二甲双胍：以细胞能量代谢为基础的抗肿瘤机理研究进展

Metformin: Progress in Research on Antitumor Mechanisms Based on Cellular Energy Metabolism

摘要: 恶性肿瘤的发病率与死亡率持续攀升，该病症已成为引发慢性非传染性疾病死亡的重要因素之一。当前，针对此类疾病的治疗措施尚存局限。二甲双胍作为一种药物，已证实能够降低2型糖尿病患者罹患肿瘤的风险，并且初步展现出在减少肿瘤复发、转移及死亡方面的潜力。此外，二甲双胍在抗肿瘤领域的潜在应用也日益受到关注，其效用可能与细胞能量代谢的调控机制密切相关。本文将从能量代谢的视角切入，深入探讨二甲双胍在肿瘤治疗中的应用及其潜在的抗肿瘤作用机制。

Abstract: The incidence and mortality rate of malignant tumors continue to rise, and this disease has become one of the important factors causing death from chronic non-infectious diseases. Currently, treatment measures for such diseases still have limitations. Metformin, as a drug, has been shown to reduce the risk of developing tumors in patients with type 2 diabetes and has initially demonstrated its potential in reducing tumor recurrence, metastasis and death. In addition, the potential application of metformin in the anti-tumor field has also attracted increasing attention, and its effectiveness may be closely related to the regulatory mechanism of cellular energy metabolism. This article will explore in depth the application of metformin in tumor treatment and its potential anti-tumor mechanism from the perspective of energy metabolism.

1. 引言

近年来，随着恶性肿瘤的发病率和死亡率的显著增长，它已成为导致慢性非传染性疾病致死的主要原因之一，严重阻碍了人类寿命的延长。根据全球癌症流行病学数据库2023年的报告，2020年全球恶性肿瘤新增病例高达1929万，中国为457万，占全球总数的23.7% [1]。目前常规的恶性肿瘤治疗方法有外科手术、放射治疗、化疗、免疫治疗及靶向治疗等，目前恶性肿瘤的治疗方法是恶性肿瘤的治疗方法。尽管治疗效果有所改善，但这些方法仍面临医疗资源大量消耗、治疗效果有限和毒副作用明显等问题。因此，开发一种新型的肿瘤治疗方案，效率更高，安全性更高，经济性更强，实用性更强，是当务之急。

二甲双胍，化学式为C4H11N5，是一种从豆科植物山羊豆中提取的天然化合物，发现至今已超过六十年。具有生理条件下的正电荷，作为一种亲水性的双甲鱼。二甲双胍降血糖的机制包括抑制肝糖异生、促进脂肪酸氧化、提高胰岛素敏感性、促进外周葡萄糖的摄入等，其中的作用包括抑制肝糖异生(目前，它已被广泛视为治疗2型糖尿病(T2DM)的首选药物) [2]。近年来，除了降糖效果外，二甲双胍的其他生物学效应也逐渐被发现，如改善脂质代谢、减轻体重、抗衰老、保护大脑功能、减缓认知能力下降以及降低痴呆风险[3]。二甲双胍在2005年的研究中首次表明，在医学界引起了浓厚的兴趣，二甲双胍能够降低2型糖尿病患者的肿瘤发生率。由于肿瘤细胞的代谢特征与正常细胞显著不同，考虑到二甲双胍的降糖和抗肿瘤作用可能都与细胞能量代谢的改变有关，本研究试图从细胞能量代谢的角度探讨二甲双胍的抗肿瘤机制，目的是更深入和全面地理解其抗癌作用，并为肿瘤的临床治疗提供新的思路。

2. 肿瘤细胞代谢特点

健康细胞中，能量的产生主要依赖于保证细胞生命活动正常进行的氧糖酵解和氧化磷酸化两个生物化学过程。有氧糖酵解是一系列酶催化的反应，它将葡萄糖分解成丙酮酸，在此过程中，每摩尔葡萄糖可生成2摩尔的三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate, ATP)。而氧化磷酸化通过丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoA，进入三酰酸循环(TCA)将代谢产物脱氢并传递电子给氧，最终形成二氧化碳(CO₂)和水，此过程每摩尔葡萄糖可产生30或32摩尔的ATP。当氧气供给充足时，细胞发生糖酵解，将葡萄糖转化为TCA循环发生线上粒体中的丙酮酸，再经过氧化磷酸化，生成足够的ATP，使细胞得以维持生长和代谢。但是，丙酮酸在氧气不足的情况下，在细胞质机制中，会被乳酸脱氢酶催化，使氢气还原成乳酸。

