張金堅：粒線體：人體細胞發電站與癌症的進展息息相關
本文摘自<常春月刊>477期
文／張金堅（乳癌防治基金會董事長）
早在2000年美國及瑞士生物學家Bob Weinberg及Douglas Hanahan在知名《細胞期刊》就發表一篇綜述「癌症的特徵」，而後於2011年及今年2022年又分別再做更詳細的闡釋，到目前為止共有十四項特徵（如圖一），其中抵抗細胞死亡（Resisting cell death）、腫瘤促進的發炎反應（Tumor-promoting inflammation）及細胞能量代謝模式重編（Deregulating cellular metabolism），這三項也是其中非常重要的特徵，而粒線體（mitochondria）扮演了這三大特徵中的關鍵角色，粒線體近年來也廣被重視，與癌症的進展息息相關，甚至在癌症治療領域亦有重大突破。
粒線體：細胞的發電站（the powerhouse of the cell）
在演化的過程中，粒線體與葉綠體（chloroplast）是同源的，分屬於動物與植物細胞。早在1857年瑞士解剖及生理學家Rudolf Albert von KÖlliker（如圖二）在肌肉細胞中發現顆粒狀結構，及至1898年德國科學家Carl Benda認為這些結構有時呈線狀，有時呈顆粒狀，所以用希臘語中「線（mito）與「顆粒（chondros）」因而有組成mitochondrion之命名，而沿用至今。
粒線體的構造是由兩層膜包被的胞器，直徑在0.5到10微米左右，存在各種細胞內，其大小、數目及外觀上都有不同。粒線體這種胞器，擁有自身的遺傳物質和遺傳體系，但因其基因組大小有限，所以粒線體是一種半自主胞器。粒線體是細胞內氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的主要場所，為細胞的活動提供能量。
粒線體的雙層包膜，分別為粒線體外膜及粒線體內膜，此外有粒線體膜間隙及粒線體基質。外膜較平滑，內膜則向內皺褶形成粒線體皺褶，負責很多生化反應；皺褶之間叫「粒線體膜間隙」，內膜內包裹的粒線體基質，而基質中含有粒線體自身的DNA（即粒線體DNA，mtDNA）、RNA和核糖體（如圖三）。
粒線體最廣為人知的便是細胞能量的製造工廠，在細胞質內，葡萄糖被糖解（glycolysis）成為丙酮酸（pyruvate）後進入粒線體，進行三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle），又叫「檸檬酸循環」，至於胺基酸及脂肪酸亦可進行此TCA循環，再經一系列之電子傳遞鏈及ATP合成酶之作用，最後產生ATP（共36個ATP），這整個過程叫氧化磷酸化反應（OXPHOS）。如果像癌細胞內氧氣不足或無氧狀態，則丙酮酸無法進入粒線體，只在細胞質產生乳酸及二個ATP，來補足癌細胞所需能量（圖四）。
一個世紀以前，德國科學家Ott Warburg研究癌細胞上的粒線體變化，並提出了有關正常細胞與癌細胞在能量代謝差異的假說，他發現在許多癌細胞有代謝異常的情況：能量仰賴較不經濟的來源，多作用於缺氧（hypoxla）情況下，以乳酸（lactate）為終產物的糖解作用（glycolysis）為主：而正常細胞較常使用的OXPHOS。這種「有氧糖解」（aerobic glycolyss）就是著名的「瓦氏效應」（Warburg effect）。
Warburg據此提出假說，認為「失能的代謝」（dysfunctional metabolism）與「粒線體受損」（mitochondrial damage）是癌症發生的主因，Warburg也因此發現而得到1931年諾貝爾生理及醫學獎。
時至今日，雖然Warburg的理論並非完全正確：癌細胞利用glycolysis並非因粒線體功能「受損」，而是生存演化之必需；且OXPHOS也仍被發現在某些癌細胞亦提供大部分ATP。
