1953年，James Watson和Francis Crick發現DNA雙螺旋結構，揭示了生物界遺傳信息結構與流動的奧秘，構築了中心法則，並由此開啟了激動人心的分子生物學時代。人們有理由相信，癌症就是由於基因突變引起的。實際上，癌細胞里的確存在着不同程度的基因突變。由此，在這個談癌色變的年代，我們時時刻刻都被灌輸着基因突變導致癌症這個假說。但這是一個讓人生無所望的假說。它的灌輸，首先營造出一種強大的恐懼氣氛，使得人人自危、惶恐不安。其次它告訴人們，癌症是一個不可逆的過程。一旦患上就被判處死刑，踏上不歸之路。那麼，基因突變是否就是引起癌症的主因呢？今天就從另一個角度追蹤求源，探微癌症的發生機制。

     1969年，Mckinnell在頂級學術刊物《科學》上發表文章，簡單明快地否定了基因突變致癌這個假說。根據基因突變致癌理論，如果把已經突變完備的癌細胞的細胞核移植到正常細胞中，用以替換正常的細胞核，這種癌核嵌合的雜合細胞應該發育成腫瘤或癌團。事實上，當他們除去青蛙受精卵的細胞核，將青蛙腎癌細胞核移植其中構成癌核嵌合的受精卵後，他們觀察到的是正常的蝌蚪。實驗結果與理論預測大相庭徑！

     如果以為這是孤例，那就錯了。科研人員隨後使用不同種類癌細胞的細胞核做實驗，在另一個物種小鼠上也陸續地重複了Mckinnell在青蛙上得到的結果 (Li L et al 2003; Hochedlinger K et al 2004)。即使使用完整的畸胎瘤的癌細胞，將它們注入正常發育的囊胚中，Mintz等人也得到了正常發育的小鼠胚胎 (Mintz et al 1975)。這些研究結果，首先明確且毫無例外地否定了基因突變致癌的思想。其次，即使基因突變了，能否發展成癌症，基因(細胞核)外圍環境起決定性作用。最後也是最讓人遐想的，就是癌變的細胞是可以逆轉的。

     細胞由儲存遺傳信息的細胞核和其外圍的細胞質組成。那麼，在細胞質眾多的細胞器中，是什麼細胞器決定細胞癌變的走向呢？這當中最令人注目的無疑就是線粒體了。線粒體是細胞的能量工廠，是細胞的發動機。於是，Kaipparettu等人(2013)使用正常細胞的線粒體替換惡性骨癌細胞的線粒體，發現骨癌細胞的癌性–––不死性、抗凋亡性、侵移性等都消失了，體內、體外莫不如此。分子生物學研究進一步發現，正常的線粒體不僅下調了癌細胞核的幾條致癌途徑 (oncogenic pathways)，如RAS , HER2， SRC等，而且還顯著地上調了幾個抑癌基因，如RB1， PTEN, VHL等。這個研究結果證明了線粒體與癌症的發生直接相關，而且癌變還可以通過線粒體進行逆轉。 

     其實，早在約100年前的1920年代，德國科學家Otto Warburg就發現癌症是一種能量代謝異常的疾病，是線粒體病變 (Warburg et al 1927，Warburg 1956) 。原來線粒體利用葡萄糖產生能量時，有兩條代謝途徑 ，一是糖酵解途徑，不需要氧，也叫厭氧呼吸。另一種是氧化磷酸化途徑，需要氧，也稱有氧呼吸。在糖酵解途徑中，葡萄糖不完全分解，產生大量的乳酸和少量的能量。實際上它是一個發酵的過程。氧化磷酸化則完全分解葡萄糖，產生大量的能量和二氧化碳。二者的區別在於是否進入三羧酸循環。德國科學家、諾獎獲得者Hans Kreb首先發現了三羧酸循環，故也稱之為Kreb循環。Warburg發現，即使在有氧的情況下，癌細胞也採用糖酵解途徑，即不通過三羧酸循環。它們大量攝取葡萄糖，通過代謝產生大量的乳酸 。每個癌細胞就相當於一個微型發酵罐。這個現象後來稱之為Warburg效應。他本人也因此榮獲1931年諾貝爾獎。

