代谢重编程是癌症的显著特征，多数肿瘤高度依赖葡萄糖，通过增强糖酵解通量满足能量需求。在葡萄糖受限的肿瘤微环境中，肿瘤细胞还可通过代谢可塑性切换至乳酸等替代碳源利用，维系其增殖、侵袭及干细胞样表型。肿瘤起始细胞（TICs）通常存在于血管化程度低、营养匮乏的肿瘤区域，TICs如何激活代谢可塑性以适应营养供应低的时期，尤其是在葡萄糖限制条件下，其机制尚不明确。

新加坡基因组研究所的Wai Leong Tam团队在Cell Metabolism期刊上发表文章“Induction of a metabolic switch from glucose to ketone metabolism programs ketogenic diet-induced therapeutic vulnerability in lung cancer”的论文，该研究发现肺TICs在葡萄糖匮乏时可激活酮体利用，以维持生长和肿瘤形成，补充酮体或长期生酮饮食可增强其肿瘤起始能力。进一步整合代谢组学、基因组学和代谢流分析，证实了酮体驱动酮解和脂质合成，同时发现CD147作为MCT1（单羧酸转运蛋白1）的伴侣蛋白是关键调控节点。揭示了肺部肿瘤起始细胞中一种营养响应型的代谢转换，为饮食干预如何影响癌症进展和增强靶向治疗效果提供了机制上的见解。

技术路线图

研究结果

1. TICs在葡萄糖缺乏时诱导代谢切换以利用酮体

利用Seahorse细胞能量代谢分析仪发现TICs的最大糖酵解速率（ECAR）显著低于其同源的非肿瘤起始细胞（Adh），而线粒体耗氧率（OCR）反而略高，表明TICs对糖酵解的依赖性较低。随后在逐步降低的葡萄糖浓度条件下对TICs和非TICs进行了培养，并在剥夺实验中进行了检测，观察到1.4mM超低葡萄糖（ULG）条件下TICs的增殖几乎停滞，Adh细胞同样受限。向培养体系中补充0.25-10mM乙酰乙酸（AcAc）后，TICs的增殖呈剂量依赖性恢复，Adh细胞则无任何恢复，说明酮体利用具有TICs特异性。

通过转录组分析发现，在ULG（低葡萄糖培养基）条件下，酮体的合成与降解通路最显著富集，关键酮解酶基因BDH1、OXCT1和ACAT2表达上调。其中BDH1参与酮体的相互转化（乙酰乙酸和3-羟基丁酸），OXCT1催化酮分解中限速步骤，将乙酰乙酸转化为乙酰辅酶A，而ACAT2可逆地将乙酰乙酰辅酶A转化为乙酰辅酶A，并具有硫酯酶活性。

单细胞转录组分析显示，生酮饮食重塑了肿瘤的细胞组成，显著增加了干细胞样癌细胞群（Cluster 12）的比例。同时，在生酮饮食喂养的小鼠中，CD166⁺ TICs中酮解特征基因（OXCT1和ACAT2）明显富集。

图1. 限糖条件下肺TICs适应和肿瘤对乙酰乙酸的反应

2. 酮体的激活驱动三羧酸循环和脂肪生成

通过非靶向的代谢组学分析发现，补充乙酰乙酸会导致三羧酸循环、鞘脂代谢和脂肪酸延长途径中的代谢中间产物显著上调。使用¹³C标记的β-羟基丁酸进行代谢流实验发现，在TICs中很容易检测到¹³C-β-羟基丁酸同位素，而在Adh细胞中则无法检测到。同时，TICs中TCA循环中间产物——柠檬酸的M+2同位素异构体显著富集，证明酮体来源的碳可有效进入TICs的TCA循环。更关键的是，在脂质合成通路中，TICs的磷脂类物质（如磷脂酰胆碱 PC、磷脂酰乙醇胺 PE、磷脂酰肌醇 PI）中¹³C标记碳的掺入比例显著高于Adh细胞，且TICs中M+14、M+16、M+18更丰富，表明酮体来源的碳可通过乙酰辅酶A进一步整合到复杂脂质的脂肪酸链中。

图2. 在葡萄糖限制下，酮体促进肺TICs的酮解和脂肪生成

3. 抑制脂肪生成会破坏肿瘤相关巨噬细胞的功能

通过转录组发现，负责细胞内从头生成脂质和脂滴形成的关键脂质代谢基因（FASN、ELOVL6、HMGCR、ACAT1、ACAT2和 SCD）在肺TICs中过度表达，表明脂质可能以脂滴的形式储存。

进一步发现TICs在葡萄糖受限或酮症状态下依赖脂质合成维持代谢，在葡萄糖限制且补充酮体（ULG-A）的条件下，TICs对脂肪生成限速酶（FASN）抑制剂cerulenin的敏感性显著提升，增殖显著受阻，表明其对新生脂质合成依赖增强。

