二甲雙胍抗腫瘤機(jī)制研究進(jìn)展

崔琳琳，王洋，關(guān)樺楠，袁甜，申光煥

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)藥學(xué)院，黑龍江省預(yù)防與治療老年病藥物研究重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150076）（2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150076）

二甲雙胍（C4H11N5），見圖1，是從豆科植物中提取的天然化合物，于1957年首次被報道為治療糖尿病藥物，至今已有60多年的歷史[1]。目前，在臨床上二甲雙胍已被作為治療2型糖尿病的一線藥物。二甲雙胍是一種親水型化合物，在生理條件下以正電荷形式存在，需要有陽離子膜運(yùn)轉(zhuǎn)體來攝取細(xì)胞[2]。主要運(yùn)載體溶質(zhì)載體（SLC）家族，其中包括SLC22A1、SLC22A3、SLC22A4。近年來普遍認(rèn)為二甲雙胍降糖作用的主要靶點是線粒體[3]，二甲雙胍主要通過各種組織細(xì)胞內(nèi)特異性抑制線粒體呼吸鏈酶復(fù)合體 I，從而抑制肝臟的糖異生，促進(jìn)脂肪酸氧化，改善胰島素敏感性，降低血糖水平，從分子水平發(fā)揮作用[4]。

圖1 二甲雙胍結(jié)構(gòu)式Fig.1 The structure of metformin

二甲雙胍除治療2型糖尿病之外，其抗腫瘤作用也被廣泛研究。關(guān)于二甲雙胍有抗腫瘤作用，最先源于研究糖尿病和糖尿病治療與癌癥的關(guān)系的人口調(diào)查中，研究人員發(fā)現(xiàn)盡管患有糖尿病的癌癥患者死亡率較高，但與其他藥物治療相比，使用二甲雙胍更能降低其對癌癥的負(fù)擔(dān)[5]。同時也有研究通過對比二甲雙胍與磺脲類或胰島素治療組發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍治療組的2型糖尿病患者腫瘤相關(guān)發(fā)病率及病死率均顯著低于其余兩組。其中Bowker[6]等調(diào)查發(fā)現(xiàn)服用二甲雙胍降糖患者的腫瘤相關(guān)死亡率明顯低于使用磺脲類降糖藥物或胰島素的患者。Evans，Libby[7,8]等也發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者服用二甲雙胍治療可降低其腫瘤發(fā)生風(fēng)險。近期Cancer Cell刊登了一篇文章，研究人員發(fā)現(xiàn)在禁食狀態(tài)下使用二甲雙胍可以顯著抑制腫瘤生長，并發(fā)現(xiàn)治療腫瘤的新靶點，PP2A的抑制靶點[9]。近年來人們對二甲雙胍類作用機(jī)制的研究屢有新的發(fā)現(xiàn)，本篇綜述將根據(jù)前人報道進(jìn)行歸納總結(jié)，更系統(tǒng)的對二甲雙胍抗腫瘤作用產(chǎn)生的機(jī)制進(jìn)行綜述，為其日后應(yīng)用于抗腫瘤治療方面奠定良好的理論基礎(chǔ)。

1 AMPK依賴的機(jī)制

AMPK即AMP依賴的蛋白激酶，由一個催化亞基（α）和兩個調(diào)節(jié)亞基（β和γ）組成，是參與細(xì)胞代謝的能量傳感器，也是脂糖代謝，細(xì)胞生長，自噬和凋亡等關(guān)鍵細(xì)胞過程的主要調(diào)節(jié)因子之一。AMPK廣泛的代謝途徑主要包括ATP的消耗途徑、ATP的生成途徑，以及參與細(xì)胞調(diào)控和線粒體生物生成過程[10]。關(guān)于AMPK的代謝途徑還有許多問題需要我們解決。但目前據(jù)我們所知道，激活該途徑主要有兩種方式包括直接激活和間接激活。

