Натан Патрик Уорд
Одобрено: 7 ноября 2016 г
Аннотация
Устойчивый гликолитический метаболизм глиобластомы мультиформной (ГБМ) доказал их восприимчивость к повышению окислительного метаболизма, индуцированного пируватным миметиком дихлорацетатом (ДХА). Недавние сообщения показывают, что противодиабетический препарат метформин усиливает повреждающий окислительный стресс, связанный с лечением DCA в раковых клетках. Мы попытались выяснить роль активности метформина как ингибитора митохондриального комплекса I в усилении цитотоксичности DCA в модели GBM VM-M3. Мы продемонстрировали, что метформин потенцировал DCA-индуцированную продукцию супероксида и что это было необходимо для усиления цитотоксичности клеток VM-M3 при использовании данной комбинации. Аналогично, ротенон усиливал окислительный стресс, возникающий при обработке DCA, и это также было необходимо для отмеченного усиления цитотоксичности. Активация аденозинмонофосфат киназы (AMPK) не наблюдалась при концентрации метформина, необходимой для усиления активности DCA. Более того, добавление активатора AMPK не усиливало цитотоксичность DCA, в то время как ингибитор AMPK усиливал цитотоксичность комбинации. Мы также показали, что DCA и метформин уменьшают опухолевое бремя и продлевают выживаемость у мышей с опухолью VM-M3 в качестве индивидуальной терапии. В отличие от нашей работы in vitro, мы не наблюдали синергизма между DCA и метформином in vivo. Наши данные показывают, что усиление метформином цитотоксичности DCA зависит от ингибирования комплекса I. В частности, ингибирование комплекса I взаимодействует с DCA-индукцией окисления глюкозы для усиления цитотоксического окислительного стресса в клетках VM-M3 GBM. Данная работа поддерживает дальнейшее исследование и оптимизацию комбинации DCA/метформин в качестве потенциальной прооксидантной комбинаторной терапии ГБМ.
Ключевые слова: Метаболизм рака, митохондриальное окисление глюкозы, ингибирование комплекса I, окислительный стресс, DCA, метформин
Copyright © 2017, Nathan P. Ward
МЕТАБОЛИЗМ РАКА
Синопсис главы
В этой главе мы представляем обзор метаболических программ, используемых опухолями для удовлетворения биосинтетических потребностей опухолевого генеза. Метаболизм опухолей неразрывно связан с отличительными чертами заболевания и обеспечивает раковым клеткам преимущество в выживании в ответ на стрессы, налагаемые опухолевой микросредой. Понимание метаболических характеристик опухолей создает основу для рационального воздействия на эти метаболические зависимости в качестве терапевтической стратегии. В этой главе также обсуждаются современные подходы к воздействию на метаболизм рака.
Измененный энергетический метаболизм
Рак традиционно считается генетическим заболеванием, характеризующимся нестабильностью генома и частыми мутациями, которые совместно способствуют созданию особой клеточной среды, позволяющей безудержную пролиферацию (1). Геномное секвенирование опухолей позволило выявить множество мутаций, нацеленных на лекарственные препараты, что послужило стимулом для исследований и разработки лекарств. К сожалению, обнадеживающие результаты доклинических исследований не всегда приводят к клинической эффективности. Это заставило специалистов рассмотреть дополнительные признаки развития опухоли и прогрессирования заболевания и разработать альтернативные стратегии лечения рака (1).
Результатом этой инициативы стало новое понимание особой метаболической активности опухолей (2). Помимо дисрегуляции клеточного цикла и потери контроля качества дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которые сопровождают пролиферацию раковых клеток, существует фундаментальная потребность в биомассе. Запутанная сеть метаболических путей сходится для создания молекулярных строительных блоков, необходимых для биосинтеза (3). Метаболизм раковых клеток устроен таким образом, что позволяет непрерывно производить нуклеотиды, белки и липидные мембраны, необходимые для пролиферации, и одновременно генерировать энергию и восстановительный потенциал, необходимые для выживания клеток (4). Последнее десятилетие исследований метаболизма раковых клеток ознаменовалось методическим ренессансом для характеристики метаболических зависимостей раковых клеток и пересечения метаболизма с биологией опухоли (5-8). Самое главное, эта работа продемонстрировала, что воздействие на метаболизм рака может стать устойчивой терапевтической альтернативой для лечения этого разрушительного заболевания.
