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谷氨酸代谢与胶质瘤关系的研究进展

  胶质瘤是颅内最常见的恶性肿瘤,经过几十年相关领域学者的共同努力,人们对胶质瘤的认识不断提高。中枢神经系统中谷氨酸稳态失衡、细胞外谷氨酸浓度升高是参与胶质瘤生长、侵袭过程的重要因素之一,已成为近年来的研究热点。本文通过论述谷氨酸代谢与胶质瘤的关系和相关的治疗进展,为临床胶质瘤药物的研发、临床治疗提供参考信息。

  谷氨酸为中枢神经系统中含量最高、作用最广泛的氨基酸,其作为酸性氨基酸参与代谢,亦作为兴奋性氨基酸参与神经递质的信息传递。在正常脑组织中,细胞内、外谷氨酸的含量相对稳定,谷氨酸能神经元细胞内谷氨酸的浓度约为5~10 mmol/L,而细胞外液的谷氨酸浓度仅为0.5~4 μmol/L。这种内高外低的浓度差对于维持中枢神经系统的正常生理功能、防止神经元损伤至关重要。

  在正常脑组织中,细胞外谷氨酸的来源主要有2个途径:(1)突触前神经元以囊泡形式释放谷氨酸;(2)神经元和胶质细胞通过谷氨酸/胱氨酸转运体(xCT)以1 ∶1的比例向细胞外转运谷氨酸的同时将胱氨酸摄取入细胞内。神经胶质细胞内谷氨酸的来源主要有以下3个途径:(1)胶质细胞内葡萄糖或乳酸在丙酮酸羧化酶的作用下合成谷氨酸;(2)在兴奋性氨基酸转运蛋白(excitatory amino acid transporters,EAATs)的介导下将谷氨酸转运入细胞内;(3)通过谷氨酸受体将细胞外的谷氨酸摄入细胞内。神经元细胞内的谷氨酸来源同样具有以上后2种途径,但由于缺乏丙酮酸羧化酶,神经元细胞不能将葡萄糖或乳酸转化为谷氨酸,其细胞内谷氨酸的来源主要依赖于星形细胞释放的谷氨酰胺。细胞内、外谷氨酸稳态的维持依赖于以上转运机制共同作用。

  正常脑组织中,细胞外谷氨酸主要由神经元释放、星形细胞摄取,在星形细胞/神经元中形成谷氨酸/谷氨酰胺代谢偶联。然而,对于胶质瘤患者而言,胶质瘤细胞代替神经元细胞释放大量的谷氨酸,且远远超过星形细胞的摄取能力,使细胞外的谷氨酸浓度增加。已有大量研究证明了上述观点。Yao等通过胶质细胞、星形细胞共培养模型证实,细胞外的谷氨酸浓度主要由胶质细胞/星形细胞比值所决定,比值越大,则细胞外的谷氨酸浓度越高。胶质瘤患者的脑脊液谷氨酸浓度可高达400 μmol/L,而正常成年人脑脊液中的谷氨酸浓度仅为1 μmol/L。谷氨酸浓度升高可造成神经元兴奋毒性死亡。谷氨酸过度激活突触后膜中EAATs和谷氨酸受体,引起大量钙离子内流,促发一系列酶联反应,最终导致细胞器功能衰竭、细胞溶解和死亡。胶质瘤细胞释放大量的谷氨酸,且随着肿瘤的进展,星形细胞的数量减少、摄取谷氨酸的能力下降,最终使细胞外谷氨酸浓度升高、谷氨酸稳态被破坏,这被认为是胶质瘤生长、侵袭、扩增的重要环节。无疑减少谷氨酸的释放、增加其摄取是控制胶质瘤生长、侵袭的重要理论基础。

  胶质瘤是颅内最常见的恶性肿瘤,其侵袭性强、复发率高、生存期短,预后差。高级别胶质瘤如胶质母细胞瘤,其中位生存期仅12~15个月,5年生存率低于5%。目前对胶质瘤仍缺乏有效的治疗方法。胶质瘤仍是神经外科领域难以攻克的难题。胶质瘤干细胞、与谷氨酸代谢有关的化疗成为近年来的研究热点。

  正常脑组织中神经元释放的谷氨酸主要由星形细胞中EAATs摄取。EAATs是一种Na+-K+依赖性谷氨酸转运蛋白,包括5种亚型(EAAT1、EAAT2、EAAT3、EAAT4、EAAT5)。EAAT3主要表达于神经元细胞,在海马和新皮质中其表达量最高,而在胶质细胞中几乎不表达。EAAT4主要在小脑浦肯野细胞中表达。EAAT5主要表达于视网膜细胞和外周细胞,脑组织中其含量较低。EAAT1和EAAT2主要在星形细胞中表达,其中EAAT2是含量最丰富、研究最多的EAAT,在维持细胞内、外谷氨酸稳态中发挥最为关键的作用,约占细胞外谷氨酸摄取活性的95%。研究发现,在胶质瘤的生长过程中伴随EAAT2表达的下降。Robert和Sontheimer发现EAAT2的表达和胶质瘤的级别呈负相关,Ⅱ级胶质瘤细胞可表达一定水平的EAAT2,而胶质母细胞瘤几乎不表达EAAT2。de Groot等亦发现,针对胶质瘤手术标本的基因分析显示胶质瘤缺乏EAAT2的表达,造成其表达缺失的原因可能与DNA的甲基化有关。

