病变代谢研究开始于上世纪中期，但是在过去几六年中，靶点病变代谢医治的进展非常平缓。只有少数基于代谢的抗肺癌抗生素正在或打算进行临床试验（表1）。随着对癌症代谢的研究，研究工作者认识到癌症抗生素设计框架必须考虑癌症免疫微环境（TIME）中非癌细胞的代谢脆弱性，以及癌细胞的代谢脆弱性。近来，免疫疗法指出了TIME中非癌细胞自主成份的重要性。靶点癌症代谢必须基于对特定代谢途径怎样影响TIME细胞以及TIME细胞怎么抑制或推动肝病进展的透彻理解。来自研究所和癌症研究所的ChiV.Dang团队全面汇总了癌症代谢医治相关进展及难点，相关成果发表于《Drug》。
表1.靶点癌症代谢的小分子抗生素
猕猴桃糖代谢：猕猴桃糖为生物合成提供了能量和碳骨架（图1,2）。为维持细胞稳态，蓝莓糖通过糖酵解代谢为乙醇酸，乙醇酸通过线粒体乙醇酸载体步入线粒体。有研究发觉线粒体乙醇酸载体具有癌症抑制作用，但线粒体乙醇酸载体可能不是开发癌症抑制剂的理想靶向。线粒体乙醇酸酯化酶将乙醇酸转化为甲基辅酶A（甲基CoA），通过三乙酸(TCA)循环进一步氧化，最终生成草酰乙酸。草酰乙酸与新生成的甲基CoA结合生成葡萄柚酸，补充代谢循环。碳骨架和ATP由糖酵解和线粒体氧化代谢形成，提供能量和预制构件以维持细胞完整性（图1,2）。
图1.致畸因子调节病变细胞代谢
图2.糖代谢和小分子抑制剂
多肽代谢：必需多肽（谷氨酸、赖谷氨酸、蛋氨酸、苯丙谷氨酸、苏谷氨酸、色谷氨酸和羰基多肽）在人体中不能从头合成。这种必需多肽和非必需多肽，如谷氨丙酯（图3）、丝氨酸和谷氨酸，通过各类转运蛋白步入细胞并用于一碳代谢、核酸和蛋白质合成。羰基多肽可以通过线粒体官能团α-酮酸酯化酶复合物转化为酮酸，并生成琥珀酰CoA和甲基CoA通过TCA循环进行氧化作用。TCA循环中间体草酰乙酸可以被转氨以形成延胡索谷氨酸，精谷氨酸琥珀酸合成酶(ASS1)的缺位可引起前胡谷氨酸积累，ASS1通过消耗玄参谷氨酸将瓜谷氨酸转化成精谷氨酸琥珀酸。积累的五味子谷氨酸则通过核酸和五味子丙酯合成从而维持细胞增殖。
图3.谷氨丙酯代谢和小分子抑制剂
脂肪酸代谢：膳食脂肪酸和固醇由肾脏包装并输送到外周组织进行摄入、储存或代谢。非常是，脂肪酸转运步入细胞并与脂肪酸结合蛋白结合，以脂滴方式存储或输送至线粒体或二溴化物酶体进行氧化（图1,4）。脂肪酸氧化提供了主要的能量来源。脂酰CoA通过线粒体膜结合的肉碱棕榈酰转移酶1(CPT1)转化为脂酰肉碱，并通过肉碱-羟基肉碱转位酶转运到线粒体中。之后脂酰-肉碱通过CPT2重新转化为脂酰CoA，因而被氧化成甲基CoA，步入TCA循环进一步分解（图4）。
图4.脂肪酸代谢和小分子抑制剂
