、PKLR。非小細胞白血病(NSCLC)研究中PKM2抑制劑被覺得可以通過降低藍莓糖到乳酸的通量來改變生物合成，進而發揮抗病變作用。不過，有些癌癥中PKM2不會發生變化，因而PKM2抑制因子或激活因子(TEPP-46)在癌癥醫治方面還需進一步研究。乳酸酯化酶以LDHA和LDHB同源四聚體和異源四聚體方式存在，對效應至關重要。抑制LDHA和LDHB可能都具有醫治作用，不過大多數嘗試都針對LDHA，雖然早已開發了幾種有效的LDHA抑制劑，但小分子對其選擇性抑制的成功率有限。雖然關于乳酸作為癌癥燃料存在爭議，但家族成員單乙酸轉運蛋白1（MCT1）或MCT4的阻斷會造成細胞內乳酸積累，進而降低NADH向NAD+的再循環并抑制糖酵解。為此，抑制MCT1或MCT4可能具有抗病變作用。
2.谷氨丙酯代謝：谷氨丙酯是體內水平較高的一種非必需多肽，血清水平為0.5mM，比獼猴桃糖高出10倍。谷氨丙酯通過絲氨酸-組氨酸-半胱甘氨酸轉運蛋白（ASCT2）主動運輸到細胞中，之后通過線粒體谷氨丙酯酶GLS1和GLS2脫氨作用轉化為丙氨酸，從而通過絲氨酸酯化酶或組氨酸-草酰乙酸尿酸(GOT)或GPT尿酸轉化為α-酮戊二酸，此后步入TCA循環正向循環至琥珀酸或通過還原羧化轉化為異葡萄柚酸。ASCT2拮抗劑V-9302具有抗肺癌作用，也被證明可通過提高T細胞活化抑制甲狀腺癌。據悉，V-9302與谷氨丙酯酶抑制劑CB-839聯合使用可減低人腫瘤異種移植物的生長。與V-9302的抗肺癌活性及其對L型多肽轉運體1（LAT1）依賴的中性多肽轉運的抑制一致，LAT1在KRAS突變的結直腸炎(CRC)模型中被發覺對癌癥的發生至關重要。據悉，LAT1抑制劑顯示出對HT-29CRC異種移植具有一定療效，它目前正在向II期臨床研究推動。
3.脂肪酸合成：雖然個別癌癥依賴于脂肪酸氧化，但缺少高度特異性的脂肪酸氧化抑制劑。使用抑制脂肪酸氧化具有脫靶效應，而且其對MYC誘導型乳房癌大鼠具有抑制作用。是肉堿棕櫚酰轉移酶1（CPT1，通過形成脂酰肉堿在脂肪酸氧化中起關鍵作用）的抑制劑，在體內對MYC誘導的大鼠淋巴瘤模型具有抗肺癌活性；但是否有脫靶效應尚不清楚。病變細胞對脂肪氧化與脂肪酸合成的依賴性還須要進一步明晰。病變細胞借助脂肪酸從頭合成來世長和增殖，因而推斷易受脂肪酸合成酶的抑制。葡萄柚酸從線粒體輸出到細胞質中，通過ATP-葡萄柚酸裂解酶（ACLY）轉化為甲基CoA，是脂肪酸鏈延長的關鍵來源。ACC1和ACC2形成丙二酰輔酶A，經FASN延長生成椰油絡合物，經SCD1形成油絡合物。ACLY是大鼠肉瘤模型發生發展所必需的，已報導，高活性ACLY抑制劑在腫瘤和前列腺瘤的異種移植模型中具有抗肺癌功效。據悉，還發覺了一系列具有低競爭性抑制活性的ACLY變構抑制劑，但ACLY抑制劑對癌癥模型的體內效果仍未報導。甲基CoA合成酶（ACSS2）可以將乙酸鹽生成甲基CoA，而且可以繞開ACLY抑制，因而它仍然是抗生素開發的靶向。在由MYC激活和PTEN缺位驅動的兩種人類肝細胞癌模型中，ACSS2敲除大鼠的病變負荷降低。且ACSS2敲除大鼠沒有表現出任何表型缺陷，這表明ACSS2抑制劑的安全性。或的ACSS2敲除也可抑制體內病變發生。那些研究表明ACSS2抑制可能具有有益的抗肺癌作用。