4. MCT1介导酮体摄取并成为治疗靶点

相较于分化的Adh细胞，TICs中MCT1（酮体转运关键蛋白）表达显著富集，而其他酮体转运相关蛋白在TICs中无明显上调，证明MCT1是TICs摄取酮体的主要转运体。

作者推测，TICs的酮体利用可能依赖肿瘤微环境中其他细胞的协作，故进一步研究发现，分化的Adh细胞中，酮生成关键转录因子（PGC1α、PPARα）及下游靶基因（ACAT1、ACSS1-3、HMGCL）在葡萄糖限制下显著上调，而酮解关键酶OXCT2表达下调，表明Adh细胞可通过增强酮生成、减少酮消耗，为TICs提供微环境中的酮体。

随后使用MCT1临床抑制剂 AZD3965处理TICs，结果显示：ULG-A条件下，TICs对AZD3965的敏感性显著高于单纯葡萄糖限制（ULG）组；AZD3965 可阻断ULG-A组TICs的增殖，表明AZD3965可阻断酮体摄取。进一步研究发现，单独使用AZD3965或cerulenin治疗均抑制了肿瘤生长，且与对照饮食相比，生酮饮食显著抑制了肿瘤的形成，并增强了AZD3965和cerulenin的效果，同时对小鼠的整体健康状况没有显著影响。根据代谢表型实验进一步发现，生酮饮食组肿瘤脂滴积累增加，而AZD3965处理后脂滴减少 27.8 倍（对照饮食组减少13.8倍），印证其通过阻断酮体摄取抑制脂肪生成，进而破坏TICs功能。

图3. 抑制MCT1可通过阻断酮体转运来靶向肺肿瘤起始细胞

5. CD147与MCT1的相互作用对于膜定位以及酮体摄取是必需的

通过CRISPR-Cas9敲除TICs中的CD147后，MCT1蛋白水平显著下调，但 MCT1 mRNA表达无变化，证明CD147不影响MCT1转录，但可调控其蛋白层面的稳定性。免疫荧光显示，正常TICs中MCT1主要定位于细胞膜，而CD147敲除后，MCT1向细胞质转移且总表达量降低。用蛋白酶体抑制剂MG132处理 CD147敲除的TICs，MCT1蛋白水平可恢复，表明CD147缺失时，MCT1因折叠异常被蛋白酶体降解。

通过¹³C标记 β-羟基丁酸的代谢示踪实验发现，CD147敲除的TICs 中，¹³C标记的β-羟基丁酸（酮体）及下游¹³C标记的柠檬酸（TCA 循环中间产物）含量显著降低，证明CD147的缺失直接影响了MCT1的功能以及下游的酮体代谢。生酮饮食显著增加肿瘤中CD147⁺细胞比例，而MCT1抑制剂AZD3965可逆转此效应。

图4. CD147调控肺TICs在葡萄糖受限条件下的MCT1表达及酮体利用

为了证实CD147的代谢作用，作者构建了多个患者来源的异种移植瘤系，并对其表达情况进行了分析。其中，A003和A014系的CD147表达最为显著。当小鼠接受高脂饮食时，这两种异种移植系的肿瘤生长速度都更快。流式细胞术进一步证实，在适应生酮饮食的肿瘤（A003、A014）中，CD147⁺细胞群体显著扩增。

作者假设CD147可能是一种具有独特代谢功能的细胞表面生物标志物，在肿瘤干细胞（TICs）中发挥着重要作用。于是从肺异种移植肿瘤中分选存活的 CD147⁺和CD147^–肿瘤细胞，各取5×10⁴个细胞分别移植到NSG小鼠的对侧胁腹，结果发现含有CD147⁺细胞的侧形成了较大的肿瘤，而含有CD147^–细胞的五个侧中只有三个形成肿瘤，其大小几乎可以忽略不计。临床样本及TCGA数据均证实 CD147在肺腺癌及鳞癌中高表达，与恶性程度及不良预后相关，MCT1可作为TICs的生物标志物。

图5. CD147是肺癌患者酮体依赖性的一种潜在生物标志物

研究结论

该研究揭示了肺癌TICs独特的代谢适应机制，提出“生酮饮食+靶向MCT1/CD147轴”的联合治疗策略，为肺癌精准治疗提供了新的机制依据与转化方向，同时也为理解代谢重编程在肿瘤干细胞中的作用提供了关键视角。

参考文献

Wu Z, Wang Z, Ng SQ, et al. Induction of a metabolic switch from glucose to ketone metabolism programs ketogenic diet-induced therapeutic vulnerability in lung cancer. Cell Metabolism. 2025

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本文中通过代谢组学、转录组学等技术明确了肺癌TICs在葡萄糖限制下的代谢重编程特征，借助¹³C稳定同位素标记的代谢流分析，证实TICs通过CD147-MCT1轴摄取酮体。

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