📖 13 mins.

Nathan Patrick Ward


Goedgekeurd: 7 november 2016

Abstract

Het robuuste glycolytische metabolisme van glioblastoma multiforme (GBM) heeft bewezen dat ze gevoelig zijn voor verhogingen van het oxidatieve metabolisme geïnduceerd door het pyruvaatnabootser dichlooracetaat (DCA). Recente rapporten tonen aan dat het antidiabeticum metformine de schadelijke oxidatieve stress versterkt die gepaard gaat met DCA-behandeling in kankercellen. Wij probeerden de rol op te helderen van de gemelde activiteit van metformine als mitochondriale complex I remmer in de versterking van DCA cytotoxiciteit in het VM-M3 model van GBM. Wij toonden aan dat metformine de door DCA geïnduceerde superoxideproductie versterkte en dat dit nodig was voor de verhoogde cytotoxiciteit voor VM-M3-cellen met de combinatie. Evenzo versterkte rotenon de oxidatieve stress als gevolg van DCA-behandeling en ook dit was nodig voor de geconstateerde verhoging van de cytotoxiciteit. Activering van adenosinemonofosfaat kinase (AMPK) werd niet waargenomen bij de concentratie metformine die nodig was om de activiteit van DCA te verhogen. Bovendien verhoogde toevoeging van een AMPK-activator de cytotoxiciteit van DCA niet, terwijl een AMPK-remmer de cytotoxiciteit van de combinatie verhoogde. Wij tonen ook aan dat DCA en metformine de tumorlast verminderen en de overleving in muizen met VM-M3 tumoren verlengen als individuele behandelingen. In tegenstelling tot ons in vitro werk, hebben we in vivo geen synergie waargenomen tussen DCA en metformine. Onze gegevens wijzen erop dat de versterking van de cytotoxiciteit van DCA door metformine afhankelijk is van remming van complex I. In het bijzonder, dat complex I remming samenwerkt met DCA-inductie van glucose oxidatie om cytotoxische oxidatieve stress in VM-M3 GBM cellen te versterken. Dit werk ondersteunt verder onderzoek en optimalisatie van een DCA/metformine combinatie als een potentiële pro-oxidant combinatietherapie voor GBM.


Trefwoorden: Kanker metabolisme, mitochondriale glucose oxidatie, complex I remming, oxidatieve stress, DCA, metformine

Copyright © 2017, Nathan P. Ward


KANKER METABOLISME

Hoofdstuk Samenvatting

Hierin geven we een overzicht van de metabole programma’s die tumoren gebruiken om te voldoen aan de biosynthetische eisen van tumorigenese. Het metabolisme van tumoren is nauw verbonden met de kenmerken van de ziekte en biedt kankercellen een overlevingsvoordeel in reactie op de stress die wordt opgelegd door de tumormicro-omgeving. Inzicht in de metabole kenmerken van tumoren vormt de basis voor een rationele aanpak van deze metabole afhankelijkheden als therapeutische strategie. In dit hoofdstuk worden ook de huidige benaderingen voor het aanpakken van het kankermetabolisme besproken.

Veranderd energiemetabolisme

Kanker wordt traditioneel beschouwd als een genetische ziekte, gekenmerkt door genomische instabiliteit en frequente mutatie die samenwerken om een aparte cellulaire omgeving te bevorderen die ongebreidelde proliferatie mogelijk maakt (1). Genomische sequentiebepaling van tumoren heeft een groot aantal voor geneesmiddelen geschikte mutaties aan het licht gebracht die het onderzoek en de farmaceutische ontwikkeling hebben gestimuleerd. Helaas heeft de belofte van bemoedigende preklinische bevindingen zich vaak niet vertaald in klinische werkzaamheid. Dit heeft het veld ertoe aangezet aanvullende kenmerken van tumorontwikkeling en ziekteprogressie te overwegen en alternatieve strategieën voor kankerbeheer te bedenken (1).

Het resultaat van dit initiatief was een hernieuwde waardering voor de specifieke metabole activiteit van tumoren (2). Naast de ontregeling van de celcyclus en het verlies aan kwaliteitscontrole van desoxyribonucleïnezuur (DNA) waarmee de proliferatie van kankercellen gepaard gaat, is er een fundamentele vraag naar biomassa. Een ingewikkeld netwerk van metabolische routes komt samen om de moleculaire bouwstenen te genereren die nodig zijn voor de biosynthese (3). Het metabolisme van kankercellen is zo geregeld dat de voortdurende productie van nucleotiden, eiwitten en lipidemembranen die nodig zijn voor de proliferatie, mogelijk is en tegelijkertijd de energie en het reductiepotentieel genereert die nodig zijn voor de overleving van de cel (4). Het afgelopen decennium heeft het onderzoek naar het kankermetabolisme een methodologische renaissance in gang gezet om de metabole afhankelijkheid van kankercellen en het raakvlak tussen metabolisme en tumorbiologie te karakteriseren (5-8). Het belangrijkste is dat dit werk heeft aangetoond dat het aanpakken van het kankermetabolisme een duurzaam therapeutisch alternatief kan zijn voor de behandeling van deze verwoestende ziekte.

