Nathan Patrick Ward
Aprobado: 7 de noviembre de 2016
Resumen
El robusto metabolismo glucolítico del glioblastoma multiforme (GBM) ha demostrado que son susceptibles a los aumentos del metabolismo oxidativo inducidos por el dicloroacetato mimético del piruvato (DCA). Informes recientes demuestran que el fármaco antidiabético metformina potencia el estrés oxidativo perjudicial asociado al tratamiento con DCA en células cancerosas. Nuestro objetivo era dilucidar el papel de la actividad de la metformina como inhibidor del complejo mitocondrial I en la potenciación de la citotoxicidad del DCA en el modelo VM-M3 de GBM. Demostramos que la metformina potenciaba la producción de superóxido inducida por el DCA y que esto era necesario para aumentar la citotoxicidad hacia las células VM-M3 con la combinación. Del mismo modo, la rotenona aumentó el estrés oxidativo resultante del tratamiento con DCA y esto también fue necesario para el aumento observado de la citotoxicidad. La activación de la adenosina monofosfato quinasa (AMPK) no se observó con la concentración de metformina necesaria para potenciar la actividad del DCA. Además, la adición de un activador de AMPK no aumentó la citotoxicidad del DCA, mientras que un inhibidor de AMPK aumentó la citotoxicidad de la combinación. También demostramos que el DCA y la metformina reducen la carga tumoral y prolongan la supervivencia en ratones con carga tumoral VM-M3 como terapias individuales. En contraste con nuestro trabajo in vitro, no observamos sinergia entre DCA y metformina in vivo. Nuestros datos indican que la potenciación de la citotoxicidad del DCA por la metformina depende de la inhibición del complejo I. En particular, la inhibición del complejo I por la metformina es un factor importante en la citotoxicidad del DCA. En particular, la inhibición del complejo I coopera con la inducción de la oxidación de la glucosa por el DCA para aumentar el estrés oxidativo citotóxico en las células VM-M3 GBM. Este trabajo apoya una mayor investigación y optimización de la combinación DCA/metformina como potencial terapia combinatoria prooxidante para el GBM.
Palabras clave: Metabolismo del cáncer, oxidación mitocondrial de la glucosa, inhibición del complejo I, estrés oxidativo, DCA, metformina
Copyright © 2017, Nathan P. Ward
METABOLISMO DEL CÁNCER
Sinopsis del capítulo
Aquí ofrecemos una revisión de los programas metabólicos empleados por los tumores para satisfacer los requisitos biosintéticos de la tumorigénesis. El metabolismo de los tumores está intrincadamente ligado a las características distintivas de la enfermedad y proporciona a las células cancerosas una ventaja de supervivencia en respuesta a las tensiones impuestas por el microambiente tumoral. La comprensión de las características metabólicas de los tumores sienta las bases de una estrategia terapéutica racional dirigida a estas dependencias metabólicas. En este capítulo también se analizan los enfoques actuales para abordar el metabolismo del cáncer.
Alteración del metabolismo energético
El cáncer se considera tradicionalmente una enfermedad genética, caracterizada por la inestabilidad genómica y las frecuentes mutaciones que cooperan para promover un entorno celular distinto que permite una proliferación desenfrenada (1). La secuenciación genómica de los tumores ha identificado multitud de mutaciones susceptibles de ser tratadas con fármacos que han impulsado la investigación y el desarrollo farmacéutico. Por desgracia, la promesa de resultados preclínicos alentadores no se ha traducido a menudo en eficacia clínica. Esto ha llevado al sector a considerar otros rasgos distintivos del desarrollo tumoral y la progresión de la enfermedad y a idear estrategias alternativas para el tratamiento del cáncer (1).
El resultado de esta iniciativa fue una renovada apreciación de la actividad metabólica distintiva de los tumores (2). Más allá de la desregulación del ciclo celular y la pérdida del control de calidad del ácido desoxirribonucleico (ADN) que acompañan a la proliferación de las células cancerosas, existe una demanda fundamental de biomasa. Una intrincada red de vías metabólicas converge para generar los componentes moleculares necesarios para la biosíntesis (3). El metabolismo de las células cancerosas está conectado de tal manera que permite la producción continua de los nucleótidos, proteínas y membranas lipídicas necesarios para la proliferación, al tiempo que genera la energía y el potencial de reducción necesarios para la supervivencia celular (4). La última década de investigación sobre el metabolismo del cáncer ha supuesto un renacimiento metodológico para caracterizar las dependencias metabólicas de las células cancerosas y la intersección entre metabolismo y biología tumoral (5-8). Y lo que es más importante, este trabajo ha demostrado que dirigirse al metabolismo del cáncer puede ser una alternativa terapéutica sostenible para el tratamiento de esta devastadora enfermedad.
Fermentación aeróbica
La noción de un metabolismo peculiar en el cáncer no es un fenómeno reciente. A principios del siglo XX, Otto Warburg observó por primera vez una clara diferencia entre el metabolismo de los tumores y el del tejido normal (9). Warburg informó de que los tumores absorbían mucha más glucosa circulante que el tejido normal, y mientras que el tejido normal generaba muy poco lactato, Warburg calculó que el tumor convertía en lactato el 66% de la glucosa consumida. Esto sugiere que los tumores fermentaban predominantemente la glucosa en lugar de respirar el azúcar.
La glucosa es el metabolito energético predominante en el organismo y se metaboliza preferentemente en la mayoría de los tejidos. Al entrar en la célula, la glucosa se metaboliza en piruvato a través de la vía de Embden-Meyerhof, o vía glucolítica. Normalmente, el piruvato se importa a las mitocondrias, donde se oxida completamente a dióxido de carbono (CO2) siempre que el oxígeno, el aceptor final de electrones de la cadena de transporte de electrones, no sea limitante. Los tejidos están adecuadamente perfundidos en condiciones fisiológicas normales, lo que facilita el suministro de oxígeno y permite la respiración mitocondrial de la glucosa. En un contexto de limitación de oxígeno, como en el músculo durante el ejercicio vigoroso, el piruvato es fermentado a lactato por la lactato deshidrogenasa (LDH).
Lo destacable de los hallazgos de Warburg es que los tumores estaban bien perfundidos y, por tanto, el oxígeno no era limitante (9). Por lo tanto, los tumores fermentaban preferentemente piruvato a lactato en un entorno aeróbico. Esta fermentación aeróbica de la glucosa se reconoce ahora ampliamente como un fenotipo característico de la mayoría de los cánceres y se denomina ahora efecto Warburg (10). De hecho, la fuerte captación de glucosa por los tumores es la base de la tomografía por emisión de positrones con fluorodesoxiglucosa (FDG-PET) (11).
Desde el punto de vista de la bioenergética, la dependencia del metabolismo glucolítico parece contraria a la lógica de una proliferación robusta. La generación de la biomasa necesaria para la división celular depende en parte de la energía potencial almacenada en el trifosfato de adenosina (ATP), un subproducto de ciertas reacciones catabólicas. La glucólisis es bastante ineficiente desde el punto de vista energético, ya que sólo genera 2 moles (mol) de ATP por mol de glucosa, mientras que la oxidación completa de la glucosa produce ~36 mol de ATP/mol de glucosa. Sin embargo, las células cancerosas que presentan este metabolismo de Warburg no sufren un déficit de ATP (12). La conversión de piruvato en lactato por la LDH está acoplada a la oxidación de la nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) reducida a su forma oxidada, NAD+ . La regeneración de NAD+ mantiene una elevada relación NAD+/NADH citosólica que permite un rápido flujo glucolítico, ya que la enzima glucolítica gliceraldehído fosfato deshidrogenasa (GAPDH) requiere NAD+ como cofactor.
Metabolismo mitocondrial
Basándose en su observación original, Warburg planteó la hipótesis de que la fermentación aeróbica en los tumores era el resultado de una lesión irreversible de la capacidad oxidativa que impedía que las células cancerosas obtuvieran suficiente energía del metabolismo oxidativo (13). Las pruebas sugieren que la producción de ATP no es una función necesaria de las mitocondrias cancerosas; sin embargo, el metabolismo mitocondrial es crítico para la proliferación de las células cancerosas (14). En principio, la abundante generación de lactato como resultado del efecto Warburg podría restringir el flujo de piruvato a la mitocondria, donde se metaboliza fácilmente a acetil coenzima A (acetil-CoA) y CO2 a través del complejo piruvato deshidrogenasa (PDH).
El acetil-CoA es un transportador de carbono crítico que se utiliza ampliamente en el metabolismo central del carbono. El acetil-CoA es necesario para el flujo continuo del ciclo del ácido cítrico (TCA), que genera los equivalentes reductores NADH y dinucleótido de flavina adenina reducido (FADH2). Estos equivalentes reductores son oxidados por complejos proteicos situados en la membrana mitocondrial interna (MMI) o asociados a ella, en reacciones que acoplan la liberación de electrones con el movimiento de protones (H+ ) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal. El movimiento de estos electrones a través de los subsiguientes complejos proteicos, que en conjunto forman la cadena de transporte de electrones (ETC), también está acoplado al movimiento de H+ a través de la IMM. La translocación de estos H+ genera una fuerza motriz de protones y un potencial de membrana a través de la IMM. La ATP sintasa aprovecha esta fuerza motriz de protones para acoplar el movimiento de H+ de vuelta a la matriz con la generación de ATP a partir de adenina difosfato (ADP) y fosfato inorgánico (Pi).
Además de proporcionar los equivalentes reductores para la fosforilación oxidativa, los intermediarios del ciclo TCA son importantes para la biosíntesis de macromoléculas críticas. Por lo tanto, un flujo reducido de carbono de glucosa a través del complejo PDH restringiría el ciclo TCA y disminuiría los niveles de intermediarios del ciclo TCA. Las células cancerosas, especialmente en cultivo, han regulado al alza el metabolismo de la glutamina para compensar los déficits en el flujo de carbono de glucosa a través del ciclo TCA (15). La glutamina es un aminoácido anaplerótico que la glutaminasa (GS) convierte en glutamato en la mitocondria. A continuación, el glutamato puede desaminarse a ⍺-cetoglutarato (⍺-KG), un intermediario del ciclo de la TCA. el ⍺-KG puede entonces contribuir a la reposición de los intermediarios posteriores a través del flujo tradicional a través del ciclo o convertirse en el metabolito anterior, isocitrato, a través de la carboxilación reductora mediada por la isocitrato deshidrogenasa 2 (IDH2).
En ciertas especies tumorales, los aminoácidos de cadena ramificada (BCAA) leucina y valina pueden utilizarse como sustratos anapleróticos (5). Además, el carbono de la glucosa puede entrar en el ciclo del TCA de forma independiente de la PDH a través de la piruvato carboxilasa (PC), que convierte el piruvato citosólico en oxaloacetato. A continuación, este oxaloacetato se convierte en malato a través de la malato deshidrogenasa (MDH). El malato puede introducirse en la mitocondria a través de la lanzadera malato-aspartato e incorporarse al ciclo del TCA. Juntas, estas vías proporcionan medios alternativos para mantener la función del TCA.
El advenimiento del rastreo de metabolitos marcados con isótopos ha demostrado que la fermentación aeróbica no restringe totalmente la oxidación de la glucosa, sino que el rastreo del flujo metabólico de 13C-glucosa muestra la fermentación y oxidación concurrentes del carbono de glucosa en ciertos cánceres (16). El metabolismo energético celular depende del movimiento regulado de electrones entre los intermediarios metabólicos y los cofactores enzimáticos a través de una serie de reacciones de reducción oxidativa (redox). Pruebas recientes sugieren que la oxidación mitocondrial es fundamental para la proliferación celular, independientemente de la generación de ATP.
La estimulación de la actividad ETC mediante la oxidación de equivalentes reductores promueve el equilibrio redox a través de la regeneración de NAD+ y dinucleótido de adenina flavina oxidado (FAD+ ), que son aceptores de electrones críticos. Los aceptores de electrones son necesarios para un flujo metabólico continuo, especialmente en el contexto de satisfacer las demandas biosintéticas de una rápida proliferación (17). El oxígeno sirve como aceptor terminal de electrones en el metabolismo oxidativo y esta reducción de oxígeno se considera el aspecto más vital del metabolismo oxidativo mitocondrial para las células proliferantes (18). También se ha demostrado que el aminoácido aspartato es un aceptor de electrones esencial para la proliferación (17, 18).
