毫厘之差 癌细胞露出狐狸尾巴

瓦尔堡假说给了人们两条线索，第一条线索，肿瘤细胞比正常细胞增殖速度快，这个既是现象，也是事实，是和尚头上的虱子，明摆着的事情，不用人们花费心思去求证。然而第二条线索，肿瘤细胞与正常细胞不同的能量代谢机制缘起线粒体功能上的缺陷？如果这一假说成立，那求证是必然的行为。由于肿瘤日益成为人们心目中难以割舍的阴影，成了热点问题、社会问题，因而引发了无数学者竞相投入到这个假说的求证过程中。

文章写到这里，我们就非常有必要先来搞清楚线粒体与正常细胞之间的关系。

最初的认识，线粒体是细胞的一个组成部分，是细胞的能量转化工厂，相当于细胞的发动机，有了线粒体对能量的收集、转换，细胞才有维持正常新陈代谢所需要的营养与能量。没有线粒体的帮助，细胞就没有了生活来源和能量保障，凋亡也就顺理成章。

这个能量工厂的工作机制是怎样的呢？

首先我们还是回到能量工厂的原料，主要是三个部分：碳水化合物（糖）、脂肪以及蛋白质。我们已经知道70%的能量来源来自碳水化合物，而其他部分是由脂肪与蛋白质构成。

其次我们了解一下线粒体与有氧呼吸。有氧呼吸是指细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成大量ATP（腺苷三磷酸，是由腺嘌呤、核糖和3个磷酸基团连接而成，水解时释放出较多能量，是生物体内最直接的能量来源）的过程。

有氧呼吸是高等动、植物进行呼吸作用的主要形式，通常所说的呼吸作用就是指有氧呼吸。有氧呼吸在细胞质基质和线粒体中进行，且线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所。有氧呼吸一般分为三个阶段。

第一阶段

在细胞质的基质中，一个分子的葡萄糖分解成两个分子的丙酮酸，同时脱下4个[H](活化氢)；在葡萄糖分解的过程中释放出少量的能量，其中一部分能量用于合成ATP，产生少量的ATP。这一阶段不需要氧的参与，是在细胞质基质中进行的。

反应式：C₆H₁₂O₆酶→2C₃H₄O₃(丙酮酸)+4[H]+少量能量(2ATP)（4[H]为2NADH）。

第二阶段

丙酮酸进入线粒体的基质中，两分子丙酮酸和6个水分子中的氢全部脱下，共脱下20个[H]，丙酮酸被氧化分解成二氧化碳；在此过程释放少量的能量，其中一部分用于合成ATP，产生少量的能量。这一阶段也不需要氧的参与，是在线粒体基质中进行的。

反应式：2C₃H₄O₃(丙酮酸)+6H₂O酶→20[H]+6CO₂+少量能量 (2ATP)（20[H]为16NADH和4FADH2）。

第三阶段

在线粒体的内膜上，前两阶段脱下的共24个[H]与从外界吸收（或叶绿体光合作用）产生的6个O₂结合成水；在此过程中释放大量的能量，其中一部分能量用于合成ATP，产生大量的能量。这一阶段需要氧的参与，是在线粒体内膜上进行的。

反应式：24[H]+6O₂酶→12H₂O+大量能量(34ATP) （24[H]为10*2NADH和2*FADH2）。

1NADH生成2.5ATP，1FADH2生成1.5ATP。

[H]是一种十分简化的表示方式。这一过程中实际上是氧化型辅酶Ⅰ（NAD+）转化成还原性辅酶Ⅰ（NADH + H+），和FAD+转化为FADH2。

有氧呼吸主要在线粒体内，而无氧呼吸主要在细胞基质内。

有氧呼吸需要氧气分子参加，而无氧呼吸不需要氧气分子参加。

有氧呼吸分解产物是能量（ATP）和二氧化碳、水，而无氧呼吸分解产物主要是酒精或乳酸以及少量能量。

有氧呼吸释放能量较多，无氧呼吸释放能量较少。

总反应式

C₆H₁₂O₆+6H₂O+6O₂→6CO₂+12H₂O+大量能量（最多38个ATP，一般是29-30个ATP）

上述三阶段就是有氧呼吸所带来的正常细胞的能量代谢过程。

在有氧呼吸过程中，葡萄糖彻底氧化分解，1摩尔的葡萄糖在彻底氧化分解以后，共释放出2870千焦尔的能量，其中有1161千焦尔的能量储存在ATP中，1709千焦尔以热能形式散失。利用率为40.45%。

