Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Metabolizm komórki nowotworowej a oporność na stosowaną terapię
Metabolizm komórki nowotworowej a oporność na stosowaną terapię
Inwestycje i wysiłki, w celu wynalezienia „lekarstwa na raka” z roku na rok są coraz większe, a mimo to nowotwory wciąż są ogromnym wyzwaniem dla naukowców oraz lekarzy. Komórki nowotworowe nie ułatwiają zadania naukowcom, ich zmienione szlaki metaboliczne sprawiają, że komórki te bardzo intensywnie proliferują, potrafią zaadaptować się do warunków z ograniczonym dostępem substancji odżywczych, a także rozwijają fenotyp oporny na leczenie farmakologiczne.

 

 

Oporność na leki – największe wyzwanie

Pomimo, że leczenie farmakologiczne nadal pozostaje pierwszą linią walki z nowotworem, wiele rodzajów guzów jest całkowicie oporna na podawane leki. Co więcej chemioterapia niesie za sobą całą gamę efektów ubocznych, gdyż takie leczenie jest toksyczne i niespecyficzne (celuje nie tylko w komórki rakowe). Aby obniżyć toksyczność takiego leczenia podaje się mieszaninę kilku leków, co zmniejsza ryzyko selekcji klonalnej komórek opornych na konkretny lek oraz umożliwia podanie mniejszej dawki, dzięki czemu istnieje mniejsze ryzyko efektów ubocznych. Niestety w niektórych przypadkach nawet podawanie kilku leków nie przynosi zamierzonego efektu.

 

Efekt Warburga

Prawie wiek temu Otto Warburg rozpoczął badania nad metabolizmem komórek nowotworowych. W 1920 roku Warburg i współpracownicy wykazali, że w warunkach tlenowych komórki nowotworowe metabolizują około dziesięciokrotnie więcej glukozy do mleczanu w danym czasie niż normalne komórki, zjawisko to znane jest jako efekt Warburga. Wzrost glikolizy tlenowej w komórkach nowotworowych często jest błędnie interpretowany jako dowód na uszkodzenie łańcucha oddechowego, a nie uszkodzenie regulacji glikolizy. W rzeczywistości wiele komórek nowotworowych wykazuje efekt Warburga równocześnie zachowując normalne oddychanie mitochondrialne.

Obecnie zmieniony metabolizm jest uważany za jedną z cech charakterystycznych komórek rakowych. Badania wykazały, że zmiany metaboliczne są również związane z opornością tychże komórek na leczenie farmakologiczne. Aby proliferować komórki nowotworowe wymagają ciągłych dostawy energii oraz składników odżywczych. W celu zaspokojenia tego ogromnego zapotrzebowania na energie w ich szlakach metabolicznych zaszły liczne mutacje, które opisane są poniżej:

 

Transport glukozy

Za wejście glukozy do komórki odpowiadają przezbłonowe transportery glukozy (GLUT). W wielu nowotworach wykazano zwiększony poziom ekspresji GLUT-1, który jest związany z aktywacją kinazy mTOR, prowadzi do zwiększenia glikolizy, jak również do zwiększonej proliferacji i wzrostu komórek nowotworowych. Zwiększony mTOR prowadzi też do zwiększenia liczby transporterów GLUT-1 tworząc dodatnie sprzężenie zwrotne. Wysoki poziom ekspresji GLUT1 w wielu typach nowotworów umożliwia oznaczanie poziomu tego transportera jako wskaźnika zmian nowotworowych.

 

Enzymy glikolityczne

Enzymy bezpośrednio regulujące glikolizę również zostały powiązane z tworzeniem fenotypu opornego na leczenie. Przykładem takiego enzymu jest HK2 – heksokinaza 2, która w normalnych warunkach fosforyluje glukozę do glukozo-6-fosforanu, czyli odpowiada za pierwszy etap w większości szlaków metabolicznych glukozy. W wielu nowotworach poziom tego enzymu jest znacznie zwiększony, przez co hamuje apoptozę mitochondrialną poprzez bezpośrednią interakcję z zewnętrzną błoną mitochondrium oraz może rozwijać w komórkach fenotyp oporny na leczenie.

