由于代谢重编程将肿瘤与产生肿瘤的组织加以区分，从而增加了靶向肿瘤代谢用于癌症治疗的潜能。葡萄糖摄取和代谢加速是大多数癌症的显著表型，但由于许多非恶性细胞也需要葡萄糖代谢，使得直接针对葡萄糖代谢的靶向治疗（如葡萄糖摄取抑制剂、糖酵解和乳酸排泄）受限。靶向增强葡萄糖代谢引起的次级代谢响应是治疗癌症这类代谢表型的替代疗法，而涉及糖酵解的合成致死性方法已被提出作为潜在的癌症治疗方法。美国Dana-Farber癌症研究所Matthew G. Vander Heiden团队对非小细胞肺癌（NSCLC）小鼠模型进行了非靶向、靶向和同位素示踪代谢组学研究，探讨NSCLC中糖代谢重编程的次级代谢作用，以确定潜在的抗癌靶点，相关研究成果发表于《Nature Communications》。
GSH在NSCLC中积累
作者对KrasG12D驱动的两种原位NSCLC小鼠模型进行非靶向代谢组学研究，发现还原型谷胱甘肽（GSH）等代谢物在NSCLC肿瘤中出现富集。GSH是一种可用于解毒活性分子（如ROS）的关键辅助因子，肿瘤中高浓度GSH可以增强ROS解毒作用而使癌细胞受益。细胞会通过各种酶复合物的作用中和ROS，导致GSH被氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG）。肺癌中谷胱甘肽水平升高是对氧化应激增加的一种反应。两种NSCLC模型中GSH均显著升高，但GSSG仅在LA2肿瘤模型中升高，而在更具侵袭性的KP模型中未出现GSSG水平升高（图1a），不过KP模型显示GSH水平更高。两种模型中GSH的相对增长幅度都大于GSSG，这表明肺癌的GSH/GSSG比值可能比正常肺组织更低。这与仅用癌症中氧化应激作用解释GSH升高相矛盾， GSH升高可能在肺癌中除了ROS解毒外还具有其他功能。
NSCLC中甲基乙二醛解毒增加
甲基乙二醛与GSH在甲基乙二醛解毒酶I（Glo1）作用下生成乳酰谷胱甘肽（LGSH）（图1b），肿瘤组织中增加的代谢物与LGSH相关。通过KP肺肿瘤细胞生成的肺同种异体移植物发现NSCLC肿瘤中LGSH升高。相比正常组织，LGSH在LA2和KP小鼠肿瘤组织 （图1c）和KP同种异体移植肺肿瘤中（图1d）均升高。临床上，相比癌旁组织，许多NSCLC肿瘤组织LGSH水平升高（图1e），表明LGSH升高也是临床NSCLC的显著特征。近年来甲基乙二醛的积累倍受关注，它是高血糖和糖尿病中葡萄糖代谢增加过程中的副产物，可导致血管损伤和葡萄糖循环水平升高引起其他并发症。甲基乙二醛高水平下，甲基乙二醛与蛋白质和核酸发生不可逆反应形成稳定的糖基化终产物（AGEs），从而诱导细胞毒性。与正常肺组织相比，KP肺肿瘤组织中Glo1表达增加（图1f）。总之，肺肿瘤组织中Glo1的表达和LGSH的产生增加了对甲基乙二醛的解毒作用。
NSCLC中甲基乙二醛由葡萄糖产生
甲基乙二醛由糖酵解中磷酸三糖中间产物发生非酶催化降解而来，也是苏氨酸和甘氨酸相互转化的副产物。作者采用稳定同位素示踪技术鉴别甲基乙二醛的来源，来源于U-13C2-glycine的（m+1）13C1 –甲基乙二醛仅占5%，来源于U-13C6-Glucose的（m+3）13C3-甲基乙二醛占主要。肺癌细胞培养中，葡萄糖是内源性甲基乙二醛的主要来源，并在LA2小鼠NSCLC模型中证实（图2e）。采用己糖激酶抑制剂2-脱氧葡萄糖（2DG，破坏细胞对葡萄糖的吸收）处理肺癌细胞，发现2-DG能降低LGSH水平（图2f），进一步证明甲基乙二醛的产生是细胞内葡萄糖代谢的结果。另外，作者发现已知的FDG-PET标准摄取值与临床肿瘤组织的LGSH水平呈正相关（图2g），表明肺癌肿瘤中葡萄糖代谢的增加导致了甲基乙二醛的产生和LGSH的积累。
