📖 24 mins.

Иоанна Папандреу, Тереза Голясова и Николас К. Денко

Кафедра радиационной онкологии, отделение радиационной и онкологической биологии, Медицинская школа Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния

Ключевые слова: метаболизм опухоли, пируватдегидрогеназа, эффект Варбурга, ингибиторы метаболизма

Сокращения: DCA: дихлорацетат; HIF1: гипоксия-индуцибельный фактор 1; LDH: лактатдегидрогеназа; PDC: пируватдегидрогеназный комплекс; PDH: пируватдегидрогеназа; PDK: киназа пируватдегидрогеназы; PDP: фосфатаза пируватдегидрогеназы

Переписка по адресу: Николас К. Денко, отделение радиационной онкологии, отдел радиационной и онкологической биологии, Медицинская школа Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния, 94305, США
Тел.: 650-724-5066, Факс: 650-723-7382,
E-mail: [email protected]

Получено: 22 июля 2010 г.
Принято: Принято 30 сентября 2010
Онлайн: 18 октября 2010

DOI: 10.1002/ijc.25728


За последние 20 лет количество статей, содержащих «метаболизм опухоли», увеличилось с 3 до 28 в год, а количество цитирований этих статей — с 23 до 929 в год (статистические данные ISI, Thompson Reuters). Возрожденный интерес к пониманию механизмов и последствий изменения метаболизма опухолей явно захватил воображение научного сообщества. Идея о том, что опухоли имеют измененный метаболизм, была впервые признана лауреатом Нобелевской премии биохимиком Отто Варбургом при описании метаболизма глюкозы.1 В последнее время концепция о том, что опухоли отличаются метаболизмом, стала охватывать и другие характеристики, такие как глутаминолиз, окисление жирных кислот и биогенез липидов. Очевидно, что в клетках, которые постоянно делятся, существует другой метаболический спрос, который приводит к этим изменениям, по сравнению с окончательно дифференцированными клетками. Обнаружение этих изменений привело к возможности их терапевтического воздействия на раковые клетки в силу их уникальной важности.2
Была предложена концепция, согласно которой метаболические изменения являются ответом на уникальные требования внутри опухоли,3 даже если эти требования трудно оценить количественно. Существует взаимодействие между онкогенными изменениями в опухолевой клетке и уникальными аспектами микроокружения опухоли, которые влияют на клеточный метаболизм и наоборот (рис. 1). Поэтому трудно установить точные метаболические потребности в опухоли, изучая клетки опухоли, выращенные ex vivo. Условия окружающей среды, используемые для выращивания клеток в культуре, сильно отличаются от условий окружающей среды in vivo. Среда Дульбекко с высоким содержанием глюкозы, модифицированная средой Иглса, и атмосфера с 21% кислорода сильно отличаются от гипоксических и/или гипогликемических условий, обнаруженных в опухоли.4,5 Концентрация глюкозы 25 мМ примерно в пять раз превышает нормальный уровень в крови, а напряжение кислорода по крайней мере в четыре раза выше, чем в естественных условиях. Тот факт, что клетки купаются в этих метаболических субстратах, значительно изменяет присущие им метаболические программы.4,6 Повышенная концентрация глюкозы благоприятствует гликолизу (эффект Крабтри7 ), а повышенное содержание кислорода приводит к увеличению побочных продуктов кислорода и сокращению продолжительности жизни клеток.8 Метаболизм глюкозы иллюстрирует взаимодействие этих трех факторов в опухоли. Онкогенная трансформация стимулирует пролиферацию опухолевых клеток больше, чем пропускная способность сосудов, создавая гипоксию. Гипоксия в микроокружении опухоли усиливает гликолитический метаболизм, в основном за счет активации фактора транскрипции hypoxiainducible factor 1 (HIF1).9 Усиленный гликолиз приводит к увеличению производства лактата, что способствует повышению кислотности внеклеточного рН и дальнейшим изменениям в экспрессии генов.10 Как гипоксия, так и ацидоз могут способствовать повышению уровня соматических мутаций, которые могут способствовать прогрессированию опухоли.11,12 Очевидно, что воспроизвести эти сложные взаимодействия в клетках, выращенных in vitro, очень сложно.

Рисунок 1. Взаимодействие между онкогенными изменениями в опухолевых клетках, с уникальной доступностью метаболитов в микроокружении опухоли, с метаболической потребностью и адаптационными возможностями опухолевых клеток. Обратите внимание, что все три фактора влияют друг на друга.


Часть взаимодействия между микроокружением и метаболизмом опухолевых клеток происходит через адаптивный ответ на динамические изменения в клеточном предложении и спросе на метаболиты. Тот простой факт, что мы можем измерить области гипоксии и ацидоза в опухолях, указывает на то, что сосуды опухоли не поддерживают постоянную среду для роста опухолевых клеток.13 Сосудистая сеть опухоли представляет собой узкое место в доставке питательных веществ и удалении продуктов жизнедеятельности из опухоли.4 Недостаточное снабжение из сосудов опухоли инициирует адаптивную реакцию опухолевых клеток, направленную на снижение потребности в ограниченных метаболитах. Этот динамический процесс трудно смоделировать in vitro (рис. 2). Например, низкий уровень кислорода в опухоли вызывает фактор транскрипции HIF1 и его метаболическую программу.9 Часть метаболической программы, инициированной HIF1, заключается в снижении потребности в кислороде путем уменьшения функции митохондрий. Часть этого ответа опосредуется через HIF1-зависимую индукцию PDK1 и PDK3 в опухолевых клетках и снижение окисления пирувата в митохондриях.14-17 Этот адаптивный ответ отвечает за приближение потребности в кислороде к его ограниченному предложению.

