Кіріспе
Онкологияда Варбург эффектісі – көптеген қатерлі жасушалардың энергияны негізінен митохондриядағы «қалыпты» лимон қышқылы циклы мен тотығу фосфориленуі арқылы емес, қалыпты жасушаларда байқалатындай, «аэробты гликолиз» процесі арқылы, яғни глюкозаның жоғары деңгейде қабылдануы және гликолизден кейін сүт қышқылының ферментациясы цитозолда, митохондрияда емес, тіпті оттегі жеткілікті болған кезде де пайда болатыны байқалады. Бұл құбылысты алғаш рет 1931 жылы «тыныс алу ферментінің табиғаты мен әрекет ету механизмін ашқаны» үшін физиология саласындағы Нобель сыйлығын алған Отто Генрих Варбург жариялаған. Дегенмен, Варбург эффектісінің нақты механизмі мен терапиялық маңызы әлі толық анықталған жоқ. Ферментация кезінде гликолиздің соңғы өнімі – пируват лактатқа (сүт қышқылы ферментациясы) немесе этанолға (спирттік ферментация) айналады. Ферментация лимон қышқылы циклы мен аэробты тыныс алудың тотығу фосфориленуімен салыстырғанда аденозин трифосфатын (АТФ) аз мөлшерде ғана өндірсе де, көбейіп жатқан жасушаларға глюкоза және глутамин сияқты қоректік заттарды көмірқышқыл газына тотықтырудың қажетсіз процесін болдырмай, көміртекті байланыстарды сақтап, анаболизмді ынталандыру арқылы биомассаға тиімдірек айналдыруға мүмкіндік береді. Диагностикалық тұрғыдан алғанда, Варбург эффектісі нәтижесінде қатерлі жасушалардың глюкозаны көп мөлшерде тұтынуы ПЭТ-сканерінде ісікті анықтауға негіз болады, онда инъекцияланған радиоактивті глюкоза аналогы қатерлі ісіктерде басқа тіндерге қарағанда жоғары концентрацияда табылады.
In oncology, the Warburg effect ('/v//ɑr//b//ʊər//g/) is the observation that most cancer cells release energy predominantly not through the 'usual' citric acid cycle and oxidative phosphorylation in the mitochondria as observed in normal cells, but through a less efficient process of 'anaerobic glycolysis' consisting of a high level of glucose uptake and glycolysis followed by lactic acid fermentation taking place in the cytosol, not the mitochondria, even in the presence of abundant oxygen. This observation was first published by Otto Heinrich Warburg, who was awarded the 1931 Nobel Prize in Physiology for his "discovery of the nature and mode of action of the respiratory enzyme". The precise mechanism and therapeutic implications of the Warburg effect, however, remain unclear. In fermentation, the last product of glycolysis, pyruvate, is converted into lactate (lactic acid fermentation) or ethanol (alcoholic fermentation). While fermentation produces adenosine triphosphate (ATP) only in low yield compared to the citric acid cycle and oxidative phosphorylation of aerobic respiration, it allows proliferating cells to convert nutrients such as glucose and glutamine more efficiently into biomass by avoiding unnecessary catabolic oxidation of such nutrients into carbon dioxide, preserving carbon carbon bonds and promoting anabolism. Diagnostically the increased glucose consumption by cancer cells resulting from the Warburg effect is the basis for tumor detection in a PET scan, in which an injected radioactive glucose analog is detected at higher concentrations in malignant cancers than in other tissues.
