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Oncol Lett. 2017 May; 13(5):2873–2880.Published online 2017 Mar 14. doi: 10.3892/ol.2017.5862
Progress in the application and mechanism of metformin in treatingnon-small cell lung cancer
标题：应用进展和二甲双胍治疗NSCLC机制
摘要：
目前，肺癌的发病率和死亡率呈现出上升趋势。非小细胞肺癌(NSCLC)占所有肺癌病例的80-85%。因此，开发新的、有效的治疗方法是非常重要的。使用几种抗癌药物的联合疗法是一种很有前景的策略。最近的研究表明，二甲双胍治疗糖尿病已经有50年了，对包括NSCLC在内的多种癌症都有抗癌作用。它的抗肿瘤作用可以直接和间接的，并且可以与其他的物理疗法，包括靶向抗癌治疗，化疗和放射疗法协同治疗。本文讨论了二甲双胍是如何影响NSCLC的细胞能量代谢、抗瘤作用及其与其他治疗方法的协同作用。本文提供了信息和分析，以促进进一步研究二甲双胍作为一种辅助抗癌治疗药物。
1、引言：
二甲双胍是一种双胍和降糖剂。自从1957年在欧洲推出,二甲双胍已被用作药物降低糖尿病患者升高的血糖水平。2005年,有人提出,二甲双胍可以降低癌症的发病率,成为肿瘤研究的焦点和可能应用二甲双胍于肿瘤治疗吸引大家研究。据报道,二甲双胍能够产生抗肿瘤作用是通过改变肿瘤细胞能量代谢。自2013年以来,我们所知有> 173正在进行的使用二甲双胍治疗癌症临床试验。此外,在最近的一项研究中,Birsoy et al显示苯乙双胍的葡萄糖限制活性,另一个双胍和影响癌细胞的代谢敏感性决定性因素之间的联系。由于快速增长的癌细胞和高消耗的营养物质,尤其是葡萄糖,观察到肿瘤组织葡萄糖浓度比正常组织低。然而, 尽管低糖条件大多数癌细胞得以迅速发展和繁殖。双胍药物,如苯乙双胍和二甲双胍是线粒体氧化磷酸化的抑制剂，是这些糖尿病药物所观察到的抗肿瘤活性的原因。自2004年以来，本文作者一直在关注二甲双胍的抗肿瘤效应。一项多中心临床试验证实，二甲双胍可以改善患有NSCLC的糖尿病患者的化疗生存结果，本文讨论了二甲双胍是如何影响NSCLC的细胞能量代谢、其抗肿瘤作用机制以及它与其他疗法的协同作用。目的是研究二甲双胍辅助治疗NSCLC的可行性，并促进进一步的研究。
2、NSCLC葡萄糖代谢和二甲双胍治疗效果
正常细胞中的葡萄糖代谢包括糖酵解、有氧氧化和戊糖磷酸途径。糖酵解的第一步是将葡萄糖转化为丙酮酸酯，然后将其还原为乳酸。在有氧氧化过程中，丙酮酸进入了三羧酸循环，它最终被完全氧化为水和二氧化碳并产生了三磷酸腺苷(ATP)。 与有氧氧化相比，糖酵解过程能提供更少的能量，但它的运作速度更快。即使在有氧条件下，癌细胞也优先利用糖酵解作为主要的能量来源，而不是氧化磷酸化，这被称为“Warburg效应”。在无氧环境下，腺癌会进行糖酵解，而鳞状细胞癌则会发生不同程度的缺氧，即使在无氧环境下，也会进行高水平的糖酵解，以获得足够的生存能量。这些发现促使人们进一步研究如何利用这一发现来开发新的治疗方法。