Рисунок 2. Концепция сосудистого узкого места, ограничивающего поступление метаболитов в опухолевые клетки. Панель (a) описывает условия in vitro, где существует практически неограниченное предложение метаболитов и кислорода, так что потребление не влияет на внутриклеточные концентрации, а предложение всегда превышает спрос. Панель (b) описывает условия in vivo, когда опухоль питается за счет неадекватной опухолевой сосудистой сети. Опухоль всегда находится в состоянии метаболического дефицита, а предложение недостаточно для удовлетворения спроса. Тонкие изменения метаболического спроса в опухоли могут значительно повлиять на общий уровень лимитирующих метаболитов.


Дихлорацетат (ДХА) способен нарушить адаптацию к гипоксии опухоли путем ингибирования функции PDKs (рис. 3). Блокирование адаптивного ответа на гипоксию наиболее четко наблюдается, когда опухоль в целом испытывает дефицит кислорода, и сосудистая сеть опухоли не может ответить на этот повышенный спрос.18 Даже когда опухолевые клетки помещены в гипоксию, в окружающей среде достаточно кислорода (1-2%) для поддержания стабильного, хотя и низкого кислородного состояния внутри клетки даже при добавлении ДХА. Скорость диффузии в клетки выше скорости потребления, поэтому внутриклеточный уровень кислорода не зависит от скорости потребления (если только не использовать очень большое количество клеток в стеклянной посуде, которая препятствует диффузии кислорода через пластик14). В этой статье мы приводим анализ опубликованных данных о DCA как примере препарата, предназначенного для воздействия на метаболизм опухоли, который подтверждает нашу гипотезу о том, что этот класс препаратов оказывает совершенно иное воздействие на опухолевые клетки, растущие in vivo с созданным сосудистой сетью метаболическим узким местом, по сравнению с их воздействием на клетки, выращенные in vitro.

Рисунок 3. Регуляция активности пируватдегидрогеназы метаболитами, киназами пируватдегидрогеназы (PDKs), фосфатазами пируватдегидрогеназы (PDPs) и дихлорацетатом (DCA). Последствия этих изменений для клеточного метаболизма показаны внизу: общий метаболизм смещается от гликолитического к окислительному на основе активности PDH.

Пируватдегидрогеназный комплекс

Ингибирование функции митохондрий так же важно, как и усиление гликолиза, для возникновения эффекта Варбурга. Одним из основных регуляторов функции митохондрий является пируватдегидрогеназный комплекс (PDC), который катализирует необратимое декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА, CO2 и NADH. Управление PDC контролирует поступление углеводов, полученных из углеводов, в митохондрии. Эта реакция играет центральную роль в регулировании как митохондриальных путей получения энергии (цикл трикарбоновых кислот (ТКК) и окислительное фосфорилирование (OXPHOS)), так и генерации промежуточных продуктов биосинтеза, таких как цитрат. PDC состоит из трех каталитических компонентов, пируватдегидрогеназы (E1), дигидролипоамидтрансацетилазы (E2) и дигидролипоамиддегидрогеназы (E3), которые организованы в большие мультимерные комплексы вместе со структурной субъединицей E3 binding protein (E3BP). Основное ядро пируватдегидрогеназного компонента E1 представляет собой гетеротетрамер из двух альфа- и двух бета-субъединиц (α2β2) и катализирует первый этап декарбоксилирования пирувата. Активность комплекса в значительной степени регулируется обратимым фосфорилированием трех сериновых остатков E1α. Пируватдегидрогеназные киназы (PDK1-4) инактивируют PDC, а пируватдегидрогеназные фосфатазы (PDP1-2) активируют/реактивируют его (рис. 3).
Различные изоформы PDK различаются по своим регуляторным свойствам, тканевому распределению и модуляции вышележащими метаболическими сигналами. Это приводит к динамическому, органоспецифическому контролю функции митохондрий и производства энергии. Ферментативные анализы показали, что PDK различаются по своей специфичности в отношении трех целевых сайтов E1α и кинетическим параметрам фосфорилирования. PDK1 — единственная изоформа, способная фосфорилировать все три сайта, тогда как PDK2-4 фосфорилируют сайты 1 и 2 с разной скоростью in vitro. 19,20 Фосфорилирование даже одного из шести сайтов E1a в гетеротетрамере достаточно для инактивации PDC, и считается, что максимально три из возможных шести сайтов тетрамера E1 могут быть фосфорилированы в любой момент времени.21,22 Пространственно-временные изменения в уровнях и активности фосфатаз PDC (PDP1-2) также являются регулирующими. Дефосфорилирование in vitro кажется случайным; оба изофермента способны дефосфорилировать три сайта E1 рекомбинантных мутировавших субстратов.23

