二甲双胍抗肿瘤机制研究进展

赵维综述；王国栋审阅（海军军医大学第二附属医院 口腔科，上海 200003）

二甲双胍是一种双胍类衍生物，提取自草药山羊豆，通过抑制肝糖异生并促进外周葡萄糖摄取发挥降血糖作用，是目前Ⅱ型糖尿病的一线用药[1]。近年来，二甲双胍由于其抗肿瘤作用再次受到人们的关注。迄今为止，二甲双胍被证明可以单独或联合放化疗、生物治疗等肿瘤疗法用于包括肺癌、肝癌、乳腺癌和口腔癌在内的数十种肿瘤的预防和治疗[2]。二甲双胍主要通过“间接作用”和“直接作用”发挥抗肿瘤作用。二甲双胍的“间接作用”是通过降低血液中的葡萄糖浓度和胰岛素水平对肿瘤细胞产生间接影响；“直接作用”是通过调节腺苷酸活化的蛋白激酶（adenosine 5’-monophosphate activated protein kinase，AMPK）来抑制肿瘤细胞的增殖和蛋白质合成，也有研究[3]表明二甲双胍发挥抗肿瘤时可以不依赖于AMPK。本文对二甲双胍抗肿瘤机制的最新研究进展进行综述，同时对二甲双胍的未来应用进行展望。

1 流行病学

2005 年，EVANS 等[4]首次报道了二甲双胍可以使Ⅱ型糖尿病患者癌症发病率下降。一项基于人群的回顾性队列研究[5]发现，增加二甲双胍的累积作用时间可降低前列腺癌患者特异性死亡率和全因死亡率。不论是基础研究还是临床研究，都证明了二甲双胍的抗肿瘤作用。与此同时，也有一些研究对以上结论持怀疑观点。一项关于二甲双胍对前列腺癌发病和预后影响的荟萃分析发现二甲双胍的治疗对前列腺癌的发病率并没有太大影响[6]。英国的一项大型队列研究[7]也表明二甲双胍并不能降低糖尿病患者的癌症发病率，因此仍需要进一步研究二甲双胍抗肿瘤的作用及其机制。

2 二甲双胍对肿瘤细胞的间接作用

二甲双胍通过降低血糖和血浆胰岛素水平对肿瘤细胞产生间接作用。NOVOSYADLYY等[8]研究表明，血浆胰岛素水平与乳腺癌患病率和死亡率之间呈正相关。2018 年，一项大型前瞻性研究[9]表明，中国成年人的血糖水平与肝癌的罹患率相关。胰岛素通过激活PI3K 通路提高肿瘤细胞对葡萄糖的利用，加快肿瘤的进展[10]。另外高浓度的胰岛素还可以激活胰岛素样生长因子（insulin like growth factor，IGF）促进肿瘤细胞发生增殖、迁移和侵袭[11]。以上结果表明，血糖与血浆胰岛素水平的下降可以延缓肿瘤进展，二甲双胍降低胰岛素和血糖水平发挥间接抗肿瘤作用。二甲双胍的间接抗肿瘤作用不需药物在肿瘤组织中积累，但是现在还不能确定二甲双胍的“间接作用”是不是其发挥抗肿瘤作用的主要机制，因为它不能完全解释二甲双胍在体外实验中抑制肿瘤细胞增殖。

3 二甲双胍对肿瘤细胞的直接作用

二甲双胍通过AMPK依赖性或非AMPK依赖性机制直接作用于肿瘤细胞，对凋亡、自噬、周期、能量代谢、上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）、免疫等细胞生物活动进行调节。

3.1 二甲双胍促进肿瘤细胞凋亡

二甲双胍通过激活AMPK诱导肿瘤细胞发生凋亡。雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1）在肿瘤细胞内过度激活，抑制肿瘤细胞发生凋亡，二甲双胍激活AMPK 后抑制mTORC1 的活性促进肿瘤细胞凋亡[12]。Survivin 属于凋亡抑制蛋白家族（inhibitor of apoptosis protein，IAP），在恶性肿瘤中过表达，抑制肿瘤细胞发生凋亡。研究[13]表明，二甲双胍通过AMPK/PKA/GSK-3β通路抑制survivin蛋白表达并诱导其降解促进肺癌细胞发生凋亡。TSENG 等[14]在2019 年研究表明，二甲双胍通过调节miR-192-5p-EFEMP1通路诱导黑色素瘤细胞发生凋亡，这一过程也要依赖AMPK的激活。

