恶性肿瘤细胞葡萄糖转运蛋白与脱氧葡萄糖摄取

恶性肿瘤细胞葡萄糖转运蛋白与脱氧葡萄糖摄取 恶性肿瘤细胞葡萄糖转运蛋白与脱氧葡萄 糖摄取 ? l90?中华核医学杂志2006年6月第26卷第3期ChinJNuclMed,Jun2006,Vol26,No.3 恶性肿瘤细胞葡萄糖转运蛋白与脱氧葡萄糖摄取 黄劲宋文忠何作祥 恶性肿瘤细胞生长活跃,异常增殖迅速,需要大量的葡 萄糖.基于这些生化基础,F.脱氧葡萄糖(FDG)PET显像 在肿瘤的诊断和分期等方面已得到广泛应用J.但F.FDG 在肿瘤细胞内聚集的机制尚不清楚,存在许多争论. 一 ,恶性肿瘤细胞葡萄糖代谢特点 恶性肿瘤细胞对能量的需求增加,使葡萄糖代谢加速. 在缺氧环境下,肿瘤细胞内乳酸脱氢酶增加,使丙酮酸转换 为乳酸.同时其生长活跃,需要大量的分子前体,如用于生 物合成的核苷和形成细胞膜的磷脂等.核糖-5-磷酸盐(R-5- P)是合成核苷酸辅酶及核酸的主要原料,其由葡萄糖_6一磷 酸盐(G-6.P)通过糖代谢的磷酸戊糖途径生成.恶性肿瘤细 胞内,磷酸戊糖途径的催化酶(6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6.磷 酸葡萄糖酸脱氢酶)的含量增加.由于乳酸脱氢酶和磷酸戊 糖途径催化酶增加,导致进入线粒体的丙酮酸数量减少,使 有氧条件下的三羧酸循环和ATP生成效率降低.ATP生成 效率降低和肿瘤细胞对能量的高要求,进一步促使恶性肿瘤 细胞的葡萄糖无氧酵解和对葡萄糖的摄取增加. 二,葡萄糖转运蛋白(Gluts)的分类 非脂溶性的葡萄糖必须通过转运蛋白的转运才能进入 恶性肿瘤细胞,参与进一步的代谢.因此Gluts被认为是恶 性肿瘤细胞葡萄糖代谢的第1个限速因子.经过近年研究, 糖类物质转运蛋白已扩展为两大类:钠葡萄糖协同转运蛋白 (SGLTs)和已熟知的Gluts.SGLTs已经证实有6种亚型 (SGLTI,6),其与钠离子协同转运,是一种耗能且逆浓度梯 度转运葡萄糖的方式.目前关于其在肿瘤细胞的报道较少. Ishikawa等发现SGLT2与肺癌转移灶的葡萄糖摄取有关. 过去认为Gluts有5种亚型,而现在发现共有l3种亚型 (Glutl,13),均为顺浓度差转运,与葡萄糖有不同的亲和性 及动力学特性.Glutl存在于红细胞胞膜,脑及几乎所 有细胞内L4.51,对胰岛素不敏感.Glut2主要存在于肝脏,胰 腺,小肠和肾脏,对葡萄糖的亲和性低,可转运果糖和葡萄糖 胺.Glut3主要存在于脑,对葡萄糖的亲和性最高J. Glut4主要存在于心脏,骨骼肌和脂肪细胞,对胰岛素敏感, 与葡萄糖的亲和性高.Glut5主要存在于小肠,睾丸和肾 脏,主要转运果糖.对新近发现的Glut6—13与葡萄糖的 亲和性及其动力学特性认知尚少. 正常生理条件下,Glutl,Glut3,Glut4与葡萄糖有较高的 亲和性,在对能量需求高的细胞中起重要作用.其中,Glutl 与肿瘤关系最为密切.已证实多种恶性肿瘤细胞的Glutl表 作者单位:610072成都,四川省人民医院核医学科(黄劲,宋文 忠);中国医学科学院,中国协和医科大学阜外心血管病医院核医学 科(何作祥) 通信作者:何作祥 ? 讲座? 达增高,包括肝脏,胰腺,乳腺,食管,脑,肾脏,肺,皮肤,结 肠,卵巢,子宫内膜和子宫颈的恶性肿瘤等15.161.Brown 等?通过免疫组织化学方法,对乳腺癌细胞内Glutl,5行 对比研究,发现只有Glutl的表达增高.Younes等发现在 肺癌,卵巢癌和胃癌中Glut3表达增高. 三,Gluts与FDG摄取 1.Glutl与FDG摄取的相关性.FDG是葡萄糖类似物, 通过Gluts转运进入细胞后,在己糖激酶(HK)作用下.磷酸 化生成FDG-6-磷酸盐(FDG-6-P).由于FDG-6一P不是磷酸 葡萄糖异构酶的合适底物,不能参与进一步代谢,且恶性肿 瘤细胞内葡萄糖_6-磷酸酶的含量较低,FDG-6一P滞留于肿瘤 细胞内,因此可通过F—FDGPET显像反映恶性肿瘤细胞对 葡萄糖的代谢.多项关于Glutl与FDG摄取相关性的研究 发现,Glutl与FDG摄取呈正相关.Higashi等采用免疫 组织化学染色Glutl含量和标准摄取值(SUV)反映肿瘤 对FDG摄取的方法,对34例非小细胞肺癌(7例细支气管肺 泡癌,23例非细支气管肺泡腺癌,3例鳞癌,1例腺鳞癌)进 行研究,发现Glutl的过度表达与FDG高摄取呈显着正相 关.Yen等对57例子宫颈鳞状上皮细胞癌的研究证实 Glutl表达与FDG摄取呈正相关.Kurokawa等对l7例临 床诊断卵巢癌病例(13例恶性病变,2例临界病变,2例良性 病变)进行研究,也证实Glutl表达与FDG摄取呈正相关. 