通过上述这个有氧呼吸的过程，人体正常细胞获得了必要的能量，为发挥正常的组织功能提供了充分的保障。因而线粒体有氧呼吸是一条非常健全的通道，只要这条通道没有出现问题，线粒体的正常功能就能为细胞的新陈代谢提供了正常的保障机制。

与此相反的是，肿瘤细胞的能量代谢方式却大相径庭。

如果要切断肿瘤细胞的能量来源（也即肿瘤细胞工厂原料），我们就必须了解肿瘤细胞的能量代谢机制，唯有充分了解肿瘤细胞与正常细胞不同能量代谢机制，才能出奇制胜，对症下药。

尽管对于肿瘤的发病机制，科学界还没有阐述的十分清楚，但对于肿瘤细胞快速增殖与转移这两个显著的特征从来就没有产生过分歧。

而肿瘤细胞为了达到快速增殖和转移这两个目标（或者说是肿瘤的最高理想），它会不惜一切代价和手段，来完成它的使命。先是采取办法（增加“葡萄糖转运工具”）优先获得营养来源（葡萄糖），排挤正常细胞的生存空间（产生大量的乳酸及产生较多的氧自由基，给正常细胞带来糟糕的生存环境），在非常时期，采取非常手段来瓦解正常细胞与线粒体的合作关系，发展收买正常细胞的线粒体成为自己的“双面间谍”，如此不一而足。

为方便描述，我们将正常细胞的能量代谢机制称为“感冒药生产体系”（该体系在有氧呼吸三个阶段均有所描述），而将肿瘤细胞能量代谢机制称为“毒品黑帮体系”，两个体系既有共同的原料基础，也有不同的原料及加工生产模式，包括生产场地。与正常细胞健全的生产组织体系一样，“毒品黑帮体系”也有一套属于它自身的生产、管理及监督响应体系。

正常细胞能量代谢90%的ATP来源于氧化磷酸化也就是有氧呼吸这一过程，而仅有10%来源于糖酵解。并且在有氧条件下，糖酵解会受到抑制。而肿瘤细胞却不走寻常路。偏偏走的是不为正常细胞看好的这条道路，糖酵解之路。

原来肿瘤快速增殖需要的不仅仅是能量，还有许多用于快速增殖的细胞构件与用于肿瘤转移的运载工具（如血管生成），采用糖酵解之路有其必然的选择和目的，更有其运用上的优势。主要表现在以下几个方面：

第一，在缺氧或低氧情况下，糖酵解依然可以为肿瘤细胞的生长获得充分的能量来源。由于肿瘤细胞生长迅速，所以对能量需求量大，而糖酵解可以在极端条件下，快速产生ATP，供肿瘤生长；

第二、快速增殖必定需要维持细胞对建筑材料的需求，糖酵解的中间产物6-磷酸葡萄糖、丙酮酸可以合成脂肪酸、核酸，调节细胞代谢和生物合成，有助于肿瘤细胞的迅速生长；

第三、正常情况下，肿瘤细胞既可以做到快速增殖，又不会轻易领略到死亡的潜在风险，特别是糖酵解酶（己糖激酶）的异常表达，对下调细胞凋亡起到积极作用。研究表明，己糖激酶（hexokinase ，HK）具有拮抗细胞凋亡的作用；

第四、快速增殖，势必要疯狂地掠夺生存资源，排挤竞争对手。糖酵解的另一大好处，其一部分产物（乳酸）可以使肿瘤周围微环境酸化，这种酸化的微环境不利于正常细胞生长，却有利于肿瘤细胞的浸润和转移。

看得出低效率能源的消费方式却养肥了肿瘤细胞。这跟我们一般意义上谈及“毒品黑帮体系”极为相似。因为生产“毒品”的黑帮为了悄悄地生产毒品、扩张势力范围，也只能悄悄地干，不然会被警察盯上，如果被盯上，如何壮大？而如果要顺利地壮大毒品黑帮体系，就需要建立一整套的快速响应体系，包括对原料的组织、生产过程中的监督管理，遇上缉毒人员（警察）需要及时地调整内部运营体系（包括临时或永久性关闭该体系），如果市场原料短缺，工厂管理层可能会指示原料采购员千方百计地寻找替代原料（麻黄素），以满足毒品生产与市场消费的需要，必要的时候还可能采取收买竞争对手（正常细胞）的采购人员（线粒体），成为黑帮组织的帮凶！所以，“毒品黑帮体系”尽管低调，但可能是财富增长最快的群体。这里面涉及到几个与生产体系紧密关联的角色，为方便阐述，我们做一个形象上的安排。

