代谢重编程是肿瘤的重要特征之一。肝脏是体内三大营养物质糖、脂质、氨基酸代谢的重要枢纽。肝细胞癌（HCC）中可呈现多种特征性代谢改变，如有氧糖酵解增加、脂肪从头合成增强、谷氨酰胺消耗和氧化代谢失衡等，从而为快速生长和增殖的肿瘤细胞提供能量和生物大分子合成原料。肿瘤代谢重编程过程受代谢酶活性改变、基因表达异常、信号转导通路失调等多因素调节。高通量代谢组学技术的进步为发现新的HCC生物标志物和代谢靶点提供了平台。深入研究HCC的代谢特征及调控机制对于以肿瘤代谢为靶点的新型抗代谢药物的研发至关重要。
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原发性肝癌是全球范围内高发病率和高致死率的恶性肿瘤之一。其中肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是其最常见的类型，由于侵袭性和异质性高，且传统治疗效果欠佳，预后极差。近年来，对恶性肿瘤的认知由"基因病"逐渐转变为"代谢病"，代谢重编程已被公认是肿瘤的十大特征之一。肝脏是三大物质代谢的重要枢纽器官，肝癌等肝脏疾病均可发生代谢异常，这为以代谢为切入点的肝癌诊治策略提供了前提条件。
某些代谢综合征，如肥胖、糖尿病和血脂异常等均与肿瘤发生发展有关。代谢改变构成了肿瘤生长、增殖和存活的选择性优势。肿瘤细胞代谢重编程的法则在于平衡细胞的能量需求和合成代谢，以满足肿瘤细胞快速持续增殖对能量、生物大分子合成和氧化还原的需求。
早在1924年Otto Warburg就已经认识到代谢改变是恶性肿瘤的潜在特征，并提出有氧条件下肿瘤细胞仍依赖于糖酵解途径供能，即"Warburg效应"。直至20世纪80年代，18F-脱氧葡萄糖PET-CT的临床应用掀起了肿瘤代谢转化研究的浪潮，肿瘤细胞旺盛的糖代谢需求是PET-CT成像的基础。此外，抗代谢化疗药物如氟尿嘧啶、甲氨蝶呤、吉西他滨等已在临床应用多年，尽管其不属于靶向药物，但均有明确的代谢靶点且疗效确切。肿瘤代谢研究的深入推动了肿瘤诊疗模式的进步。然而，目前人类对于肿瘤代谢的认知仅是冰山一角。近年来发现除糖代谢外，脂质、氨基酸和氧化代谢失衡等因素均参与肿瘤的恶变进程。肿瘤代谢重编程受代谢酶活性改变、基因表达异常、信号传导通路异常等多因素调节。肿瘤代谢调控机制的灵活性和复杂性为新型抗代谢药物的研发提供了无限可能。
代谢组学是一门新兴学科，是研究生物体内源性代谢物质的整体及变化规律的科学。生物体内微小的变化会放大表现为代谢物水平的变化，因而代谢组学能够更准确地反映机体稳态和内环境。代谢组学分析平台主要包括MRI和质谱检测系统。与MRI相比，质谱具有灵敏度、特异度及通量高等优势，可同时鉴定数百种代谢物。气相色谱-质谱、液相色谱-质谱、毛细管电泳-质谱等色-质联用技术进一步提高了代谢物检测的灵敏度、灵活性和普适性。
高通量代谢组学技术在HCC的早期诊断和预后判断等方面具有独特优势。一项采用气相色谱-飞行时间质谱的非靶标分析研究了健康人群、乙肝、肝硬化及肝癌患者的201例血清样品，共筛选出15个涉及能量代谢、大分子合成及氧化还原等方面的差异代谢物，用于肝癌不同发展阶段的早期识别[1]。另一项研究收集了二乙基亚硝胺诱导的肝癌小鼠模型的时间序列血清样品，采用毛细管电泳-质谱联用方法对极性代谢物进行分析，发现不同肝病阶段的与甲基化平衡相关的肌酸与甜菜碱比值不同，该结果在人群血清样品中得到进一步验证，该比值可从肝硬化人群中有效识别出包括小肝癌在内的肝癌患者，且与甲胎蛋白联用可进一步提高诊断效率，具有临床应用前景[2]。