粒線體DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）突變並不罕見。事實上，幾乎在所有的癌細胞，除了會找到細胞核基因突變外，也都會發現mtDNA的突變。只是除了少數，例如調控TCA cycle酵素的基因：粒線體複合體II上的琥珀酸脱氫酶（succinate dehydrogenase,SDH）突變，與腫瘤的質變（transformation）有直接關係外，大部分mtDNA突變，相較於細胞核基因突變，在癌症發展過程中，只扮演著「乘客」（passenger）的角色。
換句話說，癌細胞還是需要相對「健康」的粒線體來維持增長和侵犯性。粒線體也被證實在腫瘤發生質變、代謝「重設計」（reprogramming），甚至產生抗藥性的過程中扮演關鍵角色。
癌細胞的粒線體的重設計
細胞利用氧化磷酸化反應與糖解作用產生能量，是動態（dynamic）的而非一成不變的。例如成年胸腺細胞有88%的ATP製造來自於氧化磷酸化反應；一旦接受到刺激增生，高達86%的ATP需求轉向產生乳酸的糖化作用。如此轉向將導致在增生（proliferation）細胞中，葡萄糖利用率提升20倍。
這種朝向有氧糖解（aerobic glycolysls）的代謝重設計與乳酸產生對增生細胞帶來一些好處：製造一些能做為抗氧化物的代謝中間產物，製造一個酸性的環境，以改善含氧並刺激血管增生（anglogenesls），及發炎介質的產生，這些都有助於癌細胞在缺氧情況下生存。
近年來，不論是致癌（oncogenic）或抑癌（tumor suppressor）路徑，都被發現直接影響粒線體代謝方式。舉例來說，常見的抑癌基因TP53，負責細胞循環中止（cell-cycle rrest），老化（senescence）及凋亡（apoptosis）。當細胞受到基因毒性（genotoxic）等傷害時，會藉由AMP-活化蛋白酶（AMP-actlvated protein kinase）來活化TP53，透過上調TP53蛋白及促進丙酮酸轉換成acetyl-CoA以進入三羧酸循環（TCA），來提升氧化磷酸化反應及粒線體的「呼吸」功能。
至於癌細胞調控氧化磷酸化反應與糖解作用的方法，目前也被廣泛研究中，其中一個重要物質是伴侶因子（chaperon）熱休克蛋白-90（heat shock protein-90, Hsp90），其主要功能是管控細胞內蛋白質摺疊（protein folding），通過這一物理過程，蛋白質從無規則捲曲摺疊成特定的功能性三維結構，以獲得其功能性結構和構象。熱休克蛋白-90（Hsp90）在癌細胞粒線體內的含量，遠高於正常組織Hsp90除了維持蛋白質摺疊外，並影響細胞膜滲透傳導，電子傳遞鏈，胺基酸合成及細胞氧化還原等重要機制。
實驗發現，粒線體內Hsp90受到完全抑制時，會導致癌細胞經由凋亡方式大量死亡。當接受到細胞凋亡指令時，粒線體是負責執行的細胞器，透過「粒線體外膜滲透」（mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP）的作用，使能殺死細胞的蛋白質從粒線體內膜空間釋放出來。其中最主要的「殺手蛋白質」，便是細胞素c（cytochrome c）而抑制粒線體執行細胞凋亡，是癌細胞產生抗藥性的方式之一。目前備受矚目的癌症幹細胞「cancer stem cell」，以其能頑抗抵制化學治療及放射治療著稱。
與一般癌胞相比，癌症幹細胞有幾種特性：較少量的mtDNA，較高的粒線體膜電位，較低的氧及葡萄糖利用率，以及較低的細胞內活性氧基與ATP濃度。這些都與氧化還原失衡（redox misbalance）以及粒線體的抗氧化功能有關，進而增強癌症幹細胞在惡劣環境下的生存。反之，如果能有藥物破壞癌細胞粒線體功能，便能減緩癌症進展並消滅癌細胞。