  增加EAA2的表达可作为抗肿瘤治疗的一个靶点。过氧化物酶增殖物活性受体(peroxisome proliferator activated receptor,PPAR)γ激动剂吡格列酮能在mRNA和蛋白水平增加EAAT2的表达、降低细胞外谷氨酸的浓度,从而抑制肿瘤的生长。Ching等在胶质瘤干细胞培养模型中加入高浓度吡格列酮,发现胶质瘤细胞的形态发生改变、细胞数量减少,且形成突触的能力下降。Wan等亦证明吡格列酮具有抑制肿瘤迁移、入侵,促进肿瘤凋亡的作用,但提出了不同的作用机制,认为吡格列酮主要是通过下调β链蛋白、影响β链蛋白的转录活性来发挥抗肿瘤作用。丙戊茶碱和β-内酰胺类抗生素亦可增加EAAT2的表达,促进肿瘤细胞的凋亡。研究表明,丙戊茶碱能明显减少星形细胞单独培养模型、共培养模型(星形细胞+CNS-1细胞)中谷氨酸的浓度,而对CNS-1细胞单独培养模型中的谷氨酸无明显影响,其原因可能与胶质瘤细胞的EAAT2表达明显减少有关。

  谷氨酸受体包括离子通道型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptors,iGluRs)和代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptors,mGluRs)。前者包括3种亚型:N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)、α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptor,AMPAR)以及红藻氨酸受体。mGluRs有8种亚型。人脑胶质瘤细胞缺乏谷氨酸受体,因而细胞外过多的谷氨酸不会对胶质瘤细胞造成兴奋毒性损伤。法舒地尔是一种Rho激酶抑制剂,能上调胶质瘤细胞NMDAR-1的表达,从而发挥抗肿瘤作用。研究表明,经法舒地尔处理后的胶质瘤细胞的NMDAR-1表达量较对照组明显增加;加入谷氨酸能明显降低胶质瘤细胞的存活率、使细胞形态发生改变,且这种改变呈剂量依赖性。法舒地尔还可以通过调控Rho-鸟苷三磷酸酶使星形细胞的形态发生改变,进而增加细胞表面EAAT1/2的表达,从而抑制肿瘤的生长。

  Lau等在培养的啮齿类来源的星形细胞中加入法舒地尔后,细胞骨架中肌动蛋白由F-肌动蛋白向G-肌动蛋白转变,且在转变过程中伴随星形细胞由扁平、多形性向星形的改变,这种改变是快速的,数分钟之内即可发生。然而,EAAT1/2表达量的增加却是相对缓慢的过程,推测还有更复杂的机制参与了对EAAT1/2的调控,如基因转录的调控。法舒地尔联合氯碘羟喹还能诱导肿瘤细胞的自噬、凋亡,其作用机制包括与自噬、凋亡通路有关的线粒体膜电位的下降、促凋亡蛋白PARP和Bax的上调、抗凋亡蛋白Bcl-2的下调、半胱氨酸蛋白酶3的激活等。研究表明,法舒地尔联合氯碘羟喹能明显降低胶质瘤细胞的存活率,而对培养模型中的正常细胞株则无明显作用,且这种联合作用的效应较单独应用法舒地尔或氯碘羟喹明显增强。不同的药物以适当比例联合应用的抗肿瘤方式可大大提高其效应,同时降低应用大剂量药物带来的不利影响。这将是今后抗胶质瘤治疗的研究方向之一。然而,Tilson等的研究证明法舒地尔在体外可提高胶质瘤干细胞的存活率。产生此种不同观点的原因尚有待进一步详细的探讨。

  代谢型谷氨酸受体是G蛋白偶联受体,主要包括3种,即Ⅰ型(mGluR1、mGluR5)、Ⅱ型(mGluR2、3)、Ⅲ型(mGluR4、6、7、8),胶质瘤细胞主要表达Ⅰ型和Ⅱ型mGluR。目前已经证实mGluR1的异位表达与恶性黑色素瘤有关,其在胶质瘤中作用的研究也越来越多。通过抑制mGluR1能控制肿瘤细胞的侵袭、迁移,降低肿瘤细胞的活性,其机制可能与PI3K磷酸化的减少以及Akt/mTOR通路的阻断有关。替莫唑胺为临床中用于胶质瘤化疗的最主要药物,是一种DNA烷化剂,可损伤胶质瘤细胞的DNA,而DNA被损伤后能诱导O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(MGMT)的表达。MGMT为一种DNA修复酶,能部分修复被替莫唑胺损伤的DNA,其产生限制了替莫唑胺发挥最大的抗肿瘤效应。谷氨酸和mGluR3结合也能促进MGMT的产生,其通路为mGlu3→Ptdlns-3-k→pAkt→NF-κB→MGMT。Ciceroni等在胶质瘤干细胞体外培养实验中发现,mGluR3阻滞剂能联合替莫唑胺发挥抗肿瘤作用,替莫唑胺在2.5~250 μmol/L浓度范围内单独使用时并不能抑制肿瘤细胞的活性;当加入mGluR3阻滞剂时,MGMT产生减少,其毒性作用即显现。

