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第二十章 胰岛素与癌症

来源: 发布时间:2022-03-26浏览量:986

战后迪恩·伯克(Dean Burk)作为瓦尔堡的亲密朋友,未能说服瓦尔堡有必要重视胰岛素癌症之间的关系。不过,要说服瓦尔堡接受这些观点为时已晚。特别是对于一个固执己见的老人来说,就更不容易了。但是,在西弗吉尼亚州长大的刘易斯·坎特利(Lewis Cantley)却是一位另类科学家,这位少年时代就拆解和重建汽车发动机的学者,既没有跟其他科学家有什么过节,也没有特别偏爱的理论需要死守硬扛

坎特利发现胰岛素激活细胞中的特定分子,而这些分子在突变时进一步导致癌症。他所见识的科学同时也就给他带来了另一个疑问:过多的胰岛素信号传导是否会像基因突变那样也会过度激活PI3K通路,细胞持续不断地在接收过多吸收营养和生长信号的指令呢?糖尿病胰岛素夫唱妇随的故事已是人所共知。而癌症与胰岛素之间会不会也有同样的故事发生

这是一个无比诱人的想法。如果还没有充分的证据表明胰岛素可以引发与癌症相关的信号级联反应,那么已经有越来越多的间接证据支持伯克最初关于胰岛素与癌症存在某种关联的预感。到20世纪80年代,科学家们已经发现了许多肿瘤具有异常多的胰岛素受体,并且胰岛素本身也是一种生长因子,会导致正常细胞和癌细胞繁殖。

这一切听起来似乎荒诞不经。胰岛素是一种控制细胞进食方式的代谢激素。就像“瓦尔堡效应一样,人们普遍认为它充值量也不过是在机体中出现癌症的外围因素。就连坎特利本人对此也持怀疑态度。为了弄清楚胰岛素是不是真的像他推测的那样成为癌症的某种关联因素,坎特利必须确定一旦胰岛素进入相应的实验场景那癌症也应该会随之而来或者会至少会发生点什么带着疑问,他在20世纪90年代初,就着手结果他发现的确有这么回事。虽然血液循环的其他生长因子都能激活PI3K正是坎特利与癌症“瓦尔堡效应”三者有关的分子),但没有一种比胰岛素更有效。坎特利称胰岛素为所有PI3K激活剂的冠军

在坎特利进行这项研究的同一时期,癌症流行病学家也在自己的领域有了惊人的收获1995年,哈佛大学的爱德华·乔瓦努奇(Edward Giovannucci)发现,被诊断患有结肠癌的人也倾向于高胰岛素。乔瓦努奇之后不久,鲁道夫·卡克斯Rudolf Kaaks发表了一篇开创性的论文,题为营养,激素和乳腺癌:胰岛素是缺失的环节吗?然而,这不仅仅局限在乳腺癌和结肠癌。每年似乎都会有新的证据表明某一种癌症与胰岛素存在关联胰腺癌子宫癌肾癌食道癌和前列腺癌。当被诊断患有癌症时,胰岛素含量高的患者的结果往往要糟糕

有个道理其实大家都已心知肚明,我们血液中如果存在过多的胰岛素,先是引起我们的体重增加,而可能间接地导致癌症。然而,有数据表明,即使在非肥胖人群中,胰岛素升高也会成为癌症的危险因素。相反,虽然有超重但胰岛素水平正常的人群似乎患癌症的风险并不大。过量的脂肪可能会引起炎症和释放过多的激素,从而导致肿瘤的发生,但即使在这种情况下,胰岛素也可能首先导致多余的脂肪堆积。

随着时间进入到二十一世纪,胰岛素癌症存在正相关的证据变得越来越多。坎特利在胰岛素和PI3K方面的工作完全符合克雷格·汤普森Craig Thompson实验室发现的结果。汤普森的实验表明,身体通过饥饿来消除不需要的细胞。胰岛素给准备清除的细胞带来信息却正好相反胰岛素是一种生长因子,告诉细胞加强营养吸收。AKT是与“瓦尔堡效应汤普森酶,是PI3K下游,是同一途径或反应链的一部分。一旦PI3K被激活,AKT也将被激活。细胞主动进食比以往更多的食物,并开始通过“瓦尔堡效应”对大部分食物进行糖酵解