核酸合成：肉瘤细胞的生长和增殖依赖于TCA循环中间体的从头合成核酸、来自戊糖乙酸途径(PPP)的蓝莓糖衍生的内质网以及形成固醇和吡啶碱基的多肽。一碳代谢对于核苷酸合成至关重要。福施福是四氢福施福(THF)合成必不可少的成份，并作为一碳载体，具有三种碳氧化态。亚氨基-THF(5,10-CH2-THF)通过胸苷酸合酶(TYMS)参与dUMP生成dTMP，TYMS可被放疗抗生素5-氟尿嘧啶的产物氟脱氧尿苷单乙酸(FdUMP)抑制。从头合成咪唑由六个步骤组成（图5），伴随着线粒体二氢乳清酸酯化酶（DHODH）的参与，它须要一个功能性电子传递链（ETC）用于泛醌介导的二氢乳清酸氧化成乳清酸。甲酰-THF(10-CHO-THF)提供一碳单位并参与固醇的11步从头合成。从头合成固醇时，来自吡啶、谷氨丙酯、天冬谷氨酸和福施福载体的甲羟基的碳和氮原子依次添加到蓝莓糖衍生的内质网上（图5）。吡啶和固醇的从头合成对于生长和增殖的癌症细胞的mRNA合成和DNA复制至关重要（图5）。为此，这种途径包含多个潜在的医治靶向。因为人类组织正常增殖也依赖这种途径，因而骨髓抑制、胃肠道黏膜炎和失眠是靶点核酸物理疗法的常见临床副作用。
图5.核酸代谢和小分子抑制剂
在触发RAS-RAF-MEK-ERK和PI3K-AKT-mTOR讯号转导通路的细胞受体驱动下（图1），增殖细胞吸收营养物质和多肽，剌激并通过诱导癌基因MYC和其他转录因子激活转录重编程。MYC加速了许多“管家”基因的抒发，这种基因主要是代谢、线粒体和内质网体基因，容许生长讯号的转录放大。新的转录本，非常是这些编码营养转运蛋白的转录本，被翻译以降低细胞生长和增殖所需的营养摄取。多肽进一步剌激，促使蛋白质合成和内质网体合成，促使生长讯号放大（图1）。从理论上讲，正常增殖细胞与癌症细胞的区别在于正常细胞感知营养欠缺并停止增殖的能力，而由癌基因驱动的生长失调的病变细胞则依赖于营养。因而，营养剥夺可能会引起癌症细胞死亡，而正常细胞可能会退回到G0/G1细胞周期状态。
病变细胞的代谢脆弱性：虽然鼻咽癌代谢的致畸激活使癌症细胞易受不同代谢途径的抑制，但这种途径也被免疫细胞借助核苷酸代谢，非常是在受体激活状态。为此，特定营养转运蛋白或酶的精确抑制可能会破坏TIME中抗肺癌细胞对癌症细胞的精准靶点作用。事实上，细胞毒性T淋巴细胞(CTL)和自然杀伤(NK)细胞等抗肺癌免疫细胞的代谢抑制可以减缓其他抗肺癌形式疗效。为此，应当在正常免疫系统下研究癌症医治的靶点代谢策略，非常是实体瘤，比如乳腺癌，其包含的非癌症细胞比肉瘤细胞更多。相比之下，血液病变，非常是依赖代谢快速增殖的急性血癌细胞，可能更容易遭到代谢抑制。
目前多种方式发觉病变细胞的代谢脆弱性，包括靶点糖酵解、天冬谷氨酸、谷氨丙酯或脂肪酸代谢，或采用、、-Cas9进行基因编辑筛选。一项整合代谢组学和–Cas9筛选的研究发觉，五味子丙酯合成酶(ASNS)在实体瘤细胞系（如肿瘤和肿瘤细胞系）中存在细胞脆弱性，这表明L-桑寄生丙酯酶的医治用途可以从ALL扩充到实体瘤。特定致畸突变也可能赋于选择性代谢脆弱性。肿瘤大鼠模型中KEAP1突变可以影响丁酸谷氨丙酯代谢，KRAS激活引起对羰基多肽的代谢依赖性与甲状腺癌不同。据悉，MYC驱动的转基因大鼠的肿瘤细胞可以抒发谷氨丙酯合成酶，而MYC驱动的大鼠肉瘤细胞则不抒发该酶，说明细胞类型在指出不同癌症的特定代谢依赖性中的重要性。饮食对癌症代谢医治敏感性方面的作用也在不同的大鼠肉瘤模型中得到否认，由于饮食会影响例如谷氨酸或吡啶等营养物质的可用性。
