這篇綜述於2014年8月4日在線發表在Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry雜誌上，Oronsky BT等腫瘤學家系統性地介紹了腫瘤細胞能量代謝的特點，並詳細列舉了腫瘤能量代謝通路中有哪些潛在的藥物作用靶點。此外，他們還分析了抗腫瘤細胞能量代謝策略是否可行，相關的抗腫瘤藥物研究進展又如何。
摘要
早在1920年，德國生物化學家Otto Warburg就發現了腫瘤細胞代謝的特點-高水平的糖酵解作用，並據此拿下了第二個諾貝爾獎。Warburg認為，腫瘤發生的最初原因是線粒體呼吸功能障礙，為了維持細胞生存和滿足大分子合成的需要，細胞選擇激活另一種能量代謝方式-有氧糖酵解(aerobic glycolysis)。
腫瘤細胞用有氧糖酵解替代正常組織細胞的氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation，OXPHOS)。這些不能經由線粒體途徑獲得ATP的腫瘤細胞，只能進行代謝重組，以維持細胞內的ATP和NADH水平正常。眾所周知，ATP和NADH是生物大分子合成、生物膜整合、離子濃度維持和DNA合成所必需的。
「跟著錢走」是一個發現和破獲犯罪活動的久經考驗的方法，因為非法所得的錢款需要銷贓。同樣，可以將這種方法沿用到腫瘤研究中，追蹤和破壞細胞的能量通貨ATP和氧化還原通貨NADH。因為腫瘤需要大量的ATP和NADH，它們不僅是腫瘤細胞轉移和增殖所必需的，還是維持腫瘤細胞生存所必需的。
目前，有四種可以有效降低腫瘤細胞ATP水平的策略：(1)使用靶向能量代謝的小分子能量限制模擬藥物(ERMAs)，(2)使用可以降低能量「補給」的自噬抑制劑，(3)加速細胞內ATP消耗以增大能量缺口，(4)控制食源性能量物質的攝入以切斷能量供給。
1. 前言
「腫瘤後來居上，已經成為危害人類健康的第二大疾病。然而，因果相連，腫瘤發生有且僅有一個最初原因。簡而言之，腫瘤發病的最初原因是正常細胞的氧化呼吸被糖類物質發酵所取代。正常情況下，所有人體細胞均是專性好氧細胞，而部分腫瘤細胞卻是厭氧細胞。」
1966年諾貝爾獎會議上，Otto Warburg將其理論簡述為「腫瘤是一種代謝疾病」。如今的抗腫瘤藥物研究已經被「個體化治療」主導，旨在尋找可以抑制腫瘤細胞增殖相關特異性分子活性的藥物。隨著人類染色體測序工作和特定腫瘤遺傳易感基因鑑定工作的開展，已經發現了多種靶向特定突變基因或基因產物的藥物。
由於特定基因簇或基因突變並不是所有類型腫瘤發生所必需的，所以有必要尋找特定的生物標記，以便確定哪些患者可以在治療中獲益。然而，如果惡性腫瘤正如Warburg所描述的那樣「腫瘤是線粒體功能障礙的結果」，那麼ATP合成受阻會造成發酵的補償性增加，因此腫瘤就是一種由能量失衡觸發的疾病。
這種從代謝方面的看法與當前的主流觀點相悖，主流觀點認為多基因突變是不同類型疾病發生的基礎。按照Warburg的思路，基因突變只是腫瘤發生「犯罪現場」的「旁觀者」，反而「真正的罪犯」發酵卻逃脫法網，但是Warburg並沒有驗證這種分析方式的真實性。
簡而言之，不可逆的線粒體功能障礙觸發了一系列的基因突變連鎖反應，這在很大程度上促進了「第二個最佳」ATP產生方式-糖酵解的進行。的確，通常將基因突變當做腫瘤發生的最初原因，不過基因突變可能是代謝和能量失衡的結果或補償性反應。
延伸開來，儘管Warburg沒有直說HIF1-α、c-myc、ras、IGF-1和PI3K/Akt/mTOR基因突變或過表達直接或間接地促進了糖酵解代謝，但是基因突變可能在腫瘤發生中扮演了 「第二大角色」而非「內奸角色」。因為HIF1-α、c-myc、ras、IGF-1和PI3K/Akt/mTOR等因子在糖酵解代謝中發揮了重要作用。
在缺氧環境下，腫瘤細胞選擇開啟糖酵解代謝並上調促血管新生因子的表達，最終促進腫瘤的發生和轉移。很明顯，一個基於ATP來源而非氧化磷酸化的惡性循環最終形成了。有趣的是，有些腫瘤處於常氧狀態仍可能選擇糖酵解代謝以便獲得更多的能量通貨ATP，這在某種程度上觸發一種惡性腫瘤表型。