特别是，口服抗糖尿病药物二甲双胍能够通过改变特定的代谢酶的活性来刺激糖酵解，包括果糖-2，6-磷酸核糖;因此，它可以促进在NSCLC细胞中的糖酵解转化为产生能量的主要方法。表面上看,这可能对非小细胞肺癌细胞的生长有刺激效果,但事实上，能源通道的开关,在二甲双胍的存在情况下,与主要抗肿瘤机制相关(图1)。当每摩尔葡萄糖经糖酵解提供更少的能量，导致ATP生成减少，腺苷酸(AMP)水平增加,导致胞内AMP转换为ATP的比例增加和能量代谢失衡。这是二甲双胍能够达到抗肿瘤活性的一种机制。它可能涉及活性5'- AMP活化蛋白激酶(AMPK)及其下游信号通路。
图1：人体葡萄糖代谢和双胍类降糖机制
3、NSCLC二甲双胍的细胞运输
二甲双胍对能量代谢的抗肿瘤作用取决于二甲双胍能否被转运到NSCLC细胞内的线粒体中。在跟踪实验中观察到，二甲双胍能够穿过细胞质膜和线粒体膜。在非小细胞肺癌运输二甲双胍跨细胞膜是生理的pH值,二甲双胍是带阳电极,意味着在非小细胞肺癌细胞膜二甲双胍的运动可能是由有机阳离子转运蛋白(OCTs)介导的,有机阳离子转运体1(OCT1)主要负责二甲双胍在肝脏吸收,溶质载体家庭22成员18(SLC22A18)和OCT1成员共享某个同源性。人类基因SLC22A18位于11号染色体11p15.5。已经证明microRNA-137可以显著抑制NSCLC细胞的增殖、入侵和迁移，因为它的靶点是SLC22A18。如果SLC22A18在NSCLC组织中得到高度表达，它可能会主动将二甲双胍转移到NSCLC细胞中，特别是在鳞状细胞癌和腺癌中。对NSCLC细胞的检查观察到SLC22A18主要表达在细胞膜和细胞质。另外，SLC22A18在正常的肺组织中没有表达，并且在鳞状细胞癌和腺癌中被上调。
运输二甲双胍跨NSCLC细胞线粒体的线粒体膜，线粒体膜有一个外膜和一个内膜。与内膜相比，外膜的渗透性相对较高。分子量为≤5000 kDa或更少的分子可以自由地穿过线粒体的外膜，因此膜间空间和细胞质的环境是相似的。由于二甲双胍是一种只有129 kDa的分子量的简单分子，它能够通过外膜并自由地进入膜间。在生理上，二甲双胍是一种阳离子(>99.9%)。线粒体膜的电位使得二甲双胍在线粒体基质中积累。
4、二甲双胍的抗癌机制和在NSCLC应用
线粒体电子传递链是由I、II、III和IV复合体组成，它们都具有转移电子的能力。沿着浓度梯度的质子通过酶ATP合酶并借助线粒体膜电位后移进入内膜。通过ATP合酶，质子流回到线粒体基质中，提供了足够的能量使腺苷二磷酸与无机磷酸盐结合，形成ATP。二甲双胍被认为是靶向复合体I型，使具有抗糖尿病和抗肿瘤活性。二甲双胍限制线粒体的呼吸和柠檬酸循环活动，并改变细胞生物能量。ATP生成的减少导致增加AMP水平,进而导致胞内增加AMP 对ATP的比例,以及能量代谢失衡。这可能会推动两个主要信号通路:高糖素诱导的抑制肝脏环腺苷酸合成,和5′-AMPK和下游信号通路的激活。二甲双胍抗肿瘤活性可能直接或间接(系统性),及其直接影响涉及AMPK信号通路(图2)。全身影响是随后的事，会产生一些影响，包括体重的减少、抗炎作用、改善胰岛素抵抗，以及全身葡萄糖和胰岛素水平的降低。二甲双胍直接影响包括AMP依赖和AMP无关的信号传导通路。在NSCLC中，二甲双胍的间接抗肿瘤作用:降低体重，导致体重下降的主要方式是通过降低食欲。第二种机制包括改善胃肠生理和昼夜节律，调节脂肪氧化和脂肪储存于肝脏、骨骼肌或脂肪组织。