根据这个模型,胰岛素并非是最原始突变的肇事者。伴随着我们身体上细胞分裂和衰老,突变一直都会存在。即便是健康的细胞也经常会有突变行为的产生,包括与癌症相关的突变行为正常情况下,一些具有这突变的细胞将被迅速;对于那些躲过清除机制、赢得极少死里逃生机会的早期癌症对人体也没有太大的威胁,基本上也是无害的。对甲状腺乳腺和前列腺等病变机制的相关研究表明,即使是健康的身体也经常携带这些无害的癌细胞

“许多男性患者伴随着前列腺癌寿终正寝,而不是死于前列腺癌,西奈山医学中心胰岛素和癌症研究的先驱德里克·勒罗伊斯(Derek LeRoith)这么说。正如麦吉尔大学癌症预防部门负责人迈克尔·波拉克(Michael Pollak)所解释的那样,当细胞受到胰岛素刺激并且有大量的PI3KAKT信号传导时,它们就会变得有利于生存。在这种状态下,他们更有可能活下去,即使他们有遗传方面的损伤。根据多伦多玛格丽特公主癌症中心的武克·斯坦博利奇(Vuk Stambolic的说法,即便是来自胰岛素的一点点生存信号也可能使细胞额外的分裂或赢得额外的步骤导致癌变的可能性在增加

斯坦博利奇脑海中直都存在着一幅“关于胰岛素有助于癌细胞茁壮成长”的朦胧画面。科学家在实验室中培养癌细胞,将这些癌细胞置于培养中,培养是食物和生长因子的混合物,允许细胞进食和繁殖。对于许多类型癌症,胰岛素是标准配方的一部分。像大多数研究人员一样,斯坦博利奇从未想过胰岛素在细胞培养为什么会是常备料。这种情况在2006年发生了变化,当时他了解到绝大多数乳腺癌都过度表达胰岛素受体。这让我大吃一惊,斯坦博利奇说,癌细胞通常有更多的胰岛素受体,斯坦博利奇解释说,因为达尔文进化论的观点来观察癌症增长的景象,最有能力利用血液中升高的胰岛素的细胞更有可能繁殖。当斯坦博利奇想到乳腺癌细胞上的那些数量可观的胰岛素受体时,他开始对这一个问题感到痴迷。如果乳腺癌对胰岛素如此敏感,降低体内胰岛素水平是不是可以作为一种有效的治疗方法?如果是这样,由此带来的好处可能远远超出乳腺癌本身。胰岛素受体在多种癌症中也存在过度表达,包括前列腺癌、子宫癌、结肠癌和肺癌

作为第一步,斯坦博利奇回到了他长以来在实验室中培养癌细胞的配方。虽然他非常清楚该配方含有胰岛素,但他不知道胰岛素究竟是不是癌细胞生存的绝对必要条件。为了找到答案,他逐渐将胰岛素癌细胞培养剔除,就好像我们从犯有毒瘾的人逐渐将其中的海洛因之类的毒品拿掉一样。这些实验本身操作难度不大,与保罗·埃利希(Paul Ehrlich)一个世纪前进行的实验没有太大区别以确定细菌是否可以在没有血红蛋白的细胞培养中生长。斯坦博利奇的实验结果是惊人的:少数类型的癌症可以在没有胰岛素的情况下存活,但大多数癌症不能。虽然我们为这些脆弱的细胞准备了丰富的营养物质和其他类型生长因子,但如果离开了胰岛素,死亡是迅速降临。“这实际上存在着某种程度的依赖关系,斯坦博利奇说。

在告细胞进食和生长方面胰岛素并不能单独起作用。另一个中心参与者被称为胰岛素样生长因子1IGF -1),这是一种跟胰岛素密切相关的激素。许多细胞都有对两种分子存在反应的混合受体。但是,由于过量的胰岛素会导致更高水平的IGF -1胰岛素水平可归咎于过量的IGF -1信号传导。像胰岛素本身一样,IGF -1也会细胞生长和分裂,并用于人群研究,证实与癌症密切相关(生长激素在很大程度上通过增加IGF -1起作用,而IGF -1又告细胞进食和增殖