Дихлорацетат: Ингибитор PDK

DCA был идентифицирован как активатор пируватдегидрогеназы благодаря его способности стимулировать ферментативную активность PDC в перфузируемой модели сердца крысы.24 Теперь известно, что этот миметик пирувата действует путем ингибирования действия PDK. Была получена кристаллическая структура PDK2 в комплексе с DCA, и она показывает, что DCA занимает сайт связывания пирувата в N-концевом регуляторном (R) домене.25 Четыре изофермента значительно различаются по чувствительности к ингибированию DCA. PDK2 наиболее чувствителен, PDK3 наиболее устойчив, а PDK1 и PDK4 относительно чувствительны.26,27
Лечение молочнокислого ацидоза с помощью DCA
Безопасность и эффективность DCA была оценена в случаях врожденного и приобретенного молочнокислого ацидоза. Лечение ДКА эффективно снижает уровень лактата в крови за счет стимуляции окисления пирувата, однако остается неизвестным, может ли ДКА улучшить прогноз пациентов с этими синдромами.28,29 Предполагается, что наибольшую пользу от хронического лечения ДКА могут получить маленькие дети с дефицитом PDH.30 Наиболее значимым побочным эффектом длительного приема ДКА является обратимая периферическая нейропатия.31,32 Тяжесть токсичности зависит от возраста, причем взрослые пациенты более восприимчивы, чем дети.31,33 Причины такого расхождения не совсем ясны, но, возможно, они связаны с различной фармакокинетикой и метаболизмом ДКА в двух возрастных группах.34 ДКА также использовался в клинических испытаниях при заболеваниях сердца, включая застойную сердечную недостаточность и ишемическую болезнь сердца, показывая положительные результаты и улучшая работу миокарда.35,36
ДКА как потенциальная терапия рака
В последние годы ДКА привлек к себе внимание как потенциально простое и экономичное средство для воздействия на гликолитические опухоли при ограниченных побочных эффектах в окислительных здоровых органах. Интерес к этому препарату со стороны научного сообщества, онкологических больных и средств массовой информации возник в 2007 году, после того как группа из Университета Альберты сообщила, что DCA обладает уникальной токсичностью в отношении линий раковых клеток человека и подавляет рост ксенотрансплантатов опухоли легких A549 у крыс.37 С тех пор появляющиеся сообщения об эффективности DCA in vitro и in vivo выявили некоторые интересные и одновременно загадочные характеристики, которые отличают DCA от большинства препаратов, разработанных в качестве противораковых средств (Таблица 1). Количество различных типов рака и экспериментальных стратегий, протестированных на сегодняшний день, слишком ограничено, чтобы можно было сделать обобщенные выводы об эффективности DCA против всех видов опухолей. С этой оговоркой, качественное сравнение литературных данных позволяет предположить, что DCA проявляет больше противоракового эффекта in vivo, чем противоракового клеточного эффекта in vitro.

Тип рака СсылкиВлияние на выживаемость и рост
Исследования in vitro
Легкие, глиобластома, молочная железа 37Апоптоз in vitro, ингибирование роста ксенотрансплантата
Простата38Ингибирование роста in vitro, умеренная радиосенсибилизация
Эндометрий39Ингибирование роста
Цервикальный40Преимущество роста в условиях гипоксии in vitro
Голова и шея41Ингибирование роста in vitro только в сверхэкспрессирующих mutND2 клетках
Педиатрия42Апоптоз при высоких концентрациях in vitro, некоторое влияние на ответ на химиотерапию
Колоректальный43Апоптоз при очень высоких концентрациях
Доклинические модели
Колоректальная44Незначительное влияние на рост, усиление гипоксии с помощью HRE-люциферазы, сенсибилизация к гипоксическим цитотоксинам
Колоректальная18Незначительное влияние на рост, усиление гипоксии при ПЭТ с 18F-FAZA, чувствительность к гипоксическим цитотоксинам
Доклинические модели17Ингибирование роста ксенотрансплантата
Колоректальный45Ингибирование роста ксенотрансплантата
Колоректальная46Защищал от аноксии in vitro, способствовал росту ксенотрансплантата SW480
Колоректальная, молочная железа, ПМЛ, простата47Активен только против клеток с дефектной электронно-транспортной цепью
Молочная железа48Ингибирование роста и метастазирования ксенотрансплантата
Данные по пациентам
Глиобластома49Клинически стабильное заболевание in vivo, снижение HIF1, повышение p53 ex vivo
Таблица 1. Резюме опубликованных in vitro, доклинических и клинических исследований, оценивающих противораковые эффекты DCA. Некоторые исследования проводились как in vitro, так и на модельных опухолях, например, Bonnet et al. 2007