Аэробная ферментация
Представление об особенностях метаболизма при раке возникло не так давно. Отто Варбург впервые заметил явные различия в метаболизме опухолей по сравнению с нормальной тканью в начале 20 века (9). Варбург сообщил, что опухоли поглощают значительно больше циркулирующей глюкозы, чем нормальные ткани, и в то время как в нормальных тканях образуется очень мало лактата, Варбург подсчитал, что 66% потребляемой глюкозы превращается в лактат в опухоли. Это говорит о том, что опухоли преимущественно ферментировали глюкозу, а не дышали сахаром.
Глюкоза является преобладающим энергетическим метаболитом в организме и преимущественно метаболизируется большинством тканей. Попадая в клетку, глюкоза метаболизируется до пирувата по пути Эмбдена-Мейергофа, или гликолитическому пути. Как правило, пируват затем импортируется в митохондрии, где он полностью окисляется до углекислого газа (CO2), пока кислород, конечный акцептор электронов в электронно-транспортной цепи, не ограничен. В нормальных физиологических условиях ткани адекватно перфузируются, что облегчает доставку кислорода и позволяет митохондриальное дыхание глюкозы. В условиях недостатка кислорода, например, в мышцах во время интенсивной физической нагрузки, пируват ферментируется до лактата лактатдегидрогеназой (ЛДГ).
Примечательным в выводах Варбурга является то, что опухоли, как сообщалось, хорошо перфузировались, и поэтому кислород не был ограничен (9). Следовательно, опухоли преимущественно ферментировали пируват до лактата в аэробной среде. Эта аэробная ферментация глюкозы сегодня широко признана как отличительный фенотип большинства раковых опухолей и теперь называется эффектом Варбурга (10). Фактически, активное поглощение глюкозы опухолями является основой для диагностического сканирования с помощью позитронно-эмиссионной томографии с фтордезоксиглюкозой (ФДГ-ПЭТ) (11).
Зависимость от гликолитического метаболизма кажется нелогичной для надежной пролиферации с точки зрения биоэнергетики. Генерация биомассы, необходимой для деления клеток, частично зависит от потенциальной энергии, запасенной в аденозинтрифосфате (АТФ), побочном продукте некоторых катаболических реакций. Гликолиз довольно неэффективен с энергетической точки зрения, вырабатывая всего 2 моль АТФ на моль глюкозы, тогда как полное окисление глюкозы дает ~36 моль АТФ/моль глюкозы. Тем не менее, раковые клетки, в которых наблюдается такой метаболизм Варбурга, не страдают от дефицита АТФ (12). Превращение пирувата в лактат с помощью LDH связано с окислением восстановленного никотинамид аденин динуклеотида (NADH) до его окисленной формы, NAD+ . Восстановление NAD+ поддерживает высокое цитозольное соотношение NAD+ /NADH, что обеспечивает быстрый гликолитический поток, поскольку гликолитический фермент глицеральдегид фосфат дегидрогеназа (GAPDH) требует NAD+ в качестве кофактора.
Митохондриальный метаболизм
Основываясь на своем оригинальном наблюдении, Варбург предположил, что аэробное брожение в опухолях является результатом необратимого повреждения окислительной способности, которое не позволяет раковым клеткам получать достаточное количество энергии за счет окислительного метаболизма (13). Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что производство АТФ не является необходимой функцией раковых митохондрий, однако митохондриальный метаболизм критически важен для пролиферации раковых клеток (14). В принципе, обильное образование лактата в результате эффекта Варбурга может ограничивать поток пирувата в митохондрии, где он легко метаболизируется до ацетил-коэнзима А (ацетил-КоА) и CO2 с помощью комплекса пируватдегидрогеназы (PDH).