Aërobe vergisting
Het begrip eigenaardig metabolisme bij kanker is geen recent verschijnsel. Otto Warburg constateerde in het begin van de 20e eeuw voor het eerst een duidelijk verschil in het metabolisme van tumoren in vergelijking met normaal weefsel (9). Warburg rapporteerde dat tumoren aanzienlijk meer circulerende glucose opnamen dan normaal weefsel, en terwijl het normale weefsel zeer weinig lactaat genereerde, berekende Warburg dat 66% van de verbruikte glucose door de tumor werd omgezet in lactaat. Dit suggereert dat de tumoren voornamelijk glucose fermenteerden in plaats van met de suiker te ademen.

Glucose is de belangrijkste energiemetaboliet in het lichaam en wordt bij voorkeur door de meeste weefsels gemetaboliseerd. Bij binnenkomst in de cel wordt glucose gemetaboliseerd tot pyruvaat via de Embden-Meyerhof of glycolytische route. Pyruvaat wordt vervolgens ingevoerd in de mitochondriën, waar het volledig wordt geoxideerd tot kooldioxide (CO2) zolang zuurstof, de uiteindelijke elektronenacceptor van de elektronentransportketen, niet beperkt is. Weefsels worden onder normale fysiologische omstandigheden voldoende doorbloed, wat de toevoer van zuurstof vergemakkelijkt en mitochondriale respiratie van glucose mogelijk maakt. In de context van zuurstofbeperking, zoals in spieren tijdens zware inspanning, wordt pyruvaat door lactaatdehydrogenase (LDH) gefermenteerd tot lactaat.

Opmerkelijk aan de bevindingen van Warburg is dat de tumoren goed doorbloed waren en de zuurstof dus niet beperkt was (9). De tumoren fermenteerden dus bij voorkeur pyruvaat tot lactaat in een aërobe omgeving. Deze aërobe fermentatie van glucose wordt nu algemeen erkend als een kenmerkend fenotype van de meeste kankers en wordt nu het Warburg-effect genoemd (10). De robuuste opname van glucose door tumoren vormt in feite de basis voor diagnostische fluorodeoxyglucose positron emissie tomografie (FDG-PET) scanning (11).

Een afhankelijkheid van glycolytisch metabolisme lijkt contra-intuïtief voor robuuste proliferatie vanuit een bio-energetisch perspectief. Het genereren van de biomassa die nodig is voor celdeling hangt gedeeltelijk af van de potentiële energie die is opgeslagen in adenosinetrifosfaat (ATP), een bijproduct van bepaalde katabole reacties. Glycolyse is nogal inefficiënt qua energie, en genereert slechts 2 mol ATP per mol glucose, terwijl de volledige oxidatie van glucose ~36 mol ATP/mol glucose oplevert. Toch lijden kankercellen die dit Warburg-metabolisme vertonen niet aan een ATP-tekort (12). De omzetting van pyruvaat in lactaat door LDH is gekoppeld aan de oxidatie van gereduceerd nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) tot zijn geoxideerde vorm, NAD+ . De regeneratie van NAD+ zorgt voor een hoge cytosolische NAD+/NADH-verhouding die een snelle glycolytische flux mogelijk maakt, aangezien het glycolytische enzym glyceraldehydefosfaatdehydrogenase (GAPDH) NAD+ als cofactor nodig heeft.

Mitochondriaal Metabolisme
Op grond van zijn oorspronkelijke waarneming stelde Warburg dat aërobe fermentatie in tumoren een gevolg was van een onomkeerbare aantasting van de oxidatieve capaciteit die kankercellen belette voldoende energie te onttrekken aan het oxidatieve metabolisme (13). Er zijn aanwijzingen dat ATP-productie geen noodzakelijke functie is van kankermitochondriën, maar dat het mitochondriaal metabolisme van cruciaal belang is voor de proliferatie van kankercellen (14). In principe zou de overvloedige generatie van lactaat als gevolg van het Warburg-effect de flux van pyruvaat naar de mitochondriën kunnen beperken, waar het gemakkelijk wordt gemetaboliseerd tot acetyl-co-enzym A (acetyl-CoA) en CO2 via het pyruvaat-dehydrogenase (PDH)-complex.