從治療層面出發，曾經那個所謂的靶向抑制劑伊馬替尼(imatinib)在臨床應用中卻偏離了它原先設定的靶點葡萄糖轉運體-1(GLUT-1)和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)，於是也失去了幹擾細胞能量代謝的能力，可見個體化基因醫學的發展並沒有提供有效的抗腫瘤策略。
此外，Seyfried等多位科學家認為任何一個「反向理論」，例如Warburg效應，一旦偏離了當前主流研究的基因-中心框架，不可避免地淪為邊緣科學。靶向腫瘤能量代謝的抗腫瘤藥物研發過程已經徹徹底底地演變為分子水平的「獵巫行動」。
ATP來源 | 氧化磷酸化、穀氨醯胺代謝、自噬、糖酵解 |
ATP用途 | 維持離子梯度、糖異生、維持細胞氧化還原、維持細胞膜完整性、細胞新陳代謝、信號轉導、遺傳和表觀遺傳表達 |
圖1. ATP的來源和用途
腫瘤就像一條九頭蛇，某條信號通路一旦受到抑制，新的替代性信號通路就會出現。只要細胞內的能量充足，新的通路就可能激活，哪怕是一條「性價比極低」的通路。按照邏輯極端方式分析，個體化用藥類似於一種基因藥理學領域的「打地鼠」遊戲，一個致瘤基因突變受到抑制，另一個致瘤基因就「蹦出來了」。
這裡有個前提，個體化用藥策略的理論基礎是「基因突變是腫瘤發生過程的核心」。從另一個邏輯極端分析，HIF1-α、c-myc、ras、IGF-1和PI3K/Akt/mTOR基因的過表達或功能異常可能是細胞能量產生的必需分子，這表明基因突變可能是腫瘤發生的結果而非原因。
正如執法機關追蹤黑社會犯罪和恐怖組織活動資金的來源一樣，科學家應該追蹤腫瘤細胞能量通貨ATP的來源，因為腫瘤細胞的「資金來源」似乎只有一個不穩定的單一途徑。這條途徑容易受到其他需求衝擊或供給衝擊的影響。
過度的ATP缺乏會導致Na+-K+-ATP酶依賴性離子泵功能障礙，破壞細胞內離子穩態平衡，最終誘發細胞水腫和死亡。18F-FDG PET/CT掃描結果顯示腫瘤細胞攝入大量的葡萄糖，這在一定程度上驗證這一觀點：腫瘤細胞過度依賴葡萄糖和糖酵解代謝。
圖2. 細胞代謝對比：正常細胞依賴氧化磷酸化，腫瘤細胞依賴糖酵解和穀氨醯胺代謝
除了對糖酵解的依賴外，腫瘤細胞也需要穀氨醯胺。和葡萄糖一樣，穀氨醯胺也是一種回補物質，它可以為Krebs循環(Krebs Cycle，三羧酸循環)提供草醯乙酸等能源性前體物質。
由於糖酵解和穀氨醯胺代謝(glutaminolysis)提升了細胞內的碳通量，造成Krebs循環前體中間物的聚集，從而激活另一條代謝通路磷酸戊糖途徑(Pentose Phosphate Pathway)。
磷酸戊糖途徑可以產生大量NADPH，這可以還原穀胱甘肽的，從而緩解細胞內的氧化應激水平。此外，磷酸戊糖途徑可以產生大量核糖-5-磷酸，後者是核酸生物合成必需的構件分子。
ATP來源 | 氧化磷酸化、糖酵解、穀氨醯胺代謝、自噬 |
ATP用途 | 細胞存活、細胞增殖、細胞防禦/適應 |
圖3. 腫瘤細胞的ATP和能量來源
面對化療和放療所帶來的遺傳毒性應激，腫瘤需要適應這種環境並開啟自我防禦機制，其中包括藥物外排、DNA損傷修復、生存相關基因表達上調、抗凋亡和胞內存活信號通路激活，這一系列生命活動均需要大量的持續的ATP供給。
上述任何一種適應/防禦策略均需要與ATP產生相關通路交聯，例如有氧糖酵解/穀氨醯胺代謝/磷酸戊糖途徑。然而，這些代謝通路的產能效率遠低於氧化磷酸化。如果ATP需求大於了供給，就會出現一種「能量赤字」，此時腫瘤會有三種應對策略：提升ATP產量、通過自噬 「補給」ATP產生或降低ATP消耗。
隨著ATP供給的減少，多種細胞活動受到限制，例如由ATP依賴性多藥耐藥泵介導的藥物外排、p53等腫瘤抑制基因的表觀遺傳沉默。Chen等研究發現，能量限制模擬劑(2-deoxyglucose和3-bromopryuvate)可以重新激活沉默的KLF6腫瘤抑制基因。