但是关于Glutl与FDG摄取相关性研究也有不同报道, 尤其是对乳腺癌的研究.Avril等在46例乳腺癌患者中 发现仅30%Glutl表达增高,且与FDG摄取无相关性.Bos 等对55例乳腺癌患者研究,也仅发现32%Glutl表达增 高,但与FDG摄取呈正相关.两者结果不同,可能有两方面 的原因.?方法不同.定量Glutl时,Avril等采用细胞质着 色,而Bos等采用细胞膜着色的免疫组织化学染色.Glutl 存在于细胞膜上,因此后者的方法更为科学.判定FDG摄 取时,Avril等采用SUV,而Bos等采用靶/非靶器官(T/N)比 值.@)Bos对可能影响FDG摄取的因素进行了更全面的分 析,包括HK亚型(HKI一?)表达,巨噬细胞,细胞增殖率, 肿瘤细胞密度和微血管密度等.这也可能导致结论的差异. 2.FDG摄取的影响因素.恶性肿瘤细胞对FDG的摄取 存在很多影响因素.从葡萄糖代谢途径分析,FDG摄取不仅 由葡萄糖的转运决定,还与HK的含量和活性及葡萄糖_6.磷 酸酶对FDG-6一P的去磷酸化等密切相关.HK被称为糖酵解 的关键酶,对FDG在肿瘤细胞的聚集有重要作用.已知的 HK有4种亚型(HKI,?).HKI,?,?有较高的葡萄糖 亲和性且易受FDG-6.P反馈抑制.Mathupala等发现4种 亚型中HKII与肿瘤的关系最密切.Tohma等对72例食 管癌研究发现所有患者Glutl表达均增高,7l例HKII增高, 两者与FDG摄取均呈显着正相关.由于恶性肿瘤细胞内葡 中华核医学杂志2oo6年6月第26卷第3期ChinJNuclMed,Jun2oo6.V0I26,No.3 萄糖一6-磷酸酶含量较低,导致肿瘤内HK与葡萄糖一6-磷酸酶 含量比值增加,引起FDG-6一P在肿瘤内缓慢聚集J.通过 延迟显像得到的病灶放射性滞留指数(RI)对鉴别肿瘤良恶 性有重要意义.Higashi等发现胰腺癌早期显像时,SUV (1h)与Glutl表达呈正相关,与HKlI表达无相关性;延迟显 像时RI与HKII表达呈正相关,与Ghtl表达无相关性.Bos 等首次发现乳腺癌的HKI表达与FDG摄取呈正相关. 实际上,很多肿瘤中存在HKI表达增高.Hoofi等在对 原发和复发甲状腺癌患者的研究中,证实HKI表达与FDG 摄取呈正相关,并对疑甲状腺癌复发患者的临床分期有价 值,HKI表达低预示F-FDGPET显像阳性可能性低. 葡萄糖并不是肿瘤唯一的能量底物.如乳腺癌组织中 有正常乳腺组织内没有的果糖转运蛋白GlutS,提示果糖也 可能是一些癌细胞的重要能量来源,这些细胞FDG摄取就 可能不高.另外,一些实质性肿瘤的葡萄糖代谢并不旺盛, 如前列腺癌,肝癌,类癌,黏液瘤,肺细支气管肺泡癌等,F— FDGPET显像在该类肿瘤的应用也受到限制.而在不同组 织病理学类型和分化程度的肿瘤细胞内,Glutl表达和FDG 摄取均可能不同.Higashi等发现在肺腺癌中,细胞分化 程度越低,Glutl表达越高,FDG摄取也同时增高.Brown 等发现肺腺癌Glutl表达和FDG摄取低于肺鳞癌,细支 气管肺泡癌Glutl表达和FDG摄取均低于其他类型肺癌. 肿瘤细胞Gluts与HK活性水平均是葡萄糖代谢的限速 因子,对FDG摄取起重要作用,单一依据某种因素解释肿瘤 对FDG的摄取是不充分的.Bos等对乳腺癌的研究充分 考虑了各种影响因素,得到较为真实的结论,但仍然忽略了 新的Gluts对葡萄糖代谢的作用及目前还未确知的调节葡萄 糖代谢因子的作用. 四,Gluts的调节因子 1.乏氧.恶性实质性肿瘤的过度生长弓I起血液供应不 足,肿瘤乏氧不断加强.肿瘤内的氧分布随肿瘤中心血管的 减少逐级降低.乏氧诱导肿瘤的侵袭性,增加其代谢的潜 能,促进其发展并降低其对放,化疗的疗效.乏氧对肿瘤细 胞Gluts含量起促进作用.研究证实,在乳腺癌坏死中心周 围的乏氧区域Ghtl表达明显增高. Okino等通过培养的鼠肝癌细胞在乏氧条件下Ghtl mRNA的表达,对乏氧诱导的肿瘤细胞Ghtl增加的机制进 行研究,发现乏氧诱导因子(HIF—let)和芳基碳氢化合物转录 因子(ARNT)复合体与Ghtl的启动子结合.Zelzer等也 发现,在培养的人肝癌细胞HepG2内HIF—let与ARNT复合 体与Glutl和Glut3的启动子结合.这些研究证实了乏氧对 Gluts的正性调节作用.但是,F—FDGPET显像并不能完 全,特异性地反映肿瘤乏氧.一方面,肿瘤的葡萄糖代谢影 响因素相对于乏氧更为复杂.例如,细胞的分裂增殖和细胞 内外离子浓度都会引起糖代谢水平增加.另一方面,乏氧也 会显着降低营养物质的传送,从而导致葡萄糖摄取的降低. Bos等的研究也发现,乳腺癌的FDG摄取与HIF—let不存 在单变量的关系. 2.激素.卵巢分泌的激素,尤其是雌激素,是另一种 Gluts调节因子.雌激素是刺激乳腺生长,发育的重要激素. 乳腺细胞癌变后,癌细胞可以保留部分或全部的激素受体 ? l9l? (ER).