原料，葡萄糖（鸦片）、蛋白质（麻黄素）、成品（海洛因和感冒药）、葡萄糖转运体（黑帮原料押运队）、单羧酸转运泵（半成品搬运工）和氢离子相关转运体（废品回收员）、己糖激酶（毒品流水线生产人员，技术工人）、微环境（社会环境，清明廉洁还是贪污腐化）与低氧诱导因子（毒品贩子）、线粒体（原料采购员）、抑癌因子（缉毒警察）等。

现在，我们就回绕糖酵解机制作一个全面的介绍。虽然这个机制比较复杂，受多种因素的影响，甚至一些潜在的因素很可能因限于目前的科技水平尚未发现，但从已有的知识架构来描述，可以解释一个大概。

这几个因素主要包括：有利于糖酵解的葡萄糖转运体（黑帮原料押运队），酶（技术工人）代谢异常，肿瘤微环境（社会腐化，适合于毒品销售），癌基因（黑帮火力）及信号转导通路（可理解为毒品销售网络）异常等。

首先，先说说有利于糖酵解（毒品生产）过程中时常出没的葡萄糖转运体（黑帮原料押运队）。

肿瘤细胞摄取葡萄糖（鸦片）能力大致是正常细胞的10倍左右，研究发现，肿瘤细胞膜表面存在大量的葡萄糖转运体（黑帮原料押运队），由于肿瘤细胞热衷于糖酵解能量代谢方式，而主要中间产品是乳酸（半成品），同时，细胞膜表面存在大量的单羧酸转运泵（半成品搬运工）以及氢离子相关转运体（废品回收员）方便及时转运过量的乳酸（半成品），不然，细胞内过多的乳酸堆积，容易导致酸中毒，致使细胞死亡。

（在黑帮头目的指令下），葡萄糖（鸦片）在葡萄糖转运体（原材料押运队）押解下，以被动转运的方式进入胞内（毒品工厂），由于葡萄糖为水溶性有机物，所以需葡萄糖转运体（原材料押运队）协同进入胞内（毒品工厂）。实验表明葡萄糖转运体（原料押运队）至少有14个小分队，其中1分队，3分队，4分队与葡萄糖亲和力较高（也就是说这三个小分队除了跟内部生产管理人员关系好之外，跟鸦片仓库管理员也很熟悉，不然黑帮组织不会给原料押运队友开绿灯），具有转运葡萄糖的活性。且在众多恶性肿瘤中都有3分队与4分队会过量表达，而1分队在正常组织中也时常会露脸，但在恶性肿瘤组织中表达明显增高（意思说1分队在作为黑帮原料押运过程中出现的次数和频次较在正常组织工作时间露脸更多）。

其次，了解一下单羧酸转运泵（半成品搬运工）和氢离子相关转运体（废品回收员）两者的基本工作。

糖酵解主要产物是乳酸（半成品），研究表明糖酵解产生的乳酸（半成品）通常由单羧酸转运泵（半成品搬运工）转运至肿瘤微环境（流入到社区）中。因此肿瘤微环境PH值较低，从而不利于正常组织生长（不利于感冒药的销售与推广），却有利于肿瘤扩散（毒品网络扩张）。跟葡萄糖转运体（原料押运队）一样，先前已发现单羟酸转运泵（半成品搬运工）至少有14个分队，其中1、2、3、4四个分队有转运乳酸（半成品）的能力，而2分队和与4分队与乳酸（半成品）亲和力最强，并且在恶性肿瘤中过量表达（意思在黑帮工厂和社会之间来回穿梭的频次非常高）。1分队虽在正常组织表达，但在肿瘤细胞中表达明显升高（意思是说1分队一旦卷入黑帮组织后，出现的频次也随之增加）。肿瘤细胞表面氢离子转运体（废品回收员）如Na+-H+交换体，空泡型质子泵也明显上调，使肿瘤细胞内PH值维持稳定，使肿瘤不受高糖酵解活性产生的大量乳酸（半成品）的威胁。