Luo等[3]采用液相色谱-质谱方法检测了1 448例包含健康人群、乙肝、肝硬化和肝癌在内的中国受试者的血清样品，筛选出苯丙氨酰-色氨酸和甘氨酸的肝癌代谢标志物组合，并证实其诊断灵敏度优于甲胎蛋白。一项采用气相色谱-质谱的方法分析了肝癌患者术前、术后7 d及健康人群的尿液，发现手术干预后能量代谢相关代谢通路均发生了变化；术后1年复发和未复发者的代谢特征也有明显不同，尤其是在糖酵解、氨基酸代谢及三羧酸循环等方面；并筛选出一系列组合标志物，如乳酸、乙醇胺、苯丙氨酸、乌头酸和核糖，可用于复发与未复发患者的识别[4]。
然而，随着进一步研究和临床转化的需求，高通量代谢组学在技术和分析策略层面仍面临诸多挑战。首先，长时间、大规模数量样品的检测对分析方法的稳定性和可靠性提出更高要求。其次，鉴于肝癌发病机制和遗传背景的多样性和异质性，肝癌标志物的发现和验证需要基于更大规模人群的研究，而目前大部分基于代谢组学平台的肝癌标志物研究样本量较小，缺少可靠的临床验证和大数据，这也成为肝癌代谢标志物临床转化的瓶颈。
肝脏作为糖、脂质、蛋白质三大营养物质代谢的枢纽器官，包括原发性肝癌在内的多种肝脏疾病均与代谢异常相关。如非酒精性脂肪性肝病是一种慢性肝病，从肝细胞内过多的甘油三酯积累及脂肪变性开始，经历非酒精性脂肪性肝炎，最后导致肝纤维化、肝硬化及原发性肝癌。另外，肥胖、2型糖尿病等代谢综合征也是原发性肝癌的危险因素。作为一种典型的代谢相关性肿瘤，HCC在糖代谢、脂质代谢、蛋白质代谢等方面均区别于正常肝组织，也与其他肿瘤有所不同。这些代谢差异为以肿瘤代谢为靶点的HCC治疗策略提供了理论基础。
正常细胞在有氧条件下主要通过糖酵解-三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）-氧化磷酸化途径消耗葡萄糖供能。HCC中葡萄糖摄取显著增加，糖酵解和乳酸生成更为活跃，乳酸盐/丙酮酸比例上升。即使在有氧条件下，肿瘤细胞仍依赖糖酵解作为主要的产能途径，这种现象称为"Warburg效应"。尽管这是一种低效的产能方式，但肿瘤细胞可以200倍于正常细胞的速度进行糖酵解以弥补低效的缺点，产生的大量代谢中间体可为肿瘤细胞快速生长和分裂提供生物合成原料。
多种糖酵解关键酶能够参与HCC的糖酵解和肿瘤发生发展过程，因而可作为潜在的代谢治疗靶点。人葡萄糖转运体家族定位于细胞膜，是一类能够转运葡萄糖进入胞内的蛋白质，其成员中，人葡萄糖转运体1在HCC中呈高表达且提示不良预后[5]，但目前仍缺乏特异性人葡萄糖转运体抑制剂。据报道特异性肝X受体激动剂TO901317、阿司匹林等能够抑制HCC中人葡萄糖转运体1活性发挥抗肿瘤作用。
己糖激酶是糖酵解的第一个限速酶，催化葡萄糖从稳定状态变为活跃状态，其中己糖激酶2与葡萄糖亲和力最高。HCC中己糖激酶2的表达上调，敲低己糖激酶2能够抑制糖酵解并促进三羧酸循环，抑制HCC细胞增殖且增加索拉非尼灵敏度[6]。据报道白藜芦醇、木香烃内酯、miR-603等均可抑制己糖激酶2的活性。
丙酮酸激酶是糖酵解最后一步的限速酶，催化磷酸烯醇丙酮酸和ADP合成丙酮酸和ATP，与己糖激酶和磷酸果糖激酶-1共同调节糖酵解流量。其低活性亚型M2型丙酮酸激酶有利于Warburg效应且与HCC的生长和不良预后有关。恢复丙酮酸激酶的高活性状态可作为一种治疗策略。黄酮类原花青素B2可通过抑制M2型丙酮酸激酶来抑制有氧糖酵解和HCC细胞增殖[7]。
