Divergent targets of glycolysis and oxidative phosphorylation result in additive effects of metformin and starvation in colon and breast cancer

糖酵解和氧化磷酸化的不同靶點(diǎn)導(dǎo)致二甲雙胍和饑餓在結(jié)腸癌和乳腺癌中的疊加效應(yīng)

來(lái)源：Scientific Reports, volume 6, Article number: 19569, published 22 January 2016

《科學(xué)報(bào)告》，第6卷，文章編號(hào)19569，2016年1月22日發(fā)布

 

摘要

論文摘要指出，結(jié)合二甲雙胍（MTF）和短期饑餓（STS）能顯著損害結(jié)腸癌（CT26）和乳腺癌（4T1）的代謝和生長(zhǎng)。饑餓引起的糖酵解通量損害被二甲雙胍通過(guò)干擾己糖激酶II活性所增強(qiáng)。聯(lián)合治療附加性損害氧化磷酸化：二甲雙胍?guī)缀鯊U除復(fù)合物I功能；饑餓導(dǎo)致OXPHOS解偶聯(lián)，并放大呼吸復(fù)合物II和IV的活性，從而結(jié)合大量ATP耗竭與活性氧顯著增加。更重要的是，聯(lián)合治療在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭猩羁虛p害癌癥葡萄糖代謝，幾乎廢除病變生長(zhǎng)。結(jié)果強(qiáng)烈表明能量代謝是減少癌癥進(jìn)展的有希望靶點(diǎn)。

 

研究目的

研究目的是驗(yàn)證結(jié)合二甲雙胍和短期饑餓在減少癌癥生長(zhǎng)方面的潛力，針對(duì)結(jié)腸癌和乳腺癌模型。目標(biāo)是確定這種組合如何通過(guò)靶向能量代謝的不同途徑（糖酵解和氧化磷酸化）來(lái)附加性損害癌癥能量資產(chǎn)，從而抑制腫瘤進(jìn)展。研究旨在闡明二甲雙胍和饑餓在體內(nèi)和體外對(duì)癌癥代謝、生長(zhǎng)和存活的影響機(jī)制。

 

研究思路

研究思路包括體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)。在體內(nèi)，使用小鼠模型（CT26結(jié)腸癌和4T1乳腺癌），通過(guò)成像研究（如微PET掃描）評(píng)估腫瘤生長(zhǎng)和葡萄糖代謝變化。動(dòng)物分為對(duì)照組、STS組、MTF組和聯(lián)合治療組，監(jiān)測(cè)腫瘤體積、葡萄糖消耗率等。在體外，使用細(xì)胞培養(yǎng)（CT26、4T1細(xì)胞和人類(lèi)成纖維細(xì)胞作為對(duì)照），通過(guò)測(cè)量FDG攝取、酶活性、ATP濃度、氧消耗率（OCR）、活性氧（ROS）等，評(píng)估二甲雙胍和饑餓對(duì)糖酵解和氧化磷酸化的影響。方法包括蛋白質(zhì)組學(xué)、Western blot、酶活性測(cè)定、免疫熒光等，以闡明機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 腫瘤體積生長(zhǎng)數(shù)據(jù)：來(lái)自圖1A和1B。研究意義是顯示聯(lián)合治療能顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)，在兩種癌癥模型中幾乎廢除病變進(jìn)展，表明靶向能量代謝的有效性。

 

2 葡萄糖代謝率（MRGlu）和總葡萄糖消耗數(shù)據(jù)：來(lái)自圖1C、1D、1E和1F。研究意義是證明治療減少癌癥葡萄糖攝取，聯(lián)合效應(yīng)附加性，表明代謝重編程被有效干擾。

3 FDG攝取和酶活性數(shù)據(jù)（如HK、LDH、PFK、PK）：來(lái)自圖3A、3B、3E、3F、3G、3H。研究意義是揭示二甲雙胍和饑餓通過(guò)不同靶點(diǎn)損害糖酵解，二甲雙胍抑制HK II活性，饑餓影響PFK和PK，導(dǎo)致葡萄糖代謝下降。

 

4 能量代謝數(shù)據(jù)（ATP、AMP、ATP/AMP比率）：來(lái)自圖5A、5B、5C。研究意義是顯示聯(lián)合治療導(dǎo)致嚴(yán)重ATP耗竭，表明能量危機(jī)是抑制癌癥生長(zhǎng)的關(guān)鍵。

 

5 氧化磷酸化相關(guān)數(shù)據(jù)（復(fù)合物I和IV活性、OCR、ROS）：來(lái)自圖6A、6B、6C、6D、6E、6F、6G、6H。研究意義是證明二甲雙胍抑制復(fù)合物I，饑餓解偶聯(lián)OXPHOS并增加ROS，聯(lián)合導(dǎo)致呼吸鏈功能?chē)?yán)重受損。

 

6 細(xì)胞活力和增殖數(shù)據(jù)：來(lái)自圖7A、7B、7C、7D。研究意義是表明聯(lián)合治療引起細(xì)胞死亡和增殖減少，驗(yàn)證其抗癌潛力。

 

7 信號(hào)通路數(shù)據(jù)（PI3K、pAKT、PTEN表達(dá)）：來(lái)自圖7E、7F、7G。研究意義是顯示治療下調(diào)促生長(zhǎng)通路，如PI3K-AKT，進(jìn)一步解釋生長(zhǎng)抑制機(jī)制。

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論：結(jié)合二甲雙胍和短期饑餓通過(guò)靶向糖酵解和氧化磷酸化的不同途徑，附加性損害癌癥能量代謝，導(dǎo)致嚴(yán)重ATP耗竭、氧化損傷和生長(zhǎng)抑制。聯(lián)合治療在體內(nèi)幾乎廢除腫瘤生長(zhǎng)，在體外引起細(xì)胞死亡和增殖減少，表明能量代謝是抗癌治療的有希望策略。這種效應(yīng)在癌癥細(xì)胞中特異，正常細(xì)胞反應(yīng)不同，支持其選擇性。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量氧消耗率（OCR）的數(shù)據(jù)（如Fig. 6C, 6D）具有關(guān)鍵研究意義。Unisense電極是一種高靈敏度的安培法氧傳感器，用于直接量化組織氧分壓（PO2）和氧化代謝變化。在研究中，它被用于測(cè)量細(xì)胞培養(yǎng)中的OCR，以評(píng)估二甲雙胍和饑餓對(duì)線(xiàn)粒體呼吸鏈功能的影響。數(shù)據(jù)顯示，二甲雙胍?guī)缀鯊U除通過(guò)復(fù)合物I-III-IV途徑的OCR，而饑餓增加OCR但導(dǎo)致OXPHOS解偶聯(lián)。這些測(cè)量直接證明了治療對(duì)氧化磷酸化的干擾：二甲雙胍通過(guò)抑制復(fù)合物I減少氧消耗，饑餓則增加氧消耗但降低ATP合成效率，導(dǎo)致ROS增加。Unisense電極的高精度和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力使得能夠區(qū)分不同呼吸途徑的貢獻(xiàn)，從而闡明聯(lián)合治療如何附加性損害能量代謝。這不僅驗(yàn)證了代謝靶點(diǎn)的有效性，還為開(kāi)發(fā)基于能量代謝的抗癌策略提供了可靠的工具支持。