癌细胞通常比周围组织的细胞具有更多的IGF -1受体,就像它们具有更多的胰岛素受体一样,IGF -1信号传导也可以防止细胞死亡。至少在小鼠的研究中,提高IGF -1水平会导致肿瘤生长“瓦尔堡效应。相比之下,降低IGF -1会减缓肿瘤生长。

或许IGF -1对我们健康影响最显著的证据莫过于来自20世纪90年代在厄瓜多尔的一个偏远村庄的发现。这个村庄是一群矮人的家园,据他们是西班牙宗教裁判所期间被迫皈依的西班牙系犹太人的后裔。研究人员已经将他们的侏儒症(称为拉龙综合征)追溯到遗传性基因突变,该突变会损害其生长激素受体,从而释放IGF -1。众所周知,拉伦矮人的生活方式并不特别健康,然而,根据研究它们的科学家的说法,当涉及到癌症时,这没有什么区别。没有IGF -1信号传导,它们几乎对癌症免疫。

对拉伦矮人的研究,就像许多关于胰岛素和癌症的研究一样,只收获了间接证据。不过,随着时间的推移和研究的深入,更直接的证据逐步在呈现。2019年,不列颠哥伦比亚大学的詹姆斯·约翰逊(James Johnson)发表了一篇论文,涵盖了五年来对小鼠胰岛素和胰腺癌的实验。结果更是一目了然。即使胰岛素少一点也会导致胰腺癌的发展显着减少。虽然在小鼠身上发现的效果往往无法在人类身上实现,但约翰逊认为,这些发现将与人类具有临床相关性,因为高胰岛素血症与许多不同的人类癌症之间存在很强的已知关联

约翰逊和斯坦博利奇都在加拿大研究胰岛素,这也许并非偶然,这种激素是在加拿大首次发现的。斯坦博利奇目前的实验室位于弗雷德里克·班廷(Frederick Banting和他的同事们发现内分泌物胰岛素的同一栋大楼里。为了激励他新来的学生,斯坦博利奇还专程带他们参观了这个历史悠久的建筑物

作为年轻的癌症研究人员,而不是糖尿病研究人员,现在向班廷致敬也非常合乎情理。班廷在20世纪20年代后期转向癌症研究,就象曾经为糖尿病患者做过的事情一样,希望也能为癌症患者做点什么。多年来,他把所有的精力都投入到癌症上,用一个又一个笔记本填满了他那些奇特的想法。他钓鱼,希望在钓鱼的过程中寻找癌症的答案,班廷的传记作者迈克尔·布利斯(Michael Bliss)说。什么都没拿走。班廷在1941年的一次飞机失事中丧生,他可能根本就没有意识到糖尿病研究上所取得的巨大突破本身可能就是他所寻求的癌症研究上的突破。

 

还有更多证据表明胰岛素的重要性。在对小鼠的研究中,研究人员可以通过遗传改变来增强或减少胰岛素信号传导,从而使肿瘤缩小或生长。然后是二甲双胍的故事。二甲双胍是一种流行的糖尿病药物,有助于控制血糖水平。由于它在20世纪90年代变得无处不在,因此人们认为它与癌症没有任何联系。但对癌症趋势的研究发现,二甲双胍似乎具有显著的副作用。服用二甲双胍的糖尿病患者患癌症的可能性比服用其他糖尿病药物的患者低25%40%。坎特利曾表示,二甲双胍可能已经比历史上任何药物都挽救了更多的人免于癌症死亡

已经提出了许多不同的想法来解释二甲双胍如何帮助预防癌症。但最简单的解释不需要分子生物学或生物化学的特殊的专业知识。二甲双胍降低2型糖尿病患者的葡萄糖水平,同样也会降低胰岛素(水平)

胰岛素升高似乎对在我们的器官周围形成保护层的上皮细胞特别有害。坎特利解释说,在正常情况下,许多这样的上皮细胞很少接触到胰岛素。但是,当高胰岛素血症(胰岛素持续升高的情况)出现时,情况就大不一样了。患有高胰岛素血症的人可能具有比正常血液中整天循环的胰岛素多50”。