Ацетил-КоА является важнейшим переносчиком углерода, который широко используется в центральном углеродном обмене. Ацетил-КоА необходим для непрерывного потока цикла лимонной кислоты (TCA), в котором образуются восстановительные эквиваленты NADH и восстановленный флавин аденин динуклеотид (FADH2). Эти восстановительные эквиваленты окисляются белковыми комплексами во внутренней митохондриальной мембране (IMM) или связанными с ней в реакциях, которые связывают высвобождение электронов с перемещением протонов (H+ ) из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Перемещение этих электронов через последующие белковые комплексы, которые в совокупности составляют электронно-транспортную цепь (ЭТЦ), также связано с перемещением Н+ через МММ. Транслокация этих H+ создает протонную движущую силу и мембранный потенциал в МММ. АТФ-синтаза использует эту протонную движущую силу, чтобы связать движение Н+ обратно в матрикс с генерацией АТФ из аденин-дифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (Pi).
Помимо обеспечения восстановительных эквивалентов для окислительного фосфорилирования, промежуточные продукты цикла ТСА важны для биосинтеза критических макромолекул. Снижение потока углерода глюкозы через комплекс PDH, таким образом, ограничивает циклирование ТСА и снижает уровень промежуточных продуктов цикла ТСА. Раковые клетки, особенно в культуре, повышают метаболизм глутамина, чтобы компенсировать дефицит потока углерода глюкозы через цикл ТСА (15). Глутамин является анаплеротической аминокислотой, которая преобразуется в глутамат в митохондриях под действием глутаминазы (GS). Затем глутамат может быть дезаминирован до ⍺-кетоглутарата (⍺-KG), промежуточного продукта цикла ТСА. затем ⍺-KG может способствовать пополнению запасов последующих промежуточных продуктов за счет традиционного потока через цикл или превращаться в метаболит верхнего уровня, изоцитрат, посредством изоцитратдегидрогеназы 2 (IDH2)-опосредованного восстановительного карбоксилирования.
В некоторых видах опухолей аминокислоты с разветвленной цепью (BCAA) лейцин и валин могут использоваться в качестве анаплеротических субстратов (5). Более того, углерод глюкозы может входить в цикл ТСА независимым от PDH образом через пируваткарбоксилазу (ПК), которая превращает цитозольный пируват в оксалоацетат. Затем оксалоацетат превращается в малат с помощью малатдегидрогеназы (MDH). Малат может быть доставлен в митохондрии через малат-аспартатный челнок и включен в цикл ТСА. Вместе эти пути обеспечивают альтернативные средства для поддержания функции ТСА.
Появление метода отслеживания метаболитов с изотопной меткой показало, что аэробная ферментация не полностью ограничивает окисление глюкозы, а отслеживание метаболического потока 13С-глюкозы показывает одновременную ферментацию и окисление углерода глюкозы в некоторых раковых опухолях (16). Клеточный энергетический метаболизм зависит от регулируемого перемещения электронов между промежуточными продуктами метаболизма и ферментативными кофакторами через серию окислительно-восстановительных (редокс) реакций. Последние данные свидетельствуют о том, что митохондриальное окисление имеет решающее значение для пролиферации клеток независимо от выработки АТФ.
Стимуляция активности ЭТЦ путем окисления восстановительных эквивалентов способствует восстановлению окислительно-восстановительного баланса за счет регенерации NAD+ и окисленного флавин аденин динуклеотида (FAD+ ), которые являются критическими акцепторами электронов. Акцепторы электронов необходимы для непрерывного метаболического потока, особенно в контексте удовлетворения биосинтетических потребностей быстрой пролиферации (17). Кислород служит конечным акцептором электронов в окислительном метаболизме, и восстановление кислорода считается наиболее важным аспектом митохондриального окислительного метаболизма для пролиферирующих клеток (18). Показано, что аминокислота аспартат также служит необходимым акцептором электронов для пролиферации (17, 18).