Варбургтің зерттеулері
1920 жылдары Отто Генрих Варбург және оның тобы ісік жасушаларындағы глюкоза мен оттегінің жетіспеуі энергия тапшылығына алып келіп, жасушалардың өліміне себеп болатынын анықтады. Биохимик Герберт Грейс Крэбтри Варбургтің зерттеулерін, қоршаған ортаның немесе генетикалық факторлардың ықпалын анықтау арқылы дамытты. Крэбтри ашытқының, Saccharomyces cerevisiae, аэробтық жағдайларда және жоғары концентрациядағы глюкоза болғанда, энергия алу үшін аэробтық тыныс алудың орнына этанол өндіретін ферментацияға бейім екенін байқады – бұл құбылыс Крэбтри эффектісі деп аталады. Варбург ісіктерде ұқсас құбылысты байқады – қатерлі жасушалар энергия алу үшін тіпті оттегі бар жағдайда да ферментацияны пайдаланады – және бұл құбылысқа «аэробтық гликолиз» терминін енгізді. Кейін бұл құбылыс оны ашқан Варбург эффектісі деп аталды. Варбург бұзылған митохондриялардың ісік жасушаларында гликолиздің жоғары деңгейіне және қатерлі ісік дамуының басты себебіне себеп болуы мүмкін деп болжады. Отто Варбург метаболизмдегі бұл өзгерістің қатерлі ісіктің түпкі себебі екенін айтты, бұл қазір Варбург гипотезасы деп белгілі. Бүгінде онкогендер мен ісікке қарсы гендердегі мутациялардың қатерлі өзгеріске әкелетіні есептеледі, ал Варбург эффектісі осы мутациялардың салдары ретінде қарастырылады, себеп емес.
Қозғаушы күштер
Ескі гипотезалар, мысалы Варбург гипотезасы, Варбург эффектісінің қатерлі ісіктегі митохондрия зақымдануының салдары болуы мүмкін екенін ұсынады. Бұл ісіктер ішіндегі оттегінің жетіспеуіне бейімделу немесе митохондрияны өшіретін қатерлі ісік гендерінің нәтижесі болуы да мүмкін, ал митохондрия жасушаның қатерлі жасушаларды өлтіретін апоптоз бағдарламасына қатысады.
Ферментация жасушалардың көбеюіне ықпал етеді
Гликолиз жасушалардың көбеюіне қажетті құрылыс блоктарының көп бөлігін қамтамасыз ететіндіктен, қатерлі жасушалар да, қалыпты көбейіп жатқан жасушалар да, оттегі болған жағдайда да, көбею үшін гликолизді белсендіруі керек деген ұсыныс бар. АТФ-тың тиімсіз өндірісі тек қоректік заттар жетіспегенде ғана мәселе тудырады, бірақ қоректік заттар жеткілікті болғанда анаэробты гликолиз басымдыққа ие. Анаэробты гликолиз анаболизмді қолдайды және бағалы көміртегі-көміртегі байланыстарын көмірқышқыл газына тотығудан сақтайды. Керісінше, тотығу фосфорилирлеуі аштық метаболизмімен байланысты және жасушалар тірі қалу үшін бос энергияны барынша алуы керек болғанда қоректік заттар жетіспегенде басымдыққа ие. Дәлелдерге сәйкес, анаэробты гликолиздің жоғары деңгейлерінің бір бөлігі митохондрияға байланысқан гексокиназаның жоғары экспрессияланған түріне байланысты, ол жоғары гликолиздік белсенділікті қамтамасыз етеді. Бүйрек қатерлі ісігінде бұл әсер фон Гиппель-Линдау ісікке қарсы геніндегі мутациялардың нәтижесі болуы мүмкін, бұл гликолиздік ферменттерді, соның ішінде пируваткиназаның M2 изоформасын жоғары реттейді. TP53 мутациясы энергия метаболизміне әсер етеді және сүт безі қатерлі ісігінде гликолизді арттырады. Варбург эффекті глюкозаның сіңуімен және пайдаланылуымен байланысты, себебі бұл митохондриялық белсенділіктің реттелуімен байланысты. Маңыздысы митохондрияның зақымдануы емес, оның белсенділігіндегі өзгеріс. Екінші жағынан, ісік жасушалары гликолиздің жоғары деңгейін көрсетеді, бұл митохондриялық зақымданумен түсіндірілуі мүмкін.
