肌肉微环境与恶液质的发生发展

许雯雯，王淑安，邹征云

南京医科大学鼓楼临床医学院

南京医科大学第四临床医学院

南京医科大学附属鼓楼医院　

　　恶液质是肿瘤患者最为常见的合并症之一。其中骨骼肌丢失是恶液质的核心表现，特别是肌肉蛋白大量降解导致骨骼肌萎缩是其重要的病理生理改变。肿瘤状态下，不但其骨骼肌的代谢异于正常代谢，导致能量消耗的增加和无效的能量利用，导致恶液质发生，而且肌肉微环境的变化与恶液质的发生、发展密切相关，其中由于众多生物因子直接或间接的作用，均可导致肌肉蛋白分解，骨骼肌萎缩，促使恶液质发生、发展。恶液质是肿瘤患者死亡的主要原因之一，它不仅出现在近一半的恶性肿瘤患者中，而且还占据了恶性肿瘤患者死亡原因的20%～40%，并随进程发展而加重。由于恶液质状态下的骨骼肌萎缩与应激、饥饿等情况引起的骨骼肌萎缩机制大相径庭，且后果比较严重，目前干预手段不可逆转其进程，所以定期精确测量患者人体体成分就显得尤为重要，动态观察骨骼肌变化，尽早发现，及时干预。

通讯作者：邹征云，[e-mail]

原文参见：肿瘤代谢与营养. 2017;4(3):247-252.

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　　2011年肿瘤恶液质国际共识【1】提出了被较为公认的恶液质定义：以持续性骨骼肌丢失（伴有或不伴有脂肪组织丢失）为特征，不能被常规营养疗法完全缓解，逐步导致功能损伤的多因素综合征。该定义指出了恶液质的三个最重要的特点：骨骼肌持续丢失、常规营养疗法不能完全缓解、功能损伤。其中骨骼肌丢失是恶液质的核心表现。骨骼肌丢失的外在表现主要是体重丢失及乏力。Tisdale等【2】认为当患者的体重丢失大于稳定时体重的30%时，则死亡开始出现，而且不可避免。其中骨骼肌丢失是恶液质的核心表现，蛋白（特别是肌肉蛋白）大量降解导致骨骼肌萎缩是其重要的病理生理改变。

　　肿瘤患者，尤其是伴有恶液质的肿瘤晚期患者骨骼肌持续不断地大量分解，对患者生命活动和生活质量产生严重影响，直接影响临床结局。在肿瘤状态下，肿瘤患者的肌肉微环境发生诸多变化，骨骼肌代谢亦发生改变。

　　1　骨骼肌正常代谢概述

　　1.1　骨骼肌能量代谢

　　骨骼肌由许多肌纤维组成，每个肌纤维都是一个多核细胞。肌肉的收缩和伸展过程需要腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）来推动。正常状态下，骨骼肌首先以葡萄糖作为能量物质，肌细胞摄取血糖依赖胰岛素完成，除了用于氧化分解产生ATP，多余葡萄糖以糖原的形式储存在肌肉细胞中。肌糖原含量约占肌肉重量的1%～2%，约为180g～300g，为肝糖原的3～4倍。肌糖原主要为肌肉收缩提供能量。肌肉组织细胞合成和分解糖原主要受细胞能量状态、生理应激的肾上腺素以及钙离子浓度等调节。静息时葡萄糖合成糖原；而活动应激时肌糖原分解。血糖只能维持5分钟的肌肉能量供应，接着是肝糖原分解释放出葡萄糖供应肌肉能量需求，锻炼二十分钟后开始脂肪动员，释放出脂肪酸和甘油，脂肪酸被肌细胞摄取和氧化分解供能。肌肉细胞内含有较高活性的酮体分解酶，所以可以利用肝脏释放出的酮体获取能量。值得注意的是在长期饥饿等特殊情况下，骨骼肌也作为机体的能量库，参与机体能量代谢。

　　1.2　骨骼肌蛋白质代谢

　　机体每日更新体内的蛋白质数量约占总量的1%～2%，作为人体最大的蛋白质库，骨骼肌以各种形式贮存着人体约60%的蛋白质，所以更新的蛋白质是以骨骼肌蛋白质为主。70%～80%释放的氨基酸可被重新利用合成蛋白质，剩下20%～25%的氨基酸被降解为含氮产物，通过肾脏被排出体外。现已发现诸多因素可增加骨骼肌蛋白质降解【3】，如营养不良、活动障碍和促分解代谢分子（糖皮质激素和细胞因子等）等。目前发现骨骼肌蛋白质降解主要有3条途径：选择性泛素化-蛋白酶体降解途径、细胞自噬/溶酶体降解途径和钙激活降解途径，其他还可能涉及肌细胞凋亡等【4】。

