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由于肿瘤细胞快速增殖,与正常细胞相比,肿瘤需要摄取更多的葡萄糖为其提供能量。由于肿瘤的中心组织血管分布较少,缺氧使肿瘤细胞加强糖酵解而产生大量乳酸,因此肿瘤组织中心区域通常处于一个低葡萄糖、缺氧和高乳酸的微环境中。大脑主要利用葡萄糖为细胞供能,脑肿瘤组织中的缺氧和高葡萄糖摄取进一步加剧了脑肿瘤组织中高乳酸的微环境。在这样的逆境下肿瘤细胞是如何消除乳酸的酸性毒害并重新利用乳酸的?虽然已有一些关于肿瘤细胞中乳酸利用的研究报道,但在胶质瘤细胞和脑肿瘤组织中,肿瘤细胞是如何改变原有代谢方式以适应乳酸的微环境的?这种代谢方式改变的调控机制还不是很清楚。胶质瘤细胞在机体内是否可以利用乳酸,又是如何适应葡萄糖缺乏的环境以适应生存的?这一问题的研究对脑肿瘤的治疗尤为重要。本研究以脑胶质瘤细胞U251为研究材料,通过不同浓度乳酸对细胞生长和ATP水平的影响分析发现,在培养基中添加15mM乳酸时U251细胞生长速度最快且ATP产生最多。说明U251细胞利用乳酸的适宜浓度为15mM。为了进一步探究U251细胞如何利用乳酸,乳酸培养条件对U251代谢方式的影响,我们在完全培养基中加入15mM乳酸分别培养24h、48h、72h后收集细胞,检测细胞增殖、ATP变化及代谢相关蛋白的表达。结果发现乳酸处理的U251细胞比正常培养细胞增殖迅速,细胞ATP水平也较对照细胞高。而加入盐酸的低pH处理细胞随着培养时间的延长细胞增殖速度下降,ATP水平明显较对照低。表明乳酸培养能促进细胞增殖和ATP产生而非酸性pH的作用。而ATP的产生是否改变了细胞原有的代谢方式?检测代谢相关的蛋白表达发现乳酸处理后的U251细胞乳酸脱氢酶(LDH)、丙酮酸脱氢酶(PDH)、单羧酸转运体(MCT1、MCT4)表达量均有上升,葡萄糖转运体(GLUT1)表达下降。细胞氧化磷酸化相关的蛋白(NDUFB8、VDAC)表达量也有不同程度增加。代谢相关调控因子缺氧诱导因子(HIF1-α)下调,原癌基因(C-myc)上调。表明乳酸培养条件促进了 U251细胞乳酸的转运和利用,同时增强了细胞氧化磷酸化途径。脑肿瘤组织不仅处于高乳酸的微环境中,还常常处于高乳酸且营养缺乏的微环境中。在低葡萄糖而高乳酸的培养条件下是否会进一步促进乳酸的转运和利用呢?于是我们分析了在正常培养基(20mMG),低葡萄糖(5mMG)和低葡萄糖而高乳酸(5mMG+15mM Lac)条件下细胞的增殖和ATP水平的变化。研究发现低葡萄糖的培养条件仅能维持细胞增殖48h小时,48h以后细胞大量死亡,ATP水平也在48h以后急剧下降。而低葡萄糖加高乳酸培养的细胞却能在48h后继续生长增殖,ATP水平高于对照处理,增殖水平和ATP水平都趋近于正常对照细胞。表明在低葡萄糖而高乳酸条件培养的细胞前48h优先利用葡萄糖,当葡萄糖被消耗殆尽细胞转而利用乳酸为细胞生长增殖供能。检测代谢相关蛋白的表达发现,与正常培养细胞相比低葡萄糖高乳酸培养条件下细胞LDH、PDH、MCT1和MCT4表达量均有显著增加,GLUT1表达下降。细胞氧化磷酸化相关的蛋白(NDUFB8、ND1、TFAM)表达量也有不同程度增加。代谢相关调控因子HIF-1α表达降低,C-myc高表达。表明低葡萄糖高乳酸处理,细胞通过增强氧化磷酸化途径产生ATP来维持细胞生长。而低葡萄糖培养条件下所检测的细胞代谢相关蛋白的表达均降低,细胞代谢水平下降,细胞ATP水平较低。为了验证上述体外实验的研究结果,我们收集了临床脑胶质肿瘤样本,检测了正常脑组织、胶质瘤组织和肿瘤核心区组织中代谢相关蛋白的表达。发现肿瘤核心区中LDH、PDH、MCT4和HIF-1α等表达量均显著升高,而MCT1、GLUT1表达下调,表明肿瘤核心区以糖酵解为主产生大量乳酸。MCT4/MCT1将乳酸转运到旁边的肿瘤组织通过氧化磷酸化将乳酸再利用。胶质瘤组织与肿瘤核心区有不同的代谢途径。由此可见肿瘤细胞和肿瘤组织都可以通过自身代谢方式改变以适应葡萄糖缺乏、酸性的微环境以保证肿瘤细胞的快速生长和增殖。本研究为进一步认识脑肿瘤的代谢特征及对脑肿瘤临床诊断和新的治疗策略的制定提供新的思路。