美国波士顿大学医学院罗杰·威廉姆斯医学中心医学系
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美国波士顿大学医学院罗杰·威廉姆斯医学中心医学系
美国罗德岛普罗维登斯市布朗大学药理学生物学系
美国罗德岛普罗维登斯市布朗大学药理学生物学系
美国马萨诸塞州波士顿波士顿大学医学院外科
DOI: 10.15761 / CCRR.1000220
鞘脂是控制正常细胞功能各个方面的重要分子。本文综述的目的是探讨鞘脂代谢的要素，并将其特征与癌症生物学和发展联系起来，以及其在当前和潜在治疗中的作用。由于鞘脂在细胞上的广泛作用和功能，它们在癌症生物学中可能发挥的作用以及在癌症治疗中的作用一直是研究的目标。在这篇综述文章中，我们讨论了鞘脂代谢的主要成分，以及它们在癌症发展、化疗和辐射耐药性、预后、当前和潜在治疗中的作用。我们使用以前发表的研究从分子生物学杂志到临床肿瘤学杂志，以扩大审查的范围。我们的希望是接触和教育基础研究人员和执业临床医生鞘脂生物学及其在目前和潜在的癌症治疗中的作用。
鞘脂曾经被认为只在细胞膜功能中发挥结构作用，现在通常被描述为效应分子，参与控制正常细胞生长、增殖、抑制、凋亡诱导、衰老、细胞迁移和炎症的各个方面。神经酰胺是鞘脂代谢的中心分子，参与鞘脂的合成和分解代谢。神经酰胺是由鞘氨醇碱和酰胺连接的酰基链组成，长度不等14C26．神经酰胺可以通过几种不同的机制产生。第一种是鞘磷脂酶(smase)，它水解鞘磷脂(SM)产生神经酰胺。第二个机制涉及内源性神经酰胺的形成通过一个新创途径。这一途径需要丝氨酸和棕榈酰辅酶a的缩合，导致二氢神经酰胺合成酶合成二氢神经酰胺。二氢神经酰胺通过去饱和酶转化为神经酰胺。第三种机制是通过“救助途径”。在这一途径中，鞘氨甘氨酸作为鞘脂分解代谢的产物，通过反应酰基化被回收，产生神经酰胺或其衍生物(图1)。这与外源性神经酰胺回收的机制相同，它被分解成鞘氨甘氨酸，然后由神经酰胺合成酶生成神经酰胺。
图1所示。神经酰胺合成途径。
上图说明了神经酰胺可以合成的几种不同途径。这些途径包括鞘磷脂酶途径、从头途径、外源性神经酰胺回收途径和挽救途径。(Kitatani K，等．神经酰胺代谢和信号转导中的鞘脂挽救途径。细胞信号。2008年6月;20(6): 1010 - 8。doi: 10.1016 / j.cellsig.2007.12.006。Epub 2007年12月14日)
神经酰胺一旦形成，就可以被神经酰胺酶作为底物，释放鞘氨甘肽，进一步代谢成鞘氨甘肽-1-磷酸(S1P)。神经酰胺在高尔基体中也可代谢为糖基神经酰胺或鞘磷脂。
神经酰胺已被发现不仅影响正常细胞功能，而且影响癌症的发病机制。细胞凋亡和自噬是神经酰胺参与细胞凋亡的两个重要功能。细胞凋亡是细胞的程序性死亡，是细胞正常发育和维持细胞内稳态所必需的。它是通过外在或内在途径启动的。自噬是一种分解代谢过程，在这个过程中，细胞质成分被隔离在自噬体中，并被运送到溶酶体中进行降解和回收。自噬在应激时期促进细胞存活，包括缺氧或营养匮乏，然而自噬也可以介导细胞死亡。
虽然神经酰胺在20世纪90年代首次被认为是细胞凋亡的调节剂，但最近它被认为在诱导自噬中发挥作用。虽然神经酰胺诱导自噬的机制尚不清楚，但已经发现了几种神经酰胺诱导自噬的治疗方法。一项研究表明，用外源性c2 -神经酰胺、他莫西芬或1-苯基-2-棕榈酰氨基-3-吗啡啉-1-丙醇(PDMP)治疗人类结肠癌和乳腺癌细胞系会导致神经酰胺的积累，从而抑制Akt，而Akt是一种通常参与抑制自噬[1]的分子。此外，该研究还发现c2 -神经酰胺、他莫西芬和PDMP增强了Beclin 1的表达。在三氧化二砷[2]处理的人白血病细胞系中，Beclin 1的表达增加是自噬的一个促进因素。在用c2 -神经酰胺处理的恶性胶质瘤细胞系中，BNIP3的表达增强，BNIP3是一种促进Beclin 1从其抑制复合物中解离，导致自噬细胞死亡[3]的蛋白。
神经酰胺及其代谢物已被证明在潜在的癌症治疗中非常重要，了解其发病机制也至关重要，因为它也涉及细胞功能的一些耐药方面。一些研究表明，肿瘤细胞对化疗产生耐药性的机制之一是神经酰胺积累的改变。由于神经酰胺被糖基神经酰胺合成酶(GCS)快速代谢，癌细胞已经发展出一种增加该酶[4]表达的方法。鞘甘氨酸-1-磷酸(S1P)和鞘甘氨酸激酶1 (SK1)已被证实可促进细胞增殖和防止药物诱导的细胞凋亡。SK1表达升高和S1P水平升高已在多种癌症中观察到，如结肠癌、乳腺癌、子宫癌、肾癌和肺癌，以及[5]。S1P由神经酰胺产生，需要SK1。S1P作为细胞外信号分子和细胞内第二信使具有分裂作用。S1P可启动下游G蛋白介导的信号通路，引起细胞增殖、抑制凋亡和细胞迁移等多种反应。S1P还可以通过激活已知的抗凋亡转录因子NF-κB[6]发挥其增殖和生存作用。最后，S1P可以防止神经酰胺诱导的线粒体事件，包括细胞色素c释放和caspase激活[7]。