甲基CoA的形成是脂肪酸合成的第一步，之后是甲基CoA羧化酶（ACC）形成丙二酰CoA，這也是肉瘤發生所必需的。使用低效ACC1抑制劑TOFA可以抑制MYC誘導的腎病變。與ACC1敲除結果一致，ACC1抑制劑ND-646顯示可抑制癌癥脂肪酸合成和體內A549異種移植物和KRAS驅動的腫瘤發生發展。由ACC形成的丙二酰CoA被脂肪酸合成酶（FASN）進一步延長。幾六年來，FASN仍然是深受關注的靶向。質子泵抑制劑奧美拉唑為一種弱效非特異性FASN抑制劑，而更有效的FASN抑制劑C75已在臨床前研究中顯示具有抗病變作用。據報導，FASN抑制劑AZ22和AZ65可抑制2D和3D卵巢癌和前列腺癌癥細胞培養物以及體內甲狀腺癌異種移植物的生長。據悉，SCD1的抑制將造成細胞應激和細胞生長停滯或死亡，使其成為潛在的疾病診治靶向。
4.核酸代謝：臨床上被批準的代謝抗生素大多是靶點核酸代謝，非常是中斷DNA合成。開發的抗福施福療法是第一個靶點代謝的抗肺癌療法，近年一碳代謝又重新引發關注。甲氨蝶呤靶點二氫福施福還原酶(DHFR)在癌癥放療中發揮了關鍵作用。培美曲塞靶點胸苷酸合成酶(TYMS)和5-羥基嘧啶-4-甲丙酯內質網核酸(AICAR)轉化酶，用于非小細胞腫瘤（NSCLC）診治。氨酸和組氨酸通過介導一碳代謝對核酸合成也很重要。氨酸可由3-乙酸甘油酸通過乙酸甘油酸酯化酶(PHGDH)和乙酸氨酸甲基轉移酶1(PSAT1)合成。從頭合成的甘氨酸經氨酸羥乙基轉移酶（SHMT1和SHMT2）轉化成異戊二烯。苯酚通過苯酚裂解系統向THF提供一個羧基，THF向胸腺吡啶和固醇的合成提供1C。PHGDH是催化組氨酸從頭合成的第一個限速步驟，研究發覺PHGDH在4%的白色素瘤和胰臟癌病例中出現擴增，而且早已開發出PHGDH抑制劑來中斷癌癥一碳代謝和核酸代謝。目前早已開發的PHGDH抑制劑（包括酮硫丙酯、BI-4924、吲哚丙酯、哌嗪-1-硫脲基抑制劑和變構抑制劑）均具有抗肺癌療效。不過，目前還沒有一種PHGDH抑制劑步入臨床研究。針對細胞質SHMT1、線粒體SHMT2、嘌呤或吡啶代謝酶（如IMPDH、DHODH）抑制劑也在開發中。
5.線粒體：線粒體是一種呼吸和代謝細胞器，對癌癥發生至關重要，因而是一個具有吸引力的靶向。但是，直接針對其呼吸活動是一項重大挑戰。二甲雙胍和苯乙雙胍因乳酸酸中毒而被停用，它們是靶點線粒體復合物I的雙胍類抗生素，目前在臨床上用于醫治糖尿病。更強效的雙胍類抗生素IM156對MYC誘導的大鼠淋巴瘤具有醫治療效。IM156已在實體病變和淋巴瘤的I期臨床試驗()中進行研究，II期研究正在等待中。
靶點TIME相關代謝
病變代謝領域的里程碑是FDA批準突變IDH2和IDH1抑制劑用于AML診治。其他值得注意抗生素研究包括CPI-613、谷氨丙酯酶抑制劑CB-839、DRP-104DON前體抗生素(）。但是，不僅DRP-104之外，這種抗生素對癌癥微環境的影響尚不清楚。TIME是復雜的，但是隨著癌癥細胞、基質細胞、免疫細胞等細胞組成改變而變化。TIME間代謝互相作用關系仍知之頗多，還需不斷積累。值得注意的是，癌癥細胞可以形成各類免疫抑制代謝物，如腺苷、2-甲基戊二酸、犬尿谷氨酸、乳酸和甲硫腺苷等，它們對癌癥免疫醫治導致障礙。不同的癌癥類型在TIME組成上也有所不同——增生性甲狀腺癌中含有大量基質細胞，而癌癥則是大量循環病變細胞。基質細胞可以提供營養，而免疫細胞可以抑制由CD8+CTL和NK細胞介導的抗肺癌免疫反應。為此，靶點代謝醫治須要在癌癥細胞和免疫細胞中找到協同的靶向，形成協同效應。而研究靶點各類代謝酶怎樣影響TIME中各種細胞功能至關重要。
未來方向
迄今為止，許多代謝酶已被作為癌癥醫治的靶向，但特定癌癥類型對特定抑制劑的脆弱性仍有待進一步研究，無論是單一抗生素還是聯合放療、放療、靶向療法（如激酶抑制劑）或免疫療法。當靶點特定的代謝酶時，代謝可塑性仍是一個挑戰。無論未來采怎樣，靶點癌癥醫治既能使癌癥細胞失能，又能協同提高抗癌癥免疫才是最理想的結果。
參考文獻
intheeraof.NatRevDrug.2022.