Исследования in vitro. Сообщалось, что DCA оказывает цитотоксическое действие in vitro, 37-40, при этом некоторые из них отвечают при клинически значимых концентрациях (0,5-1 мМ), в то время как другие требуют супрафармакологических уровней (10-100 мМ), а другие группы не обнаружили прямой токсичности in vitro. 18,41,42,47 Было выявлено одно условие, при котором клетки становятся чувствительными к ДКА, — мутации, нарушающие дыхательную функцию митохондрий,41,47 предполагая, что принудительная утилизация дефектной OXPHOS является токсичной. Поскольку кислородное голодание также снижает функцию митохондрий, было разумно предположить, что гипоксические клетки будут более чувствительны к ДКА. Однако эта гипотеза не подтвердилась, по крайней мере, в ограниченном количестве клеточных линий, протестированных на сегодняшний день. Умеренная гипоксия in vitro не повлияла на профиль клеточного цикла колоректальных клеток, обработанных DCA43 , или на репродуктивную жизнеспособность клеток рака поджелудочной железы, обработанных DCA (наши неопубликованные наблюдения). Интересно, что в другом исследовании было обнаружено, что сильная гипоксия (аноксия?) может быть защитной от DCA-индуцированного апоптоза в клетках колоректального рака.46 Причина этих расхождений неясна.
В целом, большинство данных поддерживают идею о том, что клинически значимые концентрации DCA (менее 1 мМ) не являются непосредственно цитотоксичными in vitro. Причиной такой очевидной клеточной устойчивости не является инактивация DCA в условиях культуры тканей или неспособность инактивировать PDKs, поскольку было показано, что DCA транзиторно увеличивает митохондриальную активность и разрушает мембранный потенциал митохондрий.18,37,50 Таким образом, основа ограниченного противоракового эффекта DCA в культуре, вероятно, кроется в сложной клеточной физиологии и огромном избытке метаболитов, присутствующих в культуральной среде.
Доклинические модели. Сообщения об активности DCA против модельных опухолей, выращенных на грызунах, обнадеживают, хотя есть отдельные случаи опухолевых линий, не реагирующих на лечение, и даже один пример ускоренного роста опухоли в ответ на DCA.46 Первое сообщение о противоопухолевой активности DCA было сделано Bonnet и др. 37 Авторы сообщили, что ксенотрансплантаты аденокарциномы легких A549, выращенные на обнаженных крысах, показали значительную задержку роста опухоли после лечения DCA, а некоторые экспериментальные группы даже продемонстрировали регресс опухоли. Эти эффекты были связаны с усилением апоптоза и снижением пролиферации. Используя те же клетки A549, Стоквин и др. 47 недавно подтвердили, что DCA подавлял рост модельных опухолей, хотя они обнаружили незначительную токсичность in vitro.
Наша группа сообщила, что ежедневное лечение DCA мышей с ксенотрансплантатами поджелудочной железы SU86.86 вызвало значительную задержку роста опухоли, а также увеличение гипоксической фракции опухолей. Мы предположили, что повышенное потребление кислорода митохондриями приводит к большей гипоксии, которая тормозит рост опухоли.17 В подтверждение этой модели ДКА увеличил степень гипоксии опухоли в колоректальных ксенотрансплантатах RKO, что было оценено с помощью репортеров люциферазы, управляемых HRE (элемент ответа на гипоксию)44 или позитронно-эмиссионной томографии с 18F-фторазомициномарабинозидом.18 Эта модель RKO показала очень скромное снижение роста опухолей, обработанных DCA, но резкие изменения оксигенации после DCA сенсибилизировали их к лечению цитотоксинами, активированными гипоксией, такими как тирапазамин44 или PR-104.18 Дополнительные работы других групп на моделях колоректального рака выявили значительную гетерогенность в ответе на DCA. Некоторые клеточные линии снижают скорость роста опухоли,45 в то время как другие либо не реагируют, либо даже растут быстрее.46 Кроме того, в крысиной модели аденокарциномы молочной железы интенсивный график лечения DCA позволил снизить количество макроскопических метастазов в легких.48 Эти доклинические модели подтверждают концепцию, что DCA способен модулировать метаболизм опухоли in vivo, что приводит к большему или меньшему противоопухолевому эффекту в зависимости от тестируемой модели.
Данные клинических испытаний. Первые данные по оценке DCA для лечения рака человека были получены недавно.49 В этом исследовании DCA использовался в комбинации с хирургическим вмешательством, темозоломидом и облучением для лечения пяти пациентов с глиобластомой. Хотя авторы сообщают о многообещающих клинических результатах у четырех из пяти пациентов, основное внимание в докладе было уделено ex vivo анализу опухолевых клеток до и после лечения DCA. Авторы сообщают об изменении мембранного потенциала митохондрий, увеличении количества митохондриальных кислородных радикалов и усилении апоптоза опухолевых клеток. Механические исследования выявили изменение уровня сигнала HIF1, активацию p53 и снижение ангиогенеза. Эти данные позволяют предположить, что DCA имеет множество механизмов действия, помимо ингибирования PDK. Очевидно, что для обобщения этих интересных результатов необходимо провести лечение большего числа пациентов, желательно из разных мест.