Молекулалық нысаналар
Ғалымдар Варбург эффектісінің терапиялық құндылығын зерттеді. Қатерлі ісік жасушаларының қоректік заттарды сіңіруін арттыру қатерлі ісікке қарсы маңызды пролиферациялық құралдарды пайдалану арқылы емнің ықтимал нысанасы ретінде қарастырылды, бірақ бұл терапиялық пайдасы бар дәрі-дәрмектерді әзірлеуге әкелуі мүмкін бе, әлі белгісіз. Гликолизді тежейтін және осылайша қатерлі ісікке қарсы препараттар ретінде әлеуетті көптеген заттар әзірленді, соның ішінде SB 204990, 2 дезокси-D глюкоза (2DG), 3 бромопируват (3 BrPA, бромопирувиктік қышқыл немесе бромопируват), 3 бромо-2 оксопропионат 1 пропил эфир (3 BrOP), 5 тиоглюкоза және дихлорогуксус қышқылы (DCA). 2DG үшін клиникалық сынақ [2008] баяу дамыды және тоқтатылды. 2017 жылға дейін DCA-ны қатерлі ісікке қарсы қолдануды қолдауға дәлелдер жоқ. Альфа-циано-4 гидроксицин қышқылы (ACCA; CHC), монокарбоксилат тасымалдаушыларының (MCT; ісіктерде сүт қышқылының жинақталуын болдырмайтын) шағын молекулалы ингибиторы ми ісігінің клиникалық зерттеулерінде метаболизмік нысана ретінде сәтті қолданылды. Жоғары туыстық MCT ингибиторлары әзірленді және қазіргі уақытта Astra Zeneca клиникалық сынақтар жүргізіп жатыр. Дихлорогуксус қышқылы (DCA) – митохондриялық пируват дегидрогеназа киназасының шағын молекулалы ингибиторы, in vitro және in vivo гликолизді «төмендетеді». Альберта университетінің зерттеушілері 2007 жылы DCA көптеген қатерлі ісіктерге қарсы терапиялық тиімділік көрсетуі мүмкін деп болжады. Пируват дегидрогеназасы глюкоза мен пируваттың аэробтық тотығудағы шектеуші сатысын катализдейді және гликолизді трикарбон қышқылы циклына (ТКҚ) байланыстырады. DCA пируваттың құрылымдық аналогы болып табылады және пируват дегидрогеназа кешенін (PDC) пируват дегидрогеназа киназаларын тежеу үшін, кешенді фосфорилденбеген күйде ұстау үшін белсендіреді. DCA киназалардың экспрессиясын азайтады, PDC-нің инактивациясын болдырмайды және пируваттың лактат емес, ацетил-CoA-ға анаэробтық тыныс алу арқылы айналуына мүмкіндік береді, осылайша жасушалық тыныс алу жалғасады. Осы әрекет ету механизмі арқылы DCA ісік жасушаларының лактат өндірісінің артуына қарсы әрекет етеді, бұл TCA циклының оны тотығу фосфорилеуі арқылы метаболизміне мүмкіндік береді. DCA әлі күнге дейін жеке қатерлі ісікпен емдеу ретінде бағаланбаған, өйткені препараттың клиникалық белсенділігі туралы зерттеулер әлі де жалғасуда, бірақ оны басқа қатерлі ісікпен емдеу кезінде қолдану тиімді екені көрсетілген. Препараттың нейротоксикациясы мен фармакокинетикасын бақылау қажет, бірақ егер оның бағалаулары қанағаттанарлық болса, ол өте пайдалы болуы мүмкін, өйткені ол арзан шағын молекула. Льюис Кентли және оның әріптестері пируват киназа ферментінің бір түрі – ісіктің M2 PK-сі Варбург эффектін күшейтетінін анықтады. Қатерлі M2 PK барлық тез бөлінетін жасушаларда пайда болады және қатерлі ісік жасушаларының глюкозаны үдетілген жылдамдықпен тұтынуына мүмкіндік береді; жасушаларды пируват киназаның баламалы түріне ауысуға мәжбүрлеу арқылы, олардың өсуі тежелді. Зерттеушілер глюкоза метаболизмінің химиялық жағынан әртүрлі қатерлі ісік түрлеріне байланысты өзгеруі мүмкін екенін мойындады; алайда, PKM2 олар сынаған барлық қатерлі ісік жасушаларында анықталды. Бұл фермент түрі әдетте тыныш тіндерде кездеспейді, бірақ жасушалар тез көбейген кезде, мысалы, жараның жазылуында немесе гематопоэз кезінде қажет.