肿瘤细胞显示出葡萄糖能量代谢的特性，不同于正常细胞。早在1924年，德国生理学家Otto Warburg就观察到肿瘤细胞会将其能量代谢通路重新组织起来，并出现特异性的变化。即使是在有氧条件下，肿瘤细胞仍选择用无氧酵解分解葡萄糖为乳酸，称为Warburg效应(Warner, Ernger Effect)，是肿瘤细胞代谢重编程的显著标志[4]。这种有氧糖酵解并非由于肿瘤细胞线粒体功能受损导致葡萄糖ATP产量低下所致，而是可能与线粒体功能缺陷和障碍、肿瘤微环境中的低氧状态、以及原癌基因代谢信号通路相关酶的异常表达等因素有关[5]。

在无氧条件下，葡萄糖通过乳酸发酵途径代谢，其ATP产出量比有氧条件下氧化磷酸化途径产生ATP的过程明显减少，从原来每摩尔葡萄糖产生30~32摩尔ATP下降到只有2摩尔ATP。但是，无氧糖比有氧代谢快10~100倍的酵解速度。尽管两种代谢途径在单位时间内产生的ATP总量存在差异，但长期来看，它们在一定时间内产生的ATP总量可能相近。在肿瘤微环境中，鉴于葡萄糖供给的有限性，有限的葡萄糖资源不得不被肿瘤细胞与正常细胞竞争。在此背景下，作为一种快速且能量转化效率较低的产能途径，有氧酵解能够满足肿瘤细胞在快速增殖过程中对能量的需求[6]。

在氧化环境中，糖酵解过程不仅生成ATP以保障细胞在紧急状态下维持其稳态，同时为细胞提供了关键的中间代谢产物，这些产物是细胞合成代谢的必需物质，能够参与多种生物合成途径[7] [8]。中间产物包括6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate)、6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate)以及3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde-3-phosphate)。3-磷酸甘油醛可以通过磷酸戊糖途径中的基团转移反应阶段转换为5-磷酸核糖，它还参与核苷酸的代谢，是核酸从头合成途径中一个重要的前体分子。此外，在体内合成非必需氨基酸的原料可采用3-磷酸甘油、磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸三种药物。糖类的无氧氧化代谢途径产生的乳酸，能够被间质细胞和肿瘤细胞重新摄取，并经历进一步的完全氧化过程[9]。

据此，体内糖酵解水平的提高被认定为恶性肿瘤的重要标志之一[10]，肿瘤的细胞凋亡、细胞自噬、细胞增殖、细胞免疫反应、化疗耐药、细胞生长、转移以及患者的预后等均受其影响，已有研究证实，糖酵解过程的抑制能够加强肿瘤化疗效果，提高免疫治疗的疗效。如糖酵解关键酶自身糖激酶的小分子抑制剂2-脱氧葡萄糖(2-Deoxyglucose, 2-DG)，通过降低细胞内ATP水平来调节糖酵解代谢，同时提高细胞对l、3-双(2-氯乙基)-1-亚硝基脲(亚硝基脲类新型抗癌药)的敏感性[11]。PD-L1 (肿瘤细胞程序性死亡配体1)的表达被糖代谢抑制剂PFK-015上调。试管鳞状细胞癌可以通过与帕博利珠单抗注射液、注射用卡瑞利珠单抗以及替雷利珠单抗注射液等免疫检查点抑制剂的联合使用来提升治疗效果[12]。这些针对细胞糖酵解代谢通路设计的肿瘤辅助治疗药物，能显著改善传统经典化疗药物对肿瘤细胞的抵抗能力，显示出其肿瘤临床应用的潜在前景。