Zhou等研究發現，藥物耐受性腫瘤細胞在ATP耗盡的情況下化療敏感性升高，而藥物敏感性腫瘤細胞在外源ATP補給的請款下化療耐藥性升高。相比正常組織細胞，腫瘤細胞需要更多的ATP，但是腫瘤細胞在能量來源切換方面的靈活性很差。因此，通過抑制糖酵解降低ATP水平可以選擇性殺死腫瘤細胞
這就造成了「生存重於生長」，以及獲得性耐受。這種策略與Warburg效應一樣，成為了腫瘤治療的統一標準，也是腫瘤治療策略轉變的基礎和理由。然而，腫瘤治療策略研究不應該僅僅局限於代謝本身，而應該從總的ATP和NADH產生角度開展。
並非一種達爾文優勢，腫瘤對發酵的依賴可能僅是能量供給不足情況之下的無奈之舉，相比正常組織，這是一種競爭性劣勢。因此，可以將腫瘤的這個缺點應用於治療層面，特別是用於提升化療敏感性。
先前的腫瘤化療策略往往因為化療敏感性低而失敗，如今有了可以升高腫瘤化療敏感性的方法，腫瘤治療也就變成了慢性的可治癒性的疾病，而且可以在鎝99m (99mTc) -甲氧基異丁基異腈(sestamibi)掃描儀下成像。
圖4. 腫瘤細胞的能量產生過程和潛在抑制靶點
甲氧基異丁基異腈是ATP依賴性p-糖蛋白泵(Pgp，由MDR-1基因編碼)的底物，這种放射性核素顯像劑可以檢測Pgp的抑制情況，從而反映腫瘤相對於基線水平的化療敏感性。按照這種顯像方法，「跟著ATP走」的任務就可以順利完成(如圖4.所示)。
2. 葡萄糖代謝
2.1 葡萄糖轉運體抑制劑
由於葡萄糖具有極性親水性，它不能穿透疏水性的細胞膜，因此需要藉助一類特殊的跨膜轉運蛋白-葡萄糖轉運體(Glucose Transporters，GLUT)。腫瘤細胞的GLUT表達顯著上調，這表明腫瘤細胞將葡萄糖作為主要的ATP能量來源。腫瘤大量消耗葡萄糖必然加大了葡萄糖的攝入量，最終加劇葡萄糖代謝。
圖5. 常用的葡萄糖轉運抑制劑
研究發現，ATP過量表達與腫瘤的惡性程度、侵襲性和不良預後密切相關。我們列舉了多種GLUT-1抑制劑，例如不可逆抑制劑(WZB117和Phloretin根皮素)、diclofenac(雙氯芬酸)、apigegnin、fasentin、STF-31、以及臨床獲批藥物ritonavir(利託那韋)，如圖5.所示。
WZB117和Phloretin是GLUT1的不可逆性抑制劑，可以顯著降低葡萄糖的攝入量和細胞內的ATP水平，從而抑制糖酵解和細胞生長。補給外源性ATP可以緩解腫瘤細胞的WZB117-誘導性細胞毒性，這表明WZB117等GLUT抑制劑通過降低細胞內ATP水平抑制腫瘤細胞生長。
Diclofenac除了具有抗炎症作用和抗腫瘤活性(由COX-1和COX-2介導)外，還是一種GLUT-1抑制劑。最近研究表明，Diclofenac可以有效抑制黑色素瘤細胞攝入葡萄糖。與Diclofenac相同，天然產物黃酮類化合物apigenin也是一種GLUT-1抑制劑。
先前有人推測apigenin可能通過細胞周期阻滯來發揮抗腫瘤活性，但是最近研究發現apigenin可以顯著抑制GLUT-1的表達，從而降低人類胰腺癌細胞的葡萄糖攝入。查閱臨床試驗官方網站可以發現，有一項旨在研究apigenin對結直腸癌復發影響的臨床試驗(NCT00609310)，不過該項試驗尚未開展。
流行病學研究發現，抗HIV「雞尾酒」可以顯著降低某些腫瘤的發病率，HIV蛋白酶抑制劑具有抗腫瘤活性？研究發現，Ritonavir可以誘導多發性骨髓瘤細胞(McBrayer)和卵巢癌細胞(Kumar)凋亡。卵巢癌組織中的葡萄糖轉運體高水平表達(GLUT 1和GLUT 3)與不良預後密切相關。
儘管Ritonavir對卵巢癌細胞的凋亡誘導作用可能與PI3K/Akt通路受抑制相關，但是有證據表明Ritonavir可以抑制胰島素依賴型GLUT4活性。多發性骨髓瘤細胞研究結果表明，GLUT8和GLUT11是細胞增殖和存活所必需的，GLUT4是細胞葡萄糖代謝(ATP產生)所必需的。