  Ciceroni等还发现,阻断mGluR3能减少肿瘤细胞的增殖;而若加入mGluR3激动剂,肿瘤细胞的增殖和分化则无明显的改变。该结果表明,mGluR3的活性对于维持胶质瘤干细胞的增殖是必须的,但mGluR3本身并无促进肿瘤细胞增殖的作用,其在胶质瘤的生长过程中具有允许作用。mGluR3的表达水平与胶质瘤术后放、化疗患者的总生存率有关。手术治疗后联合替莫唑胺化疗的87例患者中,mGluR3低表达者可获得更长的生存期,提示mGluR3的转录水平可作为替莫唑胺疗效的前瞻性指标。mGluR3阻滞剂已在小鼠模型上显示出较好的安全性和耐受性,有望与替莫唑胺联合作为胶质瘤患者的化疗药物。

  谷氨酸转运蛋白系统(glutamate transporters system Xc-,SXC)是一种不依赖于钠的氨基酸转运蛋白,由大小2个亚单位构成,分别为CD98和xCT。xCT赋予其转运功能,向细胞外转运谷氨酸的同时将胱氨酸摄取入细胞内。细胞内的胱氨酸进一步还原成半胱氨酸,一部分半胱氨酸与甘氨酸、谷氨酸共同合成谷胱甘肽,另一部分则以出胞的形式分泌至细胞外氧化成胱氨酸,重新参与Xc-系统循环。谷胱甘肽是中枢神经系统中含量最丰富的抗氧化剂,能清除细胞代谢产生的自由基、过氧化物等。肿瘤细胞的高代谢致使活性氧持续产生,后者对肿瘤具有致命的杀伤力,谷胱甘肽可通过清除这些活性氧来促进肿瘤的生存。谷胱甘肽亦与肿瘤的化疗、放疗的耐药性有关。外源性的化疗药物进入细胞内时,可被谷胱甘肽识别、秒速时时彩结合,然后通过多耐药蛋白(mutidrug resistant protein,MRP)将化疗药物转运出肿瘤细胞。在胶质瘤中MRP1的表达增加,其增加的幅度与肿瘤的恶性程度相关。谷胱甘肽的含量增加、MRP表达的上调是胶质瘤化疗耐药的机制之一,因此抑制谷胱甘肽的合成可作为增强肿瘤放、化疗的辅助措施之一。在行低剂量放射治疗时,细胞内产生的自由基可被足量的谷胱甘肽所中和,因此高表达SXC的肿瘤对低剂量的放射治疗存在耐受性,放射治疗效果较差,这提示SXC的表达可作为放射治疗的效果评判指标以及选择放射剂量的参考指标。

  SXC为一种可诱导的转运蛋白,当细胞内需要更多的谷胱甘肽时,可通过抗氧化效应原件或亲电效应原件使细胞膜上的SXC上调。胶质瘤细胞的高代谢状态使其需要更多的谷胱甘肽来维持自身的生长,从而使SXC的表达上调。柳氮磺吡啶能抑制SXC、减少谷胱甘肽的产生,从而抑制肿瘤细胞的生长,增加放、化疗的敏感性。柳氮磺吡啶联合放疗能促进DNA双链的断裂、活性氧增加以及胶质瘤细胞的死亡、延缓异基因胶质瘤移植小鼠的生存期。由于柳氮磺吡啶的作用缺乏特异性(能同时作用于全身各处细胞中的SXC受体),故可导致较多的不良反应而终止于临床Ⅱ期试验。柳氮磺吡啶对胶质瘤的治疗有巨大的优势,同时也存在明显的不良反应,因此新的结构完整的高选择SXC抑制剂是未来药物研发的方向。

  谷氨酸稳态的失衡与胶质瘤发生、发展密切相关,目前已在体外试验或动物模型中发现了一些与谷氨酸代谢通路有关的、可抑制肿瘤细胞生长的药物,但如何将这些药物安全有效地应用于临床,仍是未来面临的巨大挑战,尚需进一步的研究。

  来源:吕美珍, 曾而明. 谷氨酸代谢与胶质瘤关系的研究进展[J]. 中华神经外科杂志, 2017(5).

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