Dahlberg对2585名NSCLC患者的身体质量指数和临床结果之间的关系进行了评估。据报道，与正常或超重的患者相比，肥胖患者在研究初期的结果有所改善，但随后肥胖被证明增加了患病风险。因此，对于肥胖的NSCLC患者来说，减轻体重可以改善预后，而二甲双胍可以帮助实现这一目标。在NSCLC中，二甲双胍的间接抗肿瘤作用:炎症、肿瘤进展和免疫，有越来越多的证据表明，某些肿瘤相关的炎症标记物(c反应蛋白，Toll样受体2和4 TLR2/4，以及肿瘤坏死因子TNF-α)与某些类型的癌症预后较差，包括NSCLC有关。抗肿瘤免疫反应包括CD8+T淋巴细胞和成熟的树突细胞(mDCs)。Alifano等报道了系统性炎症、营养状况和肿瘤免疫微环境对NSCLC患者中术后结果的影响作用。结果表明， NSCLC患者切除原发性和转移性肿瘤后，肿瘤免疫微环境与长期预后有关。在NSCLC中，高水平的mDCs和肿瘤内低CD8+T淋巴细胞数量与预后相关。瘤内mDCs浓度与年龄反相关。在男性、吸烟者和患有鳞状细胞癌或慢性阻塞性肺病的患者中较低。因此，抑制炎症可以改善NSCLC患者的预后。
除了血糖控制，二甲双胍还能减少许多炎症标记物(c反应蛋白，肿瘤坏死因子，Toll样受体2和4)，并在肥胖2型糖尿病患者中引起氧化应激。此外，二甲双胍能够通过抑制人类单核细胞胞外信号调节激酶-1/2早期生长应答-1(ERK1/2-Egr-1)信号通路，从而减少肿瘤坏死因子的产生。因此，二甲双胍能够改善NSCLC的预后。
在NSCLC中，二甲双胍的间接抗肿瘤效应:改善胰岛素抵抗，以及胰岛素和葡萄糖水平的降低。对Kirsten的老鼠肉瘤病毒致癌基因(K-RAS)的研究表明，高血糖可以促进肿瘤的扩张-在支气管肺泡管连接处初始化支气管肺泡干细胞(BASCs)。活化的K-RAS基因可以增加葡萄糖转运蛋白1的表达，从而促进BASCs的葡萄糖吸收和糖酵解。高血糖也能增加BASCs的自主增生，从而导致氧化应激和活性氧簇(ROS)的产生，以及线粒体功能的减少和氧化磷酸化的抑制。因此，通过降低血糖水平，肺癌患者可能会受益于二甲双胍治疗。
二甲双胍降低循环葡萄糖水平的能力可能是由于多个机制包括:1) 通过抑制肝脏中糖原新生减少葡萄糖的输出;2) 增加骨骼肌胰岛素介导的葡萄糖摄取通过升高升降循环高血糖样肽1 (GLP-1);3)增加GLP-1受体在胰腺的表达。二甲双胍间接抑制二肽-肽酶-4活性，可减少GLP-1的分解，从而增加循环GLP-1的水平。二甲双胍对消化系统中的葡萄糖吸收影响有限，并且轻微延迟吸收过程。二甲双胍也通过降低循环胰岛素水平来改善胰岛素抵抗。
在NSCLC二甲双胍直接抗肿瘤作用是能够抑制哺乳动物雷帕霉素靶复合体1(mTORC1)通过AMP激酶依赖或独立的信号通路来实现抗肿瘤效应(图2)。二甲双胍通过抑制mTOR也可能抑制细胞因子的磷酸化,包括翻译初始因子4E结合蛋白1和S6激酶1,。
二甲双胍能够减少蛋白质的合成，肿瘤细胞的增殖和生存。实体肿瘤通常表现为缺氧微环境状态。缺氧诱导因子-1(HIF-1)是由缺氧条件下细胞产生的核转录因子。HIF-1α是HIF-1的子单元，它负责HIF-1活化，并在NSCLC细胞中高度表达。HIF-1α在NSCLC肿瘤发生、局部浸润和远处转移中扮演着重要的作用，通过上调核增殖蛋白抗原ki-67表达和血管内皮生长因子(VEGF)表达。通过抑制mTORC1，二甲双胍抑制HIF-1，并减少在NSCLC的局部侵袭和转移。二甲双胍可以通过AMPK信号通路来改善肿瘤的预后，因为它通过磷化的AMPK导致肿瘤抑制基因结节硬化2的磷酸化，，从而导致富集于大脑的mTORC-1活化子、GTPase和Ras同源体的抑制。人类肝激酶b-1(LKB1)基因编码了一种肿瘤抑制因子，这种抑制因子可以磷酸化位于Thr-172 的AMPK子单元，从而激活AMPK。活化AMPK抑制肿瘤发生，是通过抑制mTOR(图2)。AMPK的磷酸化可能也会导致直接磷酸化和抑制与mTOR相关的正调节蛋白(图3)。最后，二甲双胍可以通过抑制mTORC1来达到其主要的抗肿瘤效果。