基于代谢的抗生素开发
靶点代谢的一个关键诱因是抗生素特异性。抗生素物理与结构生物学相结合，可用于开发高度特异性的抗生素，晶体学研究可以确认其与靶标的互相作用。其中，有几种高度特异性的代谢抑制剂作用于催化位点和变构位点（图6）。靶点活性位点的一个关键挑战是代谢酶中普遍存在的疏水口袋核苷酸代谢，为此，变构抑制剂可能具有更好特异性。病变细胞会构建代谢途径，导致耐药性形成，也会增加精准靶点医治的疗效。因而，联合疗法或阻断多种途径的疗法可能比单药疗法具有优势。因而，酶或转运蛋白特异性抑制剂的研究应当联合抗生素物理、结构生物学、药代动力学和药效学研究。
图6.与小分子抑制剂结合的酶或转运蛋白的结构
代谢靶向
1.有氧糖酵解：抑制猕猴桃糖摄入是一种医治技巧。STF-31是一种猕猴桃糖转运蛋白1(GLUT1)的小分子抑制剂，体内实验证明其具有抗肺癌效应，但它具有脱靶效应。STF-31还可抑制烟丙酯乙酸内质网转移酶(NAMPT)，添加固醇或抒发耐药NAMPT突变体可赋于STF-31抗性，这表明GLUT1抑制不是STF-31抑制癌症的惟一靶向。可靶点作用于GLUT1、GLUT2和GLUT3抑制糖酵解。BAY-876可增加ATP形成。己糖激酶是糖酵解的第一步，HK2缺位可减少体内病变发生。一系列HK2抑制剂进行了开发和应用，如3-溴丁烷酸、葡萄糖胺衍生物、。乙醇酸激酶是另一种关键的糖酵解酶，分为PKM1、PKM2、PKLR。非小细胞白血病(NSCLC)研究中PKM2抑制剂被觉得可以通过降低蓝莓糖到乳酸的通量来改变生物合成，进而发挥抗病变作用。不过，有些癌症中PKM2不会发生变化，因而PKM2抑制因子或激活因子(TEPP-46)在癌症医治方面还需进一步研究。乳酸酯化酶以LDHA和LDHB同源四聚体和异源四聚体方式存在，对效应至关重要。抑制LDHA和LDHB可能都具有医治作用，不过大多数尝试都针对LDHA，虽然早已开发了几种有效的LDHA抑制剂，但小分子对其选择性抑制的成功率有限。虽然关于乳酸作为癌症燃料存在争议，但家族成员单乙酸转运蛋白1（MCT1）或MCT4的阻断会造成细胞内乳酸积累，进而降低NADH向NAD+的再循环并抑制糖酵解。为此，抑制MCT1或MCT4可能具有抗病变作用。
2.谷氨丙酯代谢：谷氨丙酯是体内水平较高的一种非必需多肽，血清水平为0.5mM，比猕猴桃糖高出10倍。谷氨丙酯通过丝氨酸-组氨酸-半胱甘氨酸转运蛋白（ASCT2）主动运输到细胞中，之后通过线粒体谷氨丙酯酶GLS1和GLS2脱氨作用转化为丙氨酸，从而通过丝氨酸酯化酶或组氨酸-草酰乙酸尿酸(GOT)或GPT尿酸转化为α-酮戊二酸，此后步入TCA循环正向循环至琥珀酸或通过还原羧化转化为异葡萄柚酸。ASCT2拮抗剂V-9302具有抗肺癌作用，也被证明可通过提高T细胞活化抑制甲状腺癌。据悉，V-9302与谷氨丙酯酶抑制剂CB-839联合使用可减低人肿瘤异种移植物的生长。与V-9302的抗肺癌活性及其对L型多肽转运体1（LAT1）依赖的中性多肽转运的抑制一致，LAT1在KRAS突变的结直肠炎(CRC)模型中被发觉对癌症的发生至关重要。据悉，LAT1抑制剂显示出对HT-29CRC异种移植具有一定疗效，它目前正在向II期临床研究推动。