Acetyl-CoA is een kritische koolstofdrager die op grote schaal wordt gebruikt in het centrale koolstofmetabolisme. Acetyl-CoA is nodig voor de continue stroom van de citroenzuurcyclus (TCA), die de reductie-equivalenten NADH en gereduceerd Flavine-Adenine-Dinucleotide (FADH2) genereert. Deze reductie-equivalenten worden geoxideerd door eiwitcomplexen in of geassocieerd met het binnenste mitochondriale membraan (IMM) in reacties die het vrijkomen van elektronen koppelen aan de beweging van protonen (H+ ) uit de mitochondriale matrix naar de intermembrane ruimte. De beweging van deze elektronen door latere eiwitcomplexen, die samen de elektronentransportketen (ETC) vormen, is ook gekoppeld aan de beweging van H+ over het IMM. De translocatie van deze H+ genereert een protonmotieve kracht en membraanpotentiaal over de IMM. ATP-synthase benut deze protonmotiefkracht om de beweging van H+ terug in de matrix te koppelen aan de generatie van ATP uit adeninedifosfaat (ADP) en anorganisch fosfaat (Pi).

De tussenproducten van de TCA-cyclus leveren niet alleen de reductie-equivalenten voor oxidatieve fosforylering, maar zijn ook belangrijk voor de biosynthese van cruciale macromoleculen. Een verminderde flux van glucose-koolstof door het PDH-complex zou dus de TCA-cyclus beperken en de niveaus van TCA-cyclus-intermediairen verlagen. Kankercellen, vooral in cultuur, hebben het glutaminemetabolisme verhoogd om tekorten in de glucose-koolstofflux door de TCA-cyclus te compenseren (15). Glutamine is een anaplerotisch aminozuur dat in de mitochondriën door glutaminase (GS) wordt omgezet in glutamaat. Glutamaat kan vervolgens worden gedeamineerd tot ⍺-ketoglutaraat (⍺-KG), een tussenproduct van de TCA-cyclus. ⍺-KG kan vervolgens bijdragen aan de aanvulling van volgende tussenproducten door traditionele flux door de cyclus of worden omgezet in de upstream metaboliet, isocitraat, door isocitraat dehydrogenase 2 (IDH2)-gemedieerde reductieve carboxylering.

In bepaalde tumorsoorten kunnen de vertakte-keten aminozuren (BCAA’s) leucine en valine worden gebruikt als anaplerotische substraten (5). Bovendien kan glucose koolstof op een PDH-onafhankelijke manier in de TCA-cyclus terechtkomen via pyruvaat carboxylase (PC), dat cytosolisch pyruvaat omzet in oxaloacetaat. Dit oxaalacetaat wordt vervolgens omgezet in malaat via malaatdehydrogenase (MDH). Malaat kan worden opgenomen in de mitochondria via de malaat-aspartaat shuttle en worden opgenomen in de TCA-cyclus. Samen bieden deze routes alternatieve middelen om de TCA-functie in stand te houden.

De komst van isotopengelabelde metaboliettracering heeft aangetoond dat aërobe fermentatie de glucoseoxidatie niet volledig beperkt, maar dat de tracering van 13C-glucose metabolische flux gelijktijdige fermentatie en oxidatie van glucose koolstof in bepaalde kankers laat zien (16). Het cellulaire energiemetabolisme is afhankelijk van de gereguleerde verplaatsing van elektronen tussen metabole tussenproducten en enzymatische cofactoren via een reeks oxidatief-reductiereacties (redox). Recent bewijs suggereert dat mitochondriale oxidatie cruciaal is voor de celdeling, onafhankelijk van de productie van ATP.

Stimulering van de ETC-activiteit door oxidatie van reductie-equivalenten bevordert het redoxevenwicht door regeneratie van NAD+ en geoxideerd flavine adenine dinucleotide (FAD+ ), die kritieke elektronenacceptoren zijn. Elektronenacceptoren zijn noodzakelijk voor een continue metabole stroom, vooral om te voldoen aan de biosynthetische eisen van een snelle proliferatie (17). Zuurstof dient als de uiteindelijke elektronenacceptor in het oxidatieve metabolisme en deze reductie van zuurstof wordt beschouwd als het meest vitale aspect van het mitochondriale oxidatieve metabolisme voor prolifererende cellen (18). Het aminozuur aspartaat blijkt ook te dienen als essentiële elektronenacceptor voor proliferatie (17, 18).