　　2　肿瘤状态下的骨骼肌异常代谢

　　2.1　特殊的能量代谢过程

　　能量消耗的增加和无效的能量利用是肿瘤代谢的特点。肿瘤状态下，为了适应肿瘤细胞的增殖，机体会重新调整能量代谢【5】，出现能量应激，骨骼肌合成代谢能力下降【6】。肿瘤患者机体内部内分泌和代谢发生了一系列变化，胰岛素产生延迟致血糖升高、能量再循环致乳酸水平升高，肿瘤细胞因蛋白质分解旺盛，向血中释放寡肽、寡核糖酸和5-羟色胺；肿瘤细胞在旺盛生长过程中，与机体竞争性消耗能量和各种营养素，从而增加肿瘤患者基础能量，并随病程发展而加重。恶液质时，骨骼肌摄取葡萄糖减少，为满足能量需求，肌肉内的非必需氨基酸氧化增加，使得蛋白质降解加快，肿瘤细胞大量摄取氨基酸，减少宿主蛋白质的量。导致肌肉组织进一步减少【7】。蛋白质-能量缺乏型营养不良可以使机体一般状况下降，各脏器组织萎缩和功能下降，降低生存质量；营养不良可导致免疫功能的全方位损害，加速恶性肿瘤的生长，促进恶液质的发生和发展。在肿瘤发展过程中，骨骼肌的代谢受到许多调控，致使肌肉蛋白合成减少、降解增加，最终出现肌肉减少。

　　2.2　骨骼肌蛋白质异常代谢

　　从肿瘤患者整体来看，其总体蛋白质代谢异常，表现为蛋白质合成和分解增加，蛋白质转变率增加，血浆氨基酸谱异常，其分解代谢快于合成代谢，尤其是在骨骼肌中最为明显，总体呈负氮平衡状态。

　　肿瘤患者内源性氮的丢失，首先表现在骨骼肌部分，其后才是内脏蛋白，如循环蛋白质耗竭，随着疾病的进展，总体蛋白质更新率增加，肌肉蛋白质合成和分解也增加，但分解率的增加更为明显。值得注意的是，不同类型的肿瘤患者中，总体蛋白质更新率增加的幅度不一致。尤其在体重丢失超过15%的癌性恶液质患者的总体蛋白质分解率明显上升，净蛋白质分解率也上升，虽然总体蛋白质合成率同步上升，但幅度很小，仅骨骼肌内、肝内蛋白质和白蛋白的合成率相对高一些，表明癌性恶液质患者的蛋白质大量丢失是总体蛋白质分解率增加的结果，而总体蛋白质合成率的小幅度增加，根本不足以代偿蛋白质的丢失速度。肿瘤蛋白质代谢改变，导致血浆色氨酸浓度增高，血浆游离色氨酸水平或游离色氨酸与中性氨基酸比值增高，使得大脑中5-羟色胺浓度增高，调节下丘脑饱食中枢，引起恶液质。

　　2.3　骨骼肌摄取葡萄糖减少

　　肿瘤为高代谢特点。肿瘤细胞的糖代谢存在异常，即肿瘤细胞在线粒体氧化磷酸化途径供给ATP不足时，将转而依赖糖酵解供能来满足其快速生长的需要。甚至在有氧环境下，肿瘤细胞优先进行糖酵解，并产生大量的乳酸。骨骼肌摄取葡萄糖随之减少，继而萎缩，功能丧失。