在腺癌和鳞状细胞癌中，LKB1突变的发生率分别为13%和5%。对于LKB1基因突变，LKB1- AMPK轴仍然起主要作用的，可以被NSCLC细胞中的二甲双胍所刺激。二甲双胍可以通过LKB1-AMPK-mTOR信号通路对NSCLC的治疗起有效的作用。NSCLC患者的高水平的磷化化AMPK （pAMPK）具有更高的总体生存率(OS)和无复发生存率(RFS)，特别是腺癌。然而，在鳞状细胞肺癌中，pAMPK的水平并不影响OS和RFS。总之，这些数据支持了NSCLC患者获益于二甲双胍辅助治疗的结论，是通过激活LKB1/AMPK信号通路来抑制mTOR。
二甲双胍通过一个AMPK独立的信号通路来改善NSCLC的预后
据报道，二甲双胍通过磷酸肌肽3激酶(PI3K)/ AKT/mTOR的生存通路在体内和体外靶向肝癌的初始细胞。在鳞状细胞肺癌中，PI3K/AKT/mTOR信号通路被异常激活，而这一信号通路的异常激活在鳞状细胞肺癌比在腺癌中更为常见。此外，在腺癌和表皮生长因子受体(EGFR)-激活突变的患者中，PI3K/AKT/mTOR信号通路的异常激活是EGFR酪氨酸激酶抑制剂(TKIs) 获得性耐药的一种机制。进一步的研究表明，在NSCLC中的PI3K/AKT/mTOR信号传导通路的激活会导致一种更有侵略性的形式和较差的预后。对PI3K/AKT/mTOR信号通路的抑制可能会克服NSCLC的放疗抵抗、化疗耐药和免疫逃避。二甲双胍可以通过胰岛素受体基质1(IRS-1)的磷酸化来阻止胰岛素样生长因子1胰岛素信号通路，抑制IRS-1/PI3K/AKT信号痛苦以阻止mTOR激活(图2)，因此，二甲双胍可以通过抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路来为NSCLC患者带来好处。
图2：二甲双胍直接和间接抑制NSCLC效果
图3：二甲双胍作用机制LKB1-AMPK-mTOR
5、二甲双胍用于NSCLC治疗
二甲双胍和靶向治疗
针对肺癌的靶向疗法的发展，中心是药物干预，以阻断EGFR轴信号通路。一些目前正在使用的EGFR-TKI抑制剂，包括吉非替尼(Iressa)和厄洛替尼(Tarceva)，它们能够阻止EGFR介导的增殖和抗凋亡信号通路。然而，经过约10个月的治疗，这些药物可能会因耐药而失去效力。TKI耐药主要与k-ras基因突变有关。TKI继发耐药原因包括:EGFR激酶域的第二位点突变(T790M)，其他激酶扩增(如MET)，NSCLC转换成小细胞肺癌和上皮间间质化(EMT)。当二甲双胍能够抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路时，使用二甲双胍和EGFR-TKI阻断剂可以对肿瘤产生协同增效作用。如前所述，PI3K/AKT/mTOR信号通路的异常激活是一种机制，使那些EGFR突变腺癌病人对EGFR-TKI抑制剂产生耐药性。二甲双胍治疗可以通过抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路来逆转EGFR-TKI的耐药性。李等报告说，当二甲双胍与一种EGFR-TKI抑制剂(gefitinib或erlotinib)联合治疗在体内和体外，抑制了的白介素-6/信号转导和转录激活因子(IL-6/STAT3)的信号通路，逆转了EMT，克服了NSCLC细胞的耐药性。2013年，一项涉及联合二甲双胍和吉非替尼治疗NSCLC患者的临床试验结果是一年无进展。