Het behoud van de mitochondriale membraanpotentiaal (ΔΨm) is in het algemeen afhankelijk van de voortdurende gereguleerde stroom elektronen door de ETC als gevolg van het oxidatieve metabolisme. Het behoud van ΔΨm is cruciaal voor de proliferatiecapaciteit van cellen, onafhankelijk van de koppeling met ATP-productie (19). Kankermitochondriën zijn vaak hypergepolariseerd, wat wijst op een inefficiënte flux van H+ terug naar de matrix ten behoeve van ATP-productie (20).

Naast glucose kunnen vetzuren dienen als substraat voor mitochondriaal oxidatief metabolisme. De bèta-oxidatie van vetzuren (FAO) levert acetyl-CoA op, dat wordt opgenomen in de TCA-cyclus, en NADH en FADH2 voor elektronentransport en de mogelijke opwekking van ATP. FAO blijkt essentieel te zijn voor overleving en groei onder omstandigheden van metabole stress (21). Bepaalde hematopoëtische maligniteiten vertonen een verhoogd FAO (22, 23). Diffuus groot B-cel lymfoom (DLBCL) blijkt grotendeels afhankelijk te zijn van FAO om het ATP-niveau in de cel op peil te houden. Terwijl leukemiecellen vaak een verhoogd FAO vertonen dat in verband wordt gebracht met het voorkomen van de toxische opbouw van vetzuren (21). Bovendien hebben sommige leukemiecellen FAO nodig voor het behoud van de cytosolische redoxbalans in de vorm van citraatafhankelijke gereduceerde nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADPH) generatie.

Behoud van het redox-evenwicht
Zoals hierboven vermeld, is het cellulaire metabolisme afhankelijk van de gecoördineerde beweging van elektronen via intermediaire metabolieten en de oxidatietoestand van belangrijke elektronendragers. Cellen maken gebruik van het reductievermogen van NADH en NAPDH voor de katabole en biosynthetische reacties die nodig zijn voor groei en levensvatbaarheid. De verhoudingen NAD+ /NADH en geoxideerd nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat (NADP+ )/NADPH zijn indicatoren van de redox-toestand van de cel. De metabolische flux en de activiteit van bidirectionele metabolische enzymen zijn afhankelijk van de status van deze verhoudingen. De redox-toestand van de cel is gecompartimenteerd binnen organellen, aangezien er verschillende metabole mechanismen zijn voor de regulering van NAD+/NADH en NADP+/NADPH in bijvoorbeeld het cytosol en de mitochondriale matrix. Deze zijn echter niet volledig onafhankelijk van elkaar, aangezien er mechanismen zijn voor de uitwisseling van metabolieten tussen compartimenten die wijzigingen in deze verhoudingen vergemakkelijken.

De handhaving van de NAD+/NADH-verhouding gebeurt voornamelijk in het cytosol via de glycolyse en via de TCA-cyclus in de mitochondriale matrix. Zoals eerder vermeld, vertonen kankercellen een verhoogde LDH-activiteit, die het door glycolyse gegenereerde NADH recycleert tot NAD+, waardoor de snelle glycolytische flux in verband met het Warburg-metabolisme wordt vergemakkelijkt (4). Het pendelen van pyruvaat tussen het cytosol en de matrix verbindt de NAD+/NADH-pools van de twee compartimenten en wordt bij kanker strak gereguleerd (24).

NADPH levert het reductievermogen voor biosynthese en is een kritische component van de cellulaire antioxidantcapaciteit, die beide later in dit overzicht uitvoerig worden besproken. Cytosolisch NADPH wordt gegenereerd via twee enzymatische reacties in de pentosefosfaatroute (PPP), via de omzetting van malaat in pyruvaat door het appelzuurenzym (ME) en de oxidatie van isocitraat tot ⍺-KG door IDH1. De uitwisseling van citraat tussen de matrix en het cytosol verbindt de NADPH-pools van de twee compartimenten. Reductieve carboxylering van glutamine blijkt bij te dragen aan de cytosolische NADPH-pools via citraat, dat door citraat lyase kan worden gemetaboliseerd tot oxaloacetaat en vervolgens tot malaat via MDH. Uiteindelijk wordt dit van citraat afgeleide malaat door ME omgezet in pyruvaat, waarbij NADPH wordt gegenereerd (25, 26). 13C-glutamine tracing heeft aangetoond dat een aanzienlijk deel van het mitochondriale NADPH afkomstig is van het folaatmetabolisme (27, 28). Andere factoren die bijdragen aan de matrix-NADPH-pool zijn IDH2 en het IMM-geassocieerde enzym nicotinamide nucleotide transhydrogenase (NNT), dat de protonmotiefkracht over de IMM en de reductiekracht van NADH benut om NADPH te genereren.