　　3　肿瘤状态下的肌肉微环境

　　在肿瘤状态下，肿瘤患者的肌肉微环境发生诸多变化，其中众多的生物促发因子均可导致肌肉蛋白分解，骨骼肌萎缩，促使恶液质发生发展，如神经内分泌肽、糖皮质激素、胰岛素、胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、促炎细胞因子等。研究表明，众多的细胞因子释放和肿瘤产物联合所致的代谢异常被认为在恶液质中起重要作用，细胞因子之间相互诱生、共同促进以及细胞因子和其他恶液质因子协同作用，通过不同的途径诱导恶液质的发生。癌性恶液质状态下骨骼肌萎缩的主要机制主要涉及泛素-蛋白酶体途径、自噬信号通路、半胱氨酸蛋白酶依赖的细胞凋亡和Ca依赖的蛋白分解途径等机制。目前认为，后两种途径主要通过裂解肌原纤维上的肌钙蛋白和肌球蛋白来降解肌肉，然而由于已有的相关研究较少，故这两种机制如何参与恶性肿瘤恶液质状态下的肌肉萎缩尚不明确。已有的研究主要集中在前两种途径。泛素-蛋白酶体途径能够降解肌纤维和大部分可溶性蛋白，是恶液质状态下骨骼肌萎缩的重要途径。

　　3.1　肿瘤促炎细胞因子

　　肿瘤状态下，发现患者更易出现全身炎症反应，而这种全身炎症反应是由肿瘤细胞或非肿瘤细胞分泌的不同生物促发因子（如神经内分泌肽、糖皮质激素、胰岛素、IGF-1、促炎细胞因子等）引起。全身炎症反应严重影响肌肉蛋白降解代谢过程，加速肌肉的消耗【9】。其中促炎细胞因子作用明显，如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-1（IL-1）、IL-6、γ-干扰素（IFN-γ）及蛋白水解诱导因子（PIF）等细胞因子，可直接作用于骨骼肌细胞，结合相应的受体及激活细胞内多种信号转导通路，可促进泛素-蛋白酶体途径的蛋白质降解【10】。此过程需要通过肿瘤恶液质患者肌肉中蛋白质分解产生的大量ATP【11-13】，因此导致骨骼肌蛋白质的分解和萎缩。恶液质的发展进程与肿瘤细胞分泌的炎性因子密切相关。促炎细胞因子除了直接作用于肌肉组织，还可以穿过血脑屏障改变中枢对食欲的调节。此外，部分肿瘤患者出现促甲状腺激素、血清维生素B12，睾酮和皮质醇代谢异常，也可减少瘦体体重。肿瘤急性反应期肝脏快速合成的蛋白质等介质以减轻肿瘤对自身的损伤，这一过程主要利用内源性氨基酸，骨骼肌发挥了补充内源性氨基酸的作用，因此肿瘤患者骨骼肌分解代谢明显增加【14】。此外，转录因子NF-κB通过调控骨骼肌细胞分化、凋亡等不同方面达到萎缩肌肉的目的，晚期肿瘤或慢性炎症能激活NF-κB依赖的肌肉蛋白质分解进程，导致肌肉萎缩【15】。在恶液质中转录因子NF-κB表达升高【16】。

　　3.1.1　肿瘤坏死因子-α

　　又称恶液质素，是由巨噬细胞分泌的蛋白分子，也可由肿瘤细胞产生，是最早证实与肿瘤恶液质有关的因子，在恶液质患者体循环中表达增高【17】。TNF-α可通过抑制脂蛋白脂酶而参与癌性恶液质的诱导。TNF-α可抑制蛋白质的合成，增加肌肉降解。肌细胞在TNF-α的作用下，10分钟内即可抑制蛋白质的合成，且作用时间可持续48小时之久。动物实验证实，给实验动物体内注射纯化的TNF-α蛋白能使体内分解代谢旺盛，可诱导恶液质的发生，TNF-α伴随恶液质的肿瘤生长，TNF-α也随之增多。用TNF-α抗体可抑制实验动物恶液质的发生，但这种作用随肿瘤生长而消失。部分情况下还和抑制IGF-1信号转导途径有关【18】。在动物模型中，已证实肿瘤恶液质的高代谢状态与线粒体解偶联过程产热作用相关，可能与肿瘤患者TNF-α增加有关【19】。TNF-α的作用机制与激活转录因子NF-κB和抑制肌浆细胞的分化有关【20】。TNF-α通过C2C12成肌细胞可上调NF-κB表达【21】。有研究表明，给予TNF-α的患者食欲明显受到抑制【22】。

　　3.1.2　白介素-1

　　IL-1可诱发厌食、体重减轻和低蛋白血症。IL-1可通过作用于下丘脑饱食中枢和外周部位，减少摄食和抑制食欲，可间接诱发恶液质，IL-1受体抑制剂对恶液质有较弱的治疗作用，IL-1具有与TNF-α相似的作用，参与恶液质的发生是依据IL-6的作用【23,24】。