El mantenimiento del potencial de membrana mitocondrial (ΔΨm) depende generalmente del flujo regulado continuo de electrones a través del ETC resultante del metabolismo oxidativo. La conservación del ΔΨm es crítica para la capacidad proliferativa de las células, independientemente de su acoplamiento a la producción de ATP (19). De hecho, las mitocondrias cancerosas suelen estar hiperpolarizadas, lo que sugiere un flujo ineficaz de H+ de vuelta a la matriz para la generación de ATP (20).
Además de la glucosa, los ácidos grasos pueden servir de sustrato para el metabolismo oxidativo mitocondrial. La betaoxidación de los ácidos grasos (FAO) produce acetil-CoA, que se incorpora al ciclo TCA, y NADH y FADH2 para el transporte de electrones y la generación potencial de ATP. Se ha demostrado que la FAO es esencial para la supervivencia y el crecimiento en condiciones de estrés metabólico (21). Algunas neoplasias hematopoyéticas presentan un aumento de la FAO (22, 23). El linfoma difuso de células B grandes (DLBCL) parece depender en gran medida de la FAO para mantener los niveles de ATP celular. Por su parte, las células leucémicas suelen presentar un aumento de la FAO asociado a la prevención de la acumulación tóxica de ácidos grasos (21). Además, algunas células leucémicas necesitan la FAO para mantener el equilibrio redox citosólico en forma de generación de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) reducido dependiente de citrato.
Mantenimiento del equilibrio redox
Como ya se ha mencionado, el metabolismo celular depende del movimiento coordinado de electrones a través de metabolitos intermedios y del estado de oxidación de importantes transportadores de electrones. Las células aprovechan el poder reductor del NADH y el NAPDH para las reacciones catabólicas y biosintéticas necesarias para el crecimiento y la viabilidad. Las proporciones de NAD+ /NADH y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato oxidado (NADP+ )/NADPH son indicadores del estado redox de la célula. El flujo metabólico y la actividad de las enzimas metabólicas bidireccionales dependen del estado de estas relaciones. El estado redox de la célula está compartimentado dentro de los orgánulos, ya que existen distintos mecanismos metabólicos para regular NAD+ /NADH y NADP+/NADPH en el citosol y la matriz mitocondrial, por ejemplo. Sin embargo, no son completamente independientes entre sí, ya que existen mecanismos de intercambio de metabolitos entre compartimentos que facilitan la alteración de estas relaciones.
El mantenimiento de la relación NAD+/NADH se realiza principalmente en el citosol a través de la glucólisis y a través del ciclo TCA en la matriz mitocondrial. Como ya se ha mencionado, las células cancerosas presentan una mayor actividad de la LDH, que recicla el NADH generado a través de la glucólisis en NAD+, facilitando el rápido flujo glucolítico asociado al metabolismo de Warburg (4). La transferencia de piruvato entre el citosol y la matriz vincula las reservas de NAD+/NADH de los dos compartimentos y está estrechamente regulada en el cáncer (24).
El NADPH proporciona el poder reductor para la biosíntesis y es un componente crítico de la capacidad antioxidante celular, aspectos ambos que se tratarán en profundidad más adelante en esta revisión. El NADPH citosólico se genera a través de dos reacciones enzimáticas en la vía de las pentosas fosfato (PPP), mediante la conversión de malato en piruvato por la enzima málica (ME) y la oxidación de isocitrato a ⍺-KG por IDH1. El intercambio de citrato entre la matriz y el citosol vincula las reservas de NADPH de los dos compartimentos. La carboxilación reductora de la glutamina contribuye a las reservas citosólicas de NADPH a través del citrato, que puede ser metabolizado a oxaloacetato por la citrato liasa y posteriormente a malato a través de la MDH. Finalmente, este malato derivado del citrato es convertido en piruvato por la ME, generando NADPH (25, 26). el rastreo de 13C-glutamina demostró que una fracción significativa del NADPH mitocondrial se deriva del metabolismo del folato (27, 28). Otros factores que contribuyen a la reserva de NADPH matricial son la IDH2 y la enzima nicotinamida nucleótido transhidrogenasa (NNT) asociada a la IMM, que aprovecha la fuerza motriz de protones a través de la IMM y el poder reductor del NADH para generar NADPH.
El estado redox celular también se ve afectado por el estrés oxidativo, un subproducto natural del metabolismo. El estrés oxidativo está causado por la generación de especies radicales libres altamente reactivas que contienen oxígeno o nitrógeno (ROS, RNS) y que presentan una serie de funciones biológicas, tanto de mantenimiento celular como citotóxicas. Por ejemplo, el transporte de electrones no es un proceso totalmente eficiente. Los electrones pueden liberarse prematuramente del ETC para reducir el oxígeno molecular a anión superóxido (-O2 – ). Esto ocurre en el lado de la matriz del IMM en el complejo I (NADH deshidrogenasa) y en el complejo II (succinato deshidrogenasa) del ETC. Además, puede generarse -O2 – en el complejo III (coenzima Q: citocromo c oxidorreductasa) de la IMM, tanto en el lado de la matriz como en el lado del espacio intermembrana (IMS). -El O2 también puede generarse en el citosol y la matriz a través de un proceso dependiente del NADPH catalizado por las NADPH oxidasas (NOX).
En presencia de óxido nítrico (NO), un subproducto del metabolismo de la arginina, el superóxido contribuye a la formación del muy reactivo ion peroxinitrito (ONOO- ). Además, este -O2- puede ser dismutado a peróxido de hidrógeno (H2O2) por las superóxido dismutasas (SOD). Posteriormente, el H2O2 puede detoxificarse en agua a través de una serie de sistemas enzimáticos. Las peroxiredoxinas (PRX) sufren una oxidación mediada por H2O2 que inicia un ciclo catalítico en el que la tiorredoxina (TRX), la tiorredoxina reductasa (TrxR) y el NADPH cooperan para regenerar las PRX reducidas. Las glutatión peroxidasas (GPX) utilizan glutatión reducido (GSH) para desintoxicar el H2O2. A continuación, la glutatión reductasa utiliza NADPH para convertir el glutatión oxidado (GSSG) en GSH. Por último, la catalasa también puede convertir el H2O2 en agua. Alternativamente, en presencia de iones ferrosos (Fe2+) o cúpricos (Cu+ ), el H2O2 puede generar radicales hidroxilo (-OH) mediante reacciones de Fenton.
En conjunto, estas enzimas desintoxicantes contribuyen a la capacidad antioxidante de la célula, que impide la acumulación de radicales libres que potencian el estrés oxidativo. La regulación transcripcional de estas enzimas está controlada por el regulador maestro de la maquinaria antioxidante celular, el factor nuclear similar a 2 (Nrf2). La actividad de Nrf2 se estimula por el estrés oxidativo, lo que resulta en la regulación de una serie de enzimas desintoxicantes y un programa metabólico que aumenta la capacidad antioxidante. El equilibrio entre la generación de ROS y RNS y la desintoxicación antioxidante influye enormemente en la función y viabilidad celular y es un componente crítico de la tumorigénesis (29).
Consecuencias del metabolismo del cáncer
Los tumores existen como una población heterogénea de células sometidas a fuertes presiones de selección que impulsan una respuesta evolutiva. Las mutaciones adquiridas durante la tumorigénesis deben conferir una ventaja de supervivencia o permitir pasivamente una proliferación desenfrenada (1, 2). Los tumores están sometidos a las limitaciones de la selección natural y las mutaciones que reducen la aptitud de las células cancerosas acaban siendo rechazadas (30). Dado que la alteración del metabolismo celular es un rasgo característico del cáncer, debe existir un beneficio para la supervivencia asociado al metabolismo de las células neoplásicas. Aquí describo las consecuencias del metabolismo del cáncer que proporcionan un beneficio para la supervivencia de las células cancerosas y contribuyen a la progresión de la enfermedad.
REFERENCIAS
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