體內研究發現，葡萄糖轉運體抑制可以下調ATP依賴性p-糖蛋白泵水平，從而升高腫瘤細胞的化療敏感性。Ritonavir可以升高多發性骨髓瘤細胞對doxorubicin的敏感性。部分腫瘤細胞因為P-糖蛋白過量表達而產生daunorubicin耐藥性，GLUT-1抑制劑phloretin可以降低這些腫瘤細胞對daunorubicin的耐藥性。
相比於上述對GLUT-1靶向性不強的分子或作用機制複雜的天然產物，fasentin是一種小分子GLUT-1選擇性抑制劑。研究發現，fasentin可以與葡萄糖轉運體的特異性位點結合，限制細胞對葡萄糖和營養的攝取，從而提升細胞對FAS和腫瘤壞死因子凋亡-誘導配體(TRAIL)的敏感性。
儘管fasentin自身不能誘導細胞死亡，但是它為尋找高效非天然產物葡萄糖轉運體抑制劑起了個好頭，例如STF-31就具有合成致死活性。
2.2 葡萄糖轉運體-1與腎癌
腎細胞癌(renal cell carcinoma，RCC)就是代謝通路在腫瘤中發揮重要作用的最好例證。腎細胞癌是典型的缺氧性腫瘤，主要依靠糖酵解獲得ATP。例如，腫瘤抑制琥珀酸脫氫酶(SDH)和延胡索酸水化酶(FH)受到抑制或功能障礙會造成下遊底物聚集(琥珀酸和延胡索酸)。
它們是代謝信號物質，可以抑制脯氨醯羥化酶(PHD)的活性。這些羥化酶是預防HIF-1α積累所必需的。HIF-1α積累會誘發VEGF、TGF-β、PDGF、GLUT1和EPO基因的過量表達，從而促進血管新生、細胞分化、細胞遷移和細胞增殖。特別是，GLUT1過量表達會使腫瘤細胞對葡萄糖「上癮」。
腎細胞癌是成年人最常見的腎臟癌症，約佔90-95%。腎細胞癌細胞對化療、放療和免疫療法的耐藥性很強。最近，新型靶向治療藥物已經取得了突破性進展，例如舒尼替尼(Sutent)和索拉非尼 (Nexavar)。
在大多數腎細胞癌患者中，von Hippel–Lindau (VHL)腫瘤抑制基因是失活的，這會造成HIF-1α積累，以及腫瘤細胞對GLUT1的高度依賴。因此，我們可以據此設計具有合成毒性的GLUT1抑制劑，用來治療VHL失活性的腎細胞癌患者。
STF-31是一種小分子GLUT1抑制劑，它具有很大的改造潛力，特備是針對VHL失活的腫瘤細胞。動物模型研究發現，STF-31可以用VHL依賴性方式抑制葡萄糖的攝入和ATP的產生，從而誘導細胞死亡，最終抑制腫瘤生長。因為正常組織中也存在GLUT受體，因此高劑量GLUT抑制劑可能會引發系統性毒性。
然而，低劑量GLUT抑制劑可以通過降低細胞內ATP水平和下調MDR轉運體表達水平升高細胞對化療藥物的敏感性，但不會產生系統性毒性。因此，在低劑量服藥情況下可以將GLUT抑制劑和細胞毒性藥物聯合使用，用來預防和治療化療耐藥性。
2.3 己糖激酶抑制劑
葡萄糖一旦跨過細胞膜進入細胞質，就會發生磷酸化作用，形成葡萄糖-6-磷酸(G6P)。這是糖酵解的第一個關鍵步驟，由同工酶己糖激酶(hexokinase)催化完成。己糖激酶通過磷酸化將非離子化葡萄糖轉化為葡萄糖-6-磷酸，葡萄糖-6-磷酸不是葡萄糖轉運體的底物，所以葡萄糖就被困在細胞中了。
圖6. 己糖激酶抑制劑
氯尼達明(Lonidamine)是一種吲哚衍生物，作為口服己糖激酶抑制劑和抗錐蟲藥物。研究發現，氯尼達明具有抗腫瘤活性，它可以將己糖激酶與線粒體解耦連，目前已經進入臨床前和臨床實驗階段。臨床實驗結果表明，氯尼達明單獨用藥時治療效果並不明顯。
然而，氯尼達明用藥與化療聯合進行時治療效果較好。例如，氯尼達明與表柔比星(epirubicin)聯合用藥可以緩解乳腺癌對表柔比星的耐藥性。氯尼達明同樣可以提高卵巢癌和肺癌的化療敏感性，結果雖然喜人但是並不嚴謹，這表明仍需開展進一步深入的研究。
惡性神經膠質瘤是一種特別依賴糖酵解的腫瘤，那是否可以將線粒體耦連己糖激酶作為氯尼達明治療的靶點？臨床研究發現，氯尼達明作為放療增敏劑和放化療增敏劑(XRT和temizolamide)可以有效治療惡性神經膠質瘤，升高腫瘤患者存活率。
最近，氯尼達明已經用於前列腺良性增生治療，但是治療過程中出現了藥物相關肝臟毒性，相關治療研究工作因此被叫停。檢索可以發現，目前並沒有正在開展的氯尼達明臨床試驗。然而，大家對氯尼達明的興趣並沒有消減，目前正在試圖通過改變劑型以降低其器官毒性。