　　3.1.3　白介素-6

　　IL-6是由巨噬细胞和成纤维细胞产生，肿瘤细胞也可分泌产生，从而影响肌肉微环境。动物实验中，IL-6升高的程度与恶液质呈正相关。IL-6可刺激巨噬细胞产生IL-1，后者可使IL-6的浓度增加。IL-6免疫单抗可抑制恶液质的发展。TNF-α可以通过IL-6的介导，抑制肌肉蛋白质的合成和减少瘦体组织群的增值【25】。IL-6可以引发肌肉萎缩，体重下降，机制可能通过溶酶体和非溶酶体途径【26】。在肿瘤恶液质动物体内能检测到IL-6明显升高，IL-6可刺激急性期反应蛋白合成且抑制脂蛋白脂酶活性【27】。IL-6也可使患者食欲受到明显抑制【28】。

　　3.1.4　γ-干扰素

　　IFN-γ由T淋巴细胞激活后分泌，其作用是抑制脂蛋白脂酶活性，进而增加脂肪分解，降低蛋白质合成，在恶液质脂肪代谢中与TNF-α有相类似的作用。有人发现荷瘤小鼠体重减轻与IFN-γ有关。IFN-γ抗体能抑制脂肪降解，但对蛋白质代谢无影响，其可以使摄食增加，抑制体重下降，但作用短暂。但目前的研究发现，IFN-γ的致恶液质作用不能完全确定，至少单独应用并不能诱发恶液质。

　　3.1.5　其他因子

　　此外，PIF能直接增加肌肉蛋白质分解，同时抑制蛋白质合成，从而导致恶液质患者肌肉萎缩【29】。神经睫状因子（CNTF）起初认为是作为一种营养因子，但在实验中发现，CNTF可以引起体重下降，机制与瘦素和恶液质的细胞因子激活（如IL-1）有关，但途径完全不同【30】。转化生长因子β家族中的成员如巨噬细胞抑制因子-1（MIC-1）和生长分化因子-15（GDF-15）在恶液质中也有表达，调控着机体骨骼肌的代谢过程，且其在肿瘤患者体内含量与骨骼肌总质量相关。肌抑素属于转化生长因子β超家族成员，可以抑制肌肉干细胞、卫星细胞的活化和肌肉的再生，具有负向调节骨骼肌生长的作用，部分恶性肿瘤患者肌抑素水平增高，也是造成肌肉减少的原因之一【31,32】。

　　3.2　自噬通路被激活

　　在哺乳动物中，自噬主要有巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬3个途径。目前，对骨骼肌萎缩自噬的研究主要集中于巨自噬，而微自噬和分子伴侣介导的自噬是否参与恶液质时骨骼肌萎缩尚不明确。长久以来自噬在骨骼肌萎缩中的作用并未引起重视。正常情况下人体肌肉微环境中的自噬水平很低，Lokireddy等【32】发现，在用肿瘤细胞培养基处理后的小鼠肌肉细胞，其自噬水平明显提高。Tardif等【33】发现自噬在恶性肿瘤恶液质状态下骨骼肌萎缩的进程中起到重要的作用，可加速肌肉降解，导致骨骼肌萎缩，使恶液质的发展进程加快，缩短肿瘤患者的生命周期。

　　3.3　宿主相关反应

　　3.3.1　C反应蛋白

　　C反应蛋白（CRP）被认为是评估全身炎症应答的最常见指标，在多数肿瘤患者的血清中呈高水平表达，CRP的浓度与肿瘤侵袭性及患者生存率有关，并且CRP对肿瘤细胞具有促进增殖和抑制凋亡的作用，被部分学者和临床医生作为结局不良的预测指标。值得一提的是，恶液质与CRP之间确切的相关机制目前还不十分清楚，仍处于研究探索阶段。肿瘤引起了全身蛋白质代谢变化，促使肌肉蛋白质降解，产生大量CRP，同时CRP的增加又需要大量的必需氨基酸来供能【34】，进一步加重了肌肉蛋白质的降解，促进骨骼肌萎缩。