Организменная регуляция метаболизма

Гуморальные факторы роста и питания также могут влиять на ответ опухоли на метаболическое перепрограммирование. Регуляция активности опухолевых КПК in vivo еще не изучалась систематически, но знания, полученные нами в области метаболизма нормальных тканей, а также в эндокринологии и исследованиях ожирения, позволяют выдвинуть несколько интересных гипотез. Голодание увеличивает экспрессию PDK и снижает активность PDH в периферических органах в качестве стратегии поддержания стабильного снабжения углеводами мозга и других нейронных тканей. Например, голодание транскрипционно активирует PDK4 и PDK2 в печени, почках и других тканях.51,52 Глюкокортикоиды, тиреотропный гормон Т3 и свободные жирные кислоты также повышают уровень PDK4.53 Перекармливание и/или повышение уровня инсулина снижают транскрипцию PDK4 и реактивируют PDC. Аналогичным образом, голодание и диабет снижали уровень мРНК и белка PDP2, что было отменено повторным кормлением или лечением инсулином.54
Таким образом, множество входных сигналов, влияющих на активность PDH in vivo, могут повлиять на эффективность ДКА и других метаболически направленных препаратов. Доставка препарата во время голодания может иметь совершенно иной эффект по сравнению с сытым состоянием. Реакции на гуморальные условия, очевидно, отличаются для различных тканей и типов опухолей, и поэтому их трудно имитировать in vitro. Итак, можно ли оценить противоопухолевый эффект таких молекул, как DCA, in vitro? Многолетнее изучение большого количества линий опухолевых клеток, выращенных в культуре, показало, что они действительно сохраняют аномальные характеристики аэробного гликолиза in vitro, и поэтому являются ценным инструментом в изучении метаболизма рака.55 Однако этим системам присущи и ограничения, о чем свидетельствуют противоречивые данные в литературе при сравнении эффекта DCA в культуре клеток с доклиническими и клиническими результатами.
Предшествующий анализ представляет модель, согласно которой противораковый препарат, направленный на метаболизм и обладающий низкой токсичностью in vitro, может иметь значительный потенциал in vivo. Мы подчеркнули ограниченность метаболических субстратов в опухоли и системную регуляцию метаболизма гуморальными факторами, которые могут повысить эффективность препарата in vivo. Возможно и обратное, что препарат с хорошей активностью in vitro может быть малоэффективным in vivo. Влияние на токсичность нормальных тканей или метаболическое сотрудничество между типами клеток может ограничить эффективность препарата in vivo. Широко испытанный ингибитор метаболизма 2-дезоксиглюкоза обладает разумной противораковой активностью in vitro, но не может использоваться у пациентов из-за его негативного воздействия на нормальные ткани, которые зависят от потребления глюкозы. Ограничивающая дозу неврологическая токсичность возникает при уровне препарата намного ниже того, который необходим для противоракового эффекта в опухолях грызунов.56,57 В качестве альтернативы, возможно, что метаболическая кооперация между типами клеток или нормальными и опухолевыми клетками может обойти вызванный препаратом метаболический блок. Например, хотя лактат часто рассматривается как продукт метаболизма, он может использоваться в некоторых клетках в качестве топлива для работы митохондрий.58,59
Что касается сочетания DCA с существующими методами лечения, то доклинические данные пока не показывают очевидной схемы взаимодействия, которая позволила бы легко и рационально подобрать терапевтические схемы. Животные модели по-прежнему будут оставаться лучшим средством тестирования для эмпирического определения наиболее перспективных комбинаций. Мы показали, что благодаря своей способности увеличивать потребление кислорода, DCA усиливает гипоксию опухоли и сенсибилизирует ксенотрансплантированные опухоли поджелудочной железы и толстой кишки к гипоксическим цитотоксинам,18,44 поэтому интригующе представить себе план лечения, включающий эти два класса препаратов, которые оба предназначены для использования уникального гипоксического микроокружения опухоли.
О взаимодействии DCA с другими метаболическими модуляторами не сообщалось. Потенциальной мишенью для комбинированной терапии является лактатдегидрогеназа А (ЛДГА). Было показано, что генетическое или фармакологическое ингибирование LDHA повышает функцию митохондрий и ингибирует образование и прогрессирование опухолей на модели.60,61 В этой комбинированной схеме ингибитор LDHA блокирует превращение пирувата в лактат, а DCA направляет накопленный пируват на митохондриальное окисление. Если противоопухолевый эффект DCA обусловлен усилением функции митохондрий, то возможно, что сочетание ингибиторов PDK и LDHA приведет к еще большей скорости окисления митохондрий и более эффективному нарушению роста опухоли.
Узловые точки ключевых путей выживания, такие как путь PI3KAkt-mTOR, также являются предметом интенсивных усилий по разработке лекарств.62 Отчасти стимулирующие рост свойства этого пути обусловлены его способностью регулировать метаболизм и производство энергии с помощью прямых или косвенных механизмов. Например, онкогенная активация PI3K-Akt стимулирует поглощение глюкозы и аэробный гликолиз,63,64 тогда как активация Akt и mTORC1 увеличивает трансляцию мРНК Hif-1a в условиях гипоксии.65 Перспективные ингибиторы Akt и ингибиторы mTOR нового поколения проходят клинические испытания66,67 и представляют собой жизнеспособных кандидатов для комбинированной терапии с DCA для модуляции аэробного и гипоксического метаболизма.

Выводы

В заключение следует отметить, что последние знания об уникальном метаболизме солидной опухоли позволили выявить несколько новых, пригодных для лечения путей, которые могут преимущественно использоваться в опухолевых клетках по сравнению с нормальными клетками. Анализ противораковых препаратов-кандидатов, направленных на эти метаболические пути, потребует тщательного экспериментального дизайна, как in vitro, так и in vivo. Анализ опубликованных отчетов по изучению DCA показывает запутанный, а иногда и противоречивый спектр эффектов in vitro и in vivo. Генетические исследования в модельных опухолях дают убедительные доказательства того, что этот путь является хорошим кандидатом для терапевтического воздействия.68 Было бы очень полезно проанализировать потенциальную полезность DCA, если бы существовала какая-то молекулярная сигнатура, которая могла бы предсказать чувствительность к препарату как в модельных опухолях, так и в конечном итоге у пациентов. Возможно, тщательный анализ предполагаемой мишени DCA, фосфорилирования субъединицы E1α пируватдегидрогеназы, может предложить такую сигнатуру.

