神经外科

二甲双胍通过SHH通路对髓母细胞瘤抑制机制的研究进展

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2022-09-21
导读

         髓母细胞瘤(medulloblastoma,MB)是儿童常见的颅内恶性肿瘤,占儿童颅内肿瘤的10%~20%,15岁以下儿童年发病率约为5/100000,成年人偶发。MB多发于后颅窝的小脑蚓部及第四脑室,可导致小脑功能障碍和颅内压升高,患者可出现恶心、呕吐、头痛、行为改变、共济失调和眼球震颤等症状。 MB恶性程度高,生长迅速、易早期转移、术后易复发,总体预后不佳。通过手术、放化疗等治疗,MB患者5

关键字:  二甲双胍 

        髓母细胞瘤(medulloblastoma,MB)是儿童常见的颅内恶性肿瘤,占儿童颅内肿瘤的10%~20%,15岁以下儿童年发病率约为5/100000,成年人偶发。MB多发于后颅窝的小脑蚓部及第四脑室,可导致小脑功能障碍和颅内压升高,患者可出现恶心、呕吐、头痛、行为改变、共济失调和眼球震颤等症状。

        MB恶性程度高,生长迅速、易早期转移、术后易复发,总体预后不佳。通过手术、放化疗等治疗,MB患者5年生存率可达70%~85%,但因长期接受放化疗,患者生存质量低下。此外,3岁以下MB患儿预后较差,仍是临床治疗的难点。Hedgehog信号通路最早由NussleinVolhard和Wieschaus在果蝇中发现。

        在哺乳动物中,根据配体不同Hedgehog被分为SonicHedgehog(SHH)、IndianHedgehog(IHH)和DesertHedgehog(DHH),其中对SHH信号通路的研究最多。在哺乳动物中,SHH信号通路参与胚胎发育过程中细胞的增殖分化及神经系统的形成,胚胎期后仅参与部分组织的维持和修复。SHH信号通路的异常激活会导致MB在内的多种肿瘤发生,针对SHH信号通路的抗癌靶向药也成为目前研究的热点。

        二甲双胍是一种治疗Ⅱ型糖尿病的口服降血糖药物。早期研究发现在长期服用二甲双胍的Ⅱ型糖尿病人群中乳腺癌、前列腺癌等恶性肿瘤的发病率降低,生存期明显延长。随后,人们发现其对包括MB在内的多种肿瘤具有一定疗效,其抗癌作用成为研究的热点。在SHH型MB中,二甲双胍主要通过激活AMPK而直接和间接抑制Gli1的转录活性以抑制SHH信号通路,对MB有潜在的治疗作用。

1.SHH信号通路在MB中的异常激活

        随着分子生物学的发展,MB被分为4种亚型:WNT型、SHH型、第3组型和第4组型。不同亚型表现出巨大的遗传学和生物行为学差异,为靶向治疗提供了依据。SHH型约占MB的30%,发病率在年龄上呈双峰分布(多发于<5岁和>16岁人群),病理上多为经典型和促纤维增生/结节型MB,5年生存率约为70%。

        SHH通路中的基因异常激活可导致MB的发生和进展。SHH信号通路主要由SHH配体、膜受体蛋Patched1(PTCH1)、G蛋白偶联受体样蛋白(Smoothened,SMO)、融合基因抑制剂(supressoroffused,SUFU)以及核转录因子蛋白Gli1/2/3构成。SHH配体是SHH信号通路的启动信号,其转运释放与转运样蛋白Disp有关,但其调控机制仍未阐明。

        SHH配体未与细胞膜上的PTCH1结合时,PTCH1抑制SMO进入细胞膜,Gli就会被PKA、CK1α和GSK3β磷酸化而失去转录活性,通路处于抑制状态;当SHH配体结合到PTCH1时,PTCH1对SMO的抑制作用被解除,SMO被GPRK2和CKI磷酸化并与SUFU结合,使全长Gli进入细胞核,SHH信号通路被激活。

        Gli蛋白在核内可通过调节各种基因的转录而在机体的生长、发育以及癌症中发挥重要作用:Gli可以作为核转录因子正性调控CyclinD1/D2和MYC、Blc-2等癌基因,促进细胞增殖和诱导癌症发生;可调节Sox2和Nanog的表达介导干细胞的自我更新;还可以通过上调血管生成素和血管内皮生长因子(VEGF)的表达促进血管生成。此外,Gli调控的靶基因还包括PTCH和Gli1,可形成SHH信号通路的反馈调节。

