专题 | 肿瘤与代谢（上）：肿瘤代谢是一门什么样的学科？
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为什么要研究肿瘤的代谢？
任何一种生命活动，都离不开相应的物质与能量基础。比如，作为具有传导兴奋性的神经细胞，它必须要有合成、分泌和接受神经递质的能力；而骨骼肌细胞，作为生物运动机能的重要组成部分，它必须要有快速代谢ATP的能力。
对肿瘤细胞来说，它既要快速地增殖，又要想办法逃避免疫监控，在特定情况下还要转移到身体的其他部位，在抵抗药物攻击的同时还得想办法卷土重来……肿瘤的种种生物学特性，都与物质、能量的代谢息息相关。如果我们有办法选择性地控制肿瘤细胞的某些代谢途径，就有可能阻断相应的恶性表型。
尽管肿瘤代谢领域仍处于早期的升温状态，但在临床上，根据肿瘤代谢的特性所研发的诊断和治疗手段，却已有一段历史。比如在肿瘤影像诊断领域，经常使用18氟-氟代脱氧葡萄糖PET/CT（18F-FDG PET/CT），其原理便是基于肿瘤通常具有较高的摄取葡萄糖能力。又比如抗癌药5-氟尿嘧啶（Fluorouracil）和阿糖胞苷（cytosine arabinoside），则是一类抗DNA代谢的化合物。随着肿瘤代谢研究的不断深入，未来我们有望开发更加丰富的诊疗手段。
18F-FDG影像诊断肿瘤，图片引自J Nucl Med June 1, 2011 vol. 52 no. 6 865-872
不过，研究肿瘤代谢的意义却远不限于诊断与医疗。代谢，说到底，跟我们日常生活有关。我们吃进肚子里面的食物，最终会被身体的各个细胞所代谢利用，无论这些细胞是正常的还是癌变的。肿瘤，首先是一种基因疾病，它的发生一定需要基因组产生异常。然而经典的遗传学告诉我们，基因型不完全等于表型。换句话说，就算有了致癌性的基因突变，也不一定会产生肿瘤，还需要环境因素来起作用。而研究肿瘤的代谢，正是在破解环境因素（包括饮食、运动等生活习惯）到底在肿瘤的发生与发展、治疗及预后中起什么作用，这将对肿瘤的防治起到举足轻重的作用。
低热量饿死肿瘤？高脂促进肿瘤转移？红肉致癌？诸如此类在微信微博中，大写加粗感叹号、震惊不转不是人的话题，都是肿瘤代谢领域所关注的。当然，本文并不回答这些具体问题。
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肿瘤的代谢有什么特点？
既然肿瘤有异于正常细胞的生物学特性，它一定不可以忠实地采用与它同系的正常细胞的代谢模式，而必须做出改变。我们称这种代谢的改变为“代谢重编程”（metabolic reprogramming）。
重编程之后的代谢模式，具有什么特点呢？以下这篇综述文献回答了这个问题：
这篇文献，总结了肿瘤代谢的六大特性：
1、Deregulated uptake of glucose and amino acids（葡萄糖与氨基酸摄取的失控）
2、Use of opportunistic modes of nutrient acquisition（营养获取途径的投机性）
3、Use of glycolysis/TCA cycle intermediates for biosynthesis and NADPH production（利用糖酵解/三羧酸循环的中间产物合成生物大分子与NADPH）
4、Increased demand for nitrogen（氮源需求增加）
5、Alterations in metabolite-driven gene regulation（代谢物驱动的基因表达失控）
6、Metabolic interactions with the microenvironment（代谢物与微环境相互作用）
有些肿瘤，可能同时存在这6种特性，而有的仅呈现其中的数种。
此外，有关其他分子（如维生素）和无机盐离子等的代谢，在肿瘤中是否也存在着特别的代谢模式的研究，目前也在进行之中。
03
代谢重编程对肿瘤有什么作用？
这个问题总共才几个字，但却是该领域的终极问题之一。这里拿生物狗比较熟悉的糖代谢为例，解释上述特点。
肿瘤代谢领域的开山之作，便是有关糖代谢的研究。早在1924年，Otto Warburg发现，肿瘤细胞有着和正常终末分化细胞不一样的糖代谢模式。除了葡萄糖的摄取速率更高之外，肿瘤细胞还更倾向于将葡萄糖代谢为乳酸，分泌出细胞外。
在经典的生化教科书中，我们学到，在氧气充足的情况下，葡萄糖在经过糖酵解（glycolysis）生成丙酮酸（pyruvate）之后，便会再经一步反应，生成乙酰辅酶A（acetyl-CoA），进入三羧酸循环（TCA cycle），最终经电子传递链，生成大量ATP，用于细胞供能。在电子传递链生成ATP的过程中，需要消耗氧气，因此我们可将这种代谢途径为有氧模式。
当处于低氧环境时，这一途径便会受到抑制。而经历了千万年甚至上亿年进化的细胞也很聪明，它能切换代谢模式，即无氧酵解，在生成少量ATP后，将丙酮酸代谢成乳酸（lactate）分泌出细胞外。当氧浓度恢复正常，代谢模式又会切换成正常的有氧模式。这种切换机制，既能保证在有氧时获得大量的能量，又能在低氧甚至无氧时，防止TCA cycle底物的堆积，并维持低水平的ATP合成。