粒線體與抗癌治療
目前與粒線體有關的治癌方式，已有很多基礎研究且在臨床上有初步的進展，可分為兩大類：一是「老藥新用」，最有名的就是糖尿病用藥metformin；另一類就是針對粒線體內容物設計的「粒線體毒性」（mitochondriotoxic）藥物，簡單介紹如下：
❶Metformin：肥胖、高血糖、高胰島素血症（hyperinsulinemia）已被公認與癌症進展和預後有關，此路徑也成為癌症治療的標的之一。Metformin是一個治療第Ⅱ型糖尿病的老藥，也被用來治療代謝症候群及卵巢多囊症（polycystlc ovary sydrome）；近來許多流行病學及臨床研究都顯示metformin是一個極有潛力的抗癌利器。有關metformin對抗癌細胞的機轉有兩種假說：作用在肝臟減少糖質新生（gluconeogenesls），降低體內含糖量，進而抑制胰島素及類胰島素生長因子-1（Insulin-like growth factor-1，IGF-1），而此二者皆是已知的癌細胞有絲分裂原（mitogen），以此間接降低致癌性（carcinogenesls）。
第二種假說是metformin抑制癌細胞粒線體電子傳遞鏈上的複合體 I (ETC I )活性，直接截斷癌細胞的粒線體能量供應，減少癌細胞增生。Metformin也被發現可以阻斷缺氧誘發因子（hypoxia-Inducible factors,HIFs）路徑，這是幫助癌細胞在缺氧環境下生存的重要系統，在許多癌細胞中都可見到HIFs功能的上調（up-regulation）。因此，如能將metformin與抑制供氧，如血管生成抑制劑（angiogenesis inhibtors）或PI3K抑制劑的藥物併用，將可以更有效的殺死癌細胞。
❷粒線體毒性（mitochondriotoxic）藥物：這類藥物有一個新的專有名詞mitocans，mitocan都是以粒線體為標的，誘發細胞凋亡的小分子藥物。作用點從粒線體外膜表面到粒線體基質內，共分為8大類。其中最有名的一類是以粒線體電子傳遞鏈複合體II（complex II）為標的，提升活性氧基（ROS）的藥物，如維生素E類似物（vitamin E analogues）：琥珀酸a-生育酚酯（α-tocopheryl succinate, α-TOS）與粒線體靶向維生素E琥珀酸酯（mltochondrially targeted vitamine E succinate, Mito VES）。
這類藥物不只殺死一般腫瘤細胞，更對難纏的癌症幹細胞「cancer stem cell」特別有效。另一種熱休克蛋白-90的抑制物：Gamtrinib，針對粒線體內而非細胞質的Hsp90，導致粒線體快速失能，內膜去極化（depolarization），釋出細胞素C至胞質中，誘發癌細胞凋亡，還有如（圖五）針對癌細胞粒線體多項功能的環節給予抑制，導致癌細胞無法活存，達到治療的效果。
結語
自從Otto Warbur發現癌細胞能量代謝的特性後，粒線體，這個「陳年」細胞器，就不再只是個細胞能量的發電廠了。近年來粒線體已被擺在癌症研究的最前線，包括細胞核與粒線體間的訊號傳遞，以及粒線體如何控制代謝和細胞凋亡路徑，當然還有以粒線體為標的的抗癌治療。雖然研究成果豐碩，仍只是冰山頂上的一角而已。
例如前述的粒線體毒性物，多仍在第一或二期臨床試驗階段，包括metformin在抗癌治療中的角色，及與何種化療物搭配最合適，仍未有定論。待大型臨床試驗證實其療效及安全性，並廣泛使用在癌症病人身上，仍有很長的路要走。
無論如何，粒線體的活性與代謝路徑，已被證實在腫瘤生長及增殖所需的能量供應中，扮演樞紐的角色。因此，粒線體勢必成為將來癌症治療甚至化學預防（chemoprevention）的新標的，也是一條癌症治療具有前景的新路，值得大家繼續期待與努力。