        Gli1/2/3的作用略有差异,其具体机制差异尚未被完全阐明,目前针对Gli1的研究最多,相比Gli2和Gli3其在癌症中似乎表现出更为重要的作用。正常情况下SHH信号通路在哺乳动物胚胎发育过程中必不可缺,参与调控细胞的增殖分化以及神经管、牙齿、中轴骨和四肢的形成,在胚胎发育阶段后仅参与部分组织的维持和修复。

        在中枢神经系统中,SHH信号通路主要在胚胎期调控小脑发育,但若在胚胎期后异常激活则可导致MB的发生,其异常激活与PTCH1、SUFU、SMO基因的失活突变以及Gli1/2基因的激活有关。其中,PTCH1的失活突变是导致SHH型MB的最常见原因(占SHH型MB的43%,占所有MB的30%),其失活可导致对SMO的抑制作用解除,从而使SHH信号通路被激活。

        此外,TP53突变在MB中较为常见,与其他亚型的MB不同的是TP53突变的SHH型MB往往预后较差,因此WHO又将SHH型MB分为TP53突变组和TP53野生组两种亚组。在细胞层面上,最近有研究发现OLIG2+祖细胞是SHH型MB的起始瘤细胞,OLIG2+表达过度者预后不佳。

2.当前针对SHH信号通路的靶向药物

        针对SHH通路的药物有SMO抑制剂、Gli抑制剂和SHH配体抑制剂。SMO抑制剂研究最多,一般通过结合SMO阻止其构象改变而阻止SHH通路激活。目前已有维莫德吉(vismodegib,GDC-0449)、索尼吉步(sonidegib,NVP-LDE225)和格拉吉布(glasdegib,PF-04449913)被批准上市。维莫德吉和索尼吉步被批准用来治疗晚期基底细胞癌,也被用于MB的治疗。但在MB的治疗中,两者都因SMO突变较为普遍而表现出严重的耐药性(如维莫德吉对D473H、E518K型SMO突变患者无效),且存在疲劳、恶心、体重减轻和味觉丧失等不良反应。格拉吉布则用于治疗急性髓细胞性白血病。

        SHH配体抑制剂和Gli抑制剂尚处于起步阶段,它们分别处于SHH信号通路的始端和末端,解决了SMO抑制剂因SMO基因突变而产生的耐药性。其中,Gli作用于下游癌基因,其转录水平和SHH型MB患者的预后负相关,是目前研究的热点。Gli抑制剂GANT61、GANT58、FN1-8、pyrvinium(FDA批准作为驱虫药)和三氧化二砷(ATO)(FDA批准用于治疗急性早幼粒细胞白血病)等已在临床前研究中有较好的表现。

        研究发现,在MB中GANT61能够通过抑制GLI1转录因子,下调CyclinD1的表达,抑制MB细胞增殖并促进其凋亡。此外,pyrvinium也被证实可通过破坏Gli蛋白稳定性来抑制MB增殖,其与SMO抑制剂联合使用可延缓耐药性产生且疗效更佳。ATO在MB治疗中的前景亦受到部分学者关注。SHH配体抑制剂的研究则较少,目前仅有RU-SKI43和5E1处于临床前研究阶段。

3.二甲双胍对MB的潜在抑癌作用机制

        二甲双胍是作为降血糖药物,可增加细胞对胰岛素的敏感性,并通过激活AMPK等通路,发挥抑制肝葡萄糖输出、促进骨骼肌摄取葡萄糖以及抑制肠道吸收葡萄糖等作用。目前认为二甲双胍的抑癌作用也主要通过AMPK途径,在结肠癌、乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌、白血病、黑色素瘤、肺癌、子宫内膜癌以及神经胶质瘤等肿瘤的体外细胞实验和动物实验中,二甲双胍表现出良好的疗效。

        在MB中,二甲双胍可直接或间接激活AMPK信号通路,发挥AMPK信号通路对SHH信号通路中Gli蛋白转录的抑制作用,从而抑制下游癌基因表达来抑制肿瘤细胞生长。AMPK是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白酶异源三聚体,由α-催化亚基、β-调节亚基和γ-调节亚基组成,在进化上高度保守。α-亚基上第172号苏氨酸残基的磷酸化是AMPK的启动信号,AMP/ATP比值升高、钙离子浓度升高以及一些小分子物质的直接作用都可以促进AMPK通路的激活。