我们再来认识一下己糖激酶（技术工人）的相关作用。

酶是生物体内生化进程中不可缺少的催化剂，生物体中的能量代谢也大多由酶（技术工人）来调节。在肿瘤细胞中，氧化磷酸化的酶合成受到抑制，比如细胞色素C（COX），琥珀酸脱氢酶（SDH），延胡索酸水和酶（FDH）等等，而糖酵解酶合成增多，例如己糖激酶（HK），磷酸果糖激酶(PFK)、乳酸脱氢酶(LDH)和磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)等。 

己糖激酶（技术工人）催化葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate，G-6-P），是糖酵解的第一步，也是糖酵解的限速步骤。人体中己糖激酶（技术工人）共有4个小类别，分别为1号、2号、3号及4号技工，他们分布在不同的组织，并且1号、2号、3号技工对葡萄糖亲和力较强，4号技工对葡萄糖亲和力较低。恶性肿瘤中（黑帮工厂开工时），2号技工出现频次明显增高。而2号技工表达水平的上调和DNA甲基化有着密切联系。正常肝细胞中，DNA甲基化程度高，2号技工几乎不表达（几乎不出现），而肝癌细胞中2号技工基因甲基化程度低，因而2号技工基因表达较高（出头露面的机会明显增加）。 

己糖激酶（技术工人）不仅在调节糖酵解（毒品加工）过程中起关键作用，它还可以促进细胞增殖、抑制细胞凋亡。它可与线粒体外膜的孔蛋白VDAC相结合，并且相互作用，促进细胞增殖、抑制细胞凋亡。

再有，我们有必要了解一下肿瘤微环境与低氧诱导因子（毒品贩子）的作用。

肿瘤细胞增殖异常迅猛是肿瘤的显著特征之一，而当肿瘤细胞增长到一定程度时，原有的毛细血管已经不能提供足够多的氧气及营养物质以维持肿瘤的生长，所以就会有新的毛细血管生成，用来满足增加的血流量和营养物质供应。促进血管新生的细胞因子主要为血管内皮生长因子（VEGF）。而低氧诱导因子（HIF）侧可以促进VEGF的表达。在缺氧条件下，这二者表达均显著增高。

在缺氧条件下，肿瘤细胞内发生最明显的变化就是HIF表达升高。HIF是由异源二聚体组成，包括一个不稳定的α亚基和稳定的β亚基。可以与靶基因启动区的缺氧应答元件(hypoxia response element, HRE)识别，启动靶基因表达。根据α亚基不同，HIF分为3个亚型，HIF-1~3，分别存在于不同组织。HIF-1广泛表达于各种细胞中，而HIF-2仅表达于内皮细胞、肾、心脏、肺及小肠组织中，至于HIF-3的作用则需要进一步探明。（这段话的意思是毒品贩子可根据毒品黑帮的指令，结合市场情况，分别派遣三个小分队潜伏在不同的社会群体中，随时根据社会治安情况和市场需求提出调整毒品产量建议和进行毒品交易。）

在氧气充足的条件下，HIF通常被泛素化途径降解，因此含量很少。主要机制为，HIF被PHD家族成员羟化，形成与肿瘤抑制蛋白VHL(von Hippel-Lindau)结合的位点，HIF与VHL蛋白结合形成复合体，然后被引导至蛋白酶体降解。氧气缺乏时，PHD活性受到抑制，不能使HIF羟化，VHL不能识别，所以可以稳定存在。（如果社会风气好，缉毒警察管理严密，毒品贩子就消失在茫茫人海中，一旦警报解除，又会浮出水面，并不理会警察的存在。）

HIF-1α与HIF-1β结合,进入细胞核,与靶基因启动子区的缺氧应答元件(HRE)识别并结合,启动靶基因的转录。HIF-1α转录活化的基因有100~200个，包括葡萄糖转运体1和3（分队）、糖酵解酶类、单羧基转运体4(MCT4)等。HIF-1α通过上调葡萄糖转运体1和3（分队）增强肿瘤细胞对葡萄糖的摄取，为活跃的糖酵解提供充足原料；通过上调糖酵解通路中的多个酶的转录,增强糖酵解代谢；通过上调MCT4表达，促进细胞内乳酸的排除，维持胞内PH稳定；通过上调血管内皮生长因子(VEGF)和促红细胞生成素(erythropoietin, EPO)等的表达,促进新生血管的生成；通过增强丙酮酸脱氢酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase isozyme1,PDK1)的表达,减少线粒体氧化磷酸化的底物生成从而影响线粒体的功能。（这段话的意思是说，毒品销售形势好，毒品贩子就跟黑帮头目汇报，要求加大毒品生产力度，黑帮根据毒贩的请求，就会下达各项指令，要求原料采购员加大采购力度，指示原料押运队多派运输车辆，命令技术工人加班加点，而相应的半成品搬运工、废品回收员也做相应的配合，这样毒贩有了充足的毒品，就会积极发展下线，扩张毒品交易网络，等于毒品很自然地得以扩张和转移了。）