3. 二甲双胍抗肿瘤机制与肿瘤治疗

目前大量的研究显示，二甲双胍可能在肿瘤治疗中扮演重要角色，而二甲双胍是一种常见的2型糖尿病治疗药物。单独使用或与其他治疗方法如放化疗结合时，二甲双胍显示出能够减少多种肿瘤(包括肺癌[13]、乳腺癌[14]、结直肠癌[15]、前列腺癌[16]、胃癌[17]、肝癌[18]、胰腺癌[19]、肾癌[20]、膀胱癌[21]、卵巢癌[22]、白血病[23]、黑色素瘤[24]、子宫内膜癌[25]及神经胶质瘤[26])的复发风险、转移可能性、与肿瘤相关的死亡风险以及总体死亡风险[27]。此外，二甲双胍已被发现能够减少甚至逆转肿瘤的多重耐药性[28]。有研究指出，二甲双胍可以通过激活磷脂酰肌醇3激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(PI3K/MTOR)信号传导通路来改变肿瘤细胞的耐药性特征，从而恢复对传统化疗药物产生耐药的肿瘤细胞的敏感性[29]，尤其是在乳腺癌治疗领域。从而使这些细胞对5-氟尿嘧啶、阿霉素、紫杉醇等化学治疗药物重新敏感起来[30]。研究揭示，在食管鳞状细胞癌患者接受放射治疗的同时辅以二甲双胍治疗，其预后状况得到了显著的改善[31]。这一结果暗示二甲双胍可能在提高患者生存率方面具有潜在的积极作用。研究显示，二甲双胍还可能对肥胖者在预防乳癌和子宫内膜癌方面起到积极作用[32]，同时也有助于减少直肠息肉病人发展为直肠癌的风险[33]。尽管如此，在中国，二甲双胍尚未被正式批准用于治疗非糖尿病疾病。

多项科学研究表明，二甲双胍具有显著降低肿瘤风险的潜力，进一步研究发现，服用二甲双胍能够改善病人的生存状况，并使已经患有肿瘤的病人延长生存期。这一发现使肿瘤患者看到了新的希望，对临床治疗有了新的想法。一项对2型糖尿病(T2DM)患者进行了长达5.8年的跟踪随访研究显示，接受二甲双胍治疗的患者相较于未接受该治疗的患者，其肿瘤发生风险显著降低了49% [34]。Sonnenblicka研究组的研究成果揭示了使用二甲双胍对肿瘤病人的总生存期有显著的积极影响[35]，LandmanGW研究组的研究也显示使用二甲双胍可以显著降低肿瘤相关的病死率[36]。另一项胰腺癌荟萃分析研究揭示了二甲双胍对胰腺癌晚期患者并伴有转移，但其预后并无改善迹象对胰腺癌早期患者的预后改善有显著效果[37]。所以对于胰腺癌晚期患者来说，常规剂量的二甲双胍有不明确的疗效。这或许与胰腺癌晚期病人转移研究对象有关。常规剂量的二甲双胍似乎没能明显提高晚期胰腺癌患者的总体生存率，因为胰腺癌具有进展快、死亡率高、化疗效果差以及预后不良等特点，尤其是晚期患者预后更为严重。

近年来的临床研究表明，二甲双胍在多种肿瘤治疗中显示出潜在的疗效。例如，加拿大哥伦比亚大学的研究人员分析了4951名被诊断患有卵巢癌的患者，有711名参与者患有糖尿病，二甲双胍的使用与卵巢癌生存率提高29%相关，与浆液性卵巢癌生存率提高27%相关[38]。二甲双胍的安全性和耐受性良好，即使在非糖尿病患者中单独使用也不增加低血糖的发生风险。其胃肠道反应多为一过性，不会导致肾脏损害，长期使用不增加高乳酸血症和乳酸酸中毒的风险。此外，二甲双胍还可能通过改善肿瘤病灶内的免疫微环境而使食管鳞状细胞癌患者获益[39]。

在联合应用方面，二甲双胍与化疗药物的联合使用显示出增效减毒的潜力，并可能提高患者生存率。例如，二甲双胍与曲妥珠单抗的联合使用在高糖酵解水平时，对乳腺癌治疗中显示出协同效应[40]。这些研究为二甲双胍在肿瘤治疗中的潜在应用提供了科学依据，但具体的机制仍需进一步的研究来阐明。尽管如此，也有研究指出二甲双胍在某些情况下可能未能证明其抗癌效果，如在一项三期随机临床试验中，3600名高危可手术乳腺癌患者随机使用二甲双胍或安慰剂进行辅助治疗，结果显示添加二甲双胍进行辅助治疗并不能改善无病生存期[41]。因此，对于二甲双胍抗肿瘤的临床应用有待于进一步的研究和探索。

