pH梯度失调是癌细胞的共同特征。与正常细胞相比，肿瘤细胞具有升高的细胞内pH（pHi）和降低的细胞外pH（pHe）。利用PH微电极、磁共振光谱法等方法测定肿瘤细胞内外的pH，可以发现肿瘤组织的酸性程度远高于正常组织。肿瘤细胞不能长时间在pHi过低的条件下生存，于是将胞内的酸性产物排出，从而引起肿瘤微环境的外酸化和内碱化。这种微环境负pH梯度的维持与一些离子交换蛋白[如Na+/H+交换体-1（NHE-1）、空泡质子泵（V-ATPase）、HCO3-转运体等]密切相关。目前逆转微环境pH的方法主要包括直接利用小分子碱性药物和间接使用离子蛋白抑制剂，如NHE-1抑制剂、质子泵抑制剂（PPIs）等。此外，通过抑制碳酸酐酶（CA）的活性，也能一定程度逆转pHe/pHi。基于上述研究成果，本文简介了肿瘤失调pH的成因及肿瘤微环境pH失调对肿瘤生长发展的影响，着重对近年来一些逆转微环境异常pH梯度的治疗策略的研究进展作一综述，为逆转肿瘤失调pH药物的开发提供思路。


1肿瘤微环境的异常pH


1.1外酸化与内碱化


在各种恶性肿瘤中，细胞的外酸化与内碱化的现象普遍存在。在生理状况下，正常组织中pHe一般保持在7.4而pHi一般保持在7.2（pHe＞pHi）。然而在肿瘤细胞中，pHe大多介于6.5～7.0而呈弱酸性，pHi则与正常细胞类似，为碱性或接近中性。这一发现颠覆了癌细胞中的pHi也比正常细胞更低的传统认知。在大多数肿瘤中都可以观察到这种负的pH梯度（pHe＜pHi）。


1.2异常pH梯度的成因


肿瘤微环境异常pH梯度的形成与肿瘤细胞的组织结构以及代谢特点息息相关。在恶性肿瘤的发展过程中，由于组织增生迅速、肿瘤组织的血管发育不良等原因，造成部分组织供氧严重不足。缺氧的状况阻抑了肿瘤细胞通过有氧呼吸获得能量，肿瘤细胞向糖酵解代谢发生转变以满足能量需要。因此，肿瘤细胞以比正常细胞更高的速率消耗葡萄糖并产生乳酸来产生供其生存所需的能量。实际上，癌细胞不管在有氧和无氧状况下都保持较高的糖酵解效率（即Warburg效应）。糖酵解的增加引起大量的乳酸产生，肿瘤血管异常又不可及时清除积聚的乳酸，这是引起肿瘤微环境酸化的因素之一。


另外，胞内生成的CO2弥散到胞外，肿瘤缺氧的状态活化了缺氧诱导因子1（HIF-1），诱导肿瘤细胞高表达CA，催化CO2和H2O反应生成碳酸。综上所述，乳酸和CO2是肿瘤酸性环境产生的两大物质基础。肿瘤细胞无法在pHi过低的条件下长期生存，因此必须通过某些机制将酸性产物不断排出细胞外而维持胞内pH稳定。乳酸产生后，一些氢离子和乳酸根被单羧酸盐转运蛋白（monocarboxylate transporter，MCT）以共转运的方式运输到细胞外，大部分的氢离子则被细胞膜上众多激活的离子转运蛋白运至细胞外或泵入某些细胞器中，最终导致肿瘤细胞在维持胞内pH呈中性至碱性的同时，胞外及胞内一些细胞器（如内涵体、溶酶体）的pH明显降低。


1.3异常pH梯度的维持


癌细胞pHe/pHi的维持与位于细胞质膜上一些离子转运体息息相关。维持癌细胞负pH梯度的离子转运蛋白主要包含NHE-1、V-ATPase、HCO3-转运体、MCT等（见图1）。NHE是一种调节pHi的重要跨膜蛋白，可以使细胞内部的H+与细胞外部的Na+以等比例的方式发生跨膜交换从而调节pHi，防止细胞内酸化。NHE家族总体包括9个亚型（NHE-1～9），其中NHE-1是最早被发现的亚型，对NHE抑制剂敏感度最高。NHE-1亚型的表达广泛，对细胞内pH的调控起到重要作用。