包括坎特利在内的一些研究人员认为,胰岛素升高也可能驱动导致危险新突变的过程。所涉及的机制,就像我们目前对生物化学的理解一样,可以直接追溯到瓦尔堡20世纪2030年代的工作。瓦尔堡阐明了呼吸的第一步和最后一步,但正如剑桥研究人员大卫·凯林David Keilin20世纪20年代明确指出的那样,电子沿着分子链(现在称为电子传递链)行进,然后到达瓦尔堡呼吸发酵的氧气(瓦尔堡从未原谅凯林将他的呼吸发酵名称改为细胞色素c氧化酶”)

遍布线粒体内膜的电子传输链本质上是含有铜和铁的微小电线(我们首先需要吃东西,因为我们需要电子来为这个系统供电。这些导线是进化论最了不起的发之一,但它们也创造了生命的巨大弱点之一:当电子沿着传递链传递时,一些电子将不可避免地泄漏,导致分子的形成,这些分子通常并且有些不准确被称为自由基活性氧。这种分子是不稳定的,并且渴望电子(配对)。他们会尽可能地从附近的任何分子中取出它们,包括从我们的DNA中取出它们。

活性氧物质本身对我们并无害处。它们是健康信号系统的组成部分,其他分子,抗氧化剂,已经进化到可以将它们扫地出。只有当电子处理机械发生故障时,问题才会出现。有时受损的线粒体将缺乏适当的组件来处理电子流。而当某些时候,例如当细胞过多的葡萄糖时,更多的电子超过系统本身处理能力的情况下,就会泄漏,就会有更多的活性氧形成。

我们以城堡来做类比,就好像守卫随时都在向城堡搬运木头。为了尽早完成任务,城堡内一些绝望的工人将源源不断的木头胡乱堆放,但短期的解决方案是有代价的。如果这些木头着火了,城堡里的每个人都被烟雾熏的晕头转向。汤普森说,细胞吸收和燃烧多余燃料实际上创造了一种让自身诱变的方法”。

生物化学家尼克·莱恩(Nick Lane)将活性氧比作抢劫者偷手提包。但正如莱恩所指出的那样,这个类比并不完美:被抢劫的分子现在了一个电子,变得非常的不稳定。正如莱恩所写的那样,就好像有人抢了你的手提包,扰乱了你的头绪,把你自己也变成了一个抢劫犯,在你抢走别人的包之前,你一直都会是焦躁不安

众所周知活性氧可导致癌症。辐射通过分裂生物体内的水分子来驱动突变。分裂产生相同的活性氧分子和相同的电子抢夺链式反应。反应分子不必一直到细胞核来攻击我们的DNA。自由基形成于线粒体,线粒体有自己的基因,现在可能会受损。城堡里有一团火在燃烧,一些最珍贵的物品就在同一个房间里。

随之而来对线粒体的损害可能会产生深远的影响,包括使细胞更难使用氧气这与瓦尔堡对癌症如何产生的看法非常一致。对于一个正常细胞来说,这是一个非常糟糕的情况,随着事态的进展,它只会变得越来越遭。当它被紧密缠绕时,原子核中的DNA很难被电子抢夺者攻击。但是,来自受损的线粒体的信号和细胞中多余的营养物质(的信息)都可能导致新的基因表达,这意味着DNA将解卷,并且更容易受到突变的影响。

在这种遗传不稳定的状态下,产生的许多突变基本上与癌症无关。但有些突变却并非如此KRAS是最著名的癌症相关基因之一。一旦激活,它将激活PI3K并加速葡萄糖代谢。随着基因开关的翻转,一个接一个地被称为转录因子的蛋白质将极大地改变些基因在细胞核中表达,从而重新编程细胞。除了驱动“瓦尔堡效应外,MYC现在还将引导细胞清除谷氨酰胺,谷氨酰胺是氮的来源,也是分裂和生长所需的关键成分。你所要做的就是从那个更脆弱的状态中犯一个错误丹(Chi Van Dang解释说,然后,突然之间,事情开始从那里(产生了)级联(效应)”。

随着突变的积累,吃得更多、生长更快的细胞将在达尔文的竞争中获胜。这就解释了为什么这么多癌细胞最终不仅在其表面上具有更多的胰岛素受体,而且还在细胞内的胰岛素信号通路中发生突变。受体和突变都使癌细胞对胰岛素更敏感。其他类别的突变同样可能出现,但它们不太可能帮助癌细胞生存和繁殖。对胰岛素最敏感的细胞将吸收更多的葡萄糖,并用它来构建新的DNA,表达新的基因,并产生更多的反应分子。一个致命的循环会跑得越来越快。