文／張金堅（乳癌防治基金會董事長）
早在2000年美國及瑞士生物學家Bob Weinberg及Douglas Hanahan在知名《細胞期刊》就發表一篇綜述「癌症的特徵」，而後於2011年及今年2022年又分別再做更詳細的闡釋，到目前為止共有十四項特徵（如圖一），其中抵抗細胞死亡（Resisting cell death）、腫瘤促進的發炎反應（Tumor-promoting inflammation）及細胞能量代謝模式重編（Deregulating cellular metabolism），這三項也是其中非常重要的特徵，而粒線體（mitochondria）扮演了這三大特徵中的關鍵角色，粒線體近年來也廣被重視，與癌症的進展息息相關，甚至在癌症治療領域亦有重大突破。
粒線體：細胞的發電站（the powerhouse of the cell）
在演化的過程中，粒線體與葉綠體（chloroplast）是同源的，分屬於動物與植物細胞。早在1857年瑞士解剖及生理學家Rudolf Albert von KÖlliker（如圖二）在肌肉細胞中發現顆粒狀結構，及至1898年德國科學家Carl Benda認為這些結構有時呈線狀，有時呈顆粒狀，所以用希臘語中「線（mito）與「顆粒（chondros）」因而有組成mitochondrion之命名，而沿用至今。
粒線體的構造是由兩層膜包被的胞器，直徑在0.5到10微米左右，存在各種細胞內，其大小、數目及外觀上都有不同。粒線體這種胞器，擁有自身的遺傳物質和遺傳體系，但因其基因組大小有限，所以粒線體是一種半自主胞器。粒線體是細胞內氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的主要場所，為細胞的活動提供能量。
粒線體的雙層包膜，分別為粒線體外膜及粒線體內膜，此外有粒線體膜間隙及粒線體基質。外膜較平滑，內膜則向內皺褶形成粒線體皺褶，負責很多生化反應；皺褶之間叫「粒線體膜間隙」，內膜內包裹的粒線體基質，而基質中含有粒線體自身的DNA（即粒線體DNA，mtDNA）、RNA和核糖體（如圖三）。
粒線體最廣為人知的便是細胞能量的製造工廠，在細胞質內，葡萄糖被糖解（glycolysis）成為丙酮酸（pyruvate）後進入粒線體，進行三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle），又叫「檸檬酸循環」，至於胺基酸及脂肪酸亦可進行此TCA循環，再經一系列之電子傳遞鏈及ATP合成酶之作用，最後產生ATP（共36個ATP），這整個過程叫氧化磷酸化反應（OXPHOS）。如果像癌細胞內氧氣不足或無氧狀態，則丙酮酸無法進入粒線體，只在細胞質產生乳酸及二個ATP，來補足癌細胞所需能量（圖四）。
一個世紀以前，德國科學家Ott Warburg研究癌細胞上的粒線體變化，並提出了有關正常細胞與癌細胞在能量代謝差異的假說，他發現在許多癌細胞有代謝異常的情況：能量仰賴較不經濟的來源，多作用於缺氧（hypoxla）情況下，以乳酸（lactate）為終產物的糖解作用（glycolysis）為主：而正常細胞較常使用的OXPHOS。這種「有氧糖解」（aerobic glycolyss）就是著名的「瓦氏效應」（Warburg effect）。
Warburg據此提出假說，認為「失能的代謝」（dysfunctional metabolism）與「粒線體受損」（mitochondrial damage）是癌症發生的主因，Warburg也因此發現而得到1931年諾貝爾生理及醫學獎。
時至今日，雖然Warburg的理論並非完全正確：癌細胞利用glycolysis並非因粒線體功能「受損」，而是生存演化之必需；且OXPHOS也仍被發現在某些癌細胞亦提供大部分ATP。