二甲双胍也可以通过不依赖AMPK的方式诱导肿瘤细胞凋亡。肝脏激酶B1（liver kinase B1，LKB1）-AMPK 信号通路的完整性对于二甲双胍发挥抗肿瘤作用十分重要，但在不表达LKB1的HeLa细胞系中，二甲双胍无法通过LKB1 介导的AMPK 磷酸化激活来抑制HeLa 细胞增殖[15]，但有研究[16]发现二甲双胍可以上调P53 和DDR-1 来诱导其他宫颈癌细胞系凋亡。Mcl 1 属于Bcl2 家族，是一种抗凋亡蛋白，能够抑制肿瘤细胞发生凋亡，二甲双胍使PP2A去磷酸化后激活GSK3β，降低Mcl 1 的水平，使肿瘤细胞发生凋亡[17]。此外，二甲双胍可使肿瘤细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）大量积累干扰线粒体正常功能而诱导肿瘤细胞凋亡，这也是二甲双胍发挥抗肿瘤作用的非AMPK依赖性机制之一[18]。

3.2 二甲双胍促进肿瘤细胞自噬

自噬是溶酶体介导的细胞降解的过程，能够清除细胞内损伤的细胞器、变性的蛋白及入侵的病原体，满足细胞器更新和细胞代谢的需求[19]。二甲双胍能够促进肿瘤细胞发生自噬，但是这种自噬在肿瘤中的作用仍然存在争议。目前的主流观点是自噬在肿瘤的不同阶段发挥相反的作用，在肿瘤早期，自噬作为肿瘤的抑制因素，维持细胞基因组稳定性，防止细胞损伤、慢性组织损伤以及炎症，减少有害物质的堆积，避免细胞发生恶性转化。在肿瘤晚期，自噬帮助肿瘤细胞应对缺氧、营养不足、肿瘤治疗等外界不利因素，促进肿瘤进展及耐药性的产生[20]。DE SANTI 等[21]在2019 年研究发现二甲双胍诱导具有致瘤潜力的细胞发生自噬而抑制肿瘤细胞恶性转化，该自噬过程通过抑制ERK1/2 和JNK 的磷酸化。在胃癌中，二甲双胍被发现通过AMPK-mTOR 信号通路上调自噬相关蛋白Beclin1 的表达，促进自噬抑制胃癌的进展[22]。但二甲双胍诱导的自噬并不是只有抗肿瘤的作用，有研究[23]表明，二甲双胍诱导的自噬会抑制顺铂或紫杉醇等化疗药物诱导的肺癌细胞凋亡，这将会降低化疗药物的疗效并增强肺癌细胞的耐药性。二甲双胍激活ROS 依赖性的JNK/c-Jun 通路促进骨肿瘤细胞发生自噬和凋亡，但令人惊讶的是，当联合使用自噬抑制剂氯喹后，二甲双胍诱导的肿瘤细胞凋亡反而增强，这表明自噬在骨肿瘤细胞中扮演着“保护者”的角色[24]。综上，二甲双胍诱导的自噬对肿瘤治疗具有两面性，对不同类型的肿瘤有可能具有相反的作用。

3.3 二甲双胍诱导肿瘤细胞周期停滞

细胞周期控制着细胞的生长、分化、衰老和死亡，不受控制的周期进程是肿瘤发生的特征之一[25]。细胞周期在肿瘤的进展过程中起着重要作用，是许多抗肿瘤药物的关键靶点。在膀胱癌中，二甲双胍使AMPK发生磷酸化激活,靶向YAP1/TEAD4复合物使CCNE1/2 的表达下降，肿瘤细胞周期阻滞在G1期[26]。二甲双胍激活AMPK 并抑制mTOR，通过mTOR-4EBP-eIF4E信号通路减少结直肠肿瘤中周期相关蛋白MYC的表达，肿瘤细胞阻滞在G1期[27]。与正常肺组织相比，Nemo 样激酶（nemo-like kinase，NLK）在NSCLC中过表达，NLK激活c-Jun和JunD等Jun 家族蛋白后调节Cyclins、CDK4 和P21 等细胞周期相关蛋白的表达促进细胞周期，二甲双胍下调NSCLC 中NLK 的表达使肿瘤细胞阻滞在G1 期[28]。综上，二甲双胍以细胞周期为靶点抑制多种肿瘤细胞增殖。