Поддержание мембранного потенциала митохондрий (ΔΨm) в целом зависит от постоянного регулируемого потока электронов через ЭТЦ в результате окислительного метаболизма. Сохранение ΔΨm является критическим для пролиферативной способности клеток независимо от его связи с производством АТФ (19). Фактически, раковые митохондрии часто гиперполяризованы, что свидетельствует о неэффективном потоке H+ обратно в матрикс для выработки АТФ (20).
В дополнение к глюкозе, жирные кислоты могут служить субстратом для митохондриального окислительного метаболизма. В результате бета-окисления жирных кислот (ФАО) образуется ацетил-КоА, который включается в цикл ТСА, а также NADH и FADH2 для переноса электронов и потенциальной генерации АТФ. Показано, что ФАО необходим для выживания и роста в условиях метаболического стресса (21). Некоторые гематопоэтические злокачественные опухоли демонстрируют повышенный уровень ФАО (22, 23). Диффузная крупноклеточная В-лимфома (DLBCL), по-видимому, в значительной степени полагается на FAO для поддержания уровня АТФ в клетках. В то время как клетки лейкемии часто демонстрируют повышенную ФАО, которая связана с предотвращением токсического накопления жирных кислот (21). Кроме того, некоторые лейкозные клетки требуют ФАО для поддержания цитозольного редокс-баланса в виде цитрат-зависимой редуцированной генерации никотинамид аденин динуклеотид фосфата (NADPH).
Поддержание редокс-баланса
Как уже упоминалось выше, клеточный метаболизм зависит от согласованного движения электронов через промежуточные метаболиты и состояния окисления важных переносчиков электронов. Клетки используют восстановительную силу NADH и NAPDH для катаболических и биосинтетических реакций, необходимых для роста и жизнеспособности. Соотношения NAD+ /NADH и окисленного никотинамид аденин динуклеотид фосфата (NADP+ )/NADPH являются индикаторами окислительно-восстановительного состояния клетки. Метаболический поток и активность двунаправленных метаболических ферментов зависят от состояния этих соотношений. Редокс-состояние клетки компартментировано в органеллах, поскольку существуют различные метаболические механизмы регуляции NAD+ /NADH и NADP+/NADPH, например, в цитозоле и митохондриальном матриксе. Однако они не являются полностью независимыми друг от друга, поскольку существуют механизмы обмена метаболитами между компартментами, которые способствуют изменению этих соотношений.
Поддержание соотношения NAD+/NADH осуществляется преимущественно в цитозоле через гликолиз и через цикл ТСА в митохондриальном матриксе. Как уже упоминалось ранее, раковые клетки проявляют повышенную активность LDH, которая перерабатывает NADH, образующийся в процессе гликолиза, в NAD+, способствуя быстрому гликолитическому потоку, связанному с метаболизмом Варбурга (4). Перенос пирувата между цитозолем и матриксом связывает пулы NAD+/NADH в этих двух компартментах и жестко регулируется в раке (24).
NADPH обеспечивает восстановительную силу для биосинтеза и является критическим компонентом клеточного антиоксидантного потенциала, оба эти вопроса будут подробно рассмотрены далее в этом обзоре. Цитозольный NADPH образуется в результате двух ферментативных реакций в пентозофосфатном пути (ПФП): преобразования малата в пируват яблочным ферментом (ME) и окисления изоцитрата до ⍺-KG с помощью IDH1. Обмен цитратом между матриксом и цитозолем связывает пулы NADPH этих двух компартментов. Показано, что восстановительное карбоксилирование глутамина вносит вклад в цитозольный пул NADPH через цитрат, который может быть метаболизирован в оксалоацетат цитрат-лиазой и затем в малат через MDH. В конечном итоге, полученный из цитрата малат превращается в пируват с помощью МЭ, генерируя NADPH (25, 26). отслеживание 13C-глутамина показало, что значительная часть митохондриального NADPH образуется в результате метаболизма фолатов (27, 28). Дополнительными факторами, способствующими формированию матричного пула NADPH, являются IDH2 и связанный с МММ фермент трансгидрогеназа никотинамидных нуклеотидов (NNT), который использует движущую силу протонов через МММ и восстановительную силу NADH для образования NADPH.