　　3.3.2　神经内分泌方面的因素

　　在肿瘤患者中，神经内分泌因子出现异常和失调，导致胰岛素受体抵抗、合成代谢减少、皮质醇激素增加，这种失调可能与肿瘤患者全身炎症反应有关【29】。另外研究发现神经生长因子（NGF）在口腔癌中大量存在，它不仅与细胞增殖、疼痛相关，而且还和恶液质密切相关。在下丘脑的弓状核有两组神经元：神经肽-Y系统和黑皮质激素系统【35】，神经肽-Y本身刺激食欲，并释放出其他促进食欲的介质和蛋白。而肿瘤细胞各种异常因子的分泌，抑制神经肽-Y的活性，导致厌食和饱腹感的发生，使机体外源性氨基酸得不到充分补充，加速肌肉降解【36】。黑皮质激素系统包括促肾上腺皮质激素和促黑激素，其神经元释放α-黑色素细胞刺激激素（α-MSH）抑制食欲，增加基础代谢率，降低瘦体体重【37,38】。动物试验中发现，阻断中枢黑色素皮质激素的受体可以纠正厌食。

　　3.3.3　性激素

　　虽然目前性激素与癌性恶液质的生物机制尚不明确，但有研究表明性激素浓度较低在肌肉减少症的发病中发挥重要作用【39】。Smith等【40,41】有研究表明，低雄激素水平能显著降低患者的瘦体质量，雄激素和骨骼肌水平关系密切，这可能与雄激素水平改变影响肌肉蛋白合成有关。

　　4　促炎细胞因子促使肌肉蛋白质降解机制

　　4.1　泛素-蛋白酶体途径

　　研究表明，泛素-蛋白酶体（UPP）途径是恶液质状态下骨骼肌萎缩的重要途径。UPP能够降解肌纤维和大部分可溶性蛋白质【42】。UPP降解蛋白质是个级联过程。泛素必须首先被活化酶E1激活，然后转移到耦连酶E2，E2识别泛素蛋白连接酶E3，E3特异性识别并结合特异性蛋白质，形成泛素-蛋白质链，从而被蛋白酶体识别并加工成小肽【43】。目前，有2个E3蛋白连接酶已被证明在肌肉萎缩的蛋白水解作用中很活跃，即肌萎缩Fbox-1蛋白（MAFbx，也称作Atrogin-1）和肌环指蛋白1（MuRF1）【44】。据Lagirand-Cantaloube等【45】报道，在体敲除小鼠MAFbx/Atrogin-1基因，其肌肉萎缩下降了50%；在体敲除MuRF1基因，其肌肉萎缩下降了36%。

　　4.2　肌抑素途径

　　强有力的证据表明TGF-β家族成员肌肉生成抑制素，抑制肌肉生长，促进肌肉蛋白质消耗。2016年12月5日，国际学术期刊《Molecular Therapy》全文发表了上海生命科学研究院营养科学研究所丁秋蓉研究组的最新研究成果，该研究针对肿瘤患者中存在的严重肌肉萎缩病症，提出通过CRISPR-casp9技术，在体特异靶向敲除肌肉组织中的肌肉生成抑制素，从而可以达到延缓肌肉萎缩的目的【46】。

　　4.3　核因子-κB途径

　　TNF-α可使核因子-κB（NF-κB）的抑制物磷酸化而被降解，从而激活NF-κB，使其迅速进入细胞核，启动转录因子Foxo，使得MuRF1表达，从而促进肌肉蛋白降解【47】，见图1。

图1　骨骼肌萎缩途径

注：QoL（生活质量）；UPP（泛素-蛋白酶体）；mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白）；RET（受体酪氨酸激酶）

　　5　治疗对策

　　癌性恶液质发病机制比较复杂，涉及肿瘤和机体新陈代谢的各个方面。骨骼肌不仅是肿瘤患者化疗毒性、不良结局和生存能力的独立决定因素，而且会严重影响肿瘤患者的生活质量。恶液质状态下的骨骼肌萎缩与应激、饥饿等引起的骨骼肌萎缩机制大相径庭，鉴于恶液质后果比较严重且目前干预手段不可逆转其进程，所以肿瘤一旦确诊便定期精确测量患者人体体成分就显得尤为重要，动态观察骨骼肌变化，尽早发现，及时干预。有关癌性恶液质干预研究主要包括营养疗法、运动、激素以及其他药物干预等方式，单一或联合的干预方式不能逆转恶液质患者的临床结局。目前各种干预措施仍处于探索阶段，有待更多的循证研究支持。

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