肝细胞癌（HCC）是全球癌症相关死亡的主要原因之一，多数患者确诊时已进展至晚期，需依赖酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）如lenvatinib和sorafenib作为一线系统治疗。然而，原发性或获得性耐药导致疗效有限，患者生存期仅延长数月（中位无进展生存期：lenvatinib 7.4个月 vs sorafenib 3.7个月）。传统耐药机制聚焦于药物靶点突变（如KRAS激活EGFR旁路）、药物外排泵上调（ABCB1）或肿瘤微环境适应（缺氧诱导HIF-1α），但临床干预效果不佳。

  近期，清华大学附属北京清华长庚医院肝胆胰中心董家鸿教授、王云芳教授、 柳娟研究员团队在Signal Transduction and Targeted Therapy上发表了题《Targeting AKR1B1 inhibits metabolic reprogramming toreverse systemic therapy resistance inhepatocellular carcinoma》的研究论文。本研究建立仑伐/索拉双耐药HCC细胞与CDX模型，首次整合单细胞全序列测序、非靶代谢组及¹³C流，绘制糖-脂-谷胱甘肽重编程图谱，锁定限速酶AKR1B1。其表达随耐药升高，可经外泌体传播；抑制AKR1B1或联用上市药Epalrestat，显著恢复药物敏感，动物及PDO验证安全有效，提出耐药早诊+老药新用的转化路径。寻因生物为本研究提供了单细胞全序列转录组测序技术。

  近年研究发现，代谢重编程可能是耐药的核心驱动力：

  Warburg效应：即使在有氧条件下，癌细胞仍依赖糖酵解供能，并分流代谢物用于合成脂质、核苷酸及抗氧化剂（如谷胱甘肽GSH），从而抵抗TKI诱导的氧化应激。

  临床现象：耐药HCC患者肿瘤组织中脂质滴异常累积（标志能量储存↑），且GSH代谢通路激活（标志抗氧化能力↑），但具体调控机制未知。

  AKR1B1（醛酮还原酶家族1成员B1）作为多元醇通路限速酶，在糖尿病并发症中催化葡萄糖→山梨醇→果糖，但其在癌症中的作用未被深入探索。前期研究发现：肺癌中AKR1B1通过STAT3/SLC7A11轴促进GSH合成，介导EGFR-TKI耐药。HCC中AKR1B1表达与不良预后相关，但是否通过代谢重编程驱动TKI耐药尚不明确。

  基于以上科学难题，科学家提出了以下三个科学问题：

  1. HCC耐药细胞的代谢重编程特征是什么？

  2. AKR1B1是否通过调控葡萄糖-脂质-GSH代谢网络介导耐药？

  3. 能否利用AKR1B1抑制剂（如已上市的epalrestat）逆转耐药？

研究结果

Part.1

  1. 耐药机制初探：HCC细胞系与体内模型

  为解析系统治疗耐药机制，研究者在Huh-7细胞中采用梯度递增法分别建立仑伐替尼耐药株（Huh-7 LR，IC₅₀升高3.89倍）和索拉非尼耐药株（Huh-7 SR，IC₅₀升高2.46倍）。两株细胞均呈现对瑞戈非尼、吉非替尼及5-FU、伊立替康、奥沙利铂等多药交叉耐药。3D肿瘤球及裸鼠移植瘤模型进一步证实，仑伐替尼未能抑制耐药细胞增殖，且微血管密度下降有限，提示其依赖替代营养通路。多重免疫荧光显示，耐药肿瘤组织中GLUT1、FASN、CD36、FABPs等糖脂代谢核心酶显著上调，该改变不受仑伐替尼影响；临床标本亦证实，耐药患者肿瘤内上述酶表达显著高于治疗敏感或未治疗者，表明代谢重编程系HCC耐药的共同驱动事件。

图一 耐药细胞的多药耐药特征及伴随的代谢适应性

  2. 单细胞全序列转录组揭示：耐药细胞干性增强、代谢亢进

  为阐明耐药分子特征，研究者整合bulk RNA-seq与单细胞转录组，在Huh-7 LR与 Huh-7 SR两株耐药细胞中鉴定出1292个一致上调基因。功能富集分析显示，这些基因集中于细胞代谢、外泌体生成、细胞外基质重构、ABC转运体及丙酮酸代谢等通路；GSEA进一步揭示脂肪酸代谢与EMT程序显著激活。

  利用t-SNE降维与Monocle2伪时间轨迹分析，细胞被划分为9个连续状态：亲本细胞集中于状态1–3，耐药细胞分布于4–9。干性评分沿轨迹递增，代谢与存活信号在终末状态9达到峰值；CytoTRACE 亦证实耐药群体整体干性显著高于亲本。亚群聚类将耐药细胞归为C0/C1，亲本细胞归属C2–C4。