4. 二甲双胍与肿瘤细胞能量代谢

在体内和体外的研究中，研究者观察到二甲双胍对肿瘤细胞的生长和增殖有显著的抑制作用。该效应的潜在机制可能与线粒体复合物I-活性在二甲双胍中的抑制作用有关。线粒体复合物I作为细胞能量代谢的关键组分，其活性的减弱可能导致细胞能量供应的降低，进而抑制肿瘤细胞的生长。鉴于二甲双胍的高极性特性，其在细胞内的摄取过程依赖于膜转运蛋白。作为二甲双胍摄取到细胞内的关键转运蛋白，有机阳离子转运蛋白(organic cation transporters, OCTs)有三个亚型[42]。在肝脏中，有机阳离子转运蛋白1 (OCT1)的表达占据主导地位，这使得肝脏成为二甲双胍发挥其药理作用的核心器官。有机阳离子转运蛋白2 (OCT2)主要在肾小管细胞中表达，并与二甲双胍的排泄过程有着密切的关系。有机阳离子转运蛋白3 (Oct3)具有更广泛的表达范围，涉及骨骼肌、心、脑、胰、肝等多个组织。经口服后二甲双胍被吸收，进入血液循环，再经门静脉系统进入肝脏，经门静脉系统进入后，二甲双胍会被吸收进入血液循环中。由于肝脏细胞对OCT1的高度表达，肝脏成为二甲双胍的主要目标器官，起到药理的作用。二甲双胍在细胞内部的作用机制主要集中在线粒体层面，具体而言是通过抑制线粒体电子传递链的复合物I，从而导致合成腺苷三磷酸(ATP)的量下降。这一生物化学过程通过削减细胞的能量供应，使肿瘤细胞陷入能量应激状态，从而更容易诱导其发生凋亡。与此同时，细胞内ATP合成的减少也引发了腺苷单核苷酸(AMP)与ATP的比率上升，AMPK随后被激活。作为能量传感器，AMPK会通过它的下游信号通路被激活，在细胞能量水平降低的情况下，肿瘤细胞的增殖也会得到进一步的抑制。此外，活性氧的主要生成部位是线粒体呼吸链，而二甲双胍能有效地减少内源性活性氧(active oxygen, ROS)的生成，从而降低氧化应激水平和潜在的DNA损害，通过抑制线粒体呼吸链的复合物I。值得注意的是，长期接受二甲双胍治疗的患者，展现出了类似于热量限制所带来的效果，具体体现为肿瘤发病率的下降以及生命延长。这一现象的潜在机制可能与二甲双胍对线粒体复合物I的抑制作用、ATP及ROS生成的减少、氧化应激状态的改善，以及通过激活AMPK通路来调节能量代谢平衡等多种生物学过程密切相关[43]。

关于二甲双胍在肿瘤细胞糖酵解中的作用目前学术界仍存争论：二甲双胍对肿瘤细胞糖酵解作用的影响。部分研究者指出，鉴于二甲双胍具有抑制线粒体呼吸链的功能，这一作用会导致ATP的生成量减少，从而诱发能量应激状态。在这种情况下，机体可能会通过增强糖酵解过程来进行，以应对能量供给不足的问题[44]。虽然已有研究观察到AMPK激活在特定细胞类型中对糖酵解过程有促进作用[45]，但另有研究也揭示了AMPK在无氧糖酵解的负向调控和肿瘤增殖的抑制作用[46]。从长期来看，通过增加线粒体的生物合成过程，有效地重新强化氧化磷的酸化作用，可以使AMPK的激活得到有效的恢复。同时，它还能通过抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1 (mammalian target of rapamycin complex 1, mTORC1)的活性，降低缺氧诱导因子1α (hypoxia-inducible factor 1α)。HIF-1α的表达水平，在相关研究中得到了证实[47]。值得注意的是，HIF-1α已被科学验证为促进糖酵解相关酶基因表达的关键因素[48]。因此，AMPK通过抑制mTORC1进而降低HIF-1α，可以抑制糖酵解过程。HIF-1α及其下游糖酵解相关基因在AMPK缺乏小鼠模型中表达的升高，也为AMPK抑制糖酵解的观点提供佐证[49]。体外实验研究揭示，二甲双胍通过抑制HIF-1α基因的表达，抑制了葡萄糖转运体(glucose transporte) GLUT1、GLUT3的表达，同时也抑制了糖酵解相关酶的表达，从而起到抑制作用[50]。该发现提供了一个新的视角来抑制肿瘤生长的二甲双胍的潜在机制。