Кері Варбург эффектісі
"Қері Варбург эффектісі" деп аталатын модель гликолиз арқылы энергия бөліп шығаратын, бірақ ісік жасушалары емес, стромалық фибробластарды сипаттайды. Осы жағдайда, строма қатерлі жасушалардың әсеріне ұшырап бұзылып, энергияға толы қоректік заттарды синтездеуге қабілетті зауыттарға айналады. Содан кейін жасушалар осы энергияға толы қоректік заттарды алып, оларды тотығу фосфорилирлеуге қолданылатын ТСА циклында пайдаланады. Бұл қатерлі жасушалардың көбеюіне жағдай жасайтын энергияға толы ортаны құрайды. Бұл, Уорбургтің ісіктердің анаэробты гликолиз арқылы энергия өндіруге бейім екендігі туралы бастапқы байқауын қолдайды.
Кері әсер
Тағы бір модель, семіздік моделіндегі ісік жасушаларында сипатталған, оны Варбург эффектісінің инверсиясы деп атайды. Кері модельде микроортаның стромасы энергияға толы қоректік заттарды өндірсе, семіздік кезінде бұл қоректік заттар қан ағынында және клеткадан тыс сұйықтықта (ECF) күйінде болады. Осылайша, жоғары энергетикалық қоректік заттар тікелей трикарбон қышқылдар цикліне (ТСА), содан кейін тотығу фосфорилирлеуге түседі, ал лактат және гликогендік аминқышқылдары Варбург ұсынғаннан кері бағытта қозғалады, яғни лактатты пайдалану арқылы глюкоза өндіріледі.
Қатерлі ісік метаболизмі мен эпигенетика
Жасушалар көбейіп өсуге сигнал алғанда, қоректік заттардың пайдаланылуы күрт өзгереді. Метаболизмдегі ерекше өзгерістер жасушалардың өсуі мен бөлінуіне байланысты туындайтын үлкен биосинтездік қажеттіліктерді қанағаттандыруға мүмкіндік береді. Гликолиз процесіндегі шектеуші ферменттердің өзгеруі метаболизмді өсу мен көбеюді қолдауға бағыттайды. Қатерлі ісіктерде метаболизмнің қайта бағдарламалануы көбінесе сигналдық жолдар мен транскрипция факторларының қатерлі әсерге ие болуына байланысты. Эпигенетикалық механизмдер бұл процестің толыққанды түсініксіз бөлігі болғанымен, қатерлі ісіктерде метаболизмдік гендердің экспрессиясын реттеуге де әсер етеді. Сонымен қатар, жинақталған мәліметтер метаболизмдік өзгерістердің эпигеномға да әсер етуі мүмкін екенін көрсетеді. Қатерлі жасушалардағы метаболизм мен эпигенетика арасындағы байланысты түсіну, қатерлі ісікке қарсы жаңа стратегияларға жол ашуы мүмкін.
Қатерлі емес жасушаларда Варбург эффектісі
Т лимфоциттерінің белсенділігі кезінде метаболизмнің қарқынды өсуі қажет, олар тұрақты глюкоза концентрациясы бар перифериялық қанда орналасқан. Глюкоза жеткілікті болғандықтан, Т-клеткалар CD28 корецепторы арқылы глюкозаны жылдам пайдалануға көше алады. Бұл CD3/CD28 сигнализациясы инсулин сигнализациясына ұқсас, себебі екеуі де Akt киназасын белсендіру арқылы жасуша бетіндегі глюкоза тасымалдаушы 1 (Glut 1) экспрессиясын арттырады. CD28 сигналдық трандукциясы глюкозаның көп мөлшерде сіңуіне ғана емес, сонымен қатар гликолиздің жылдамдығының жоғарылауына да алып келеді. Белсенді Т лимфоциттері сіңірген глюкозаның көп бөлігі лактатқа айналып, жасушалардан шығарылады.