     Warburg觀察到，當氧氣比正常水平減少35%時，正常細胞48小時後就發生不可逆轉的癌變。現代分子生物學研究表明，細胞在低氧或缺氧情況下，其低氧誘導因子基因(HIF1a)就會被激活。HIF1a是決定細胞走向癌變的調控中樞，它的激活是細胞癌變的開始 (Balamurugan  2016)。首先，HIF1切換了葡萄糖的代謝途徑，使之從正常的氧化磷酸化轉變為糖酵解，並分泌大量的乳酸。其次，HIF1a通過不同的信號通道激活細胞癌化的六大標誌 事件 (Hanahan & Weinberg 2011)， 如上皮細胞-間質幹細胞轉化，癌幹細胞形成，血管形成，轉移侵潤等。

     值得注意的是，乳酸與HIF1a形成一個信息閉路循環。也就是說，HIF1a啟動糖酵解途徑，產生乳酸。乳酸則反過來刺激HIF1a的表達，從而建立一個持續的且有助於細胞癌化的內外雙穩環境。一般而言，正常組織液中乳酸的濃度為1.8-2.0 毫摩爾，而腫瘤中的濃度平均達到10毫摩爾。實測宮頸癌的濃度為4-40毫摩爾 (Walenta et al 2000)。腫瘤組織液的pH值一般為5.5-7.0 (Justus et al 2013)。在小鼠種植的肺癌腫瘤中，實測的pH值為6.0-6.5 (Xie et al 2014)。注意，這是組織液的pH值，不是血液的pH (7.35–7.45)。它們是兩個不同的概念，不可混淆或被人誤導。

     除了激活HIF1a、維穩癌化環境外，乳酸還是一個很重要的信號分子，而不僅僅是通常所認為的代謝廢物 (Hirschhaeuser et al 2011)。在L6肌細胞系中它可以刺激673個基因提高表達量。這些基因主要與細胞生長，代謝，轉錄激活，信號傳導，細胞凋亡，氧化應激等有關 (Hashimoto et al 2007)。在人乳癌MCF7細胞系中， 10毫摩爾的乳酸也可以刺激～4131個基因提高表達量 (Martinez-Outschoorn et al 2011)。表達量提高的基因屬於組成細胞“乾性” (stemness)的基因。其表達圖譜最接近神經幹細胞，但也帶有胚胎幹細胞的特徵。也就是說，乳酸賦予了癌細胞的不死性！這是癌細胞最重要的標誌性事件之一 (Hanahan & Weinberg 2011)。另外，乳酸影響組蛋白的乙酰化/去乙酰化，通過影響基因組的表觀遺傳學而導致染色體的不穩定性，從而增加基因突變幾率(Dai et al 2013; Renolds et al 1996)。所以，癌細胞中的基因突變是細胞微環境影響的結果，而不是導致細胞癌變的最初起因。  

     在腫瘤微環境中，充斥着各種各樣的免疫細胞。癌細胞能否順利逃逸免疫防禦系統，是癌變的六大標誌事件之一(Hanahan & Weinberg 2011)。乳酸的一個重要作用，就是通過調節、抑制周圍的免疫細胞，從而抑制免疫功能，逃逸免疫監管 (Yu et al 2013)。比如它吸引調節T細胞、抑制效應T細胞的免疫功能，從而侵蝕免疫系統。乳酸不僅抑制單核細胞向樹狀細胞分化，使之不能遞呈癌細胞的抗原，從而抑制針對癌細胞的抗體的產生。而且它還抑制樹狀細胞和細胞毒T細胞分泌細胞因子，削弱它們的免疫功能。通常，激活的細胞毒T細胞也使用糖酵解途徑進行能量代謝。但是，當癌細胞向周圍排出大量的乳酸後，T細胞自己產生的乳酸就不能排出細胞外，導致其能量代謝受到抑制，從而抑制了T細胞的效應功能(Ficher et al 2007)。相反，調節T細胞 (Treg)的能量代謝不會受到乳酸和酸性環境影響，因為它們使用脂肪酸氧化產生能量。調節T細胞的作用實際上是幫助癌細胞逃避免疫系統的攻擊。值得注意的是，T細胞的功能完全可以通過調節pH而得以恢復 (Calcinotto A et al 2012)！