 

胰岛素不能解释一切。食源性疾病导致十九世纪末胃癌迅速增加。更复杂的诊断技术和人口老龄化使得癌症死亡人数的实际增加显得更加富有戏剧性。随着二十世纪的发展,吸烟、阳光照射和癌症相关病毒都会导致死亡人数的增加。遗传学和坏运气的相互作用总是会导致某些部分产生癌症。即使在与胰岛素关系最密切的癌症中,这个故事也会有细微差别。胰岛素和IGF -1与其他激素和生长因子相互作用PI3K路径与其他信网络交织。肥胖和炎症在癌症发展中的确切作用尚未完全明确。可能还会找到一百个其他因素。问题不在于是不是过多的胰岛素可以用来解释癌症为什么流行,而关键在于它是不是让我们明白:癌症的流行也许是因为我们太过疏忽了这些熟视无睹的因素,同时也解释为什么我们现在的预防工作竟然会是一败涂地。

长期以来,胰岛素和癌症的研究一直面临一个巨大的障碍:闭门造车与各自为政。最了解胰岛素的人,内分泌学家,并没有考虑癌症,刘易斯坎特利解释说。同样,肿瘤学家通常不会考虑胰岛素。

但后来,科学界并没有花那么长时间就接受了其他激素和生长因子可能致癌的事实。每个人都知道所谓的癌症激素依赖(经典)模,麦吉尔大学的迈克尔波拉克说。人们已经对前列腺癌中的雄激素和乳腺癌中的雌激素以及他们之间的关系都已熟悉现在要做的是将这种经典模式扩展到胰岛素和许多癌症。事实上,这类经典模式几乎不需要扩展,因为高水平的胰岛素也会导致性激素的增加也就意味着胰岛素可以直接或间接地与癌症有关。

Pollak来说,胰岛素与饮食之间挂钩,让研究工作顿时平添了诸多乐趣,并且将其用于癌症的预防更是带来了一线曙光。虽然有些癌症的风险因素在很大程度上超出了我们的掌控范围,但胰岛素水平的高低却取决于我们饮食方面的选择。然而,是什么样的选择控制胰岛素水平,最终成了波拉克心目中的机会?可能正是某些人为的因素误导了科学家没有正视胰岛素在癌症中的作用所造成的在面临每年数十万潜在与胰岛素有关的死亡数据时,建议癌症专家克服对饮食的经常性的条件反射所带来的怀疑立场。怀疑的态度本身可以理解。自医学诞生之日起,饮食一直就属于庸医的伎俩或者奇迹疗法的绝活,这并没有绝对的界线。但是,即使有那么一群非医学领域的思想家竭尽所能导用膳食来治疗癌症,这并没有带来根本性的改变或者引起医学界的足够重视

瓦尔堡复兴最重要的贡献之一是它改变了许多医学专业人士对饮食和癌症的态度。杜克大学(Duke University)放射科医生兼癌症研究员科林·钱普(Colin Champ)回忆说,当他第一次开始就癌症和饮食发表演讲时,医生们会走出房间。现在的反应恰恰相反。每个人都对这个想法非常感兴趣,他说。

现在,一项规模虽小但增长迅速的研究项目表明,遵循极低的碳水化合物(生酮)饮食(截断碳水化合物,从而减少肿瘤可用的葡萄糖来源)可能会使传统疗法更有效地对抗某些癌症。细胞外的营养物质会影响肿瘤的新陈代谢,这个道理再明显不过了作为癌症代谢的先驱,加州大学洛杉矶分校研究员希瑟·克里斯托弗克Heather Christofk说,她在坎特利的实验室完成了她的研究生工作。因此,改变饮食结构,直接影响到新陈代谢对营养的循环利用,反过来又会影响肿瘤代谢,这道理浅显易懂