На окислительно-восстановительное состояние клеток также влияет окислительный стресс, естественный побочный продукт метаболизма. Окислительный стресс вызывается образованием высокореактивных свободнорадикальных кислород- или азотсодержащих видов (ROS, RNS), которые проявляют целый ряд биологических функций, как поддерживающих, так и цитотоксических. Например, транспорт электронов не является абсолютно эффективным процессом. Электроны могут преждевременно высвобождаться из ЭТЦ для восстановления молекулярного кислорода до супероксид-аниона (-O2 — ). Это происходит на матричной стороне МММ в комплексе I (NADH-дегидрогеназа) и комплексе II (сукцинатдегидрогеназа) ЭТЦ. Кроме того, -O2 — может генерироваться как на стороне матрикса, так и на стороне межмембранного пространства (ММП), обращенной к ИММ, в комплексе III (коэнзим Q: оксидоредуктаза цитохрома с). -O2 — также может генерироваться в цитозоле и матриксе посредством NADPH-зависимого процесса, катализируемого NADPH-оксидазами (NOXs).
В присутствии оксида азота (NO), побочного продукта метаболизма аргинина, супероксид способствует образованию очень реактивного иона пероксинитрита (ONOO- ). Кроме того, этот -O2- может быть расщеплен до перекиси водорода (H2O2) супероксиддисмутазами (СОД). Впоследствии H2O2 может быть детоксифицирован до воды с помощью ряда ферментных систем. Пероксиредоксины (PRX) подвергаются H2O2-опосредованному окислению, которое инициирует каталитический цикл, в котором тиоредоксин (TRX), тиоредоксин-редуктаза (TrxR) и NADPH взаимодействуют для восстановления восстановленных PRX. Глутатионпероксидазы (GPX) используют восстановленный глутатион (GSH) для детоксикации H2O2. Глутатионредуктаза затем использует NADPH для преобразования окисленного глутатиона (GSSG) в GSH. Наконец, каталаза также может преобразовывать H2O2 в воду. В присутствии ионов железа (Fe2+) или меди (Cu+ ) H2O2 может образовывать гидроксильный радикал (-OH) в результате реакции Фентона.
В совокупности эти детоксицирующие ферменты способствуют повышению антиоксидантной способности клетки, что предотвращает накопление свободных радикалов, которые усиливают окислительный стресс. Транскрипционная регуляция этих ферментов находится под контролем главного регулятора клеточного антиоксидантного механизма — ядерного фактора-подобного 2 (Nrf2). Активность Nrf2 стимулируется окислительным стрессом, что приводит к повышению уровня множества детоксицирующих ферментов и метаболической программы, повышающей антиоксидантный потенциал. Баланс между генерацией ROS и RNS и детоксикацией антиоксидантов оказывает большое влияние на функцию и жизнеспособность клеток и является критическим компонентом опухолевого генеза (29).
Последствия ракового метаболизма
Опухоли существуют как гетерогенная популяция клеток, которые находятся под сильным давлением отбора, стимулирующим эволюционный ответ. Мутации, приобретенные в процессе опухолеобразования, должны либо обеспечивать преимущество в выживании, либо пассивно способствовать безудержной пролиферации (1, 2). Опухоли подвержены ограничениям естественного отбора, и те мутации, которые снижают приспособленность раковых клеток, в конечном итоге отбираются против них (30). Учитывая, что измененный клеточный метаболизм является отличительной чертой рака, метаболизм неопластических клеток должен быть выгоден для выживания. Здесь я описываю последствия метаболизма рака, которые обеспечивают раковым клеткам преимущества для выживания и способствуют прогрессированию заболевания.
ССЫЛКИ
1
Связанный контент: