Эффект Варбурга: метаболизм раковых клеток

Введение

Форма метаболизма в опухолях

В онкологии эффект Варбурга (Warburg effect) – это наблюдение, что большинство раковых клеток высвобождают энергию преимущественно не через «обычный» цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование в митохондриях, как наблюдается в нормальных клетках, а через менее эффективный процесс «анаэробного гликолиза», состоящий из высокого уровня поглощения глюкозы и гликолиза, сопровождаемого ферментацией молочной кислоты, происходящей в цитозоле, а не в митохондриях, даже при наличии достаточного количества кислорода. Это наблюдение впервые было опубликовано Отто Генрихом Варбургом, который в 1931 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за «открытие природы и механизма действия дыхательного фермента». Однако точный механизм и терапевтические последствия эффекта Варбурга остаются неясными. При ферментации последний продукт гликолиза, пируват, превращается в лактат (ферментация молочной кислоты) или этанол (спиртовое брожение). В то время как ферментация производит аденозинтрифосфат (АТФ) с более низким выходом по сравнению с циклом лимонной кислоты и окислительным фосфорилированием аэробного дыхания, она позволяет пролиферирующим клеткам более эффективно преобразовывать питательные вещества, такие как глюкоза и глутамин, в биомассу, избегая ненужного катаболического окисления этих питательных веществ до углекислого газа, сохраняя углерод-углеродные связи и стимулируя анаболизм. С диагностической точки зрения, повышенное потребление глюкозы раковыми клетками, обусловленное эффектом Варбурга, лежит в основе обнаружения опухолей при ПЭТ-сканировании, где инъецированный радиоактивный аналог глюкозы обнаруживается в более высоких концентрациях в злокачественных опухолях, чем в других тканях.

Исследования Варбурга

Около 1920-х годов Отто Генрих Варбург и его группа пришли к выводу, что лишение опухолевых клеток глюкозы и кислорода приводит к недостатку энергии, что вызывает гибель клеток. Биохимик Герберт Грейс Крэбтри развил исследования Варбурга, обнаружив влияние факторов окружающей среды или генетики. Крэбтри заметил, что дрожжи *Saccharomyces cerevisiae* предпочитают ферментацию с образованием этанола, а не аэробное дыхание, даже в аэробных условиях и при высокой концентрации глюкозы – это явление получило название эффекта Крэбтри. Варбург наблюдал аналогичное явление в опухолях: раковые клетки склонны использовать ферментацию для получения энергии даже в присутствии кислорода, и ввел термин "аэробный гликолиз". Позднее это явление было названо эффектом Варбурга в честь его первооткрывателя. Варбург предположил, что дисфункция митохондрий может быть причиной повышенной скорости гликолиза в опухолевых клетках и основной причиной развития рака. Отто Варбург предположил, что это изменение метаболизма является фундаментальной причиной рака, утверждение, известное как гипотеза Варбурга. Сегодня считается, что мутации в онкогенах и генах-супрессорах опухолей ответственны за злокачественную трансформацию, а эффект Варбурга рассматривается как следствие этих мутаций, а не их причина.

Движущие силы

Более ранние гипотезы, такие как гипотеза Варбурга, предполагают, что эффект Варбурга может быть просто следствием повреждения митохондрий в раковых клетках. Он также может быть адаптацией к гипоксии внутри опухолей или результатом подавления митохондрий онкогенами, участвующими в программе апоптоза, приводящей к гибели раковых клеток.

Ферментация способствует пролиферации клеток

Поскольку гликолиз обеспечивает большинство строительных блоков, необходимых для пролиферации клеток, предполагается, что как раковые, так и нормальные пролиферирующие клетки должны активировать гликолиз, даже при наличии кислорода, для обеспечения пролиферации. Неэффективное производство АТФ становится проблемой только при недостатке питательных веществ, но анаэробный гликолиз предпочтителен при их избытке. Анаэробный гликолиз способствует анаболизму и предотвращает окисление ценных углерод-углеродных связей до углекислого газа. Напротив, окислительное фосфорилирование связано с метаболизмом при голодании и предпочтительно, когда питательные вещества ограничены и клеткам необходимо максимизировать извлечение свободной энергии для выживания. Имеющиеся данные указывают на то, что некоторые высокие показатели анаэробного гликолиза обусловлены повышенной экспрессией митохондриально-связанной гексокиназы, которая стимулирует высокую гликолитическую активность. При раке почек этот эффект может быть связан с мутациями в гене-супрессоре опухоли фон Гиппеля-Линдау, которые усиливают экспрессию гликолитических ферментов, включая M2-изоформу пируваткиназы. Мутации TP53 влияют на энергетический метаболизм и увеличивают гликолиз при раке молочной железы. Эффект Варбурга связан с поглощением и использованием глюкозы, поскольку это связано с регуляцией митохондриальной активности. Беспокойство вызывает не столько повреждение митохондрий, сколько изменение их активности. С другой стороны, опухолевые клетки демонстрируют повышенную скорость гликолиза, что может быть объяснено повреждением митохондрий.