乳酸脱氢酶催化丙酮酸转化为乳酸，在糖酵解和降低肿瘤细胞氧依赖性中发挥重要作用。其亚型乳酸脱氢酶A在HCC中多呈上调并促进肿瘤生长和转移[8]。血清乳酸脱氢酶水平可作为接受肝切除术和索拉非尼治疗HCC患者的预后和疗效预测标志物。阻断乳酸脱氢酶可抑制HCC的生长和转移。目前尚无高特异性乳酸脱氢酶抑制剂进入临床应用。
三羧酸循环并非HCC细胞的主要供能方式，该循环的中间产物亦可用于生物合成途径。ATP柠檬酸裂合酶在辅酶A和ATP存在的条件下，催化柠檬酸裂解成乙酰辅酶A和草酰乙酸，前者为脂质合成的前体。另外研究发现HCC线粒体中柠檬酸被大量转运至胞浆用于合成胆固醇。三羧酸循环的其他中间产物，如草酰乙酸和α-酮戊二酸等也可用于合成非必需氨基酸。此外，三羧酸循环相关酶如琥珀酸脱氢酶、富马酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶也与HCC的预后相关。多种以三羧酸循环为靶点的特异性小分子化合物处于临床前研究阶段。
糖异生是肝细胞的必需代谢过程，也是糖酵解的相反过程，在肝癌中往往被抑制。胞质型磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1是糖异生的限速酶，在HCC中表达下调并提示预后不良。研究发现，过表达其编码基因可启动糖异生过程并抑制HCC的生长和转移[9]。果糖-1、6-双磷酸酶作为糖异生的限速酶，其在HCC中的下调可导致糖异生受损和有氧糖酵解增强，并与肿瘤进展和不良预后有关[10]。
近年来研究发现肥胖以及非酒精性脂肪性肝病等代谢综合征能够增加HCC的发病风险。因此，脂代谢重编程也在HCC的发生发展中发挥重要作用，主要表现为脂肪酸从头合成（de novo lipogenesis，DNL）增加和脂肪酸氧化下降。
HCC中脂肪酸DNL水平显著上调，伴有多种酶和调控因子表达异常。乙酰辅酶A羧化酶能够催化乙酰辅酶A生成丙二酰辅酶A。代谢应激条件下乙酰辅酶A羧化酶1可促进DNL和HCC细胞存活且与不良预后有关[11]。动物模型中肝脏特异度乙酰辅酶A羧化酶抑制剂ND-654可通过模拟乙酰辅酶A羧化酶磷酸化抑制DNL和HCC生长[12]。然而，双重敲除肝脏特异性乙酰辅酶A羧化酶1和乙酰辅酶A羧化酶2可导致肝脏抗氧化能力增强并促进HCC发生[13]。这表明乙酰辅酶A羧化酶在HCC中的功能可能因不同异构体、磷酸化状态和微环境而有所差异，有待于更深入的研究。
脂肪酸合成酶催化乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A生成长链脂肪酸，对于脂肪酸DNL及HCC的发生发展至关重要，其高表达提示预后不良[14]。基因敲除和多种药物（如二甲双胍、塞来昔布）均可在体内外下调脂肪酸合成酶活性并抑制HCC生长[15,16]。目前脂肪酸合成酶抑制剂尚未进入临床，第一代脂肪酸合成酶抑制剂在临床和临床前研究中显示毒性显著。组蛋白去乙酰化酶3抑制剂可使脂肪酸合成酶蛋白质乙酰化不稳定并抑制DNL和HCC生长，可作为靶向脂肪酸合成酶的新策略[17]。此外，天然植物提取物如咖啡白醇、单宁酸可抑制脂肪酸合成酶活性发挥抗肿瘤作用。
DNL产生的饱和脂肪酸通过硬脂酰-辅酶A去饱和酶转化为单不饱和脂肪酸。硬脂酰-辅酶A去饱和酶活性与HCC患者临床分期、预后和索拉非尼耐药有关[18]，并参与维持HCC细胞干性[19]。硬脂酰-辅酶A去饱和酶终产物油酸的累积可通过PI3K/Akt通路促进HCC发生。硬脂酰-辅酶A去饱和酶产生的不饱和脂肪酸可稳定Lrp5和Lrp6 mRNA并扩增Wnt信号，导致HCC的生长[20]。因此，靶向硬脂酰-辅酶A去饱和酶使脂肪酸平衡转向饱和脂肪酸可作为HCC的治疗策略之一。