ССЫЛКИ


1 1. Warburg O, Wind F, Negelein E. The metabolism of tumors in the body. J Gen Physiol 1927;8:519-30.
2 Pan JG, Mak TW. Метаболический таргетинг как противораковая стратегия: рассвет новой эры? Sci STKE 2007;2007:pe14.
3 Deberardinis RJ, Sayed N, Ditsworth D, Thompson CB. Кирпичик за кирпичиком: метаболизм и рост опухолевых клеток. Curr Opin Genet Dev 2008;18:54-61.
4 Vaupel P. Физиология микроокружения опухоли и ее последствия для радиационной онкологии. Semin Radiat Oncol 2004;14:198-206.
5 Walenta S, Chau TV, Schroeder T, Lehr HA, Kunz-Schughart LA, Fuerst A, Mueller-Klieser W. Metabolic classification of human rectal adenocarcinomas: a novel guideline for clinical oncologists? J Cancer Res Clin Oncol 2003;129:321-6.
6 Gstraunthaler G, Seppi T, Pfaller W. Влияние условий культивирования, объема культуральной среды и содержания глюкозы на метаболические свойства культур почечных эпителиальных клеток. Являются ли почечные клетки в культуре ткани гипоксическими? Cell Physiol Biochem 1999;9:150-72.
7 Bloch-Frankenthal L, Ram D. The relationship between the Crabtree effect and the oxidative metabolism of glucose and carbohydrate intermediates in ascites tumor cells. Cancer Res 1959;19:835-42.
8ParrinelloS, Samper E, Krtolica A, Goldstein J, Melov S, Campisi J. Oxygen sensitivity severely limits the replicative lifespan of murine fibroblasts. Nat Cell Biol 2003;5:741-7.
9 Denko NC. Гипоксия, HIF1 и метаболизм глюкозы в солидной опухоли. Nat Rev Cancer 2008;8:705-13.
10 Chen JL, Lucas JE, Schroeder T, Mori S, Wu J, Nevins J, Dewhirst M, West M, Chi JT. Геномный анализ молочнокислого ацидоза и ответа на ацидоз в раковых опухолях человека. PLoS Genet 2008;4:e1000293.
11 Bindra RS, Gibson SL, Meng A, Westermark U, Jasin M, Pierce AJ, Bristow RG, Classon MK, Glazer PM. Гипоксиндуцированная даун-регуляция экспрессии BRCA1 под действием E2Fs. Cancer Res 2005;65: 11597-604.
12 Gatenby RA, Smallbone K, Maini PK, Rose F, Averill J, Nagle RB, Worrall L, Gillies RJ. Клеточные адаптации к гипоксии и ацидозу во время соматической эволюции рака молочной железы. Br J Cancer 2007;97:646-53.
13 Dewhirst MW, Cao Y, Moeller B. Cycling hypoxia and free radicals regulate angiogenesis and radiotherapy response. Nat Rev Cancer 2008;8:425-37.
14 Papandreou I, Cairns RA, Fontana L, Lim AL, Denko NC. HIF-1 опосредует адаптацию к гипоксии путем активного снижения митохондриального потребления кислорода. Cell Metab 2006;3:187-97.
15 Lu CW, Lin SC, Chen KF, Lai YY, Tsai SJ. Индукция киназы-3 пируватдегидрогеназы гипоксия-индуцибельным фактором-1 способствует метаболическому переключению и лекарственной устойчивости. J Biol Chem 2008;283:28106-14.
16 Kim JW, Tchernyshyov I, Semenza GL, Dang CV. HIF-1-опосредованная экспрессия киназы пируватдегидрогеназы: метаболический переключатель, необходимый для клеточной адаптации к гипоксии. Cell Metab 2006;3:177-85.
17 Chen Y, Cairns R, Papandreou I, Koong A, Denko NC. Потребление кислорода может регулировать рост опухолей, новый взгляд на эффект Варбурга. PLoS One 2009;4:e7033.
18 Cairns RA, Bennewith KL, Graves EE, Giaccia AJ, Chang DT, Denko NC. Фармакологически увеличенная гипоксия опухоли может быть измерена с помощью позитронно-эмиссионной томографии с 18F-фторазомицином арабинозидом и усиливает ответ опухоли на гипоксический цитотоксин PR-104. Clin Cancer Res 2009;15: 7170-4.
19 Колобова Е, Туганова А, Булатников И, Попов КМ. Регуляция активности пируватдегидрогеназы через фосфорилирование по нескольким сайтам. Biochem J 2001;358:69-77.
20 Korotchkina LG, Patel MS. Site specificity of four pyruvate dehydrogenase kinase isoenzymes towards the three phosphorylation sites of human pyruvate dehydrogenase. J Biol Chem 2001;276: 37223-9.
21 Sugden PH, Randle PJ. Регуляция пируватдегидрогеназы свиного сердца фосфорилированием. Исследования субъединичной и фосфорилирующей стехиометрии. Biochem J 1978;173:659-68.
22 Korotchkina LG, Patel MS. Исследования мутагенеза сайтов фосфорилирования рекомбинантной пируватдегидрогеназы человека. Сайт-специфическая регуляция. J Biol Chem 1995;270:14297-304.
23 Karpova T, Danchuk S, Kolobova E, Popov KM. Характеристика изоферментов фосфатазы пируватдегидрогеназы: последствия для регуляции активности пируватдегидрогеназы. Biochim Biophys Acta 2003;1652:126-35.
24 Whitehouse S, Randle PJ. Активация пируватдегидрогеназы в перфузированном сердце крысы дихлорацетатом (краткое сообщение). Biochem J 1973;134: 651-3.
25 Knoechel TR, Tucker AD, Robinson CM, Phillips C, Taylor W, Bungay PJ, Kasten SA, Roche TE, Brown DG. Регуляторные роли N-концевого домена на основе кристаллических структур киназы 2 пируватдегидрогеназы человека, содержащей физиологические и синтетические лиганды. Биохимия 2006;45:402-15.