Молекулярные цели

В течение многих лет ученые исследовали возможность терапевтического применения эффекта Варбурга. Увеличение поглощения питательных веществ раковыми клетками рассматривалось как потенциальная мишень для лечения, основанная на использовании критического инструмента пролиферации раковых клеток, однако пока неясно, приведет ли это к разработке лекарственных препаратов с терапевтической эффективностью. Разработано множество веществ, ингибирующих гликолиз и, следовательно, обладающих потенциалом в качестве противораковых средств, включая SB 204990, 2-дезокси-D-глюкозу (2DG), 3-бромопируват (3 BrPA, бромопирувиновая кислота или бромопируват), 3-бромо-2-оксопропионат 1-пропиловый эфир (3 BrOP), 5-тиоглюкозу и дихлоруксусную кислоту (DCA). Клиническое испытание 2DG [2008] показало медленный набор пациентов и было прекращено. По состоянию на 2017 год нет данных, подтверждающих использование DCA для лечения рака. Альфа-циано-4-гидроксикоричная кислота (ACCA; CHC), ингибитор малых молекул монокарбоксилатных транспортеров (MCT, предотвращающих накопление молочной кислоты в опухолях), успешно использовалась в качестве метаболической мишени в доклинических исследованиях опухолей мозга. Ингибиторы MCT с более высокой аффинностью были разработаны и в настоящее время проходят клинические испытания компании Astra Zeneca. Дихлоруксусная кислота (DCA), ингибитор малых молекул митохондриальной пируватдегидрогеназакиназы, "подавляет" гликолиз in vitro и in vivo. Исследователи из Университета Альберты предположили в 2007 году, что DCA может обладать терапевтическим эффектом при многих типах рака. Пируватдегидрогеназа катализирует лимитирующую стадию аэробного окисления глюкозы и пирувата и связывает гликолиз с циклом трикарбоновых кислот (ТЦК). DCA действует как структурный аналог пирувата и активирует пируватдегидрогеназный комплекс (PDC) для ингибирования пируватдегидрогеназных киназ, поддерживая комплекс в его нефосфорилированной форме. DCA снижает экспрессию киназ, предотвращая инактивацию PDC, и позволяет превращать пируват в ацетил-КоА, а не в лактат посредством анаэробного дыхания, тем самым поддерживая клеточное дыхание. Благодаря этому механизму действия DCA противодействует повышенному производству лактата опухолевыми клетками, позволяя ТЦК метаболизировать его посредством окислительного фосфорилирования. DCA пока не оценивалась в качестве монотерапии рака, поскольку исследования клинической активности препарата все еще продолжаются, но было показано, что она эффективна в сочетании с другими методами лечения рака. Нейротоксичность и фармакокинетика препарата все еще требуют мониторинга, но при удовлетворительных результатах оценки она может оказаться очень полезной, поскольку это недорогая малая молекула. Льюис К. Кантли и его коллеги обнаружили, что опухолевая M2 PK, форма фермента пируваткиназы, способствует эффекту Варбурга. Опухолевая M2 PK продуцируется во всех быстро делящихся клетках и отвечает за то, что раковые клетки потребляют глюкозу с ускоренной скоростью; принудительный переход клеток к альтернативной форме пируваткиназы путем ингибирования продукции опухолевой M2 PK приводил к замедлению их роста. Исследователи признали, что точная биохимия метаболизма глюкозы, вероятно, варьируется в зависимости от различных форм рака; однако PKM2 была идентифицирована во всех исследованных ими раковых клетках. Эта форма фермента обычно не встречается в покоящихся тканях, хотя, по-видимому, она необходима, когда клетки должны быстро размножаться, например, при заживлении ран или гематопоэзе.