甾醇调节元件结合蛋白1是调控多种DNL关键酶的转录因子。HCC中甾醇调节元件结合蛋白1介导的脂肪酸DNL显著上调[21]。体外抑制甾醇调节元件结合蛋白1表达可导致HCC细胞生长停滞和凋亡[22]。尽管目前尚无直接靶向甾醇调节元件结合蛋白1的药物。阻断甾醇调节元件结合蛋白1剪切激活蛋白以及天然化合物白桦脂醇、RA-Ⅻ等均可下调甾醇调节元件结合蛋白1活性抑制HCC生长[22,23,24]。
除为细胞生长提供磷脂和信号分子外，脂肪酸还可以发生脂肪酸氧化。与其他肿瘤相反，HCC中观察到脂肪酸氧化及其调控酶的水平下调。HCC组织中肉毒碱棕榈酰转移酶2的mRNA和蛋白表达均下调且肉酰穿梭系统受抑制，饱和长链酰基肉碱增加，而短链和中链酰基肉碱减少，表明HCC中β氧化效率下降[25]。肉毒碱棕榈酰转移酶2下调介导的脂质代谢重编程不仅能够使HCC细胞逃避脂毒性，还能通过促进酰基肉碱的积累促进HCC生长[26]，并可导致对顺铂耐药[27]。此外，脂代谢重编程对HCC适应缺氧微环境极其重要。正常氧条件下增强脂肪酸氧化并不影响HCC的增殖水平，而缺氧条件下缺氧诱导因子1介导的脂肪酸氧化下调可促进HCC细胞的增殖。
蛋白质代谢在维持肝脏功能方面具有重要作用。白蛋白约占所有肝脏合成蛋白质的40%，其水平降低与HCC患者的肿瘤最大径较大、病灶多、门静脉癌栓和甲胎蛋白水平高等不良临床因素有关[28]。此外，HCC中的非必需氨基酸代谢与其他肝脏疾病有所不同。非必需氨基酸合成增加是糖代谢重编程的结果，有氧糖酵解导致葡萄糖消耗增加，非必需氨基酸可作为葡萄糖前体或糖酵解酶的激活剂。HCC患者血浆中的丙氨酸、丝氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和谷氨酸的水平显著增加，而支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸）和芳香族氨基酸（酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸）水平较低。
谷氨酰胺是人体中最丰富的支链氨基酸。在丙酮酸被大量转化为乳酸的情况下，谷氨酰胺回补三羧酸循环对于生物大分子的合成至关重要。谷氨酰胺代谢与HCC发生发展和索拉非尼耐药密切相关[29]。抑制谷氨酰胺依赖的雷帕霉素靶蛋白复合体1活化可抑制β-catenin突变导致的HCC细胞增殖和存活[30]。谷氨酰胺经摄取后由谷氨酰胺酶催化生成谷氨酸。谷氨酰胺酶1在HCC中高表达并与不良预后有关，靶向谷氨酰胺酶1通过增加活性氧积累并抑制Wnt/β-catenin途径可降低HCC细胞干性[31]。谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨合成谷氨酰胺，参与肝脏的氨解毒、氮平衡和pH值调节过程。HCC中还观察到谷氨酰胺合成酶过表达，抑制谷氨酰胺合成酶活性可改善β-catenin突变HCC细胞的谷氨酰胺成瘾[32]。目前已研发出多种靶向谷氨酰胺代谢的抑制剂，部分已进入临床。其中，L-天冬酰胺酶已用于治疗白血病和淋巴瘤近30年，但其免疫原性限制了在其他肿瘤中的应用。选择性谷氨酰胺合成酶1变构调节剂双-2-（5-苯基乙酰氨基-1、2、4-噻二唑-2-基）乙基硫醚可抑制谷氨酰胺依赖性肿瘤细胞的增殖。新型口服谷氨酰胺合成酶1变构抑制剂已进入一期临床试验。最近研究结果显示，预防性补充L-谷氨酰胺能够预防HCC患者索拉非尼治疗相关的手足综合征[33]。
丝氨酸合成代谢是糖酵解所维持的合成代谢和肿瘤发生发展的重要途径。肿瘤细胞糖酵解产生的约10%的3-磷酸甘油酸依次在多种酶作用下生成丝氨酸，进而参与一碳代谢和谷胱甘肽生成。在葡萄糖及谷氨酰胺缺失条件下，HCC细胞中的丝氨酸合成代谢显著活化，通过促进谷胱甘肽和核酸合成参与肿瘤进展，其中磷酸丝氨酸磷酸酶异常表达与HCC患者的不良预后显著相关[34]。磷酸甘油酸脱氢酶可通过增强组蛋白甲基化促进HCC细胞增殖[35]。靶向丝氨酸合成代谢的抑制剂仍处于临床前研究阶段。
当活性氧的生成超过细胞正常抗氧化能力时会发生氧化应激。活性氧分子的半衰期较短且活性强，可迅速与细胞内生物分子发生反应并生成氧化修饰产物导致细胞损伤和死亡。氧化损伤是HCC发生发展过程中的关键环节。其中，氧化应激与丙肝病毒感染和非酒精性脂肪性肝炎导致的HCC密切相关。
谷胱甘肽是肝细胞中最丰富的抗氧化剂，其由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸在细胞内合成，多存在于细胞质和线粒体中。在抗氧化过程中，还原形式的谷胱甘肽被氧化成谷胱甘肽二硫化物二聚体。其还原形式的再生需要谷胱甘肽还原酶和还原当量NADPH+H+。HCC患者血清中与谷胱甘肽合成相关的氨基酸和葡萄糖-6-磷酸显著增加，葡萄糖-6-磷酸是谷胱甘肽生成NADPH的重要来源[36]。HCC中DNA和脂质氧化损伤的代谢产物8-羟基脱氧鸟苷和4-羟基壬烯醛水平也显著升高[37]。此外，代谢组学分析发现HCC患者血清中黄嘌呤、2-羟基丁酸的升高可能也与氧化损伤有关。
目前多数代谢研究聚焦于糖代谢和谷氨酰胺代谢，然而肿瘤细胞还可利用含硫氨基酸、必需氨基酸、胆碱、微量金属和维生素等营养素。其中，含硫氨基酸中半胱氨酸在肝癌等肿瘤中消耗量增加，参与谷胱甘肽、铁硫簇的合成并释放硫化氢，具体功能尚未明确。微量金属和维生素多作为各种酶的辅助因子，如抗坏血酸作为α-酮戊二酸依赖性双加氧酶的辅因子参与DNA甲基化；肿瘤细胞中铜水平的增加可参与ERK通路活化等过程。体内微生物群也可产生大量的广谱代谢物，其与疾病关系的研究方兴未艾。此外，肿瘤微环境中免疫细胞及代谢物改变也参与肿瘤的发生发展。上述代谢因素在肿瘤代谢途径中的作用复杂，是十分有前景的肿瘤代谢研究领域。此外，随着高通量代谢组学技术的进步，绘制肿瘤早期代谢变化图谱成为可能，有望提供更多的非侵入性肿瘤早期预测标志物和潜在治疗靶点。
然而，肿瘤代谢治疗尚处于起步阶段，仍然面临着严峻的挑战。其一，难以达到治疗窗口。由于正常细胞和肿瘤细胞可依赖相同的代谢途径，干预肿瘤代谢可能会对正常组织产生毒性。降低剂量、联合其他抗肿瘤治疗或者选择性干预肿瘤特异性代谢途径或许有助于克服以上难题。其二，耐药性的出现。由于肿瘤代谢网络具有高度可塑性和复杂性，抑制单个酶促步骤可能由于其他代谢通路的回补难以达到满意效果。靶向代谢偶联有望成为更有效的抗代谢治疗策略。其三，肿瘤的代谢异质性。同种肿瘤的不同亚型和发展阶段以及原发灶和转移灶之间均存在代谢异质性，且肿瘤进展产生新的突变可导致代谢途径的改变。基因组学和代谢组学的整合可能是一种更有效的研究策略。
代谢重编程是肿瘤的重要特征，靶向肿瘤代谢是未来抗肿瘤治疗的发展趋势。肝癌作为一种典型的代谢性疾病，其代谢变化及调控机制极其复杂，目前尚未完全明确。随着研究技术的进步及数据库的完善，针对肝癌代谢机制的深入研究有望为抗代谢治疗策略开启新的大门。
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