 

Czynniki transkrypcyjne

Metabolizm nowotworów jest silnie uzależniony od adaptacji do stanu hipoksji. W przypadku guzów litych intensywnie namnażające komórki guza przekraczają podaż składników odżywczych i zwiększają produkcję kwasu mlekowego. W rezultacie komórki nowotworowe doświadczają stanu stresu komórkowego i rozwijają oporność na leki z powodu hipoksji, kwasicy i wysokiego poziomu reaktywnych form tlenu. W komórce, głównym regulatorem niedotlenienia jest czynnik indukowany hipoksją 1 (HIF-1). W warunkach hipoksji HIF-1α prowadzi do zwiększonego poboru glukozy oraz konwersji pirogronianu do mleczanu, jest on również odpowiedzialny za ekspresję kilku genów zaangażowanych w przemiany glukozy. Wysoka ekspresja HIF-1 α prowadzi do zwiększonej proliferacji, inwazyjności, angiogenezy i przeżycia komórek nowotworowych.

 

Komórki macierzyste nowotworów

Ze względu na ich wolne podziały, nadekspresję pomp wydzielinowych, obecność enzymów detoksykacyjnych oraz białek anty-apoptotycznych, CSC (ang. cancer stem cells) są uważane za komórki posiadające fenotyp oporny na leki. Niszę nowotworu charakteryzuje hipoksja i hipoglikemia w wyniku glikolizy. Na postawie badań stwierdzono, że niedotlenienie powoduje tworzenie się CSC w nowotworach, co może prowadzić do fenotypu odpornego na działanie leków.

 

Elementy odpowiedzi na stres

Czynnik szoku cieplnego 1 (HSF1) reguluje odpowiedź komórki na szok cieplny, reguluje również zwiększony pobór glukozy i zwiększa glikolizę. HSF1 promuje adaptacje komórki do sytuacji stresowej poprzez aktywowanie sygnałów przetrwania, co może prowadzić do zyskania cech oporności na leki. Badania pokazały, że komórki oporne na humanizowane przeciwciało monoklonalne tratuzumab, które używane do leczenia raka sutka, mają wyższy poziom czynnika HSF1, natomiast jego inhibicja uwrażliwia komórki na ten lek.

 

Nowe terapie czy udoskonalone badania?

Pomimo, że istnieją coraz nowsze i doskonalsze technologie, które pomagają nam zrozumieć skomplikowaną biologię nowotworów, nie zwiększa to odsetka leków antynowotworowych dopuszczonych do użytku klinicznego.  W warunkach laboratoryjnych wiele z nich odnosi pozytywne rezultaty, jednak wyniki te zupełnie nie przekładają się na badania kliniczne. Wynika to z wieloaspektowego charakteru choroby nowotworowej, heterogenności genetycznej i klonalnej oraz złożoności środowiska nowotworowego.

Należy wziąć po uwagę fakt, że skuteczność leków badana jest w modelach, które słabo symulują mikrośrodowisko nowotworu. Najnowsze badania pokazują, że komórki nowotworowe hodowane w warunkach normoglikemii i hipoglikemii dają inną odpowiedź na podawany lek. Według Bhattacharya i współpracowników, w celu zwiększenia skuteczności predykcji, badanie leków przeciwnowotworowych na komórkach rakowych powinno odbywać się w modelach zbliżonych do "natywnego" mikrośrodowiska. Natywne warunki powinny mieć ściśle określone stężenie glukozy (w zależności od szybkości metabolizmu danego typu nowotworu), zaindukowany stan podobny do kwasicy metabolicznej (poprzez dodanie kwasu mlekowego), a komórki powinny być inkubowane w warunkach hipoksji. Połączenie tych trzech bardzo ważnych czynników może symulować mikrośrodowisko nowotworowe.

 

Źródła

Rahman M, Hasan MR. Cancer Metabolism and Drug Resistance. Shimizu K, ed. Metabolites. 2015;5(4):571-600. doi:10.3390/metabo5040571.

Koppenol WH1, Bounds PL, Dang CV., Otto Warburg's contributions to current concepts of cancer metabolism., Nat Rev Cancer. 2011 May;11(5):325-37. doi: 10.1038/nrc3038. Epub 2011 Apr 14.

Bhattacharya B, Mohd Omar MF, Soong R. The Warburg effect and drug resistance. British Journal of Pharmacology. 2016;173(6):970-979. doi:10.1111/bph.13422.

http://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/Metabolizm-komorek-nowotworowych/

KOMENTARZE
Newsletter