鞘磷脂为基础的抗癌治疗提供了未来治疗癌症的一个有前途的选择。在这方面已经提出了几种方法并进行了测试。神经酰胺类似物的使用已被证明可以促进癌细胞的凋亡/自噬途径。脂质体介导的c6 -神经酰胺递送已被证明是一种有效的药物递送方法。脂质体c6 -神经酰胺靶向MDA人乳腺癌细胞的核积累。此外，靶向C6-神经酰胺可调节Akt磷酸化，激活caspases诱导细胞凋亡[8]。此外，脂质体包裹的c6 -神经酰胺的聚乙二醇化形式已被证明对小鼠乳腺腺癌模型[9]有效。
在布朗大学的研究中，渗透性c6 -神经酰胺的独特抗癌活性被证明为显著增加体外侵袭性胰腺癌细胞系(L3.6、pan -1和MIA PACA2)的凋亡，并显著增强移植L3.6的SCID小鼠的肿瘤消退和存活。c6 -神经酰胺也表现出与西妥昔单抗(一种抗egfr生物制剂)的协同作用，尽管KRAS突变普遍存在，使它们对西妥昔单抗产生耐药性。在分子水平上，c6 -神经酰胺联合吉西他滨或紫杉醇诱导L3.6胰腺癌细胞中P13K/AKT信号通路(p-GSK-3a/b)、TORC1信号通路(p-S6和P-4E-BPI)和pERK信号通路(RAS/MEK/ERK)显著时间依赖性下降。这些作用破坏了主要的细胞信号通路，包括对促生存(P13K/AKT/mTOR和突变ERK/MAPK/KRAS)通路的抑制，导致吉西他滨和紫杉醇癌细胞毒性增强。这些数据表明，c6 -神经酰胺可以抑制关键的生存途径，从而与吉西他滨、紫杉醇和西妥昔单抗在体外和体内产生化学协同作用，并可能为c6 -神经酰胺作为抗癌生物[10]的发展铺平道路。
一种替代策略是通过抑制神经酰胺酶诱导神经酰胺的形成。抑制神经酰胺酶导致神经酰胺积累，从而导致癌细胞中凋亡细胞死亡。其中一种抑制剂是B13。B13抑制酸性神经酰胺酶，该酶已被证明在培养的前列腺癌细胞[11]中诱导细胞死亡。
如前所述，神经酰胺可通过几种代谢途径，其产物可用于多种不同的作用。糖基神经酰胺(GC)就是其中一种分解产物。神经酰胺通过GCS转化为GC。由于GCS降低了细胞内神经酰胺的数量，这间接起到了保护癌细胞免受化疗诱导的凋亡的作用。这在几种不同类型的癌细胞中都可见到，尤其是乳腺癌细胞[12]。此外，已有研究表明，糖基神经酰胺在阿霉素耐药的乳腺癌细胞、长春碱耐药的上皮癌细胞和对化疗[13]反应不佳的患者的肿瘤标本中积累。
目前已有几种靶向神经酰胺糖基化逆转耐药性的方法。使用GCS抑制剂已经揭示了中性糖鞘脂和神经节苷的细胞水平的降低以及神经酰胺的升高是如何导致细胞周期阻滞[14]的。虽然目前还没有得到批准的治疗方案，但已经有大量研究致力于这一途径。例如，已知提高神经酰胺和二氢神经酰胺的芬维甲酸(4-HPR)与GCS或SK抑制剂(如PDMP)的组合，据报道可协同抑制各种癌细胞[15]的生长。PDMP也被用于人类结肠癌和乳腺癌细胞系。研究表明，它可以增加神经酰胺水平，并刺激这些细胞系[16]的自噬。
鞘磷脂可通过鞘磷脂酶(SMase)的作用转化为神经酰胺。根据最佳酶活性所需的pH值，有几种不同的smase。尽管酸性鞘磷脂酶(ASM)最著名的是参与溶酶体储存障碍尼曼-皮克病(NPD)，但它最近与癌症生物学有关。在Oncomine微阵列数据库(www.oncomine.org, 2008年1月3日)的分析中，发现12/104匹配癌症vs．正常组织比较中ASM mRNA表达不足。这将预测至少在一些癌症中ASM可能被下调，导致其神经酰胺含量减少，并可能引导细胞远离凋亡，走向增殖[17]。研究表明，电离辐射通过smase介导的神经酰胺产生引起细胞死亡，进而导致细胞凋亡。在一项研究中，研究人员使用ASM敲除小鼠和NPD患者的淋巴母细胞，发现这些细胞对电离辐射没有反应，产生神经酰胺和凋亡[18]。重组ASM的使用已经被生产出来，并正在评估其用于NPD的治疗，目前正在研究其作为癌症治疗的辅助药物的使用。重组ASM在本质上是嗜肝性的;正因为如此，在一项研究中，它被用于评估其作为索拉非尼辅助治疗肝细胞癌的实验模型。联合治疗对降低肿瘤体积和效应细胞血管密度具有协同作用。然而，重组ASM/索拉非尼治疗并没有增加患者的生存率，该研究的结论是该结果值得进一步研究。 In another study, it was demonstrated that ASM levels of expression actually determine the malignant phenotype of melanoma cells in terms of pigmentation, tumor progression, invasiveness and metastatic ability [20].
