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胰腺导管腺癌（PDAC）是一种具有早期转移潜能的肿瘤，占各类胰腺恶性肿瘤（PAC）发生率的90%以上，对现有的治疗方法如化疗、放疗和分子靶向治疗等具有显著的耐药性[1]。PDAC的恶性进展，从癌前病变，即胰腺上皮内瘤变（PanINs）开始，到恶性转化、侵袭、转移，都伴随着多种原癌基因的激活和抑癌基因的失活。研究发现KRAS、p16/CDKN2A、TP53、DPC4/SMAD4在PDAC肿瘤发生过程中突变频率较高，造成了它们促癌功能活化和/或抑癌功能失活，因此被认为是PDAC发生发展的四大驱动突变[2]。在95%的PDAC病例中，KRAS活化突变发生在PanIN Ⅰ期，随后是功能性抑癌基因p16（CDKN2A，>90%）的丢失。TP53（大约75%）和DPC4（SMAD4，大约55%）的失活突变经常出现在PanINⅢ期[2]。基于原发灶的定位和细胞形态，一般认为PDAC起源于胰腺导管细胞。然而，胰腺癌的早期常发生腺泡导管化生（ADM），提示PDAC可能起源于胰腺组织腺泡细胞，包括谱系溯源在内的多项研究也支持这一假设[3-4]。此外，有证据表明，一些被称为癌症干细胞的罕见细胞群也可能是PDAC细胞起始和转移的前体细胞[1, 5]。在肿瘤细胞中，碳水化合物、氨基酸和脂肪酸等营养物质不仅参与了体内大分子的生物合成，还可以提供能量和应对氧化还原应激。PDAC细胞信号通路的异常，改变了代谢途径，以满足肿瘤细胞自身的物质和能量需求。值得注意的是，PDAC细胞周围是由免疫细胞、星状细胞/成纤维细胞和细胞外基质（ECM）等组成的微环境。肿瘤细胞快速增殖会造成微环境营养物质缺乏、乳酸等代谢产物释放增多以及低氧和氧化应激失衡等代谢重塑[6]。因此，我们有必要深入了解肿瘤微环境代谢重塑对PDAC发生、发展的影响。一、PDAC细胞异常信号传导和代谢重编程即使是在氧供充足的情况下，肿瘤细胞也偏好吸收更多的葡萄糖进行糖酵解，这一现象被称为Warburg效应[7]。KRAS的激活突变是PDAC发展过程中最常见的遗传改变，在代谢重编程中发挥着关键作用，特别是在葡萄糖的酵解过程中[8]。基因表达和代谢流分析表明，KRAS上调葡萄糖转运蛋白-1（GLUT1）的表达以增加葡萄糖摄取，并上调己糖激酶（HK）1和2的表达以加速糖酵解活性[9-10]。KRAS突变提高了细胞糖酵解水平进而增强生物质合成，也增强了葡萄糖进入糖酵解旁路之一的磷酸戊糖通路（PPP）[10]。PPP衍生的核糖-5-磷酸（R5P）为快速增殖细胞的DNA和RNA合成提供了原料。一般来说，PPP分为氧化和非氧化两个阶段。KRAS突变的胰腺癌细胞依赖于非氧化阶段的PPP。KRAS敲低下调了调控PPP非氧化通路的基因表达，从而有效抑制胰腺癌细胞的生长[10]。此外，氨基己糖生物合成途径（HBP）是糖酵解的另外一条旁路，在KRAS突变的驱动下，可为蛋白糖基化提供前体调控蛋白质的功能[11]。正常生理条件下，谷氨酰胺（Gln）属于非必需氨基酸（NEAA）。在KRAS突变的PDAC细胞中，KRAS突变通过转录水平调节谷氨酸脱氢酶（GLUD1）和天门冬氨酸转氨酶（GOT1）等关键代谢酶的表达这一非经典途径，调控Gln的代谢，为快速增殖的肿瘤细胞物质和能量代谢提供氮和碳[12-13]。在该代谢途径，Gln衍生的碳在线粒体中通过一系列反应转化为天冬氨酸（Asp）。衍生的Asp随后被释放到细胞质中，转化为草酰乙酸（OAA）和苹果酸盐，最终产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），后者参与活性氧（ROS）的生物合成和提供还原当量，维持细胞内氧化还原平衡[14]。此外，KRAS可诱导Nrf2基因调控细胞内抗氧化基因表达水平[15]。