  转录因子分析表明，耐药细胞中KLF4、CEBPG、SMAD3及FOS显著上调，而NR1H4、CEBPD与SOX5下调。其中，KLF4与CEBPG主导调控代谢重编程、细胞周期、免疫应答及ECM重塑。GSEA 显示，C0（耐药）富集 EMT、代谢激活与免疫逃逸；C2 富集线粒体功能；C3/C4 则富集黏附连接与炎症通路。整合9个公开数据集进一步验证，耐药上调基因核心富集于脂质代谢、药物耐药、谷胱甘肽代谢及信号转导等关键通路。

图二 耐药细胞干性特征增强并发生代谢重编程

  3. 耐药HCC细胞的代谢重编程特征及其耐药机制

  代谢组全景显示，耐药株在杂环化合物、脂质、核苷酸及含氧有机物谱型上均与亲本显著分离；游离脂肪酸碳链延长、不饱和度同步增加。通路富集提示 β-丙氨酸循环、Warburg 糖酵解、谷氨酰胺回补、甘油三酯新生及谷胱甘肽代谢显著激活。Seahorse 检测证实糖酵解通量、容量与储备均显著升高，胞内NAD⁺、NADP⁺/NADPH水平亦上调，为 TCA 循环、PPP 及抗氧化体系提供充足底物与还原当量。

  脂质表型层面，耐药细胞甘油三酯含量及脂滴数量、直径均显著增加；拉曼光谱与SRS 成像进一步原位验证脂质积聚。脂肪酸实时摄取与β-氧化速率同步增强，提示脂质既是储能形式亦为能量来源。诱导模型 S0→S3 连续阶段显示，脂滴丰度与耐药指数呈线性正相关，外源棕榈酸可加速耐药进程。

  整合转录组-代谢组数据，构建系统耐药代谢图谱：葡萄糖、脂质及氨基酸三大代谢网络协同增强。¹³C-葡萄糖同位素流分析证实，谷胱甘肽、TCA 循环、糖酵解、PPP及氨基糖通路流量显著上升，持续为耐药细胞供给ATP与还原力，维持其在药物压力下的生存优势。

图三 耐药 HCC 细胞的代谢适应性

  4. 敲低 AKR1B1 增强耐药肝癌细胞对药物的敏感性

  非靶向代谢组学揭示，耐药株与亲本细胞在杂环化合物、脂质、核苷酸及含氧有机物的代谢谱上显著分离：游离脂肪酸链延长、不饱和度同步增加。通路富集提示 β-丙氨酸循环、Warburg糖酵解、谷氨酰胺回补、甘油三酯新生及谷胱甘肽代谢全面激活。Seahorse 测定显示，基础糖酵解、最大糖酵解能力及储备均显著增强；胞内 NAD⁺、NADP⁺/NADPH 水平同步升高，为TCA循环、磷酸戊糖通路及抗氧化系统持续供能供氢。

  脂质表型层面，耐药细胞内甘油三酯浓度、脂滴数量与直径均显著增加；拉曼光谱与 SRS 原位成像进一步确认脂质积聚。脂肪酸实时摄取及 β-氧化速率同步提升，提示脂质既是储能库又是能量源。S0→S3 诱导模型显示，脂滴丰度与耐药指数线性正相关；外源棕榈酸可加速耐药演化。

  整合转录-代谢数据，构建系统耐药代谢图谱：葡萄糖、脂质与氨基酸三大网络协同增强。¹³C-葡萄糖同位素示踪证实，谷胱甘肽、TCA 循环、糖酵解、磷酸戊糖及氨基糖通路通量显著上调，持续为耐药细胞提供 ATP 与还原力，维持其药物胁迫下的生存优势。

  5. AKR1B1通过多条通路增强HCC细胞耐药性

  为阐明AKR1B1在耐药维系中的功能，研究者系统评估其对代谢表型的调控作用。敲低AKR1B1显著抑制脂滴形成与甘油三酯累积，并下调脂肪酸 β-氧化通量。整合转录组与代谢组进一步揭示，获得性耐药伴随谷胱甘肽（GSH）代谢、糖酵解及多元醇/果糖通路的协同过度激活，其中GSH通路是维持细胞存活的核心枢纽。

  文献报道 AKR1B1可通过STAT3/SLC7A11轴促进胱氨酸摄取并驱动GSH合成；本研究在耐药HCC细胞中亦证实，AKR1B1缺失后p-STAT3与SLC7A11表达显著下调。基线比较显示，耐药细胞GSH水平升高、ROS水平降低，提示其依赖“高GSH-低ROS”自我保护。敲低AKR1B1后，该保护屏障瓦解：GSH急剧下降，ROS爆发，药物诱导的细胞死亡率显著增加；体内实验进一步验证AKR1B1在调控耐药HCC谷胱甘肽通路中的核心地位。