1.1 激活A(yù)MPK依賴的直接途徑

AMPK蛋白均以一種異源三聚體復(fù)合物的形式存在，其中α-亞基N-末端包含一個保守的Ser/Thr激酶區(qū)，包含一個保守的蘇氨酸（Thr-172）位點，該位點的磷酸化是其激酶活性所必需的。AMPK主要被細(xì)胞內(nèi)AMP水平的增加所激活，通過AMP與γ調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，使AMP/ATP比例增大，從而導(dǎo)致構(gòu)像改變，抑制α亞基上的Thr-172去磷酸化。肝激酶B1（LKB1，又稱SKT11）是AMPK是的上游作用因子，LKB1能夠直接激活A(yù)MPK并促進(jìn)α亞單位的172位蘇氨酸磷酸化，而后者正是Peutz-Jeghers癌癥易感綜合征中腫瘤抑制基因突變的蛋白產(chǎn)物[11]，也間接證明了二甲雙胍的抗癌作用。同時有研究發(fā)現(xiàn)此方式也是二甲雙胍激活A(yù)MPK所必需的，研究顯示哺乳動物細(xì)胞中缺乏LKB1基因時，二甲雙胍不能激活A(yù)MPK，但ATM可以通過磷酸化使LKB1其活化，而活化的LKB1又可直接磷酸化AMPKα亞單位的172位蘇氨酸而激活A(yù)MPK[12]。

1.2 激活A(yù)MPK依賴的間接途徑

二甲雙胍也可以通過磷酸化間接激活 AMPK，Ben等[13]在前列腺癌和卵巢癌細(xì)胞體外實驗表明，LKB1-AMPK軸是二甲雙胍誘導(dǎo)的組蛋白和非組蛋白乙?；^程，通過AMPK磷酸化介導(dǎo)抑制乙?；o酶A羧化酶（ACC）。磷酸化是使ACC失活促進(jìn)脂肪酸氧化機(jī)制之一。二甲雙胍通過磷酸化間接激活A(yù)MPK，使ACC失活，抑制脂生成酶的表達(dá)。同時，有研究表明磷酸化可以抑制固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白 1（SREBP1）的表達(dá)，對細(xì)胞膜表面調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡信號分子（fas）和核糖蛋白（S14）等酯酶也有下調(diào)的作用[14]。另外也有研究發(fā)現(xiàn)乙酰輔酶A羧化酶（ACC）為AMPK的下游信號因子，二甲雙胍也可以通過激活A(yù)MPK來磷酸化ACC，引起細(xì)胞的細(xì)胞周期G1期阻滯，抑制細(xì)胞增殖[15]。

圖2 AMPK依賴的機(jī)制Fig.2 Mechanism of AMPK dependence

mTOR（雷帕霉素靶蛋白）是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，mTOR含有兩種復(fù)合體，分別為mTORC1和mTORC2。相比較而言，mTORC1發(fā)揮著更為重要的作用，mTORC2構(gòu)成的信號通路較為簡單。mTOR信號在絕大多數(shù)腫瘤中被激活，而且活化的mTOR蛋白與腫瘤的惡性進(jìn)程、不利預(yù)后以及化療和靶向治療耐藥密切相關(guān)[16]。關(guān)于mTOR的信號通路，其主要包括PI3K/AKT/mTOR和LKB1/AMPK/mTOR兩條關(guān)鍵通路，其中PI3K/AKT/mTOR信號通路，包含3個關(guān)鍵蛋白分子，即PI3K、AKT、mTOR，然而此信號通路在人類腫瘤細(xì)胞中往往是失控的，促使腫瘤細(xì)胞的快速生長和增殖。另一條通路即LKB1/AMPK/mTOR信號通路，LKB1能夠通過磷酸化的方式激活A(yù)MPK，活化的 AMPK可以激活腫瘤抑制基因結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物2（TSC2），進(jìn)而實現(xiàn)對mTOR的負(fù)性調(diào)控。二甲雙胍可以激活A(yù)MPK，促使mTOR下游的分子磷酸化失活：翻譯起始因子 4E結(jié)合蛋白（4E-binding proteins，4E-BPs）和核糖體S6激酶（ribosomal protein S6 kinases，S6Ks），抑制腫瘤細(xì)胞蛋白的合成[17]。同時也抑制了PI3K-PKB/AKT信號通路，從而抑制腫瘤細(xì)胞的生長和增殖[18]。二甲雙胍對mTOR及其下游的靶點的抑制并非必須AMPK的參與。如Zhang等[19]發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過下mTOR/S6K1介導(dǎo)的c-FLIP，從而增強(qiáng)膀胱癌細(xì)胞對TRAIL誘導(dǎo)凋亡的敏感性，在此過程中mTOR和S6K1的表達(dá)降低，然而用AMPK抑制劑處理后并未影響二甲雙胍對mTOR和S6K1。