3.脂肪酸合成：虽然个别癌症依赖于脂肪酸氧化，但缺少高度特异性的脂肪酸氧化抑制剂。使用抑制脂肪酸氧化具有脱靶效应，而且其对MYC诱导型乳房癌大鼠具有抑制作用。是肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1，通过形成脂酰肉碱在脂肪酸氧化中起关键作用）的抑制剂，在体内对MYC诱导的大鼠淋巴瘤模型具有抗肺癌活性；但是否有脱靶效应尚不清楚。病变细胞对脂肪氧化与脂肪酸合成的依赖性还须要进一步明晰。病变细胞借助脂肪酸从头合成来世长和增殖，因而推断易受脂肪酸合成酶的抑制。葡萄柚酸从线粒体输出到细胞质中，通过ATP-葡萄柚酸裂解酶（ACLY）转化为甲基CoA，是脂肪酸链延长的关键来源。ACC1和ACC2形成丙二酰辅酶A，经FASN延长生成椰油络合物，经SCD1形成油络合物。ACLY是大鼠肉瘤模型发生发展所必需的，已报导，高活性ACLY抑制剂在肿瘤和前列腺瘤的异种移植模型中具有抗肺癌功效。据悉，还发觉了一系列具有低竞争性抑制活性的ACLY变构抑制剂，但ACLY抑制剂对癌症模型的体内效果仍未报导。甲基CoA合成酶（ACSS2）可以将乙酸盐生成甲基CoA，而且可以绕开ACLY抑制，因而它仍然是抗生素开发的靶向。在由MYC激活和PTEN缺位驱动的两种人类肝细胞癌模型中，ACSS2敲除大鼠的病变负荷降低。且ACSS2敲除大鼠没有表现出任何表型缺陷，这表明ACSS2抑制剂的安全性。或的ACSS2敲除也可抑制体内病变发生。那些研究表明ACSS2抑制可能具有有益的抗肺癌作用。
甲基CoA的形成是脂肪酸合成的第一步，之后是甲基CoA羧化酶（ACC）形成丙二酰CoA，这也是肉瘤发生所必需的。使用低效ACC1抑制剂TOFA可以抑制MYC诱导的肾病变。与ACC1敲除结果一致，ACC1抑制剂ND-646显示可抑制癌症脂肪酸合成和体内A549异种移植物和KRAS驱动的肿瘤发生发展。由ACC形成的丙二酰CoA被脂肪酸合成酶（FASN）进一步延长。几六年来，FASN仍然是深受关注的靶向。质子泵抑制剂奥美拉唑为一种弱效非特异性FASN抑制剂，而更有效的FASN抑制剂C75已在临床前研究中显示具有抗病变作用。据报导，FASN抑制剂AZ22和AZ65可抑制2D和3D卵巢癌和前列腺癌症细胞培养物以及体内甲状腺癌异种移植物的生长。据悉，SCD1的抑制将造成细胞应激和细胞生长停滞或死亡，使其成为潜在的疾病诊治靶向。