  机制层面，整合Cistrome、TCGA_LIHC、hTFtarget与ENCODE数据库预测，并结合 RNA-seq数据，鉴定FOSL2为AKR1B1的关键转录激活因子。耐药细胞中FOSL2表达显著升高，且 Wnt/β-catenin通路呈激活状态；Wnt抑制剂XAV9393可同步下调FOSL2 与AKR1B1。JASPAR分析确认FOSL2在AKR1B1启动子区存在保守结合位点 “CAGTGACTCAT”，GO富集提示FOSL2下游基因主要参与细胞代谢调控。综上，药物压力诱导Wnt-FOSL2信号轴激活，驱动AKR1B1表达上调，重塑GSH-脂质代谢网络，最终促成HCC获得性耐药。

图四 耐药细胞中AKR1B1的过表达调控药物敏感性

  6. AKR1B1 介导耐药传播并与预后不良相关

  本研究首先证实，AKR1B1在耐药演进过程中呈诱导性上调；基线高表达者更易出现原发性耐药。我们收集未经系统治疗的HCC组织，按疗效分为部分缓解（PR）与疾病进展（DP）两组。IHC显示DP组AKR1B1表达显著高于PR组。在TCGA-iCluster_3 亚型（染色体不稳定、TP53 突变及广泛低甲基化）中，高AKR1B1患者总生存期明显缩短。

  功能层面，构建AKR1B1过表达Huh-7细胞，其对瑞戈非尼、吉非替尼、5-FU等药物的 IC50显著升高；伴随脂滴堆积、GSH水平升高及抗氧化通路激活。

  机制上，AKR1B1可被包装进外泌体。耐药细胞上清中AKR1B1浓度升高，NTA证实外泌体粒径约89 nm。将耐药细胞条件培养基或纯化外泌体与亲本Huh-7共培养，可显著降低其对仑伐替尼和索拉非尼的敏感性；去除外泌体或GW4869处理后该效应消失。共聚焦示踪显示AKR1B1与CD81共定位于外泌体，并可被有效传递至受体细胞。低内源AKR1B1的HepG2和Hep3B在摄取耐药外泌体后同样获得耐药表型。综上，AKR1B1 通过外泌体介导耐药信息跨细胞传播，并与HCC患者不良预后密切相关。

图五 AKR1B1 表达与 HCC 患者预后及原发性耐药的关系

  7. AKR1B1抑制剂Epalrestat逆转HCC耐药的临床转化潜力

  已获批治疗糖尿病周围神经病变的AKR1B1抑制剂Epalrestat，在体外表现出对耐药细胞（Huh-7 LR、Huh-7 SR）更高的敏感性，其IC50显著低于亲本细胞。等效线图法与Bliss独立模型均显示，Epalrestat与仑伐替尼或索拉非尼的联合指数CI < 1，协同抑制细胞增殖。

  裸鼠移植瘤实验进一步证实：Epalrestat（50mg kg⁻¹d⁻¹）联合仑伐替尼（5 mgkg⁻¹d⁻¹）显著缩减肿瘤体积及重量，Ki-67阳性率降低＞70%，且小鼠体重与血清生化指标无异常，耐受性良好。

  随后，在4例HCC患者来源类器官中，AKR1B1高表达 PDOs 准确复现原始肿瘤 AFP⁺/CK18⁺表型。Epalrestat（53.96 μM）联合仑伐替尼（50.61 μM）处理48 h后，PDO生长抑制率＞90%，活细胞染色示广泛凋亡，提示该组合可迅速打破耐药细胞“能量供应-抗氧化”双保险。

  综上，Epalrestat通过阻断AKR1B1介导的糖脂代谢重编程与谷胱甘肽抗氧化网络，为临床“老药新用”联合策略提供了坚实的机制与转化依据。

图六 联合治疗策略减轻 HCC 耐药

  结语：

  1. 核心发现：本研究证实了HCC系统治疗中多药耐药的发生，并揭示了其背后的代谢重编程机制。

  2. 关键角色：AKR1B1被确定为耐药性发展中的关键酶，它通过调控能量代谢和增强应激耐受性来维持耐药。

  3. 双重意义：AKR1B1既是预测耐药性的潜在生物标志物，也是克服耐药性的有希望的治疗靶点。

  4. 临床前景：研究结果为HCC的诊断和治疗提供了有价值的见解，为未来的治疗干预奠定了坚实的基础。

  参考文献：

  Wang Q, Liu J, Yang M, et al. Targeting AKR1B1 inhibits metabolic reprogramming to reverse systemic therapy resistance in hepatocellular carcinoma. Signal Transduct Target Ther. 2025;10:244. doi:10.1038/s41392-025-02321-9