2-脫氧-D-葡萄糖(2-DG)和3-溴丙酮酸(3-BP)是己糖激酶-II的小分子抑制劑，可以通過降低細胞內ATP水平升高細胞對化療藥物的敏感性。2-脫氧-D-葡萄糖是一種葡萄糖類似物，可以進入細胞並通過磷酸化作用形成2-DG-P。然而，2-DG-P是一種 「終結」物質，不能參與進一步的代謝反應，從而阻斷糖酵解的進行。
體內研究發現，2-脫氧-D-葡萄糖單獨使用時治療效果十分有限，因為內源性葡萄糖會與其競爭己糖激酶的活性位點。不過，2-脫氧-D-葡萄糖與adriamycin和paclitaxel聯合使用時，它可以顯著提升後者的抗腫瘤活性，其作用機制可能與降低細胞內ATP水平和抑制多藥耐藥泵相關，因為藥物外排需要消耗大量ATP。
曲妥單抗(Trastuzumab)是一種人源化的單克隆抗ErbB2抗體，研究發現它可以有效緩解ErbB2陽性乳腺癌患者的病情。然而，在治療過程中腫瘤會出現針對曲妥單抗的獲得性耐藥，這是曲妥單抗的一大主要缺點。最近證據表明，腫瘤對曲妥單抗的耐藥性主要與葡萄糖攝入增加和乳酸產生有關。
研究發現，2-脫氧-D-葡萄糖可以提升曲妥單抗耐藥性細胞對曲妥單抗的敏感性，這表明聯合用藥可能是一種有效的乳腺癌治療策略。2-脫氧-D-葡萄糖目前已經進入一期臨床試驗，它的耐受性很好且毒性較小。
3-溴丙酮酸(3-BP)是丙酮酸的類似物，是己糖激酶和3-甘油醛磷酸脫氫酶的抑制劑，這兩種酶在糖酵解中發揮了重要作用。臨床前研究發現，經肝動脈灌注給藥時，3-BrPA對肝內和肝外腫瘤有很好的治療效果，而且沒有明顯的毒性。
Cardaci等研究發現，3-BP可以通過抑制穀氨醯胺代謝發揮毒性作用，穀氨醯胺代謝是腫瘤細胞的另一個非線粒體性ATP能量來源。儘管穀氨醯胺可以替代腫瘤細胞的葡萄糖，但是在穀氨醯胺不存在的情況下，3-BP在體外仍有很強的的細胞毒性。
2.4 丙酮酸激酶M2(PKM2)抑制
在糖酵解的倒數第二步由丙酮酸激酶(pyruvate kinase)催化完成，磷酸烯醇丙酮酸(PEP)轉化為丙酮酸。丙酮酸激酶有四個亞型：L、R、M1和M2，其中M2是腫瘤細胞丙酮酸激酶的主要亞型。有趣的是，相比其他亞型丙酮酸激酶，PKM2(丙酮酸激酶M2)的活性很低，這會造成糖酵解上遊中間產物的積累。
這些中間產物可以經磷酸戊糖途徑轉化為核糖-5-磷酸等大分子合成的底物。儘管PKM2抑制會抑制腫瘤的發展，但是PKM2催化磷酸烯醇丙酮酸生成丙酮酸是ATP產生的關鍵步驟，是能量穩態維持必不可少的。
圖7. 丙酮酸激酶M2(PKM2)抑制劑
紫草素(Shikonin)(圖7.)是一種具有抗腫瘤活性中藥萘醌衍生物。紫草素通過產生活性氧(ROS)抑制腫瘤細胞PKM2的表達，具體機制可能與358位胱氨酸殘基氧化相關。紫草素治療膀胱癌的研究已經進入臨床二期階段，但是迄今為止尚沒有數據報告。
因為相比正常組織，在腫瘤細胞中M2亞型丙酮酸激酶更為常見，所以PKM2已經成為藥物治療的潛在靶點。基於MTT法的小分子藥物高通量篩選結果顯示，抑制率為50%分子的命中率約佔7%。儘管已經發現了PKM2抑制劑，但是它對M1亞型丙酮酸激酶的選擇性不佳。
理論上，高效的PKM2抑制劑可以完全抑制糖酵解代謝和ATP產生。不過，這些選擇性不強的PKM2抑制劑可能對其他亞型的丙酮酸激酶有很好的靶向性，或者可以與其他細胞毒性藥物聯合使用。
紫草素及其類似物(例如alkannin紫草紅)是一種天然染料和食品添加劑，在中國中藥領域已經使用了很多年。研究發現，紫草素和紫草紅均能有效抑制PKM2，但對PKM1或丙酮酸激酶-L(PKL)沒有抑制作用，從而限制糖酵解和ATP的產生。這兩種分子藥物對人類皮膚癌細胞有化學預防作用。但是，目前在美國並沒有關於紫草素和紫草紅的臨床試驗。
關於老藥新用有一個很好的例子，奧利司他(orlistat)是胃腸道脂肪酶和脂肪酸合成酶(FASN)抑制劑，主要用於減肥，然而研究發現奧利司他還具有抗腫瘤活性。最近研究發現，奧利司他可以抑制卵巢癌細胞(SKOV3)PKM2的活性，這表明在卵巢癌治療領域有潛在的應用價值。