26 Bowker-Kinley MM, Davis WI, Wu P, Harris RA, Popov KM. Доказательства существования тканеспецифической регуляции комплекса пируватдегидрогеназы млекопитающих. Biochem J 1998;329(Pt 1):191-6.
27 Baker JC, Yan X, Peng T, Kasten S, Roche TE. Заметные различия между двумя изоформами киназы пируватдегидрогеназы человека. J Biol Chem 2000; 275:15773-81.
28 Stacpoole PW, Greene YJ. Дихлорацетат. Diabetes Care 1992;15:785-91.
29 Stacpoole PW, Harman EM, Curry SH, Baumgartner TG, Misbin RI. Лечение молочнокислого ацидоза дихлорацетатом. N Engl J Med 1983;309:390-6.
30 Stacpoole PW, Kurtz TL, Han Z, Langaee T. Role of dichloroacetate in the treatment of genetic mitochondrial diseases. Adv Drug Deliv Rev 2008;60:1478-87.
31 Kaufmann P, Engelstad K, Wei Y, Jhung S, Sano MC, Shungu DC, Millar WS, Hong X, Gooch CL, Mao X, Pascual JM, Hirano M, et al. Dichloroacetate causes toxic neuropathy in MELAS: a randomized, controlled clinical trial. Неврология 2006;66: 324-30.
32StacpoolePW, Henderson GN, Yan Z, Cornett R, James MO. Фармакокинетика, метаболизм и токсикология дихлорацетата. Drug Metab Rev 1998;30: 499-539.
33 Stacpoole PW, Gilbert LR, Neiberger RE, Carney PR, Valenstein E, Theriaque DW, Shuster JJ. Оценка долгосрочного лечения детей с врожденным молочнокислым ацидозом дихлорацетатом. Pediatrics 2008;121:e1223-8.
34 Shroads AL, Guo X, Dixit V, Liu HP, James MO, Stacpoole PW. Кинетика и метаболизм дихлорацетата в зависимости от возраста: возможное отношение к токсичности. J Pharmacol Exp Ther 2008;324:1163-71.
35 Wargovich TJ, MacDonald RG, Hill JA, Feldman RL, Stacpoole PW, Pepine CJ. Миокардиальные метаболические и гемодинамические эффекты дихлорацетата при ишемической болезни сердца. Am J Cardiol 1988;61:65-70.
36 Bersin RM, Wolfe C, Kwasman M, Lau D, Klinski C, Tanaka K, Khorrami P, Henderson GN, de Marco T, Chatterjee K. Improved hemodynamic function and mechanical efficiency in congestive heart failure with sodium dichloroacetate. J Am Coll Cardiol 1994;23:1617-24.
37 Bonnet S, Archer SL, Allalunis-Turner J, Haromy A, Beaulieu C, Thompson R, Lee CT, Lopaschuk GD, Puttagunta L, Bonnet S, Harry G, Hashimoto K, et al. A mitochondria-Kþ channel axis is suppressed in cancer and its normalization promotes apoptosis and inhibits cancer growth. Cancer Cell 2007;11:37-51.
38 Cao W, Yacoub S, Shiverick KT, Namiki K, Sakai Y, Porvasnik S, Urbanek C, Rosser CJ. Дихлорацетат (DCA) сенсибилизирует клетки рака простаты как дикого типа, так и с избыточной экспрессией Bcl-2 in vitro к радиации. Prostate 2008;68:1223-31.
39 Wong JY, Huggins GS, Debidda M, Munshi NC, De Vivo I. Дихлорацетат индуцирует апоптоз в клетках рака эндометрия. Gynecol Oncol 2008;109: 394-402.
40 Anderson KM, Jajeh J, Guinan P, Rubenstein M. In vitro эффекты дихлорацетата и CO2 на гипоксические клетки HeLa. Anticancer Res 2009;29:4579-88.
41 Sun W, Zhou S, Chang SS, McFate T, Verma A, Califano JA. Митохондриальные мутации способствуют накоплению HIF1альфа через увеличение реактивных видов кислорода и up-regulated pyruvate dehydrogenease kinase 2 в сквамозной клеточной карциноме головы и шеи. Clin Cancer Res 2009;15:476-84.
42 Heshe D, Hoogestraat S, Brauckmann C, Karst U, Boos J, Lanvers-Kaminsky C. Метаболически направленная терапия дихлорацетатом побеждает цитотоксичность стандартных противораковых препаратов. Cancer Chemother Pharmacol 2010.
43 Madhok BM, Yeluri S, Perry SL, Hughes TA, Jayne DG. Дихлорацетат индуцирует апоптоз и остановку клеточного цикла в клетках колоректального рака. Br J Cancer 2010;102:1746-52.
44 Cairns RA, Papandreou I, Sutphin PD, Denko NC. Метаболический таргетинг гипоксии и HIF1 в солидных опухолях может усилить цитотоксическую химиотерапию. Proc Natl Acad Sci USA 2007;104:9445-50.
45 Sanchez-Arago M, Chamorro M, Cuezva JM. Отбор раковых клеток с подавленными митохондриями запускает прогрессию рака толстой кишки. Carcinogenesis 2010;31:567-76.
46 Shahrzad S, Lacombe K, Adamcic U, Minhas K, Coomber BL. Дихлорацетат натрия (DCA) снижает апоптоз при гипоксии колоректальных опухолей. Cancer Lett 2010;287:75-83.
47 Stockwin LH, Yu SX, Borgel S, Hancock C, Wolfe TL, Phillips LR, Hollingshead MG, Newton DL. Дихлорацетат натрия (DCA) избирательно нацелен на клетки с дефектами митохондриального ЭТЦ. Int J Cancer 2010;127:2510-19.
48SunRC, Fadia M, Dahlstrom JE, Parish CR, Board PG, Blackburn AC. Обращение гликолитического фенотипа дихлорацетатом подавляет рост метастатических клеток рака молочной железы in vitro и in vivo. Breast Cancer Res Treat 2010;120:253-60.