图1维持肿瘤细胞异常pH梯度的膜转运体


V-ATPase作为一种细胞pH调节泵，也是最近几年的研究热点之一。V-ATPase不止在细胞内的细胞器（如溶酶体、内涵体、分泌小泡）膜上表达，而且在细胞质膜上表达。肿瘤细胞升高V-ATPase的活性，将细胞内H+泵到细胞外或溶酶体、内涵体等细胞器内，造成肿瘤细胞外酸性环境，并且防止肿瘤细胞内酸化，逃避凋亡损伤，导致肿瘤细胞对化疗药物的耐药性增强。此外，V-ATPase在多种类型的转移性肿瘤中过表达，与肿瘤的侵袭性和转移潜力表现出正相关性。因此，阻断V-ATPase的表达可以抑制肿瘤的生长和转移。


此外，CA对维持癌细胞内外的pH梯度起关键作用。其是一类广泛存在于人体内的含锌金属酶，可以有效催化CO2与水合成碳酸的可逆过程。目前在灵长类动物中共发现了16种α-CA，其中有15种是常见且在人类中共有的。研究发现，CA在维持癌细胞pHi方面起着重要作用。


2异常的微环境pH对肿瘤的影响


2.1促进肿瘤的生长转移


Pouyssegu及其同事研究发现，较高的pHi可以被看作肿瘤细胞增殖率提高的信号。近年来Grillohill等也已在体内证实了pHi依赖性的肿瘤细胞增殖。肿瘤细胞中pHi的增加也与细胞侵袭表型有关；降低的pHe则可通过增加基质金属蛋白酶（MMP）的活性促使肿瘤细胞发生浸润和迁移。酸性微环境中排出的一些产物（如组织蛋白酶B和其他蛋白水解酶）造成细胞外部基质降解及周围正常细胞的坏死和凋亡。降低pHi或增加pHe则可抑制肿瘤细胞的生长迁移。因此，设法降低pHi或增加pHe有望成为阻遏肿瘤生长和迁移的治疗新方法。


2.2增加肿瘤的耐药性


研究发现，酸性微环境导致肿瘤细胞产生抗药性并逃避化疗药物损伤。目前，临床上大多数化学治疗药物均为弱碱性，药物分子在胞外酸性条件下发生质子化，难以穿过细胞膜脂质层到达细胞内部，从而引起了肿瘤细胞对化学治疗药物的天然抗性。另一方面，耐药性肿瘤细胞通常比对药物敏感的细胞含有更多的酸化细胞器（例如内涵体、溶酶体等），并且酸化程度更高。化疗药物到达胞内之后被酸性细胞器捕获，经质子化后被隔离，接着通过外吐作用被排到细胞外部，因此减少了胞质内药物浓度。此外，酸性微环境还导致肿瘤细胞的免疫功能发生异常，逃避宿主免疫应答以及免疫治疗，并引起肿瘤细胞对放疗的敏感度下降。


3、结语


恶性肿瘤中，微环境的外酸化和内碱化普遍存在。通过靶向调控微环境pH梯度的离子转运蛋白及CA，可以一定程度上逆转肿瘤微环境的异常pH梯度，进而抑制肿瘤细胞增殖，减弱肿瘤侵袭能力并降低肿瘤耐药性。因此，研究和开发靶向性强的、毒性轻微、新型有效的NHE1、V-ATPase和CAIX/XII抑制剂是逆转pHe/pHi的重要方法。最近一项研究表明：与单一药物治疗相比，质子泵抑制剂PPI和CA抑制剂的联合使用获得了更有效的抗肿瘤效果。这代表了首次尝试同时靶向肿瘤微环境pH调控中涉及的2种重要机制的特殊治疗方法。当然，在将上述药物相互组合或与其他抗癌药物联合使用时，必须考虑药动学中药物间的相互作用，深入探讨其协同作用的动力学机制。相信在不久的将来，这些逆转肿瘤细胞微环境pH梯度相关药物的开发，能作为有效的抗癌治疗新策略。