        激活的AMPK通路可以增加分解代谢并降低合成代谢,从而维持能量平衡;同时,AMPK可调节下游与肿瘤相关的通路(如mTOR和SHH等),发挥抑癌作用。二甲双胍主要通过线粒体电子传递链复合体I的电子传递,阻止ATP生成,使AMP/ATP比值升高,从而间接激活AMPK信号通路;二甲双胍也可通过直接磷酸化AMPKα-催化亚基上的第172号苏氨酸残基以及结合γ-调节亚基以激活AMPK信号通路。

        Gli是SHH通路的重要末端分子,Gli1/2转录活跃的SHH型MB患者往往预后不佳。研究发现,对Gli1/2进行拮抗可抑制MB细胞增殖。二甲双胍可通过激活AMPK而直接和间接抑制Gli1的转录活性,从而下调SHH信号通路的下游CyclinD1、Caspase-3和Caspase-9等与细胞增殖、凋亡相关基因的表达。

        Li等发现,在MB中,AMPK可以磷酸化Gli1蛋白的第102号、408号丝氨酸残基和第1074号苏氨酸残基,降低Gli1的稳定性和表达水平,从而阻断SHH信号通路的转录活性,但并不降解Gli1;DiMagno等则认为AMPK通过磷酸化Gli1的408号丝氨酸残基直接发挥降解Gli1的作用。此外,AMPK可以抑制雷帕霉素靶蛋白复合体1(mammaliantargetofrapamycincomplex1,mTORC1)的表达。mTORC1可磷酸化核糖体p70S6激酶蛋白(SK61)和真核起始因子4E结合蛋白1(4E-BP1),还可调节PI3K/Akt和RAS-Raf-MAPK等信号通路,促进肿瘤细胞生长。

        研究表明mTOR信号通路也可促进Gli1的表达,二甲双胍可通过激活AMPK抑制mTOR信号通路,从而间接抑制SHH信号通路。最近Elgendy等发现小鼠在禁食状态下联合使用二甲双胍可激活GSK3β从而抑制肿瘤生长。GSK3β的激活可促进Gli的磷酸化从而抑制SHH信号通路的激活,或许也是二甲双胍可抑制MB的潜在机制之一。

        目前细胞和动物实验已经证实二甲双胍在胰腺癌、胃癌和乳腺癌中可以显著下调PTCH1、SMO和Gli1等SHH通路标志物的表达。此外,Gonnissen等发现联合使用二甲双胍和GANT61处理前列腺癌细胞可以更好地降低SHH通路的激活,抑制肿瘤细胞生长并增加其对放疗的敏感性。这提示二甲双胍与其他SHH通路靶向药联合使用存在更好的疗效。

        二甲双胍还可为MB的治疗带来其他效益。如二甲双胍可通过激活AMPK通路磷酸化p53蛋白的15号丝氨酸残基从而诱导细胞周期阻滞,这或许可以改善TP53突变的SHH型MB的预后。二甲双胍可以改善代谢状况、增强免疫系统激活、改善肠道微生态,从而抑制肿瘤细胞繁殖。此外,还有研究表明二甲双胍可以减轻胶质瘤引起的脑水肿,对MB的治疗亦有积极意义。

4.二甲双胍对MB的治疗前景

        二甲双胍作为治疗2型糖尿病的降糖药问世多年,其安全性已得到广泛验证,其对于多种肿瘤的抑制作用也在细胞实验和临床研究中被证实。在SHH信号通路中,二甲双胍作用的Gli处于通路的末端,对其进行抑制也可解决上游PTCH1、SMO、SUFU等基因突变造成的SHH信号通路异常,克服MB对现有SMO抑制剂产生的耐药性,具有更广的适用范围。临床前研究已证实二甲双胍对SHH通路异常的胰腺癌、

        胃癌和乳腺癌具有良好的疗效;与其药理作用相似的双胍类降糖药苯乙双胍在SHH型MB的研究中也表现出良好的效果。此外,研究表明小鼠口服二甲双胍后脑组织中活化的AMPK增多,说明二甲双胍可穿过血脑屏障发挥作用。二甲双胍在MB的治疗中具有光明的前景,有待进一步研究验证。

        来源:章钟鼎,方黄毅,盛汉松.二甲双胍通过SHH通路对髓母细胞瘤抑制机制的研究进展[J].中国临床解剖学杂志,2022,40(04):500-502.

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