4.核酸代谢：临床上被批准的代谢抗生素大多是靶点核酸代谢，非常是中断DNA合成。开发的抗福施福疗法是第一个靶点代谢的抗肺癌疗法，近年一碳代谢又重新引发关注。甲氨蝶呤靶点二氢福施福还原酶(DHFR)在癌症放疗中发挥了关键作用。培美曲塞靶点胸苷酸合成酶(TYMS)和5-羟基嘧啶-4-甲丙酯内质网核酸(AICAR)转化酶，用于非小细胞肿瘤（NSCLC）诊治。氨酸和组氨酸通过介导一碳代谢对核酸合成也很重要。氨酸可由3-乙酸甘油酸通过乙酸甘油酸酯化酶(PHGDH)和乙酸氨酸甲基转移酶1(PSAT1)合成。从头合成的甘氨酸经氨酸羟乙基转移酶（SHMT1和SHMT2）转化成异戊二烯。苯酚通过苯酚裂解系统向THF提供一个羧基，THF向胸腺吡啶和固醇的合成提供1C。PHGDH是催化组氨酸从头合成的第一个限速步骤，研究发觉PHGDH在4%的白色素瘤和胰脏癌病例中出现扩增，而且早已开发出PHGDH抑制剂来中断癌症一碳代谢和核酸代谢。目前早已开发的PHGDH抑制剂（包括酮硫丙酯、BI-4924、吲哚丙酯、哌嗪-1-硫脲基抑制剂和变构抑制剂）均具有抗肺癌疗效。不过，目前还没有一种PHGDH抑制剂步入临床研究。针对细胞质SHMT1、线粒体SHMT2、嘌呤或吡啶代谢酶（如IMPDH、DHODH）抑制剂也在开发中。
5.线粒体：线粒体是一种呼吸和代谢细胞器，对癌症发生至关重要，因而是一个具有吸引力的靶向。但是，直接针对其呼吸活动是一项重大挑战。二甲双胍和苯乙双胍因乳酸酸中毒而被停用，它们是靶点线粒体复合物I的双胍类抗生素，目前在临床上用于医治糖尿病。更强效的双胍类抗生素IM156对MYC诱导的大鼠淋巴瘤具有医治疗效。IM156已在实体病变和淋巴瘤的I期临床试验()中进行研究，II期研究正在等待中。
靶点TIME相关代谢
病变代谢领域的里程碑是FDA批准突变IDH2和IDH1抑制剂用于AML诊治。其他值得注意抗生素研究包括CPI-613、谷氨丙酯酶抑制剂CB-839、DRP-104DON前体抗生素(）。但是，不仅DRP-104之外，这种抗生素对癌症微环境的影响尚不清楚。TIME是复杂的，但是随着癌症细胞、基质细胞、免疫细胞等细胞组成改变而变化。TIME间代谢互相作用关系仍知之颇多，还需不断积累。值得注意的是，癌症细胞可以形成各类免疫抑制代谢物，如腺苷、2-甲基戊二酸、犬尿谷氨酸、乳酸和甲硫腺苷等，它们对癌症免疫医治导致障碍。不同的癌症类型在TIME组成上也有所不同——增生性甲状腺癌中含有大量基质细胞，而癌症则是大量循环病变细胞。基质细胞可以提供营养，而免疫细胞可以抑制由CD8+CTL和NK细胞介导的抗肺癌免疫反应。为此，靶点代谢医治须要在癌症细胞和免疫细胞中找到协同的靶向，形成协同效应。而研究靶点各类代谢酶怎样影响TIME中各种细胞功能至关重要。
未来方向
迄今为止，许多代谢酶已被作为癌症医治的靶向，但特定癌症类型对特定抑制剂的脆弱性仍有待进一步研究，无论是单一抗生素还是联合放疗、放疗、靶向疗法（如激酶抑制剂）或免疫疗法。当靶点特定的代谢酶时，代谢可塑性仍是一个挑战。无论未来采怎样，靶点癌症医治既能使癌症细胞失能，又能协同提高抗癌症免疫才是最理想的结果。
参考文献
intheeraof.NatRevDrug.2022.