最后，我们回到线粒体（原料采购员）DNA这个环节。

人类线粒体DNA编码有13种参与了线粒体呼吸链的蛋白分子。线粒体DNA由于与细胞内活性氧产生位点在物理位置上非常接近，而缺乏组蛋白保护并且自身修复能力弱，所以容易受损而发生突变。肿瘤细胞线粒体DNA变异现象较为普遍。线粒体DNA突变可引起线粒体氧化磷酸化呼吸功能下降，糖酵解代谢增高。

Ras，Src，PI3K/Akt，Bcr-Abl等癌基因（黑帮火力）有促进糖酵解并减弱线粒体氧化磷酸化的功能。 Ras基因活化导致氧自由基（ROS）增加，抑制HIF-1α羟化。使肿瘤细胞中（原料押运1分队）表达增高，肿瘤细胞摄取葡萄糖增高，糖酵解增加。另外Ras可以通过PI3Kα与AKT1的活化性突变所致的mTOR(mammalian target of rapamycin)通路的活化，会促进HIF1α的转录和翻译，促进糖酵解活性。Bcr-Abl也可以促进糖酵解活性。

同时，LKB1、PML、PTEN和TSC1/TSC2 抑癌基因功能性（缉毒警察监管）失活，也可通过mTOR信号通路促进HIF1α的转录和翻译、诱导代谢相关的基因表达，使糖酵解活性增强。 

肿瘤抑制蛋白p53在调节线粒体呼吸与糖酵解平衡间起重要作用。p53可以通过直接激活SCO2（synthesis of cytochrome c oxidase 2）转录调节有氧呼吸。p53与SCO2基因中的p53结合序列特异结合启动SCO2基因转录。此外，p53可以通过调控TIGAR（Tp53-induced glycolysis and apoptosis regulator）表达来抑制糖酵解。TIGAR表达产物可降解2，6-二磷酸果糖，而2，6-二磷酸果糖可以激活糖酵解的发生，所以TIGAR可抑制糖酵解通路。p53缺失使TIGAR表达受抑制，可导致糖酵解活性增强。

上述有关肿瘤细胞的能量代谢机制，涉及到原材料（葡萄糖）、半成品（乳酸）、毒品交易环境（肿瘤微环境）、以及加速运转的催化剂（技术工人）和一套有线粒体（原料采购员）参与完善的监督管理（毒品贩子与黑帮头目）的响应体系。

从这个体系来看，肿瘤细胞的能量代谢机制首先是以糖酵解为基础，而糖酵解本身也是正常细胞的一种能量代谢方式，所以完全铲除这一机制，不现实。但这个机制有它自身的运行特点，根据整个机制运行的特点找到相应的薄弱环节还是有可能的。

目前就有大量的机构针对于线粒体（原料采购员）的各项功能设计相应的药物，以达到限制肿瘤细胞的原料来源，进而干扰和改变肿瘤细胞的能源代谢机制的正常运行，最终实现“饿死癌细胞”的目标！

2016年9月，来自浙江大学第二附属医院的报道，原发性肝癌采用“断糖疗法”，取得了巨大的成功。当然这个“断糖疗法”与李其斌教授的“独一方断糖法”虽然原理相似，但机理却有比较大的区别。不过却从一个侧面证实了“断糖疗法”有其科学性、可行性。

李其斌教授在认真剖析肿瘤细胞能源代谢机制的基础上，并根据这一复杂的运行机制寻求可能存在的薄弱环节，采用灵活的手段，从原料和时间周期两个方面同时入手，结合正常细胞的能量代谢机制，针对性地对肿瘤能量代谢机制进行精准干扰、伏击，从而给肿瘤细胞的生长带来毁灭性的打击。进而在临床实践中，创造性地总结出“独一方断糖法”。为抗肿瘤治疗带来全新的理念与方法。

究竟李其斌教授如何对肿瘤细胞的能量代谢机制进行精准干扰、伏击？请读者翻开下一个章节《世纪假说 李其斌解开关键密码》。