当细胞供氧减少时，就会发生缺氧。缺氧是实体肿瘤的一个重要过程，是影响治疗效果和患者生存的不良预后因素。随着肿瘤的发展，与现有血管的扩散距离增加，导致缺氧，这反过来又驱动血管生成因子如VEGF的过度表达，导致新的血管的形成，试图为肿瘤提供足够的氧气供应。缺氧诱导因子(HIFs)是转录因子对可用的变化作出反应氧气在细胞环境中。HIF-1α是癌症研究中特别关注的一个特定因子。HIF-1α通过调节促进新血管生成、糖酵解和肿瘤生长的基因，对氧合减少状态做出快速反应，所有这些都是肿瘤生长所必需的。在一项研究中，与相应的正常组织相比，HIF-1α在19种肿瘤类型中的13种中被发现过表达，包括结肠癌、乳腺癌、胃癌、肺癌、皮肤癌、卵巢癌、胰腺癌、前列腺癌和肾癌[21]。许多新型抗癌药物都是通过靶向HIF-1α发挥作用的。这些药物包括BCR-ABL抑制剂伊马替尼/格列卫、表皮生长因子受体抑制剂吉非替尼/易瑞沙、厄洛替尼/特罗凯和西妥昔单抗/C225和HER2neu抑制剂曲妥珠单抗(赫赛汀。辐射已被证明可诱导HIF-1α活性，导致产生VEGF和其他血管生成细胞因子，保护肿瘤血管内皮细胞免受辐射诱导的死亡[22]。因此，通过抑制HIF-1α，我们可以看到辐射诱导的血管破坏和肿瘤控制显著增加。
鞘甘氨酸-1-磷酸(S1P)是神经酰胺代谢的产物，已被证明可导致癌细胞增殖和抗凋亡[23]。S1P是由鞘氨甘肽在鞘氨甘肽激酶1 (SK1)的催化下产生的。在大量的研究中，SK1/S1P已被证明是促进肿瘤的分子，并且在不同的癌症和肿瘤组织中观察到这些分子水平的升高。更具体地说，有证据表明这些分子与癌细胞对缺氧的适应有关。在一项针对五种不同肿瘤模型的研究中，SK1在缺氧条件下被迅速刺激。这种相互作用似乎依赖于产生活性氧(ROS)[24]。在另一项研究中发现，在胶质母细胞瘤中，血管密度增加和SK1活性增加与患者的攻击行为和生存率差相关。在前列腺癌中，研究表明SK1活性在肿瘤样本中显著增加，并与前列腺特异性抗原水平和肿瘤级别相关。鉴于HIF-1α刺激在实体瘤新血管生成和转移中的重要性，人们提出了一系列的药理学方法，包括靶向SK1/S1P信号通路。最近的一项研究应用了一种名为鞘hingomab的抗s1p单克隆抗体。 The study found that inhibiting extracellular S1P signaling resulted in blockage of HIF-1α accumulation and activity in several cancer cell models exposed to hypoxia. Additionally, the study demonstrated that administration of the antibody for 5 days before chemotherapy is more effective at local tumor control and metastatic dissemination than any other treatment scheduling [25]. Another well-explored therapeutic is sonepcizumab. Sonepcizumab is a humanized monocloncal antibody to S1P that acts as a molecular sponge to reduce S1P signaling which, in nonclinical models, inhibited tumor growth. In a phase I clinical trial, sonepcizumab was well tolerated in 23 patients with advance tumors. Phase II trials are planned [26].