2 AMPK非依賴的機(jī)制

2.1 抑制胰島素受體/胰島素樣生長因子-1受體信號通路

胰島素受體通常在正常脂肪、肌肉和腎組織中有較高表達(dá)[20]。然而近年在乳腺癌細(xì)胞[21]、前列腺癌細(xì)胞[22]中也發(fā)現(xiàn)了胰島素受體的過表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)胰島素通過與胰島素受體結(jié)合后產(chǎn)生的抗凋亡和促有絲分裂效應(yīng)，促進(jìn)腫瘤生長，其主要通過生長因子受體結(jié)合蛋白 2傳遞信號到 Ras/Raf/ERK 形成IR/GRB2/Ras/Raf/ERK通路，促進(jìn)有絲分裂和生長刺激的作用，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞有絲分裂的作用增強(qiáng)[23]。

圖3 抑制胰島素受體/胰島素樣生長因子-1受體信號通路Fig.3 Inhibition of insulin receptor/ insulin-like growth factor-1 receptor signaling pathway

作為一種在質(zhì)膜中的受體，酪氨酸激酶胰島素樣生長因子-1受體（IGF-IR），它可以介導(dǎo)IGF-1參與促進(jìn)蛋白質(zhì)激素增殖和細(xì)胞凋亡等。目前，IGF-IR受體受到廣泛關(guān)注，有研究證明IGF-IR介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可以促有絲分裂活性，防止細(xì)胞凋亡，使正常細(xì)胞向惡性細(xì)胞轉(zhuǎn)化。同時也發(fā)現(xiàn)IGF-IR表達(dá)持續(xù)增高是乳腺癌、胰腺癌、結(jié)腸癌、肺癌發(fā)生的危險因子[24]。IGF-1可與IGF-1R結(jié)合后，激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3Ks），緊接著 PI3K激活 AKT，形成IGF-1/PI3K/AKT通路，促進(jìn)細(xì)胞生長。二甲雙胍主要通過對葡萄糖代謝內(nèi)環(huán)境的平衡作用逆轉(zhuǎn)2型糖尿病和非糖尿病患者的高胰島素血癥,然而二甲雙胍抗增殖作用的發(fā)揮可能正是通過此機(jī)制。有研究顯示，二甲雙胍具有粘合和下調(diào)胰島素受體、下調(diào)胰島素和IGF-1受體的量，從而作用于腫瘤細(xì)胞發(fā)揮抗腫瘤作用[25]。二甲雙胍也能夠通過降低胰島素和胰島素結(jié)合蛋白間接抑制IGF-1，從而有效的干擾IGF信號通路作用的發(fā)揮，尤其是在腫瘤細(xì)胞中，二甲雙胍能夠有效的通過調(diào)控該通路抑制腫瘤細(xì)胞的生長[26]。Memmott等[27]研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可通過該通路間接降低雷帕霉素靶蛋白導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞生長受到抑制，這主要與其下調(diào)IGF-1受體/胰島素受體/Akt通路有關(guān)。