肿瘤学家和癌症历史学家悉达多·穆克吉Siddhartha Mukherjee在他撰写的书《疾病的根源》中没有提到“瓦尔堡效应,现在正在研究生酮饮食(将胰岛素水平保持在非常低的水平)如何阻断胰岛素信号传导的药物更有效。他还呼吁对饮食给予更多研究,将其作为一种可能与癌症药物协同使用的疗法。在哥伦比亚大学自己的实验室里,他正在与坎特利的威尔康奈尔实验室合作,测试阻断PI3K信号传导的药物在与降低葡萄糖和胰岛素水平的饮食相结合时是否可能对癌症更有效。在肿瘤学和大多数医学领域,饮食作为药物形态做认真、科学的检验,原本可以早就应该做这件事了穆克吉2018年写道。

可以肯定的是,穆克吉并没有放弃用特定化学物质靶向特定突变的承诺。但他建议,现在到了研究人员应该需要更广泛地思考的时候了。也许,他写道,我们被基因测序技术所诱惑——被能够观察癌症遗传核心的纯粹魔法和用靶向药物刺穿核心的不可抗拒的愿望所诱惑

寻找这种对抗癌症的所谓“魔术般的子弹”将继续下去,这是应该的。但似乎没有人,甚至连埃利希本人都记得,在十九世纪启发他的歌剧《神枪手》中,对魔术子弹的渴望并不是值得庆祝的事情。这部歌剧是关于浮士德道德的危险边缘过度扩张故事。术般的子弹”实际上是由魔鬼控制。当麦克斯开枪时,他几乎谋杀了他心爱的人。

就癌症科学而言,寻找“魔术般的子弹”的危险不在于我们无法控制子弹击中的目标尽管这通常也是事实而是对“魔术般的子弹的追求会分散我们对不那么复杂但也许更有效的武器的注意力。在1956年《科学》杂志上的一篇文章中,瓦尔堡写道,与癌症的斗争正被不断发现各种癌症病原体和癌症病毒所破坏。瓦尔堡坚持认为,问题不在于这些发现是否存在错误,而在于它们掩盖了潜在的本质,因此阻碍了必要的预防措施。这是正在进行的抗癌斗争的悖论。我们对这种疾病的了解仍然不够,但新发现所带来的冲击有时可能比澄清事实本身更令人眼花缭乱。

癌症研究中对饮食的重新关注不只是限于饮食对胰岛素水平的影响。但是,如果胰岛素升高像许多研究人员现在认为的那样危险,我们可能仍然不知道威胁所涉及的范围。在2型糖尿病的早期阶段,较高的胰岛素水平将克服细胞的抵抗力并成功地从血液中清除葡萄糖这意味着标准血液检查(测量葡萄糖而不是胰岛素水平)不会表明问题所在,即使胰岛素抵抗正在出现。这就提出了一个问题,即有多少人可能在不知情的情况下面临较高胰岛素水平引发癌症的风险。北卡罗来纳大学2019做了一项研究,其中涉及到胰岛素抵抗的许多标志物例如血液中甘油三酯升高),得出的结论是美国成年人谢健康低得惊人,即使在正常体重的个体中也是如此。总的来说,只有12%的人可被认为是代谢健康的

 

如果许多最危险的癌症可能与高胰岛素血症有关,那么另一个更根本的问题不可避免地随之而来:是什么原因导致胰岛素抵抗和随后的胰岛素水平升高?碳水化合物比蛋白质或脂肪更能促进胰岛素的分泌,因此成了首要的怀疑对象最近一个世纪之交,低碳水化合物饮食通常用于治疗肥胖和糖尿病。但是,将当今肥胖糖尿病和胰岛素相关癌症的流行归咎于碳水化合物,那会留下好些悬而未决的重要问题。有许多例子表明,某些地区的居民吃富含碳水化合物的饮食,却没有出现明显的胰岛素抵抗迹象。如果答案只是碳水化合物”那么简单,那以大米为主食的亚洲文明早在西方文明之前就应该有肥胖和糖尿病的流行。现实情况恰恰相反。直到十九世纪末,糖尿病在中国几乎是闻所未闻。为了使胰岛素——癌症假说赋予真实意义,它必须解释十九世纪西方饮食的变化以及这种变化如何导致我们血液中胰岛素水平的升高。刘易斯·坎特利(Lewis Cantley)再次确信找到了答案。


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