但這種現(xiàn)象的背后存在一個(gè)問(wèn)題，即癌細(xì)胞不能非常有效地利用葡萄糖，他們沒(méi)有從葡萄糖中吸取所有的能量，而是將大部分能量作為廢物釋放出來(lái)。

早在1921年，德國(guó)科學(xué)家 Otto Warburg 就發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞以非常高的速率消耗葡萄糖，癌細(xì)胞不像正常分化的細(xì)胞那樣通過(guò)有氧呼吸來(lái)消耗葡萄糖，而是傾向于以糖酵解的方式，即使是在氧氣充足的條件下，這也導(dǎo)致了葡萄糖能量的大量浪費(fèi)。這種癌細(xì)胞異常的糖代謝行為被稱為「Warburg 效應(yīng)」，Otto Warburg 也因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)細(xì)胞呼吸氧化轉(zhuǎn)移酶而獲得了1931年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，癌細(xì)胞代謝一直被視為一種悖論?？焖僭鲋车陌┘?xì)胞為什么會(huì)使用如此低效的葡萄糖代謝方式？這個(gè)問(wèn)題一直是困擾科學(xué)家們。

近日，來(lái)自美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)教授 Gary J. Patti 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)就這一問(wèn)題給出了新的解答。

該研究結(jié)果以：Saturation of the mitochondrial NADH shuttles drives aerobic glycolysis in proliferating cells 為題發(fā)表在 Molecular Cell 雜志。借助代謝組學(xué)技術(shù)，在分析了人類癌癥細(xì)胞系的上百種不同的代謝路徑后，發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞的這種獨(dú)特代謝特征是由于癌細(xì)胞中轉(zhuǎn)運(yùn)一些關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物的通路達(dá)到飽和而導(dǎo)致的。

低效能的葡萄糖代謝途徑與細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)密切相關(guān)。在癌細(xì)胞中，由于運(yùn)輸葡萄糖的通路達(dá)到飽和，癌細(xì)胞不得不浪費(fèi)葡萄糖。

技術(shù)層面，本研究借助了一種稱為代謝組學(xué)的技術(shù)。在過(guò)去十年中，代謝組學(xué)和質(zhì)譜學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步飛速，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了可以測(cè)量單個(gè)細(xì)胞中代謝分子的程度。在這項(xiàng)研究中，研究人員將代謝組學(xué)與穩(wěn)定同位素示蹤劑相結(jié)合，以使他們能夠標(biāo)記葡萄糖的不同部分，以便可以在細(xì)胞內(nèi)跟蹤它，觀察葡萄糖進(jìn)入線粒體或從細(xì)胞排泄的速度。

正是借助這種方式，該團(tuán)隊(duì)分析了60種人類癌癥細(xì)胞的上百種不同的代謝路徑后發(fā)現(xiàn)：低效能的葡萄糖代謝途徑與細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)密切相關(guān)。在癌細(xì)胞中，由于運(yùn)輸葡萄糖的通路達(dá)到飽和，癌細(xì)胞不得不浪費(fèi)葡萄糖。

線粒體是細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵細(xì)胞器，是細(xì)胞中產(chǎn)生能量的重要場(chǎng)所。但是，大部分分子都不能自由進(jìn)出線粒體，它們需要一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，從而將某些代謝物從線粒體外轉(zhuǎn)入到線粒體內(nèi)部。

癌細(xì)胞想要讓葡萄糖在線粒體中代謝以便獲取更多的能量，葡萄糖衍生代謝物要通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)到線粒體中，但是由于轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)能力有限，一些葡萄糖在這一過(guò)程中就被浪費(fèi)了。打個(gè)比方，這就像一個(gè)浴缸水龍頭出水的速度比排水管排水的速度還要快，那么最終就會(huì)使得水溢出到地板上。

本研究通訊作者 Gary J. Patti 教授說(shuō)到：為了從葡萄糖中最大化地提取能量，細(xì)胞必須將其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)骄€粒體。因此，細(xì)胞的新陳代謝應(yīng)該遵循某些生化規(guī)則，而探索為什么腫瘤可能會(huì)打破這一規(guī)律則很有趣。不過(guò)，我們的研究結(jié)果卻表明，癌細(xì)胞其實(shí)并沒(méi)有超越這種規(guī)則。

當(dāng)研究人員限制癌細(xì)胞吸收的葡萄糖量時(shí)，幾乎所有的葡萄糖都會(huì)進(jìn)入線粒體。但隨著葡萄糖消耗量的增加，將葡萄糖衍生分子移動(dòng)到線粒體中的速度卻跟不上了，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)達(dá)到飽和, 造成了葡萄糖的浪費(fèi)。

Gary J. Patti 教授總結(jié)道：因此，癌細(xì)胞并不擁有全新的代謝模式。正如大多數(shù)細(xì)胞確實(shí)更喜歡氧化線粒體中的葡萄糖，而不是將其作為廢物排掉，癌細(xì)胞也不例外，它們似乎遵循與其他細(xì)胞相同的生化模式。

幾十年來(lái)，腫瘤高速消耗葡萄糖這一特性一直被臨床醫(yī)生利用，也被作為診斷癌癥和確定其發(fā)展階段的一種方式。這使得一些人認(rèn)為，用藥物或無(wú)糖飲食限制葡萄糖攝取就可能會(huì)將癌細(xì)胞「餓死」。

但很明顯，這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了對(duì)這種策略的質(zhì)疑。研究結(jié)果表明，作為癌癥標(biāo)志的葡萄糖發(fā)酵是線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)飽和的次要后果，而不是細(xì)胞增殖的獨(dú)特代謝驅(qū)動(dòng)因素。這一結(jié)果也對(duì)癌癥治療提出了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)槿绻┘?xì)胞的代謝與正常細(xì)胞越相似，那么開(kāi)發(fā)特異性針對(duì)腫瘤的藥物也就越難。