2.2 Micro RNAs

Micro RNAs（miRNAs）作為內(nèi)源性基因編碼的非編碼RNA分子，其長度約為22個核苷酸。近年來，二甲雙胍通過調(diào)節(jié)Micro RNAs（miRNAs）而抑制腫瘤的生長得到了廣泛的關(guān)注。有研究發(fā)現(xiàn)，對不同類型癌癥的miRNAs，二甲雙胍對其有不同的影響。例如，在乳腺癌癥中，二甲雙胍可以通過誘導(dǎo)miRNA-193家族成員上調(diào)，從而殺死三陰性乳腺癌細(xì)胞[28]。同時也有研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍在腎細(xì)胞癌中可以通過miRNA-193的介導(dǎo)PTEN表達(dá)抑制細(xì)胞生長[29]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以通過多個細(xì)胞通路，盡而激活A(yù)MPK[30]，我們可以猜測AMPK也可能作用于小鼠miRNAs的上游。同時miRNAs作為T細(xì)胞分化和功能的調(diào)控因子，在腫瘤生長增殖中具有關(guān)鍵作用。有研究表明二甲雙胍具有增強(qiáng) CD8+T細(xì)胞的抗腫瘤能力[31]。

2.3 免疫作用

在免疫作用中二甲雙胍主要可以通過對先天免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)兩方面產(chǎn)生影響。

2.3.1 先天免疫系統(tǒng)

先天免疫系統(tǒng)是我們防御系統(tǒng)產(chǎn)生信號的第一道免疫防線，這些信號主要由數(shù)量有限生殖細(xì)胞編碼的模式識別受體PRRSl來識別。二甲雙胍在各種細(xì)胞群中主要通過影響中性粒細(xì)胞，巨噬細(xì)胞和髓源性抑制細(xì)胞來抑制腫瘤增殖。有研究表明二甲雙胍可以誘導(dǎo)細(xì)胞M2向M1分化，并抑制巨噬細(xì)胞M2極化[32]，這也證實了細(xì)胞可能從免疫抑制型向免疫刺激型轉(zhuǎn)變的猜想。同時有實驗報告還顯示，促腫瘤細(xì)胞的炎癥因子水平也明顯降低[33]。

2.3.2 適應(yīng)性免疫系統(tǒng)

適應(yīng)性免疫系作為抵御病原體的第二道防線，其主要是對個體抗原進(jìn)行特異性識別。二甲雙胍在第二道防線中主要影響的是T細(xì)胞，抗原可以通過識別導(dǎo)致T細(xì)胞分化為效應(yīng)T細(xì)胞，其中包括T輔助細(xì)胞和細(xì)胞毒性T細(xì)胞[34]。此外抗原也可以激活記憶T細(xì)胞，在再次遇到特定抗原時會加強(qiáng)次級免疫反應(yīng)。另外T細(xì)胞還能激活發(fā)揮免疫抑制功能的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞。

2.4 抗血管生成

血管生成介導(dǎo)心血管的生成是腫瘤形成的標(biāo)志，血管生成抑制劑在腫瘤治療中已成為一種干預(yù)手段。因此抗腫瘤藥物（AADs）也得到廣泛的發(fā)展，也成為一種主要的抗癌藥物。AADs主要的抗癌機(jī)制有兩種說法，一種通過抑制腫瘤血管生成阻斷血液供應(yīng)從而殺死癌細(xì)胞。另一種說法則是使“血管正常化”，AADs不僅可以抑制腫瘤生長和轉(zhuǎn)移，還可以提高腫瘤血管的成熟度和功能，提高化療的增敏性，改善腫瘤缺氧[35]。同時，有眾多研究表明二甲雙胍具有抗腫瘤血管生成的作用。從眾多文獻(xiàn)中我們發(fā)現(xiàn)二甲雙胍對兩種機(jī)制似乎都有作用。在臨床評估中，有研究者發(fā)現(xiàn)，在切除肝癌的糖尿病患者后，大部分患者血管內(nèi)皮生長因子在腫瘤中的表達(dá)明顯減弱，同時p-mTOR，CCND，核糖蛋白S6激酶（B1RPS6KB1）也有所下調(diào)[36]。除此之外有研究發(fā)現(xiàn)二甲酸雙胍可以抑制轉(zhuǎn)移性乳腺癌的進(jìn)展，并通過血管機(jī)制誘導(dǎo)化療增敏性。并發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以減低腫瘤 PDGF-B，抑制過度血管生成，提高血管成熟度和功能[37]。