3.4 二甲双胍与其他药物协同作用

二甲双胍使肿瘤细胞对化疗药物和其他治疗方法更加敏感。KRAS/LKB1 共突变的NSCLC 具有较强的侵袭性，二甲双胍诱导该肺癌亚型发生代谢应激，顺铂诱导其发生复制应激以及DNA损伤，二甲双胍联合顺铂治疗KRAS/LKB1共突变的NSCLC比顺铂单药具有更好的抑癌效果[29]。在尤文氏肉瘤中，二甲双胍抑制胰岛素样生长因子1 受体（insulin-like growth factor-1 receptor，IGF-1R）和胰岛素受体（insulin receptor，IR），伊马替尼抑制血小板衍生生长因子受体β（platelet-derived growth factor receptors，PDGFR-β），两药联合使用抑制PI3K/AKT/mTOR 通路发挥协同抗肿瘤作用，并且伊马替尼明显减轻肿瘤细胞的缺氧反应，这对二甲双胍发挥抗肿瘤作用也是有益的[30]。

二甲双胍逆转肿瘤细胞对化疗药物的耐受性。他莫昔芬、来曲唑等激素治疗是目前对激素受体阳性子宫内膜癌的一线治疗方案，研究[31]发现，二甲双胍联合依维莫司、来曲唑可以阻断PI3K/AKT/mTOR通路克服子宫内膜癌对激素治疗的耐受性。在小细胞肺癌（SCLC）中，肿瘤细胞对PD-1抑制剂的耐药性与肿瘤细胞缺氧有关。二甲双胍可以减少肿瘤细胞的氧气消耗，减轻肿瘤细胞的缺氧，逆转SCLC对PD-1抑制剂的耐药性[32]。P38MAPK的激活是肝内胆管癌（intrahepatic cholangiocarcinoma，ICC）对三氧化二砷（ATO）产生耐药性的主要原因，二甲双胍与ATO联用消除了ATO诱导的P38MAPK激活，从而逆转了耐药性[33]。在肿瘤治疗过程中，耐药性的产生是难以避免的，二甲双胍与化疗药物联用逆转耐药性，这为肿瘤的联合用药开辟了新的途径。

3.5 二甲双胍影响肿瘤细胞代谢

肿瘤细胞代谢重编程是肿瘤发生的重要标志，其特征在于糖酵解、谷氨酰胺分解、脂质代谢、磷酸戊糖途径与线粒体生物合成等细胞内的活动增强[34]。这些代谢过程为肿瘤细胞持续增殖提供大量能量以及原料。二甲双胍调控肿瘤细胞内的能量代谢过程，这是二甲双胍潜在的抗肿瘤机制。天冬氨酸在肿瘤细胞的生长增殖过程中十分重要，有研究[35-36]发现，二甲双胍可以通过抑制线粒体复合物Ⅰ降低肿瘤细胞内天冬氨酸含量，降低肿瘤细胞代谢使其增殖被抑制。在卵巢癌中，二甲双胍直接抑制肿瘤细胞的线粒体代谢，阻断电子传递链（electron transport chain，ETC）抑制肿瘤细胞增殖，进一步研究发现这种代谢改变只有在葡萄糖含量受限的情况下才会发生，在高糖条件下线粒体代谢相关产物并不会发生改变。线粒体甘油磷酸脱氢酶是连接糖酵解和氧化磷酸化的关键酶，在甲状腺癌中过表达。研究[37]发现，二甲双胍作用于甲状腺癌细胞中的线粒体甘油磷酸脱氢酶，抑制其表达，肿瘤细胞的线粒体代谢由氧化磷酸化变为糖酵解，肿瘤的生长被抑制。综上，二甲双胍调节肿瘤细胞的能量代谢抑制肿瘤的进展。

3.6 二甲双胍抑制细胞的EMT

上皮细胞来源的恶性肿瘤通过EMT获得迁移和侵袭的能力，这在恶性肿瘤的发生和转移过程中具有重要意义[38]。miR-381、YAP和Snail构成miR-381-YAP-Snail 通路，二甲双胍上调miR-381 表达,降低YAP活性，snail蛋白表达随之下降，抑制肿瘤的EMT从而降低NSCLC 的侵袭性[39]。另有研究[40]发现，二甲双胍靶向TGF-β/STAT3途径抑制肿瘤细胞EMT逆转前列腺癌对恩杂鲁胺的耐药性。在卵巢癌中，低浓度（0.1 mmol/L）的二甲双胍作用于肿瘤细胞后，snail、twist 等EMT 相关蛋白的表达减少，卵巢癌EMT被抑制[41]。