, scientists had been investigating the possibility of therapeutic value presented by the Warburg effect. The increase in nutrient uptake by cancer cells has been considered as a possible treatment target by exploitation of a critical proliferation tool in cancer, but it remains unclear whether this can lead to the development of drugs that have therapeutic benefit. Many substances have been developed which inhibit glycolysis and so have potential as anticancer agents, including SB 204990, 2 deoxy D glucose (2DG), 3 bromopyruvate (3 BrPA, bromopyruvic acid, or bromopyruvate), 3 bromo 2 oxopropionate 1 propyl ester (3 BrOP), 5 thioglucose and dichloroacetic acid (DCA). A clinical trial for 2 DG [2008] showed slow accrual and was terminated. as of 2017, there is no evidence yet to support the use of DCA for cancer treatment. Alpha cyano 4 hydroxycinnamic acid (ACCA;CHC), a small molecule inhibitor of monocarboxylate transporters (MCTs; which prevent lactic acid build up in tumors) has been successfully used as a metabolic target in brain tumor pre clinical research. Higher affinity MCT inhibitors have been developed and are currently undergoing clinical trials by Astra Zeneca. Dichloroacetic acid (DCA), a small molecule inhibitor of mitochondrial pyruvate dehydrogenase kinase, "downregulates" glycolysis in vitro and in vivo. Researchers at the University of Alberta theorized in 2007 that DCA might have therapeutic benefits against many types of cancer. Pyruvate dehydrogenase catalyses the rate limiting step in the aerobic oxidation of glucose and pyruvate and links glycolysis to the tricarboxylic acid cycle (TCA). DCA acts a structural analog of pyruvate and activates the pyruvate dehydrogenase complex (PDC) to inhibit pyruvate dehydrogenase kinases, to keep the complex in its un phosphorylated form. DCA reduces expression of the kinases, preventing the inactivation of the PDC, and allowing the conversion of pyruvate to acetyl CoA rather than lactate through anaerobic respiration, thereby permitting cellular respiration to continue. Through this mechanism of action, DCA works to counteract the increased production of lactate exhibited by tumor cells by enabling the TCA cycle to metabolize it by oxidative phosphorylation. DCA has not been evaluated as a sole cancer treatment yet, as research on the clinical activity of the drug is still in progress, but it has been shown to be effective when used with other cancer treatments. The neurotoxicity and pharmacokinetics of the drug still need to be monitored but if its evaluations are satisfactory it could be very useful as it is an inexpensive small molecule. Lewis C. Cantley and colleagues found that tumor M2 PK, a form of the pyruvate kinase enzyme, promotes the Warburg effect. Tumor M2 PK is produced in all rapidly dividing cells and is responsible for enabling cancer cells to consume glucose at an accelerated rate; on forcing the cells to switch to pyruvate kinase's alternative form by inhibiting the production of tumor M2 PK, their growth was curbed. The researchers acknowledged the fact that the exact chemistry of glucose metabolism was likely to vary across different forms of cancer; however, PKM2 was identified in all of the cancer cells they had tested. This enzyme form is not usually found in quiescent tissue, though it is apparently necessary when cells need to multiply quickly, e. g., in healing wounds or hematopoiesis.

Обратный эффект Варбурга

Модель, называемая «обратным эффектом Варбурга», описывает клетки, высвобождающие энергию посредством гликолиза, но при этом не являющиеся опухолевыми, а стромальными фибробластами. В этом сценарии строма подвергается воздействию раковых клеток и превращается в фабрику по синтезу богатых энергией питательных веществ. Затем эти питательные вещества используются клетками для цикла Кребса, который, в свою очередь, служит для окислительного фосфорилирования. Это создает энергетически насыщенную среду, способствующую репликации раковых клеток. Это по-прежнему подтверждает первоначальное наблюдение Варбурга о том, что опухоли склонны к производству энергии посредством анаэробного гликолиза.

Обратный эффект Варбурга

Другая модель была описана в опухолевых клетках в модели ожирения, называемой инверсией эффекта Варбурга. В то время как в обратной модели строма микроокружения производит питательные вещества, богатые энергией, в условиях ожирения эти питательные вещества уже присутствуют в кровотоке и во внеклеточной жидкости (ЭКЖ). Таким образом, высокоэнергетические питательные вещества напрямую поступают в цикл трикарбоновых кислот (ТСА), а затем в окислительное фосфорилирование, в то время как лактат и гликогенные аминокислоты идут по пути, обратному предложенному Варбургом, то есть производят глюкозу, потребляя лактат.

Метаболизм рака и эпигенетика

Использование питательных веществ резко меняется, когда клетки получают сигналы к пролиферации. Характерные метаболические изменения позволяют клеткам удовлетворять значительные биосинтетические потребности, связанные с ростом и делением клеток. Изменения в лимитирующих скорость гликолитических ферментах перенаправляют метаболизм для поддержания роста и пролиферации. Метаболическая перепрограммировка при раке в значительной степени обусловлена онкогенной активацией сигнальных путей и факторов транскрипции. Хотя эти механизмы изучены недостаточно, эпигенетические механизмы также вносят вклад в регуляцию экспрессии метаболических генов при раке. В свою очередь, накапливающиеся данные свидетельствуют о том, что метаболические изменения могут влиять на эпигеном. Понимание взаимосвязи между метаболизмом и эпигенетикой в раковых клетках может открыть новые направления для противораковых стратегий.

Эффект Варбурга в нераковых клетках

При активации Т-лимфоцитов, находящихся в периферической крови с постоянной концентрацией глюкозы, требуется резкое увеличение метаболизма. Поскольку глюкозы достаточно, Т-клетки могут быстро переключиться на её использование посредством ко-рецептора CD28. Сигнальный путь CD3/CD28 параллелен инсулиновому сигналингу, поскольку оба приводят к повышенной экспрессии транспортера глюкозы 1 (Glut 1) на клеточной поверхности через активацию киназы Akt. Сигнальная трансдукция CD28 не только увеличивает поглощение глюкозы, но и ускоряет гликолиз. Большая часть глюкозы, поглощаемой активированными Т-лимфоцитами, метаболизируется в лактат и выводится из клеток.