对培养的癌细胞加入雌二醇(E:),发现E:能通过增 加糖酵解,促进三羧酸循环刺激糖代谢.采用ER拮抗剂他 莫西芬(tamoxifen)治疗的癌细胞糖消耗明显低于E:介入的 癌细胞.Macheda等采用ER阳性的人类乳腺癌细胞系 MCF-7,T-47D细胞和ER阴性的癌细胞系MDA-MB-231, MDA-MB-435细胞对Glutl2在乳腺癌的表达进行研究,发现 Glutl2存在于ER阳性的细胞,而ER阴性的细胞内未探测 到.结果提示Ghtl2在乳腺癌的表达可能受ER的调节. Medina等也发现,雌激素能增加子宫内膜癌Glutl的表达. 3.表皮生长因子(EGF).EGF是一种常见的生长因子. 其能促进表皮细胞,上皮细胞及间质的生长.其活性可通过 EGF受体(EGFR)表现.EGFR在许多肿瘤中过度表达,借助 信号传导使细胞生长失控和恶性化.EGFR高表达的肿瘤患 者,肿瘤恶性程度高,容易发生转移,复发率高,预后差. Mischoulon等在正常肝细胞内没有发现Glutl的表达,而在 加入EGF后的培养肝细胞内,较快且较多地出现了GlutlmR. NA的表达.Macheda等应用EGF对MCF-7细胞进行治 疗,发现Glutl2可能对乳腺癌细胞的葡萄糖摄取增加有贡献. 恶性肿瘤细胞对FDG的摄取反映了肿瘤细胞的代谢活 性及恶性程度,FDG摄取与Gluts的转运,HK磷酸化,葡萄 糖一6-磷酸酶的去磷酸化等因素均相关,Gluts也存在诸多调 节因子.关于FDG摄取的基本机制,目前尚无明确定论. 近年来,新的Gluts不断被发现,其对FDG摄取的调节机制 研究已取得一些新进展.这不仅可完善对恶性肿瘤生物学 行为的认识,同时也是开展新的分子影像和分子靶向治疗的 基础. 参考文献 lBomanjiJB,CostaDC,EUPJ.Clinicalroleofpositronemission tomographyinoncology.LancetOncol,2001,2:157—164. 2WoodIS,TrayhurnP.Glucosetransporters(GlutandSGLT):ex- pandedfamiliesofsugartransportproteins.BrJNutr,2003,89:3— 9. 3IshikawaN,OguriT,IsobeT,eta1.SGLTgeneexpressioninprims- rylungcancersandtheirmetastaticlesions.JpnJCancerRes,2001, 92:874-879. 4GouldGW.ThomasHM,JessTJ,eta1.Expressionofhumanshcese transportersinXenopusoocytes:kinedecharacterizationandsubstrate spocifieitiesoftheerythrocyte,liver,andbrainisoforms.Biochemis- try,l99I,30:5l39-5I45. 5MuecklerM,CarusoC,BaldwinSA.eta1.Sequenceandstructureof ahumanglucosetransporter.Science,1985,229:941-945. 6JamesDE,StrubeM,MuecklerM.Molecularcloningandcharacter- izationofaninsulin-regulatableglucosetransporter.Nature,1989, 338:83-87. 7KayanoT,BurantCF,FukumotoH,eta1.HumanfacilitativeglUCOSe transporters.Isolation,functionalcharacterization,andgenelocaliza- tionofcDNAsencodinganisoform(Glut5)expressedinsmallintes- tine,kidney,mu~le,andadiposetissueandanunusualglUCOSetrans- porterpseudogene—likesequence(Glut6).JBiolChem.1990,265: l3276一l3282. 8LisinskiI,SchurmannA,JoostHG,eta1.TargetingofGlut6(for- merlyGlut9)andGht8inratadiposecells.BiochemJ,2001,358: 517-522. ? l92?