亦有研究揭示，二甲双胍能够通过抑制糖无氧代谢途径的重要酶，例如乳酸脱氢酶(Lactate dehydrogenase, LDH)的活性，从而抑制糖酵解过程[51]。大多数肿瘤细胞代谢特征符合Warburg效应，二甲双胍能够抑制肿瘤细胞增殖的具体机制通常被认为是通过抑制无氧代谢从而逆转Warburg效应。在临床抗肿瘤的实际应用中，二甲双胍面临的一项关键挑战在于，当前体内与体外研究所采纳的二甲双胍浓度普遍显著高于临床常规剂量所能实现的水平。这种高浓度的使用可能会带来一些潜在的副作用和风险，从而限制了其在临床应用中的广泛使用。因此，可能会显著提高肿瘤细胞对二甲双胍的敏感性，进而有效降低实施二甲双胍干预所需浓度，进一步扩大其临床应用潜力，改善治疗效果，将二甲双胍与糖酵解抑制剂联合应用。通过这种联合用药的方式，可以在较低的二甲双胍浓度下，达到更好的抗肿瘤效果，从而减少副作用和风险，提高患者的耐受性和治疗效果。这种联合用药策略不仅有望提高二甲双胍在抗肿瘤治疗中的应用范围，还可能为其他抗肿瘤药物的开发提供新的思路和方向。

二甲双胍具备改善高血糖症与胰岛素抵抗的效能，进而有效缓解继发性高胰岛素血症，并以此机制间接实现抑制肿瘤细胞生长的效果[52]。还可降低胰岛素样生长因子1 (Insulin-like growth factor 1, IGF-1)水平，使其抗肿瘤作用进一步增强。此外，二甲双胍还能对肿瘤细胞增殖产生抑制作用，这些综合作用机制共同赋予了包括抑制炎症反应、促进细胞周期阻滞、诱导细胞自噬、调节miRNAS的表达等在内的二甲双胍在抗肿瘤领域具有显著的疗效[53]。能量代谢及其变化在二甲双胍的抗肿瘤机制中占据着举足轻重的地位，这说明在抑制肿瘤细胞生长方面，二甲双胍不仅可以通过调节高血糖症和胰岛素抵抗直接实现，还可以通过多种复杂机制间接影响肿瘤细胞的生长，进而发挥其抗肿瘤的作用。

5. 结语与展望

尽管二甲双胍在肿瘤治疗领域的临床研究结果表现出一定的异质性，但大量体内外实验研究已明确证实，二甲双胍可以多种机制抑制肿瘤的生长与增殖，这些机制涉及肿瘤细胞能量代谢的干扰、细胞凋亡的诱导、肿瘤血管生成的抑制以及免疫反应的调节等。在二甲双胍发挥抗肿瘤作用的过程中，关键分子或信号通路的改变可能对二甲双胍的抗肿瘤效果产生显著影响，AMPK和mTORC在细胞能量代谢和生长调控中扮演着关键角色，它们亦是二甲双胍的主要作用靶点。因此，在未来的研究与临床应用中，可考虑在二甲双胍结合针对AMPK、mTORC1或其他关键代谢调控信号分子的靶向药物联合使用，旨在实现抗肿瘤效果的协同增强。

此外，鉴于糖酵解在肿瘤细胞能量代谢中的核心地位，以及二甲双胍对糖酵解过程的抑制作用，深入研究二甲双胍对糖酵解的具体作用机制显得尤为关键。通过揭示这些机制，我们能够更深入地理解二甲双胍如何影响肿瘤细胞的能量代谢，并在此基础上探索二甲双胍与其他糖酵解抑制剂的联合应用。这种联合治疗策略有望优化临床应用，进一步提升肿瘤生长抑制效果，为肿瘤患者提供更多的治疗选择和希望。

NOTES

^*通讯作者。