鞘氨醇激酶1 (SK1)是鞘磷脂通路中必需的酶，调节S1P、鞘氨醇和神经酰胺的相对水平。虽然神经酰胺和鞘氨醇已经被确定为抗生长分子，但S1P提供了促进细胞生长的信息。SK1的表达水平升高(约增加2-3倍)已在许多人类癌症中被检测到，如乳腺癌、肺癌、前列腺癌和结肠癌[27]。SK1促进癌细胞存活和肿瘤发生，因为研究表明各种激素、细胞因子和生长因子会导致SK1的快速激活，而抑制SK1又会导致细胞生长的抑制。SK1不仅有助于促进肿瘤生长，而且在防止细胞凋亡方面也有重要作用(图2)。这在肿瘤细胞系对凋亡刺激的反应中尤其明显，如TNF、Fas配体、血清剥夺、电离辐射和抗癌药物。SK1活性的增加已被证明有助于癌细胞抵抗电离辐射和抗癌药物。尽管其确切机制尚待确定，但SK1似乎通过内源性和外源性途径影响细胞凋亡[28,29]。
SK1增加了S1P的水平。S1P通过激活促生存介质，如Akt、一氧化氮和细胞外信号调节激酶(ERK)，促进细胞增殖。通过激活已知的抗凋亡转录因子NF-κB，抑制神经酰胺介导的细胞凋亡，从而抑制细胞凋亡。(Taha助教,et al。分裂的房子:程序性细胞死亡中的神经酰胺、鞘氨甘和鞘氨甘-1-磷酸。生物化学生物物理学报。2006年12月,1758(12):2027 - 36。Epub 2006年11月1日)
考虑到SK1的致癌特性，使用SK抑制剂在某些癌症中提供了一种令人兴奋的潜在治疗剂。已发表的SK1分子抑制剂之一已在小鼠中有效地减缓小鼠乳腺癌的生长，而没有任何明显的毒性[30]。SK2也是SK抑制剂治疗的靶点。一种新的SK2抑制剂ABC294640被证明可以诱导肾癌细胞的非凋亡死亡以及前列腺和乳腺腺癌细胞[31]的自噬反应。SK2在多种骨髓瘤细胞系中也有过表达。ABC294640可有效抑制骨髓瘤细胞系增殖，诱导caspase 3介导的细胞凋亡。此外，还发现它与bcl-2抑制剂协同作用，诱导骨髓瘤细胞死亡[32]。另一种鞘氨醇激酶抑制剂是FTY720。FTY720是一种基于鞘氨酚的免疫抑制剂，最初被证明对多发性硬化症有成功的结果。它还被证明可以通过神经酰胺合成酶抑制神经酰胺的合成。 It does this via induction of caspase-independent cell death through the downregulation of nutrient transporters and induction of autophagy [33]. Pharmacologic doses of FTY720 were shown to induce apoptosis and impair clonogenicity in blast crises in chronic myelogenous leukemia and Philadelphia chromosome-positive acute lymphocytic leukemia. More recently, advances have been made with sphingosine kinase inhibition. Safingol, an inhibitor of SKI, has been studied in a phase I clinical trial. In the trial, safingol was given alone and in combination with cisplatin in 43 patients with advanced solid tumors. The study, which is now ready for phase II, concluded that safingol can safely be administered with cisplatin [34].