粒線體DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）突變並不罕見。事實上，幾乎在所有的癌細胞，除了會找到細胞核基因突變外，也都會發現mtDNA的突變。只是除了少數，例如調控TCA cycle酵素的基因：粒線體複合體II上的琥珀酸脱氫酶（succinate dehydrogenase,SDH）突變，與腫瘤的質變（transformation）有直接關係外，大部分mtDNA突變，相較於細胞核基因突變，在癌症發展過程中，只扮演著「乘客」（passenger）的角色。
換句話說，癌細胞還是需要相對「健康」的粒線體來維持增長和侵犯性。粒線體也被證實在腫瘤發生質變、代謝「重設計」（reprogramming），甚至產生抗藥性的過程中扮演關鍵角色。
癌細胞的粒線體的重設計
細胞利用氧化磷酸化反應與糖解作用產生能量，是動態（dynamic）的而非一成不變的。例如成年胸腺細胞有88%的ATP製造來自於氧化磷酸化反應；一旦接受到刺激增生，高達86%的ATP需求轉向產生乳酸的糖化作用。如此轉向將導致在增生（proliferation）細胞中，葡萄糖利用率提升20倍。
這種朝向有氧糖解（aerobic glycolysls）的代謝重設計與乳酸產生對增生細胞帶來一些好處：製造一些能做為抗氧化物的代謝中間產物，製造一個酸性的環境，以改善含氧並刺激血管增生（anglogenesls），及發炎介質的產生，這些都有助於癌細胞在缺氧情況下生存。
近年來，不論是致癌（oncogenic）或抑癌（tumor suppressor）路徑，都被發現直接影響粒線體代謝方式。舉例來說，常見的抑癌基因TP53，負責細胞循環中止（cell-cycle rrest），老化（senescence）及凋亡（apoptosis）。當細胞受到基因毒性（genotoxic）等傷害時，會藉由AMP-活化蛋白酶（AMP-actlvated protein kinase）來活化TP53，透過上調TP53蛋白及促進丙酮酸轉換成acetyl-CoA以進入三羧酸循環（TCA），來提升氧化磷酸化反應及粒線體的「呼吸」功能。
至於癌細胞調控氧化磷酸化反應與糖解作用的方法，目前也被廣泛研究中，其中一個重要物質是伴侶因子（chaperon）熱休克蛋白-90（heat shock protein-90, Hsp90），其主要功能是管控細胞內蛋白質摺疊（protein folding），通過這一物理過程，蛋白質從無規則捲曲摺疊成特定的功能性三維結構，以獲得其功能性結構和構象。熱休克蛋白-90（Hsp90）在癌細胞粒線體內的含量，遠高於正常組織Hsp90除了維持蛋白質摺疊外，並影響細胞膜滲透傳導，電子傳遞鏈，胺基酸合成及細胞氧化還原等重要機制。
實驗發現，粒線體內Hsp90受到完全抑制時，會導致癌細胞經由凋亡方式大量死亡。當接受到細胞凋亡指令時，粒線體是負責執行的細胞器，透過「粒線體外膜滲透」（mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP）的作用，使能殺死細胞的蛋白質從粒線體內膜空間釋放出來。其中最主要的「殺手蛋白質」，便是細胞素c（cytochrome c）而抑制粒線體執行細胞凋亡，是癌細胞產生抗藥性的方式之一。目前備受矚目的癌症幹細胞「cancer stem cell」，以其能頑抗抵制化學治療及放射治療著稱。
與一般癌胞相比，癌症幹細胞有幾種特性：較少量的mtDNA，較高的粒線體膜電位，較低的氧及葡萄糖利用率，以及較低的細胞內活性氧基與ATP濃度。這些都與氧化還原失衡（redox misbalance）以及粒線體的抗氧化功能有關，進而增強癌症幹細胞在惡劣環境下的生存。反之，如果能有藥物破壞癌細胞粒線體功能，便能減緩癌症進展並消滅癌細胞。