     此外，乳酸還會引起T細胞和巨噬細胞產生IL-17，在腫瘤微環境中引起慢性炎症(Yabu et al 2011)，而慢性炎症也是癌症的起因之一。

     上皮細胞癌變後，需要失去正常細胞的接觸抑制功能，形變為纖維狀細胞，細胞間粘連性降低且具備溶解和清除其周圍基質和細胞的能力，從而具備移動性。這個過程叫上皮細胞–間質幹細胞轉化(Kalluri & Weinberg 2009)。乳酸一個最重要的作用就是刺激金屬蛋白酶的表達，溶解基質蛋白，從而使癌細胞具備移動性。而且，乳酸刺激細胞凋亡基因p53的表達，引起周圍細胞進行細胞凋亡，從另一個方面增加癌細胞的移動性。有眾多的致癌途徑如PI3K/ART, integrins, Src, Ras, Wnt/beta-catenin, Notch等參與上皮細胞–間質幹細胞的轉變過程(Larue & Bellacosa 2005)。而這些致癌途徑的啟動直接或間接地受到HIF1a的激活。所以乳酸通過HIF1a也間接地加強或啟動了這些致癌途徑。 

     具備移動性的癌細胞下一步就是向遠端擴散。它們首先從上皮層解離，穿過基質膜到達臨近組織。然後進入血管，存活的癌細胞隨血液流到遠端並鑽出血管，生長擴增，並促進血管形成。在這個過程中，乳酸通過刺激癌細胞產生蛋白酶溶解基質而方便癌細胞的每一步轉移。在新的地方，癌細胞產生的乳酸則可刺激周圍的內皮細胞，分泌IL-8/CXCL8, 促進血管生成與成熟 ，為癌細胞提供營養 (Polet F et al 2013；Dhup et al 2012)。

      2011年，Hanahan & Weinberg在頂級雜誌《細胞》上總結了細胞癌變的六大標誌。它們分別是: 1). 提供生長信號( Signalling for proliferation); 2). 侵蝕生長抑制 (Evading growth suppressors ); 3). 抵抗細胞死亡 ( Resisting cell death); 4). 賦予無限複製能力( Enabling replicative immortality); 5). 誘導血管形成( Inducing angiogenesis); 6). 激活侵潤和轉移( Activating invasion & metastasis)。正是由於乳酸直接或間接地參與了細胞癌化的各個方面，難怪San-Millan & Brooks (2017)把癌症的形成全怪罪於乳酸， 是乳酸導致了腫瘤的形成。

值得注意的是，當體內葡萄糖缺化時，癌細胞可以高效地利用穀氨酰胺產生能量。重要的是穀氨酰胺還可以通過蘋果酸–丙酮酸產生乳酸，從而維持腫瘤微環境 (San-Millan & Brooks 2017)。穀氨酰胺含量最為豐富的食品就是肉類。

     近些年來，對Warburg效應的研究可謂進展空前。搜索美國衛生部的國家生物技術信息中心網站(NCBI, National Center of Biotechnology Bioinformation)，PubMed Central收錄有關Warburg 效應的研究文獻超過2萬多篇，而關於乳酸和癌症的研究文獻更是超過6萬篇。有鑑於此，諾獎獲得者、DNA結構發現人之一的James Watson在2016年5月12日接受《紐約時代》雜誌採訪時表示(Apple 2016)，定位引起癌症的基因歷來“無濟於事” ( remarkably unhelpful)，並表示如果今天他要進入癌症研究領域，他會學習生物化學而不是分子生物學。“直到兩個月前，我從不覺得有必要學習Kreb循環。現在意識到不得不學了”。作為分子生物學的奠基人，他的這番表態無疑表明癌症治療目前存在着重大的缺陷。

後記:

     拙文在徵詢有關專家們的修改意見過程中，有專家建議增補一節關於改善腫瘤微環境、特別是提升腫瘤微環境的pH值對癌症治療裨益非凡的作用。但為了避免不必要的爭論與麻煩，簡文特此從略。有關這方面的研究進展，作為起點，有興趣的讀者可以參閱下列文獻: Silva et al 2009; Robey 2009; Ibrahim-Hashim et al 2012 ; Chao M et al 2016 等。

致謝: 

     在成文過程中，小文曾邀請中美加六位專家審閱與點評，在此一併致謝。

參考文獻

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