自然杀伤T细胞(NKT)是一种异质性T细胞群，具有T细胞和自然杀伤细胞的共同特性。NKT细胞在体内外均具有很强的抗肿瘤活性，成为潜在癌症治疗的研究对象。NKT细胞被一种特殊的糖脂抗原激活，α-半乳糖神经酰胺，这使它成为几个临床试验的目标。在一项这样的试验中，α-半乳糖神经酰胺脉冲抗原提呈细胞被应用于头颈癌患者的黏膜下层。这导致NKT细胞数量增加，并增强了患者[35]的自然杀伤活性。在另一项试验中，这种方法也被证明是有效的，可以减少胰腺癌细胞的肿瘤生长。
已经进行了研究，以确定使用天然产品作为抗癌剂是否有好处。真菌代谢产物一直是研究的天然产物之一。其中一个研究得比较充分的真菌代谢物是肉豆蔻素，它是从Myriococcum ablomyces,是丝氨酸棕榈酰转移酶(SPT)的特异性抑制剂。SPT是一种催化所有鞘脂生物合成的第一步的酶。抑制SPT导致神经酰胺减少，从而减少炎症反应，在某些情况下，导致免疫抑制。在2011年的一项研究中，肉豆蔻素通过在G2/M期诱导细胞周期停止来抑制黑素瘤细胞的生长。抗增殖基因p53、p21表达升高[37]。在一项后续研究中，对黑色素瘤小鼠皮下或腹腔内给药豆蔻霉素。与对照组相比，这些小鼠的肿瘤形成明显受到抑制。另一项研究发现，当与抗肿瘤药物多西紫杉醇、顺铂[39]联合使用时，多丽霉素不仅可通过凋亡诱导肺癌细胞死亡，而且可协同抑制癌细胞生长。
贾斯宾B是一种无氢植物鞘氨醇，是从海洋海绵中分离出来的衍生物Jaspis sp．贾斯宾B通过抑制鞘磷脂合酶起作用，这种酶可以转化鞘磷脂中的神经酰胺。这导致细胞内神经酰胺浓度的增加。在一项研究中，Jaspine B能够通过触发凋亡[40]，剂量和时间依赖性地降低小鼠B16和人类SK-Mel28黑色素瘤细胞的活力。在另一项研究中，研究人员在A549人肺泡细胞中检测了贾斯宾的细胞毒性。用贾斯宾B培养细胞的结果显示二氢神经酰胺显著增加，并最终导致细胞死亡。神经酰胺含量仅略有增加。
鞘脂是一组不同的脂类，在哺乳动物的发育和生理中起着不同的作用。鞘脂生物学的研究范围广泛，其在癌症中的作用在本文的文献综述中得到了强调。显然，鞘脂代谢在细胞生命周期中是必不可少的。尽管大量的临床前试验显示了有希望的结果，但将鞘脂用于癌症的临床试验很少。然而，最近I期和即将进行的II期试验的进展使鞘磷脂治疗癌症的潜力充满了希望。更详细地了解鞘脂代谢将有助于研究人员发现恶性肿瘤和其他病理过程的潜在新疗法。我们希望通过上述综述文章，能够帮助研究人员和临床医生更好地了解鞘脂代谢及其在癌症医学中的应用，并最终在日常实践和研究中加以运用。
安迪征服
罗马大学(马可尼)
评论文章
收稿日期:2016年2月02日
录用日期:2016年2月29日
出版日期:2016年3月4日
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Carvajal A, Menendez A, Bowen W, Wanebo H(2016)鞘脂生物学及其在癌症发展和治疗中的作用。临床病例报告Rev 1: doi: 10.15761/CCRR.1000220
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图1所示。神经酰胺合成途径。
上图说明了神经酰胺可以合成的几种不同途径。这些途径包括鞘磷脂酶途径、从头途径、外源性神经酰胺回收途径和挽救途径。(Kitatani K，等．神经酰胺代谢和信号转导中的鞘脂挽救途径。细胞信号。2008年6月;20(6): 1010 - 8。doi: 10.1016 / j.cellsig.2007.12.006。Epub 2007年12月14日)
SK1增加了S1P的水平。S1P通过激活促生存介质，如Akt、一氧化氮和细胞外信号调节激酶(ERK)，促进细胞增殖。通过激活已知的抗凋亡转录因子NF-κB，抑制神经酰胺介导的细胞凋亡，从而抑制细胞凋亡。(Taha助教,et al。分裂的房子:程序性细胞死亡中的神经酰胺、鞘氨甘和鞘氨甘-1-磷酸。生物化学生物物理学报。2006年12月,1758(12):2027 - 36。Epub 2006年11月1日)