粒線體與抗癌治療
目前與粒線體有關的治癌方式，已有很多基礎研究且在臨床上有初步的進展，可分為兩大類：一是「老藥新用」，最有名的就是糖尿病用藥metformin；另一類就是針對粒線體內容物設計的「粒線體毒性」（mitochondriotoxic）藥物，簡單介紹如下：
❶Metformin：肥胖、高血糖、高胰島素血症（hyperinsulinemia）已被公認與癌症進展和預後有關，此路徑也成為癌症治療的標的之一。Metformin是一個治療第Ⅱ型糖尿病的老藥，也被用來治療代謝症候群及卵巢多囊症（polycystlc ovary sydrome）；近來許多流行病學及臨床研究都顯示metformin是一個極有潛力的抗癌利器。有關metformin對抗癌細胞的機轉有兩種假說：作用在肝臟減少糖質新生（gluconeogenesls），降低體內含糖量，進而抑制胰島素及類胰島素生長因子-1（Insulin-like growth factor-1，IGF-1），而此二者皆是已知的癌細胞有絲分裂原（mitogen），以此間接降低致癌性（carcinogenesls）。
第二種假說是metformin抑制癌細胞粒線體電子傳遞鏈上的複合體 I (ETC I )活性，直接截斷癌細胞的粒線體能量供應，減少癌細胞增生。Metformin也被發現可以阻斷缺氧誘發因子（hypoxia-Inducible factors,HIFs）路徑，這是幫助癌細胞在缺氧環境下生存的重要系統，在許多癌細胞中都可見到HIFs功能的上調（up-regulation）。因此，如能將metformin與抑制供氧，如血管生成抑制劑（angiogenesis inhibtors）或PI3K抑制劑的藥物併用，將可以更有效的殺死癌細胞。
❷粒線體毒性（mitochondriotoxic）藥物：這類藥物有一個新的專有名詞mitocans，mitocan都是以粒線體為標的，誘發細胞凋亡的小分子藥物。作用點從粒線體外膜表面到粒線體基質內，共分為8大類。其中最有名的一類是以粒線體電子傳遞鏈複合體II（complex II）為標的，提升活性氧基（ROS）的藥物，如維生素E類似物（vitamin E analogues）：琥珀酸a-生育酚酯（α-tocopheryl succinate, α-TOS）與粒線體靶向維生素E琥珀酸酯（mltochondrially targeted vitamine E succinate, Mito VES）。
這類藥物不只殺死一般腫瘤細胞，更對難纏的癌症幹細胞「cancer stem cell」特別有效。另一種熱休克蛋白-90的抑制物：Gamtrinib，針對粒線體內而非細胞質的Hsp90，導致粒線體快速失能，內膜去極化（depolarization），釋出細胞素C至胞質中，誘發癌細胞凋亡，還有如（圖五）針對癌細胞粒線體多項功能的環節給予抑制，導致癌細胞無法活存，達到治療的效果。
結語
自從Otto Warbur發現癌細胞能量代謝的特性後，粒線體，這個「陳年」細胞器，就不再只是個細胞能量的發電廠了。近年來粒線體已被擺在癌症研究的最前線，包括細胞核與粒線體間的訊號傳遞，以及粒線體如何控制代謝和細胞凋亡路徑，當然還有以粒線體為標的的抗癌治療。雖然研究成果豐碩，仍只是冰山頂上的一角而已。
例如前述的粒線體毒性物，多仍在第一或二期臨床試驗階段，包括metformin在抗癌治療中的角色，及與何種化療物搭配最合適，仍未有定論。待大型臨床試驗證實其療效及安全性，並廣泛使用在癌症病人身上，仍有很長的路要走。
無論如何，粒線體的活性與代謝路徑，已被證實在腫瘤生長及增殖所需的能量供應中，扮演樞紐的角色。因此，粒線體勢必成為將來癌症治療甚至化學預防（chemoprevention）的新標的，也是一條癌症治療具有前景的新路，值得大家繼續期待與努力。