3.7 二甲双胍对免疫微环境的影响

近年来，大量研究证明二甲双胍能够影响癌症患者体内淋巴细胞、巨噬细胞等多种免疫相关细胞活性，发挥抗肿瘤作用。2017 年CHIANG 等[42]研究发现，二甲双胍激活乳腺癌AMPK-NF-κB通路，促进巨噬细胞生成M1 型细胞因子TNF-α 和IL-12，抑制M2 型细胞因子TGF-β、IL-8 和IL-10 的生成，这些细胞因子的变化反过来促进M2 型巨噬细胞向具有抗肿瘤作用的M1 型巨噬细胞转化。二甲双胍激活AMPK后导致PD-L1的聚糖结构发生改变，肿瘤细胞中PD-L1表达下降，肿瘤微环境中针对肿瘤细胞的细胞毒性T淋巴细胞活性增强，肿瘤细胞被歼灭[43]。在临床上，CD47分子的过表达与肿瘤患者预后不良相关，CD47 分子在肿瘤细胞免疫逃逸中发挥关键作用。研究[44]发现，二甲双胍下调乳腺癌细胞CD47 的表达，抑制乳腺癌肿瘤干细胞增殖并且提高巨噬细胞的吞噬能力[44]。此外，二甲双胍抑制胰腺癌中AKT 磷酸化并诱导STING 表达，激活STING/IRF3/IFN-β 通路促进T 淋巴细胞在肿瘤微环境中浸润，抑制胰腺癌的生长[45]。综上，二甲双胍通过调控机体免疫系统抑制多种类型肿瘤的进展。

4 临床试验

目前，全世界有超过360项涉及二甲双胍用于肿瘤治疗的临床试验，其中101 项正在进行，这些研究主要涉及两个领域：

一是确定二甲双胍是否可以用于肿瘤的防治以及其安全性和安全剂量。一些Ⅰ/Ⅱ期临床试验（NCT03477162、NCT02028221、NCT03379909 和NCT03359681）正在研究二甲双胍对各种肿瘤（胸腔肿瘤、乳腺癌、前列腺癌和结肠癌）的作用效果以及安全作用剂量。在一项Ⅲ期临床试验（UMIN000006254）中，研究者[46]发现，小剂量的二甲双胍可以安全有效地降低非糖尿病患者息肉切除术后息肉和腺瘤发生率，并且对有胰岛素抵抗的患者治疗效果更佳。但随着二甲双胍使用剂量的提高（500～2 000 mg/d），乳酸中毒和胃肠道不良反应（包括腹泻）等副作用发生风险也随之提高。而在另一项Ⅲ期临床试验（EudraCT number 2014-000991-25）中，有研究者[47]发现，在等待子宫切除术的子宫内膜癌患者中，短期使用标准糖尿病剂量的二甲双胍治疗并不能减少肿瘤的扩散。

二是评估二甲双胍与常规化疗或放疗联用的效果。在一项Ⅰ期临床试验（NCT02325401）中[48]，二甲双胍联合顺铂和放疗能够提高头颈部鳞状细胞癌（head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）的无进展生存率和总生存率。但是对于EGFR突变的非糖尿病晚期NSCLC 患者（NCT01864681），二甲双胍联合吉非替尼不仅不能提高其总生存率和无进展生存率，反而会导致患者发生腹泻，因此研究者不支持将二甲双胍和EGFR-TKI 疗法联合用于未接受过其他治疗且未与糖尿病伴发的晚期EGFR 突变的NSCLC患者[49]。

5 结语

当前，二甲双胍由于其副作用小及成本低的特点在癌症治疗领域受到大量关注，但将其运用于临床抗肿瘤仍有许多问题需要解决。首先，目前大多数研究都是基于回顾性研究，并且仅涉及糖尿病患者，那么二甲双胍的抗癌作用是否也适用于非糖尿病患者呢？如果适用，在非糖尿病患者中二甲双胍的安全剂量又是多少呢？这些都是二甲双胍运用于临床抗肿瘤必须要解决的问题。其次，二甲双胍在体外实验中发挥抗肿瘤作用的浓度远远大于体内二甲双胍的正常治疗浓度，所以要解决的第二个问题是如何提高肿瘤内部的二甲双胍浓度以及肿瘤细胞对二甲双胍的敏感性。第三，临床前研究发现二甲双胍并不能对所有类型的肿瘤都能发挥作用，因此急需寻找一种或多种能够预测二甲双胍治疗敏感性的生物指标。第四，作为单一用药时，二甲双胍的抗肿瘤效应受到一定的限制，而纳米材料与二甲双胍的联合使用可通过提高药物递送效率、靶向性及敏感性而提高其抗肿瘤效果。

二甲双胍是一种使用广泛且耐受性较好的降糖药物，广泛用于Ⅱ型糖尿病的治疗。在过去的十年中，大量的流行病学和临床前研究表明，二甲双胍在体内和体外都具有较好的抗肿瘤潜力，但其抗肿瘤机制尚未完全明确，今后仍需进一步研究。随着对二甲双胍抗肿瘤作用机制了解的日益增加，有望为癌症患者提供一个更有前景的治疗方案，更好地抑制患者肿瘤的生长同时降低耐药性。