3. 磷酸戊糖途徑
3.1 葡萄糖-6-磷酸脫氫酶抑制劑
葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)是腫瘤細胞內主要的抗氧化酶，它可以維持穀胱甘肽(GSH)水平以免細胞遭受ROS損傷。穀胱甘肽活性池的再生情況視NADPH的還原力而定，腫瘤細胞需要保持很高的還原性穀胱甘肽水平以便保護細胞免受ROS的毒性作用。
圖8. 葡萄糖-6-磷酸脫氫酶抑制劑
因此，葡萄糖-6-磷酸脫氫酶抑制可能會產生災難性影響，ROS水平失控，從而促進細胞死亡。儘管早在1960年有報導稱類固醇可以抑制葡萄糖-6-磷酸脫氫酶，然而處於抗腫瘤研究中的葡萄糖-6-磷酸脫氫酶抑制劑的數量並不是很多。
到目前為止，大多數的葡萄糖-6-磷酸脫氫酶抑制劑主要是類固醇，包括內源性脫氫表雄酮(DHEA)和兒茶素沒食子酸鹽(catechin gallates)。如圖8所示，6-氨基煙醯胺(6-aminonicotinamide)和海藻天然產物溴苯酚(bromophenols)也是選擇性和可逆性的葡萄糖-6-磷酸脫氫酶抑制劑。
隨著葡萄糖-6-磷酸脫氫酶在抗腫瘤治療中的重要性日益升高，研究工作的重點已經轉移到如何尋找更加有效的DHEA類似物上。腫瘤細胞的多藥耐藥性(MDR)形成與藥物外排泵的激活相關。
研究發現，多柔比星耐藥性結直腸癌細胞的藥物外排泵MRP1和MRP2表達水平上調與葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性增加、磷酸戊糖途徑水平升高和細胞內穀胱甘肽水平升高相關。 這些數據表明，抑制葡萄糖-6-磷酸脫氫酶可以使腫瘤細胞的藥物外排泵失活，從而升高HT-29DX細胞對多柔比星的敏感性。
RRx-001 (如圖8.所示) 可以抑制組蛋白去乙醯化酶(HDACs)和DNA甲基轉移酶活性，是一類結構新穎的抗腫瘤化合物，目前已經進入臨床實驗一期階段。RRx-001是一種親電體，可以與穀胱甘肽和脫氧血紅蛋白的親核硫醇基團結合。
RRx-001的抗腫瘤活性機制可能與腫瘤細胞中的活性氧和活性氮水平升高有關(reactive oxygen and nitrogen species，RONS)。半胱氨酸依賴性酶對氧化修飾/損傷特別敏感，它活性部位的半胱氨酸殘基是催化反應所需的，因此可以通過活性氧調控實現對葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)的抑制。
RRx-001是一種強有力的和選擇性很高的腫瘤細胞葡萄糖-6-磷酸脫氫酶抑制劑，在RRx-001所產生的氧化迸發情況下腫瘤細胞敏感性更高。同樣，RRx-001也可以通過活性氧抑制丙酮酸激酶M2的活性。
在一期臨床試驗階段，25位晚期轉移性腫瘤患者在接受RRx-001預處理後，病情顯著改善且沒有顯著的系統毒性，這表明RRx-001對腫瘤細胞的毒性更強。ATP水平是反映化療耐藥性藥物的關鍵決定因素，研究發現RRx-001可以增強後續化療的療效，其中包括4位結直腸癌患者和1位非小細胞肺癌患者。
這個研究結果可能與先前的假設「化療耐藥性是不可逆的」相悖，恢復敏感性(resensitization)可能是一種新的癌症治療方法。
4. 穀氨醯胺代謝
4.1 穀氨醯胺轉運體
腫瘤細胞對兩種營養物質特別上癮，它們分別是葡萄糖和穀氨醯胺。穀氨醯胺是人體含量最豐富的循環性胺基酸，穀氨醯胺經過代謝可以轉化為α-酮戊二酸，α-酮戊二酸是Krebs循環的中間產物。Krebs循環不僅細胞提供ATP，還為大分子合成提供前體物質，例如為糖異生提供蘋果酸、為氧化磷酸化提供NADH、為亞鐵血紅素合成提供琥珀醯CoA。
其中，回補反應(anapleurotic reactions)是Krebs循環正常進行所必需的。儘管正常細胞很少動用穀氨醯胺進行代謝，但是腫瘤卻可以將穀氨醯胺代謝相關的中間產物回補進入Krebs循環。此外，穀氨醯胺還是還原性穀胱甘肽(GSH)的前體。