研究发现Nrf2作为ROS抑制基因，可以促进PDAC发展[16]。因此，KRAS信号的活化下调了细胞内ROS水平，这对PDAC的发展至关重要。这些发现从代谢重编程的角度证明了癌基因KRAS突变活化是驱动PDAC发生、发展的重要因素。近二十年，靶向治疗为肿瘤患者的治疗提供了新的希望，然而目前在PDAC中靶向KRAS并未取得令人满意的结果。其中一种解释是由于RAS蛋白的“不可成药”结构（KRAS是RAS基因家族成员之一），但最近的一些研究表明靶向RAS的抑制剂是有可能实现的[17-18]。基于PDAC的小鼠模型研究显示，KRAS突变造成PanIN病变，而进一步发展成肿瘤则需要另一重要遗传事件——TP53突变。研究认为，TP53突变会导致三羧酸（TCA）循环中间代谢物的减少，从而使线粒体功能受到抑制[19]。近期研究表明，可以通过增加TP53依赖的α-酮戊二酸（αKG）来触发恶性PDAC细胞的分化，从而阻止PDCA的发展[20]。此外，TP53突变可以阻止糖酵解途径中的甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）的核定位，增加GAPDH在细胞质中的稳定性，支持细胞糖酵解，避免细胞凋亡和自噬[21]。 除了葡萄糖和谷氨酰胺代谢失调之外，多种其他代谢物都被发现在PDAC发生、发展中发生了适应性变化。研究表明，在KRAS突变的腺泡细胞中支链氨基酸（branched chain amino acid，BCAA）分解代谢产生的乙酰辅酶A上调组蛋白H4K5和H3K9的乙酰化水平，从而促进ADM的发生[22]。也有报道认为，BCAA为胰腺导管细胞提供脂肪酸合成所需的碳源[23]。我们实验室的最新研究发现，在胰腺癌早期动物模型KC（LSL-KRASG12D；Pdx1-Cre）小鼠中，KRAS突变通过翻译后修饰上调胰腺导管细胞中BCAA分解代谢的关键酶——支链氨基酸转氨酶2（BCAT2）的蛋白水平，提高细胞对BCAA的吸收和利用，并增强线粒体功能。利用类器官模型，我们发现高浓度的BCAA能显著促进PanIN导管类器官的生长。同位素标记示踪实验表明，BCAA为PDAC细胞中核酸分子合成提供氮源。更重要的是，我们发现在体内条件下靶向BCAT2的药物治疗或低（限制）BCAA饮食能显著减缓PDAC的进展[24-25]。针对其他氨基酸的研究发现，胱氨酸摄入的减少增加肿瘤细胞内的ROS水平，诱导PDAC细胞发生铁死亡；敲除胱氨酸转运蛋白SLC7a11，显著延长PDAC的生存期；摄入降解胱氨酸的药物cyst(e)inase有效减缓PDAC的发展[26-27]。也有实验表明，肥胖诱导线粒体中精氨酸酶ARG2的表达，而ARG2的沉默或丢失导致氨的积累并抑制肥胖诱导的PDAC的发展[28]。通过基因工程构建胰腺癌的小鼠模型研究发现糖酵解和三羧酸循环在乳酸水平上解偶联，乳酸对TCA循环中间产物的贡献超过了葡萄糖，因此，在这一条件下，乳酸成为大多数组织和肿瘤中主要的三羧酸循环底物[29]。5-羟色胺（5-HT）作为神经递质控制着人类的关键认知和行为功能。最近的报道表明5-HT在PDAC细胞中升高，并伴随着色氨酸羟化酶（TPH1）的增加和线粒体酶单胺氧化酶A（MAOA）的降低，两者分别调节5-HT的合成途径和降解途径[30]。此外，用5-HT受体抑制剂治疗可抑制胰腺肿瘤的生长并使其代谢重编程，从而延长KPC小鼠的生存期[30]。以上这些研究显示代谢重编程不仅是PDAC发展过程中的一种适应机制，发挥促进肿瘤发展的作用，更可能是在PDAC发生前、在PDAC发生过程中发挥重要调控作用。这提示通过代谢干预，如根据个人遗传背景或病理进程制定精准饮食，将为PDAC提供有效的防治策略。
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