De redoxtoestand in de cel wordt ook beïnvloed door oxidatieve stress, een natuurlijk bijproduct van de stofwisseling. Oxidatieve stress wordt veroorzaakt door de generatie van zeer reactieve vrije radicale zuurstof- of stikstofhoudende soorten (ROS, RNS) die een hele reeks biologische functies hebben, zowel celondersteunend als cytotoxisch. Het elektronentransport is bijvoorbeeld geen volledig efficiënt proces. Elektronen kunnen voortijdig vrijkomen uit de ETC om moleculaire zuurstof te reduceren tot superoxide anion (-O2 – ). Dit gebeurt aan de matrixzijde van het IMM bij complex I (NADH-dehydrogenase) en complex II (succinaatdehydrogenase) van de ETC. Daarnaast kan -O2 – worden gegenereerd aan zowel de matrix- als de intermembraanruimte (IMS)-zijde van het IMM bij complex III (co-enzym Q: cytochroom c-oxidoreductase). -O2 – kan ook worden gegenereerd in het cytosol en de matrix via een NADPH-afhankelijk proces dat wordt gekatalyseerd door NADPH-oxidases (NOX’en).

In aanwezigheid van stikstofmonoxide (NO), een bijproduct van het argininemetabolisme, draagt superoxide bij tot de vorming van het zeer reactieve peroxynitriet-ion (ONOO- ). Bovendien kan dit -O2- door superoxidedismutases (SOD’s) worden gedismuteerd tot waterstofperoxide (H2O2). H2O2 kan vervolgens door een aantal enzymatische systemen worden ontgift tot water. Peroxiredoxines (PRXs) ondergaan H2O2-gemedieerde oxidatie die een katalytische cyclus in gang zet waarin thioredoxine (TRX), thioredoxinereductase (TrxR) en NADPH samenwerken om gereduceerde PRXs te regenereren. Glutathionperoxidasen (GPX’en) gebruiken gereduceerd glutathion (GSH) om H2O2 te ontgiften. Glutathionreductase gebruikt vervolgens NADPH om het geoxideerde glutathion (GSSG) om te zetten in GSH. Tenslotte kan ook catalase H2O2 omzetten in water. In aanwezigheid van ijzerhoudende (Fe2+) of koperhoudende (Cu+ ) ionen kan H2O2 via Fentonreacties hydroxylradicalen (-OH) genereren.

Samen dragen deze ontgiftende enzymen bij tot de antioxidantcapaciteit van de cel, die de accumulatie voorkomt van vrije radicalen die oxidatieve stress versterken. De transcriptionele regulering van deze enzymen wordt geregeld door de hoofdregulator van de cellulaire antioxidantmachine, kernfactor-achtige 2 (Nrf2). De activiteit van Nrf2 wordt gestimuleerd door oxidatieve stress, wat resulteert in de upregulatie van een groot aantal ontgiftende enzymen en een stofwisselingsprogramma dat de antioxidantcapaciteit verhoogt. Het evenwicht tussen de productie van ROS en RNS en de ontgifting door antioxidanten beïnvloedt in hoge mate de celfunctie en -levensvatbaarheid en is een kritische component van tumorigenese (29).

Gevolgen van kanker metabolisme

Tumoren bestaan als een heterogene populatie van cellen die onder zware selectiedruk staan die een evolutionaire respons aandrijft. De tijdens de tumorigenese verworven mutaties moeten ofwel een overlevingsvoordeel opleveren, ofwel passief ongebreidelde proliferatie mogelijk maken (1, 2). Tumoren zijn onderworpen aan de beperkingen van natuurlijke selectie en tegen mutaties die de fitness van kankercellen verminderen wordt uiteindelijk geselecteerd (30). Aangezien een veranderd celmetabolisme een consistent kenmerk is van kanker, moet er een overlevingsvoordeel verbonden zijn aan het metabolisme van neoplastische cellen. Hierin beschrijf ik de gevolgen van het kankermetabolisme die een overlevingsvoordeel opleveren voor kankercellen en bijdragen tot ziekteprogressie.

VERWIJZINGEN


1

Gerelateerde inhoud:

Geef een reactie