GSH耗竭可增加NSCLC对甲基乙二醛的敏感性
细胞内GSH的消耗是否会改变在外源性甲基乙二醛存在下培养的NSCLC细胞增殖？作者用丁硫氨酸亚砜胺（BSO）（一种抑制GSH合成的化合物）干预肺癌细胞，发现细胞对外源性甲基乙二醛非常敏感（图3a），此外用Erastin（限制胱氨酸摄取和半胱氨酸依赖的GSH的合成）和甲萘醌（通过氧化还原产生ROS）分别处理3553T3 和 LGSP细胞，这三种化合物都降低了细胞内GSH的积累，表明GSH消耗对甲基乙二醛敏感性的增加具有重要影响。由于Glo1需要GSH来解毒甲基乙二醛，GSH的消耗阻止了有效的甲基乙二醛解毒从而增加甲基乙二醛相关产物。综上，GSH是甲基乙二醛解毒所必需的，糖基化产物的积累与肺癌增殖和生存能力的降低有关。
甲基乙二醛解毒需要乙二醛酶I
利用CRISPR/ Cas9基因编辑敲除肺癌细胞中的Glo1（图4a）研究其对甲基乙二醛的解毒作用。虽然外源性甲基乙二醛可以诱导亲代肺癌细胞内的LGSH积累，但Glo1敲除细胞内LGSH水平显著降低（图4b）。Glo1的缺失极大地增加了细胞对外源性甲基乙二醛的敏感性（图4c）。由此表明，LGSH生成需要Glo1，Glo1是肺癌细胞系中甲基乙二醛解毒的主要机制。
NSCLC肿瘤生长需要乙二醛酶I
乙二醛酶I在缺氧条件下支持NSCLC增殖，缺氧会降低Glo1缺陷细胞的增殖（图5b），促进糖化终产物的积累并降低细胞的适应性。缺氧环境下肺癌细胞对甲基乙二醛的积累更敏感，推测肺肿瘤可能对甲基乙二醛更敏感。为了确定Glo1表达是否有助于肺肿瘤的生长，作者将同种异体肺癌细胞和Glo1缺失的细胞进行皮下植入。与同种NSCLC癌症细胞系相比，Glo1缺失细胞的增殖能力受损（图5c）。Glo1缺陷细胞MG-H1蛋白加合物增加，表明甲基乙二醛衍生的加合物积累可能有助于减少肿瘤的生长（图5d）。重复肿瘤同种异体移植实验，发现Glo1缺乏的肿瘤也出现MG-H1蛋白加合物增加。综上表明，Glo1促进甲基乙二醛的解毒和NSCLC肿瘤的生长。
小结
本研究通过非靶向代谢组学发现GSH在小鼠NSCLC组织中积累，甲基乙二醛与GSH在Glo1酶作用下生成LGSH，甲基乙二醛是NSCLC中葡萄糖代谢的副产物，GSH是Glo1的必需底物，Glo1是甲基乙二醛解毒的重要机制，Glo1在肿瘤进展过程中表达上调，Glo1的消融增强了甲基乙二醛的敏感性并在体内抑制NSCLC肿瘤生长，且进一步证实了Glo1表达对小鼠肿瘤生长的促进作用。LGSH是甲基乙二醛解毒的副产物，LGSH的积累与葡萄糖摄取增加相关，LGSH在人类和小鼠NSCLC中均升高。细胞内GSH消耗可提高对外源甲基乙二醛的敏感性并促进甲基乙二醛糖基化加合物的积累。靶向作用解毒活性代谢物可能是一种增强而非抑制肿瘤的治疗方法。虽然诱导活性代谢物过度积累的治疗方法可能破坏肿瘤的进展，但活性代谢物的低水平积累也可能损害正常细胞并导致恶性肿瘤。因此，了解反应性代谢物促进恶性肿瘤或诱导毒性的机制将有助于深入理解癌症治疗策略。
参考文献
Alba Luengo, Caroline A. Lewis, Matthew G. Vander Heiden,et al. Reactive metabolite production is a targetable liability of glycolytic metabolism in lung cancer.NATURE COMMUNICATIONS (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13419-4.
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