圖9. 穀氨醯胺代謝抑制劑
它莫西芬(Tamoxifen)和雷洛昔芬(Raloxifene)(如圖9.所示)均可以通過抑制穀氨醯胺轉運體(ASCT2)阻斷穀氨醯胺的細胞攝入，從而降低細胞內穀胱甘肽水平，產生一定的細胞毒性。不過，通過添加外源性N-乙醯-L-半胱氨酸(N-acetyl L-cysteine)和雌二醇(17 beta-estradiol)可以升高細胞內穀胱甘肽水平，這可以緩解上述兩種藥物的細胞毒性。
穀氨醯胺類似物阿西維辛(acivicin)和6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸(DON)可以抑制穀氨醯胺代謝，從而顯著抑制體內外腫瘤細胞的。然而，由於它們的選擇性較低和毒性較大，目前尚未進入臨床試驗階段。
5. 自噬抑制
在營養物質匱乏的條件下，腫瘤細胞動用和調配一些生物大分子用於代謝反應。自噬是一種維持ATP正常水平的自我補給方式，從而將能量消耗降到最低水平。
圖10. 自噬抑制劑
臨床研究最徹底的自噬抑制劑是抗瘧疾化合物，即氯喹(chloroquine，CQ)和羥氯喹(hydroxychloroquine，HCQ)(如10.所示)，它們可以抑制溶酶體蛋白酶活性。像其他ERMAs一樣，氯喹可以恢復Her2-陽性乳腺癌細胞對曲妥單抗的敏感性。
有趣的是，氯喹也是P-糖蛋白泵和多藥耐藥泵的底物，從而可以降低細胞內的ATP水平(見下文)。在www.clinicaltrial.gov網站上可以發現，氯喹和羥氯喹正在開展多種腫瘤自噬抑制相關的臨床實驗。黃酮類物質芹黃素(apigenin)可以選擇性地誘導腫瘤細胞凋亡，還可以抑制GLUT-1的表達。
研究發現，芹黃素還可以誘導細胞自噬。有趣的是，相比芹黃素單獨處理，芹黃素和自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine)聯合處理可以顯著提高腫瘤細胞凋亡水平，這表明芹黃素和自噬抑制劑聯合用藥可能是一種很有前途的抗腫瘤治療策略。
6. 加大細胞ATP消耗量
為了應對放療和化療等環境「衝擊」等，腫瘤細胞必須按比例增加其ATP產生量，以滿足複雜表型變化的能量需求，但是這會大大降低其生存能力。例如，有些腫瘤會上調細胞膜藥物外排泵水平，在維拉帕米(verapamil)共同作用時卻會增加腫瘤細胞的ATP消耗量。
維拉帕米是P-糖蛋白泵的一種非化療藥物性底物，可以激活ATP酶活性，這會消耗大量的能量。當濃度在毒性水平以下時，維拉帕米可以恢復P-糖蛋白過量表達細胞的多藥耐藥泵表型。Gatenby等認為這種「減少供給和增加需求」的治療策略在理論上可以產生復敏效果，從而提高荷瘤小鼠的存活率。
7. 控制食源性能量
腫瘤患者控制食源性能量的基礎是降低葡萄糖攝入量，誘發產生一種酮症狀態(ketotic state)。在能量限制或強烈體育運動的情況下，脂肪酸代謝會產生酮類物質(ketones)，後者會轉化為乙醯CoA並進入三羧酸循環和電子傳遞鏈。
正常細胞可以利用酮類物質，但是腫瘤細胞由於氧化磷酸化功能障礙而不能利用酮類物質。因此，控制食源性能量會將腫瘤置於進退兩難的境地：(1)糖酵解作用下降；(2)飢餓的腫瘤組織又不能用酮體物質替代葡萄糖。
Seyfried等研究發現，小鼠原位移植瘤神經膠質瘤生長遲緩與體內葡萄糖水平降低、酮體水平升高有關。Maurer等研究發現，與良性神經元細胞不同，葡萄糖依賴性神經膠質瘤細胞並不能利用酮類物質β-羥基丁酸(β- hydroxybutyrate)。
到目前為止，還沒有開展一項關於食源性能量限制的隨機臨床試驗。不過，有兩個案例報告卻給大家帶來了令人鼓舞的結果。1995年Nebeling等報導，接受長期生酮治療(即飲食大量高脂肪食物)晚期惡性星形細胞瘤兒童患者的無病進展期為12個月。
Seyfried等報導，在對一位65歲多形性成膠質細胞瘤女性患者進行常規治療的同時，每天強制性進食600卡路裡的生酮食物(ketogenic diet)。儘管在治療2個月後患者的體重減輕了20%，但是在飲食治療結束後10周內腫瘤沒有復發。儘管存在這些陽性的實驗結果以及強大的理論基礎，但是目前缺乏標準化的治療方案。