然而，Otto Warburg当年却发现，即使在氧浓度正常的条件下，肿瘤细胞依然倾向于将葡萄糖酵解成乳酸，并将此命名为Warburg效应（Warburg effect）。事实上，不光是肿瘤细胞，所有快速增殖的细胞，都具有相似的代谢机制，用现代的说法是有氧糖酵解（aerobic glycolysis）。
我们不禁要问：为什么？1分子葡萄糖，明明可以充分地生成超过30分子的ATP，为什么肿瘤细胞和其他快速增殖细胞却倾向于走低效产能的有氧糖酵解途径呢？这不是浪费吗？
葡萄糖，由C、H、O三种元素构成。作为一种营养物质，它既是能源，也是构建生物大分子的碳源。如用于高效产能，势必彻底分解，最终代谢成简单的CO2和H2O结构。在异养生物中，由于固定无机CO2的功能极为有限，因此生物合成的主要碳源必然是有机碳。这也同时意味着，葡萄糖若要用于生物大分子合成，势必不可被彻底分解。
肿瘤细胞要从1增殖为2，整个基因组DNA就得复制一份。DNA不是凭空出现的，它的核糖骨架和碱基，绝大多数来自糖代谢途径上的中间分子。除了DNA要复制之外，构成细胞的蛋白质、脂类等生物大分子，同样也需要合成。
葡萄糖正是合成这些生物大分子的重要起始底物。见下图，糖代谢与氨基酸代谢、核酸代谢、脂代谢有着紧密的关系。
我们可以这么理解：把葡萄糖想象成木头，木头可以加工成木材建造房屋（生物大分子合成），也可以拿来当柴火燃烧产能（有氧代谢产生ATP）。假如把所有的木头，都扔到线粒体这个大火炉中燃烧，我们就没有任何材料可以建造房屋了。因此，包括肿瘤细胞在内的快速增殖细胞，一定要想办法控制烧柴火的速度，否则不可能具备增殖能力。（特点3：利用糖酵解/三羧酸循环的中间产物合成生物大分子与NADPH）
同时，我们还需理解，正常细胞摄取葡萄糖，是受到严格控制的。如果没有来自细胞外的信号（如胰岛素等生长因子），葡萄糖的摄取是维持在较低的基线水平的。然而，肿瘤细胞却打破了这层约束机制（这也是为什么，肿瘤细胞的生长因子受体及下游通路的基因通常发生扩增或突变），使得它们可以无时无刻地摄取葡萄糖，并用于上述的代谢途径。（特点1：葡萄糖与氨基酸摄取的失控）
除了作为碳源和能源，葡萄糖的代谢中间产物中，还会出现重要的参与信号传导和基因表达调控的小分子。比如上图特地标成红色的乙酰辅酶A，是蛋白质乙酰化的底物，从而直接参与了众多重要的调控功能。比如：P53蛋白的乙酰化，可增强其稳定性和活性；组蛋白乙酰化，则能促进基因表达。（特点5：代谢物驱动的基因表达失控）
紧接着值得一提的是，不要把乳酸当垃圾了。肿瘤微环境中的乳酸堆积，与促进肿瘤的血管生成、肿瘤细胞的侵袭，以及免疫抑制，都有一定的关系。（特点6：代谢物与微环境相互作用）
此外，“特点2营养获取途径的投机性”指的是肿瘤细胞可通过吞噬作用，进一步利用胞外的蛋白甚至细胞碎片，以获得氨基酸和脂质。“特点4氮源需求增加”指的是对氨基酸的需求增加，用以合成其他生物分子。
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如何研究肿瘤代谢？
肿瘤代谢，是肿瘤学和生物化学的交叉学科。因此，生化结合细胞、分子等学科的方法，都是该领域常见的研究手段。所谓的代谢，无非就是一系列生化反应；而生化反应的物质基础，便是酶（蛋白）和底物（代谢物）。因此，研究代谢物质，撑起了肿瘤代谢的半边天。
代谢物的测定，可用经典的化学、酶学和仪器分析等方法。近年来由于质谱技术的发展，代谢组学的逐渐成为研究主流。代谢组学是一种对混合的代谢物质同时进行定性与定量的研究方法，通过特征峰及标准品标准曲线，识别各种代谢物质，并测定其绝对或相对浓度。（如下图）
代谢组学分为两大类：静态与“动态”。
静态代谢组学研究的是代谢的平衡状态，它是一种比较样品之间各代谢物浓度或含量多寡的方法。而“动态”代谢组学，这里打双引号的原因，是因为它并不是字面上、简单地比较各代谢物浓度在时间尺度上的变化，而是细致地追踪某一种物质的代谢途径。因此，所谓的“动态”代谢组学，有一个更加贴切的说法，叫代谢通量（metabolic flux）。
这里仍以最简单的糖代谢为例，讲解代谢通量。
葡萄糖既可以走糖酵解通路并进入有氧或无氧途径，也可以走核酸合成道路，即戊糖磷酸途径。那我们应该如何研究葡萄糖在不同细胞、不同处理条件、或不同基因背景中的代谢命运呢？原理见下图：
葡萄糖，一共6个碳。假设我们把1和2位碳，用稳定核素C13来标记（C13橙色，C12蓝色），再掺入到活细胞或动物之中。假设葡萄糖走的是糖酵解途径，我们将测得果糖-6-磷酸含有2个C13（简称m2），随后代谢得到的丙酮酸，有一半是m2，有一半是m0。而假设走的是戊糖磷酸途径，我们可以测得m1核糖-5-磷酸，同时我们还可以测得m1核苷酸，而1位碳以m1 CO2的形式流失。然而，戊糖磷酸途径还有可能重新融入糖酵解途径，通过多步反应，依然能够生成果糖-6-磷酸，最后变成丙酮酸。然而这条途径只能获得m1代谢物。因此，我们只需要测量各代谢物m0、m1和m2型的量，即可得知葡萄糖的代谢通量了。
遗憾的是，基于质谱的代谢组学，目前还是有技术限制的。随着鉴定的代谢物种类的增加，定量精度也会跟着下降。如何拿捏定性和定量的平衡，也是值得研究人员深思。
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