中华核医学杂志2OO6年6月第26卷第3期 ChinJNuclMed.Jun2006.Vol26,No.3 9JoostHG.ThorensB.1'IIeextendedGlut—familyofsugar/polyoltms- portfacilitators:nomenclature,sequencecharacteristics,andPoten- tialfunctionofitsnovelmembers(review).MolMembrBiol,20ol, l8:247_256. 10PhayJE,HussainHB,MoleyJF.Strategyforidentificationofnovel 0uce~etransporterfamilyme~rsbyusinginternet—basedgenomic databases.Surgery,2000,128:946-951. 1lDawsonPA,MychaleckyjJC,FosseySC,eta1.SequerIceandfunc— tionalanalysisofGlutl0:auc08etransporterinthetype2diabetes— linkedregionofchromo6ome20q12—13.1.MolGenetMetab,2001, 74:186一l99. 12DcegeH.BocianskiA,ScheepersA,eta1.Characterizationofhu一 'Il1a|Iglucosetransporter(Glut)ll(encodedbySLC2A11),anovel sugar-transportfacilitatorspecificallyexpressedinheartandskeletal muscle.BioehemJ,20ol,359:443449. 13RogersS,MachedaML,DochertySE,eta1.Identificationofanovel glucosetransporter-likeprotein—Glutl2.AmJPhysiol,2002,282: E733一E738. 14UldryM,IbbersonM,HodsbergerJD,eta1.IdentificationofamaIn— malianH一myo—inositolsymporterexpressedpredominantlyinthe brain.EmboJ,20ol,20:4467-4477. 15YounesM,LeehagoLV,SomcanoJR,eta1.Wideexpressionofthe humanerythrocyteglucosetransporterGlutlinhumancancers.Cancer Res,l996,56:ll64一l167. 16MachedaML,RogersS,BestJD.Molecularandcellularregulationof glucosetransporter(Glut)proteinsincancer.JCellPhysiol,2005, 202:654-662. 17BrownRS,WahlRL.OverexpressionofGlutl humanbreastcancer.Animinusohistochemical 72:2979-2985. 18YounesM,LechagoLV,SomoanoJR,eta1. glucosetransporterin study.Cancer,1993, detectionofGlut3inhumantumorsandnormaltissues.Anticancer Res,1997.17:2747-2750. 19HigashiK,UedaY,SakuraiA,eta1.CorrelationofGlutlgluce~ transporterexpressionwithF—FDGuptakeinnon—smallcelllung cancer.EurJNuclMed.2O0o.27:l778一l785. 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(收稿日期:2005一l06) 关于参考文献 读者?作者?编者? 请按GB7714-87{文后参考文献着录规则》,采用顺序编码制着录,依照文献在文中 出现的先后顺序用阿拉伯数字加方括 号标出.将参考文献按引用先后顺序(用阿拉伯数字标出)全部排列于文末.参考文 献中的作者,I一3名全部列出,3名以上 只列前3名,后加",等."或其他与之相应的文字,如",eta1.".着录作者姓名时将姓放 在前,名缩写放在姓后面.外文期刊 名称用缩写,以IndexMedicus中的格式为准;中文期刊用全名.每条参考文献均须 着录起止页.作者必须将参考文献与其原 文核对无误. 本刊编辑部