2.5 抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）作用

上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）是一個高度保守的發(fā)育過程，上皮細(xì)胞在特定的生理和病理情況下可以向間質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)分化。上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化是促進(jìn)腫瘤細(xì)胞進(jìn)展中關(guān)鍵的過程，其可以調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的侵襲、META轉(zhuǎn)移和治療耐藥性。TGFβ信號通路是促進(jìn)腫瘤發(fā)展的重要途徑，具有調(diào)控細(xì)胞生長、分化、凋亡、血管生產(chǎn)和轉(zhuǎn)移等多種功能，而且其在抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）中扮演重要角色。其中TGFβ信號通路可以抑制細(xì)胞凋亡，同時誘導(dǎo)兩個EMT誘導(dǎo)基因Snail家族的主要成員，Snail1和Snail2的表達(dá)[38]。而二甲雙胍可以抑制TGFβ1誘導(dǎo)Snail家族磷酸化，同時還抑制纖維連接蛋白，結(jié)締組織生長因子和白細(xì)胞介素 6的表達(dá)。并且也有研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以通過靶向信號傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)移因子3以及轉(zhuǎn)移因子β1/Smad信號通路抑制EMT，影響分子轉(zhuǎn)錄，抑制腫瘤細(xì)胞增殖[39]。

2.6 P53/Redd1通路

有研究表明二甲雙胍在正常情況下比P53受損狀態(tài)更能抑制癌細(xì)胞增殖。并且發(fā)現(xiàn)P53的狀態(tài)可以影響二甲雙胍的效率[40]。DNA損傷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄子 4（Redd1）是P53的直接靶點，P53/Redd1可以不用通過AMPK機(jī)制，并且使mTORC1下調(diào)。正常情況下，P53的存在可以使二甲雙胍上調(diào)Redd1m誘導(dǎo)TORC1的抑制機(jī)制和細(xì)胞周期阻滯，其表達(dá)主要與抑制mTOR有關(guān)。

2.7 誘導(dǎo)細(xì)胞自噬和凋亡

二甲雙胍自噬在腫瘤生流生長過程中扮演重要角色，二甲雙胍可以通過自噬調(diào)節(jié)炎癥因子，改善細(xì)胞代謝狀態(tài)，抑制腫瘤生長。有研究發(fā)現(xiàn)黑色素瘤在使用二甲雙胍后，在電鏡，熒光免疫，LC3蛋白比例觀察中均出現(xiàn)自噬現(xiàn)象。但是二甲雙胍的自噬作用，本身也會促使腫瘤細(xì)胞生長[41]。我們猜想這主要與細(xì)胞生存的微環(huán)境有關(guān)。同時二甲雙胍可以上調(diào)細(xì)胞周期素依賴性抑制劑（P21），使細(xì)胞阻滯在G1期和G2/M期，促使細(xì)胞凋亡。有研究表明二甲雙胍可以通過c-FLIP蛋白的降解和caspase-8的激活誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，caspase-8可以激活導(dǎo)致死亡誘導(dǎo)的信號復(fù)合物Diss，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[42]。同時也有研究表明在肺癌和膀胱癌中，二甲雙胍能抑制c-FLIP蛋白的表達(dá)[43]。