索拉非尼是一种新型的多靶点抗癌药物，可以抑制多种激酶，包括AMPK。索拉非尼有双重的抗肿瘤作用。当它与二甲双胍联合治疗NSCLC时，抗肿瘤AMPK信号通路激活或通过钙/钙-依赖激酶-激酶-2或通过LKB1激活。索拉非尼还能引起细胞溶质钙动员和线粒体钙的过载。因此，它可以促进线粒体ROS的产生，并导致肿瘤细胞死亡。值得注意的是，联合治疗的患者和索拉非尼单独治疗的患者的平均肿瘤体积和生长率都比较低。
二甲双胍和放射治疗是一种通过电离辐射的生物效应来摧毁肿瘤的方法。毛细血管扩张性共济失调(ATM)基因产生是信号传导级联的一部分，它对修复受损的DNA很重要，其突变可能导致电离辐射的敏感性。因此，NSCLC细胞的辐射敏感性或辐射耐药性程度取决于ATM。肺癌的放疗可以通过引起细胞周期G2-M的阻滞和细胞毒性来达到抗肿瘤的效果，通过激活ATM-AMPK-肿瘤蛋白p53(p53)/周期蛋白依赖激酶抑制因子1A(p21cip1)信号通路，减少AKT的磷酸化和抑制AKT-mTOR-真核转译起始因子4e结合蛋白1(4EBP1)。对辐射的抵抗与AMPK和AKT-mTOR信号通路有关。二甲双胍能够激活AMPK并抑制AKT-mTOR，使肺肿瘤对电离辐射敏感。Storozhuk等验证了二甲双胍可以抑制NSCLC生长和增强辐射敏感性通过ATM和AMPK。据报道，与二甲双胍和放疗联合治疗同时激活了ATM-AMPK-p53/p21cip1信号通路和抑制了AKT-mTOR-4EBP1信号通路。
患者每天服用850毫克至1,700毫克的二甲双胍，其持续浓度为7.8 μM。每日剂量为2.5-3.0g的二甲双胍没有明显的毒性，推荐剂量为850-1,700毫克的二甲双胍，在安全范围内。自2013年以来，就我们所知，有三项研究涉及使用二甲双胍和放射治疗来治疗NSCLC。这些试验根据实体肿瘤的反应评估无进展的生存率。
二甲双胍和化疗
顺铂是用于治疗NSCLC的最常用的化疗药物，它已被用于NSCLCEGFR野生患者的一线治疗。对顺铂的化学耐药与ROS的生产、IL-6的分泌和STAT3磷酸化有关。在NSCLC中，STAT3活化，可以通过过度表达抗凋亡蛋白(bcl-2蛋白1和骨髓细胞白血病1)、细胞周期调节蛋白(增强蛋白D1和c-myc)和VEGF来促进肿瘤的增殖、存活和血管生成。顺铂能够促进ROS的生成和STAT3的磷酸化。二甲双胍能够抑制顺铂诱导的ROS生成、STAT3磷酸化和自分泌的IL-6分泌，从而增强NSCLC对顺铂的化学敏感性。此外，二甲双胍能够改善顺铂对A549/CDDP细胞治疗效果。在大细胞肺癌 (NCI-H460)，二甲双胍协同顺铂或依托泊苷增加化疗药物的抗肿瘤效果。目前正在进行几项临床试验，以检验顺铂或卡铂与二甲双胍的疗效。使用顺铂或卡铂与二甲双胍治疗可能是NSCLC患者一种很有前途的治疗方法。
6、二甲双胍作为抗瘤辅助药物的安全性
之前对二甲双胍的安全性的研究，是针对2型糖尿病的治疗。已经报告了一些主要的不良反应是关于胃肠道反应，包括恶心、腹部不适和腹泻。这些症状通常是轻微的，可以治疗。目前，大规模的临床试验和荟萃分析还没有证据表明二甲双胍增加了乳酸酸中毒的风险。二甲双胍没有报道过肾脏毒性，但它是由肾脏排泄。这意味着二甲双胍可能会在肾损伤患者中积累，从而增加乳酸的风险。然而，二甲双胍诱导的肝毒性是罕见的。考虑到二甲双胍已经使用了> 50年及其副作用(包括低血糖发生率低,瞬态胃肠道反应)已经彻底调查,获益大于副作用,结论是, 用于治疗癌症的临床试验它是安全的。 |
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