研究背景
由于腸梗阻和癌癥惡病質等臨床因素，營養不良是結直腸癌患者的常見問題。如果腸道功能得以保留，首.選腸內營養，反之則依賴腸外營養。腫瘤細胞的營養需求與正常組織細胞不同，歐洲和中國腸內腸外營養學會建議癌癥患者應多食低碳水、高脂肪、高蛋白和高熱量食物，但對特定成分(如氨基酸)對癌癥進展的影響尚未得到充分研究。多項研究表明，對特定氨基酸的飲食干預會影響癌癥的發展和治療效果。癌細胞高度依賴胱氨酸，這可能是癌癥治療的代謝脆弱靶點。
作者進行了一項回顧性隊列研究，分析腸外營養相關因素與癌癥患者生存率的關系，還進行了體外和體內實驗，發現腸外營養的半胱氨酸成分降低了胃腸癌患者的存活率，胱氨酸剝奪(CD)飲食抑制體內結腸癌生長，這些發現對結腸癌治療有潛在的臨床影響。
研究結果
01.半胱氨酸降低胃腸癌患者的總生存期
為了確定腸外和腸內營養相關的氨基酸成分對胃腸癌患者的影響。收集接受腸外營養的胃腸道癌癥患者的數據，分析表明在腸外營養制劑中發現的大多數氨基酸對胃腸道癌癥患者總生存期具有有益影響，添加半胱氨酸、天冬氨酸或谷氨酸的腸外營養制劑降低了患者的總生存期。進一步研究發現半胱氨酸與總生存期較短顯著相關(P<0.001)。
為了闡明這些氨基酸的作用，測試了不同濃度胱氨酸和半胱氨酸的培養基中培養結腸癌細胞(HCT116和RKO)的生長情況，發現胱氨酸(0–25 uM)或半胱氨酸(0–100uM)濃度的增加以劑量依賴的方式顯著促進結腸癌細胞的生長，蛋白質生物量的增加也反映了這一點。這些結果表明胱氨酸特異性地促進結腸癌細胞生長。
圖1 Kaplan-Meier 曲線展示對照（紅色）和病例（藍色）的總生存期
02.含胱氨酸飲食促進體內結腸癌生長
為進一步證實胱氨酸的促增殖作用，設計胱氨酸剝奪(CD)和胱氨酸添加(CA)對小鼠進行2周的CD/CA飲食或正常飲食后接種HCT116細胞，并監測異種移植物體積和小鼠體重。結果表明飲食中添加0.4%胱氨酸顯著促進異種移植物生長并增加腫瘤重量，CD飲食有效抑制結腸腫瘤生長，表明胱氨酸確實促進體內結腸癌的生長。
圖2 不同組間腫瘤體積和腫瘤重量的統計分析
03.胱氨酸促進結腸癌細胞周期G1/S轉換和DNA合成
為確定胱氨酸是否促進結腸癌細胞增殖，在無胱氨酸和添加胱氨酸的培養基中培養HCT116和RKO癌細胞，并測量細胞周期。觀察到胱氨酸促進了結腸癌細胞周期G1/S的轉換和DNA合成。GO富集分析顯示胱氨酸調節有絲分裂細胞周期G1/S轉換和DNA復制生物合成過程。因此，認為胱氨酸主要通過促進細胞周期G1/S轉換和DNA合成。
圖3 通過流式細胞儀和FlowJo軟件分析細胞周期分布
04.胱氨酸最有可能通過激活mTORC1促進結腸癌增殖
KEGG富集分析顯示，哺乳動物雷帕霉素靶標(mTOR)信號通路受胱氨酸調控，用mTORC1抑制劑雷帕霉素或依維莫司處理結腸癌細胞并評估細胞活力，發現兩種mTORC1抑制劑均抑制了mTORC1活性，并顯著阻斷胱氨酸誘導的結腸癌細胞系的增殖。同樣，mTOR的敲除也顯著阻斷了多種結腸癌細胞系中胱氨酸誘導的細胞生長，表明胱氨酸最有可能是通過激活mTORC1來促進結腸癌生長。
圖4 KEGG富集分析顯示胱氨酸調節 mTOR信號通路
05.胱氨酸通過GCN2-ATF4-SESN2軸激活mTORC1
為了說明胱氨酸激活mTORC1的機制，研究了受胱氨酸顯著調節的基因，發現SESN2在mRNA和蛋白水平上被胱氨酸顯著下調。接下來，研究了胱氨酸如何抑制SESN2的基因表達，發現胱氨酸抑制GCN2磷酸化并下調 ATF4 的蛋白水平，降低了SESN2的轉錄并最終激活了mTORC1，表明胱氨酸通過結腸癌細胞中的GCN2-ATF4-SESN2軸激活mTORC1。
圖5 胱氨酸負調SESN2轉錄并促進mTORC1激活的機制
06.胱氨酸誘導結腸癌化療耐藥性
為了研究胱氨酸是否影響結腸癌細胞對化療的反應，在無胱氨酸和含胱氨酸的培養基中用奧沙利鉑或伊立替康(cpt-11)處理HCT116和RKO細胞，發現胱氨酸顯著誘導對奧沙利鉑和cpt-11的化學抗性。此外，奧沙利鉑和cpt-11介導的DNA合成也被胱氨酸部分阻斷，誘導的細胞凋亡在兩種細胞系中被胱氨酸大量阻斷，表明胱氨酸引起結腸癌耐藥。
圖6 胱氨酸在體外對奧沙利鉑的反應降低了結腸癌的細胞凋亡
07.胱氨酸通過合成谷胱甘肽(GSH)消除活性氧促進結腸癌耐藥
根據報道推測胱氨酸可以促進谷胱甘肽的合成并清除過量的活性氧，進而保護結腸癌細胞免于凋亡。作者也發現胱氨酸顯著降低HCT116和RKO細胞中的細胞ROS水平，并增加了兩種細胞系的谷胱甘肽水平。當阻斷細胞GSH合成時，顯著挽救了HCT116和RKO細胞中胱氨酸介導的奧沙利鉑和cpt-11抗性，表明胱氨酸通過抗氧化作用誘導化療耐藥性。
最后比較了胱氨酸和其他非必需氨基酸，表明奧沙利鉑引起的細胞生長抑制和奧沙利鉑誘導的細胞凋亡通過剝奪胱氨酸而不是亮氨酸、賴氨酸或精氨酸而進一步增加，表明胱氨酸在胃腸道腫瘤的進展中更為重要。
圖7 胱氨酸降低結腸癌細胞中的 ROS 水平
圖8 胱氨酸顯著增加結腸癌細胞中的 GSH 水平
結論
營養不良是胃腸道腫瘤患者的常見問題，為了優化PEN，必須了解PEN相關的特定成分(如氨基酸)對癌癥進展的影響。通過對接受腸外營養的胃腸癌患者的回顧性分析以及進一步的體外和體內研究，發現PEN相關胱氨酸通過激活mTORC1促進結腸癌生長，但CD飲食干預顯著抑制腫瘤生長，而不影響小鼠體重，表明CD飲食對結腸癌患者是安全的。