49 Michelakis ED, Sutendra G, Dromparis P, Webster L, Haromy A, Niven E, Maguire C, Gammer TL, Mackey JR, Fulton D, Abdulkarim B, McMurtry MS, et al. Metabolic modulation of glioblastoma with dichloroacetate. Sci Transl Med 2010;2: 31ra34.
50 Rardin MJ, Wiley SE, Naviaux RK, Murphy AN, Dixon JE. Мониторинг фосфорилирования пируватдегидрогеназного комплекса. Anal Biochem 2009;389:157-64.
51 Holness MJ, Sugden MC. Pyruvate dehydrogenase activities during the fed-to-starved transition and on re-feeding after acute or prolonged starvation. Biochem J 1989;258:529-33.
52 Huang B, Wu P, Bowker-Kinley MM, Harris RA. Регуляция экспрессии киназы пируватдегидрогеназы лигандами пероксисомного пролифератора-активированного рецепторальфа, глюкокортикоидами и инсулином. Diabetes 2002;51:276-83.
53 Attia RR, Connnaughton S, Boone LR, Wang F, Elam MB, Ness GC, Cook GA, Park EA. Регуляция киназы пируватдегидрогеназы 4 (PDK4) тиреоидным гормоном: роль коактиватора пероксисомного пролифератор-активируемого рецептора гамма (PGC-1 альфа). J Biol Chem 2010;285:2375-85.
54 Huang B, Wu P, Popov KM, Harris RA. Голодание и диабет снижают количество фосфатазы пируватдегидрогеназы в сердце и почках крыс. Diabetes 2003;52: 1371-6.
55 Wu M, Neilson A, Swift AL, Moran R, Tamagnine J, Parslow D, Armistead S, Lemire K, Orrell J, Teich J, Chomicz S, Ferrick DA. Многопараметрический метаболический анализ выявляет тесную связь между ослаблением биоэнергетической функции митохондрий и усилением зависимости от гликолиза в опухолевых клетках человека. Am J Physiol Cell Physiol 2007;292:C125-36.
56 Singh D, Banerji AK, Dwarakanath BS, Tripathi RP, Gupta JP, Mathew TL, Ravindranath T, Jain V. Optimizing cancer radiotherapy with 2-deoxy-d-glucose dose escalation studies in patients with glioblastoma multiforme. Strahlenther Onkol 2005;181:507-14.
57 Maher JC, Krishan A, Lampidis TJ. Большее ингибирование клеточного цикла и цитотоксичность, индуцированная 2-дезокси-D-глюкозой в опухолевых клетках, обработанных в гипоксических и аэробных условиях. Cancer Chemother Pharmacol 2004;53:116-22.
58 Sonveaux P, Vegran F, Schroeder T, Wergin MC, Verrax J, Rabbani ZN, De Saedeleer CJ, Kennedy KM, Diepart C, Jordan BF, Kelley MJ, Gallez B, et al. Targeting lactate-fueled respiration selectively kills hypoxic tumor cells in mice. J Clin Invest 2008;118:3930-42.
59KoukourakisMI, Giatromanolaki A, Harris AL, Sivridis E. Comparison of metabolic pathways between cancer cells and stromal cells in colorectal carcinomas: a metabolic survival role for tumor-associated stroma. Cancer Res 2006;66:632-7.
60 Fantin VR, St-Pierre J, Leder P. Attenuation of LDHA expression uncovers a link between glycolysis, mitochondrial physiology, and tumor maintenance. Cancer Cell 2006;9:425-34.
61 Le A, Cooper CR, Gouw AM, Dinavahi R, Maitra A, Deck LM, Royer RE, Vander Jagt DL, Semenza GL, Dang CV. Ингибирование лактатдегидрогеназы А вызывает окислительный стресс и тормозит опухолевую прогрессию. Proc Natl Acad Sci USA 2010;107:2037-42.
62 Mitsiades CS, Mitsiades N, Koutsilieris M. The Akt pathway: molecular targets for anti-cancer drug development. Curr Cancer Drug Targets 2004;4:235-56.
63 Elstrom RL, Bauer DE, Buzzai M, Karnauskas R, Harris MH, Plas DR, Zhuang H, Cinalli RM, Alavi A, Rudin CM, Thompson CB. Akt стимулирует аэробный гликолиз в раковых клетках. Cancer Res 2004; 64:3892-9.
64 Buzzai M, Bauer DE, Jones RG, Deberardinis RJ, Hatzivassiliou G, Elstrom RL, Thompson CB. Глюкозозависимость Akt-трансформированных клеток может быть отменена фармакологической активацией бета-окисления жирных кислот. Oncogene 2005; 24:4165-73.
65 Laughner E, Taghavi P, Chiles K, Mahon PC, Semenza GL. Сигнализация HER2 (neu) увеличивает скорость синтеза гипоксия-индуцибельного фактора 1альфа (HIF-1альфа): новый механизм для HIF-1-опосредованной экспрессии фактора роста эндотелия сосудов. Mol Cell Biol 2001;21:3995-4004.
66 Ghobrial IM, Gertz M, Laplant B, Camoriano J, Hayman S, Lacy M, Chuma S, Harris B, Leduc R, Rourke M, Ansell SM, Deangelo D, et al. Phase II trial of the oral mammalian target of rapamycin inhibitor everolimus in relapsed or refractory Waldenstrom macroglobulinemia. J Clin Oncol 2010;28:1408-14.
67 Meric-Bernstam F, Gonzalez-Angulo AM. Таргетинг сигнальной сети mTOR для лечения рака. J Clin Oncol 2009;27: 2278-87.
68 McFate T, Mohyeldin A, Lu H, Thakar J, Henriques J, Halim ND, Wu H, Schell MJ, Tsang TM, Teahan O, Zhou S, Califano JA, et al. Pyruvate dehydrogenase complex activity controls metabolic and malignant phenotype in cancer cells. J Biol Chem 2008;283:22700-8.

Связанный контент:

Добавить комментарий