考慮到惡病體質腫瘤患者的體重降低情況，限制熱量飲食、低血糖飲食或生酮飲食療法似乎很難開展。然而，檢索臨床試驗官方網站可以發現，一項名為「復髮膠質母細胞瘤患者化療期間限制熱量飲食、生酮飲食和瞬態禁食(ERGO2)」臨床隨機實驗正在開展，至少4項涉及不同類型腫瘤患者生酮飲食研究正處於1期臨床階段。
在不久的將來，應該有更多的數據可以證明這種食源性能量控制療法的有效性，或單獨使用，或與其他療法聯合進行。
8. 成像應用
有兩種生物標記物可以標示腫瘤的ATP產生情況，它們分別是2-18F-2-脫氧-D-葡萄糖(2-[18F] fluoro-2-deoxy-d-glucose，FDG)和Tc鎝-甲氧基異丁基異睛(Tc-Sestamibi，Tc-MIBI)。PET掃描早已成為惡性腫瘤腫瘤篩查的主要手段。
Tc-MIBI是P-糖蛋白泵系統(P-gp)和多藥耐藥性蛋白質(MRP)的底物，它不僅可以顯示藥物外排泵的工作狀態(Tc-MIBI清除速率越快，藥物外排泵濃度水平越高，反之亦然)，還可以增加這些泵的ATP周轉速率，這使得治療和診斷變為可能。這個診療策略與已經進入臨床二期階段，理論上，可以通過PET和Tc-MIBI交聯實現腫瘤細胞ATP狀態的實時監測。
9. 結論
不管是犯罪組織還是恐怖分子，它們都需要依賴資金支持來開展犯罪行為，資金來源正是執法機關打擊和瓦解這些犯罪組織的切入點。同樣，ATP和NADH作為細胞的能量和氧化還原通貨，在腫瘤發生、發展和侵襲轉移中起了重要作用，這正是腫瘤的致命弱點。
犯罪組織有能力進行多元化投資，當一個帳戶凍結時他們可以啟用其他帳戶的資金。和犯罪組織不同，腫瘤ATP 的「生產商」糖酵解/穀氨醯胺代謝產能效率極低；此外，不適居留的缺氧和酸性微環境卻恰巧賦予腫瘤細胞化療耐藥性，還迫使它們提升糖酵解水平以彌補氧化磷酸化帶來的能量損失。
腫瘤似乎受到了能源「詛咒」，結果使得腫瘤代謝十分脆弱不堪。要想具有持久的獲得性耐藥性，就必須匹配相應的供給和需求環境。一旦腫瘤細胞內的ATP供給不足，產能效率低就變成了十足的致命點，這會進一步加劇細胞內的「飢餓」環境。
和其他疾病一樣，腫瘤治療也是基於個體基因突變差異進行的。不過，在開展個體化治療時，我們不能忽略能量限制這個治療思路。按照目的論的思維方式，腫瘤細胞的存在理由是生存，這需要快速的大量的ATP供給以滿足細胞能量需求、生物合成需要、以及維護細胞內的氧化還原狀態。
經典的致瘤信號通路一般和代謝通路交聯，例如PI3K/AKT和mTOR通路，這直接或間接地促進了生物合成和細胞增殖，最終產生了一個新概念：信號通路抑制和能量限制聯合治療策略。
微觀經濟學認為，如果特定資源的總需求超過供應，短缺問題接踵而至，如果短缺是普遍性的和慢性的，那麼連帶後果會在整個經濟體系蔓延。同樣，如果細胞內的ATP水平由於藥物作用或食物控制而短缺不足，所產生的能量壓力迫使腫瘤細胞將ATP重新分配到最需要的地方，例如生存。
這個重新分配會導致其他能量密集型的細胞活動受阻，例如ATP驅動型藥物外排泵或腫瘤抑制基因的表觀遺傳沉默。抑制這些能量密集型的細胞活動，可以提升腫瘤細胞的化療和放療敏感性。基於這個原因，也就是本文的主要論點，能量限制是在治療上是一種可行的策略，特別是當與其他治療方式聯合開展時。
賦予先前那些耐藥性腫瘤細胞新的化療敏感性，這可能會給腫瘤治療帶來幾何形的變化，從線性連續療法到環線放療/化療重新介入的變化，這可能會顯著改善腫瘤患者的總體存活率，將癌症變成一種普通的慢性病。
理想情況下，聯合治療和非重疊療法可能包括用藥物抑制糖酵解、磷酸戊糖途徑、穀氨醯胺代謝、自噬和非化療策略(如維拉帕米，可以加劇能量密集型MDR-介導ATP的周轉)，上述多種策略均直接靶向於ATP產生，這樣將產生最佳且最有效的治療結果。
ATP是支點，整個腫瘤「經濟系統」圍繞這個支點運轉。抗能量治療策略作為一根槓桿，可能會撬動腫瘤這個「經濟系統」，歸一化如今的腫瘤治療策略。