2.8 氧化性

大部分人認(rèn)為二甲雙胍抗腫瘤和化療增敏作用是通過AMPK和抑制ATK-mTOR通路來實現(xiàn)。然而我們認(rèn)為這些還不能證明腫瘤化療增敏作用，在不同細(xì)胞中，二甲雙胍還可以引起氧化應(yīng)激性，增加 ROS生成。一般來說，細(xì)胞氧化劑和氧化還原穩(wěn)態(tài)受抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié)，而Nrf2是調(diào)節(jié)抗氧化和代謝基因的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可以降低Nrf2mRNA的表達(dá)[44]，因此我們可以猜測Nrf2mRNA的下調(diào)可以引起氧化生成增加，導(dǎo)致線粒體功能紊亂。并且也有研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍在乳腺癌線粒體損傷時可以增加ROS形成[45]。

2.9 協(xié)同化療藥物治療

化療方案中加入二甲雙胍主要用于提高藥物的敏感性。一些體內(nèi)體外實驗已經(jīng)探索了二甲雙胍與各種抗癌藥物的組合，優(yōu)化和調(diào)整出更完善的方案。例如，在人為胃癌和食道癌細(xì)胞系和異種小鼠模型中，二甲雙胍聯(lián)合 2DG抑制能量通路，促使細(xì)胞死亡，ATP下調(diào)，使 AMPK激活時間延長。同時，二甲雙胍與2DG聯(lián)用，在抑制細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞脫離上比單一給藥效果更強(qiáng)。在直腸癌中，奧沙力聯(lián)合二甲雙胍可以協(xié)同細(xì)胞毒性，限制存活調(diào)節(jié)因子高遷移率盒（HMGB1）的表達(dá)[46]。并且也有研究表明在胃癌中二甲雙胍可以抑制HIF1α，通過HIF1α/PKM2信號通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，但其具體機(jī)制還有待研究[47]。同時也有研究表明在乳腺癌中，與二甲雙胍聯(lián)用可以增強(qiáng)其耐藥應(yīng)，例如二甲雙胍與他莫昔芬聯(lián)用可以克服抵抗，增強(qiáng)敏感性。二甲雙胍聯(lián)合多柔吡星，可以增強(qiáng)化療敏感性，使腫瘤體積減少，延長生命時間[48]。此外，二甲雙胍與紫杉醇聯(lián)合應(yīng)用還可以增強(qiáng)抗癌率，并且與其濃度成正比。綜上我們可知由于二甲雙胍良好的耐受性，將二甲雙胍作為治療佐劑與多種治療方式結(jié)合，可以促進(jìn)腫瘤治療效果。但由于腫瘤細(xì)胞的代謝可塑性，靶向特定的代謝通路并不能有效地抑制腫瘤，不過近期有研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合間歇性禁食和二甲雙胍能夠同時抑制腫瘤細(xì)胞的糖酵解和氧化磷酸化[49]。在這樣的前提下不僅二甲雙胍可以單獨使用會產(chǎn)生治療效果，而且其他治療方法聯(lián)合使用也具有潛在臨床應(yīng)用前景。

圖4 二甲雙胍抗腫瘤機(jī)制總圖Fig.4 Overview of anti-tumor mechanism of metformin

3 結(jié)語

雖然隨著腫瘤研究的不斷深入，二甲雙胍除作為一線的降糖藥物外，其抗腫瘤作用機(jī)制也得到了大量研究報道，但其也存在很多尚不明確的地方，臨床上也未實際應(yīng)用。不過二甲雙胍作為一種新型的抗腫瘤藥物，隨著研究人員的不斷深入探究，有很大的可能性可以應(yīng)用于臨床，為腫瘤的預(yù)防和治療提供了新的方法。因此深入研究二甲雙胍的抗腫瘤機(jī)制，揭示其作用特點，將為二甲雙胍抗腫瘤的臨床應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。