В онкологии эффект Варбурга ( / ˈ v ɑːr b ʊər ɡ / ) — это наблюдение, что большинство раковых клеток используют аэробный гликолиз для выработки энергии, а не механизмы, используемые нераковыми клетками. [1] Это наблюдение было впервые опубликовано Отто Генрихом Варбургом , [2] который был удостоен Нобелевской премии по физиологии в 1931 году за «открытие природы и способа действия дыхательного фермента». [3] Существование эффекта Варбурга подпитывало популярные заблуждения о том, что рак можно лечить, сокращая потребление сахара и углеводов в рационе. [1]
При ферментации последний продукт гликолиза, пируват, преобразуется в лактат ( молочнокислое брожение ) или этанол ( спиртовое брожение ). Хотя ферментация производит аденозинтрифосфат (АТФ) только с низким выходом по сравнению с циклом лимонной кислоты и окислительным фосфорилированием аэробного дыхания, она позволяет пролиферирующим клеткам более эффективно преобразовывать питательные вещества, такие как глюкоза и глутамин, в биомассу , избегая ненужного катаболического окисления таких питательных веществ в углекислый газ , сохраняя углерод-углеродные связи и способствуя анаболизму . [4] [ неудачная проверка ]
С диагностической точки зрения повышенное потребление глюкозы раковыми клетками в результате эффекта Варбурга является основой для обнаружения опухолей с помощью ПЭТ-сканирования , при котором введенный радиоактивный аналог глюкозы обнаруживается в более высоких концентрациях в злокачественных опухолях, чем в других тканях. [5]
Около 1920-х годов Отто Генрих Варбург и его группа пришли к выводу, что лишение глюкозы и кислорода в опухолевых клетках приводит к недостатку энергии, что приводит к гибели клеток. Биохимик Герберт Грейс Крэбтри еще больше расширил исследования Варбурга, обнаружив экологические или генетические влияния. Крэбтри заметил, что дрожжи Saccharomyces cerevisiae предпочитают брожение , приводящее к производству этанола, аэробному дыханию в аэробных условиях и при наличии высокой концентрации глюкозы — эффект Крэбтри . Варбург наблюдал похожее явление в опухолях — раковые клетки склонны использовать брожение для получения энергии даже в аэробных условиях — введя термин « аэробный гликолиз ». Позже это явление было названо эффектом Варбурга в честь его первооткрывателя. [6] Варбург выдвинул гипотезу , что дисфункциональные митохондрии могут быть причиной более высокой скорости гликолиза, наблюдаемой в опухолевых клетках, а также основной причиной развития рака. [7]
Нормальные клетки в основном высвобождают энергию посредством гликолиза, за которым следует митохондриальный цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование . Однако большинство раковых клеток преимущественно высвобождают энергию посредством высокой скорости гликолиза, за которым следует ферментация молочной кислоты даже в присутствии большого количества кислорода. Анаэробный гликолиз менее эффективен, чем окислительное фосфорилирование, для производства аденозинтрифосфата и приводит к увеличению образования дополнительных метаболитов, которые могут особенно принести пользу пролиферирующим клеткам. [6] Эффект Варбурга был хорошо изучен, но его точная природа остается неясной, что затрудняет начало любой работы, которая бы исследовала его терапевтический потенциал. [7]
Отто Варбург предположил, что это изменение метаболизма является фундаментальной причиной рака, [8] утверждение, теперь известное как гипотеза Варбурга . Сегодня считается, что мутации в онкогенах и генах-супрессорах опухолей ответственны за злокачественную трансформацию , а эффект Варбурга считается результатом этих мутаций, а не причиной. [9] [10]
Более старые гипотезы, такие как гипотеза Варбурга , предполагают, что эффект Варбурга может быть просто следствием повреждения митохондрий при раке. Это также может быть адаптацией к низкокислородной среде внутри опухолей или результатом того, что гены рака отключают митохондрии, которые участвуют в программе апоптоза клетки , убивающей раковые клетки.
Поскольку гликолиз обеспечивает большую часть строительных блоков, необходимых для пролиферации клеток, было предложено, что и раковые клетки, и нормальные пролиферирующие клетки должны активировать гликолиз, несмотря на присутствие кислорода, чтобы пролиферировать. [11] Неэффективное производство АТФ является проблемой только при дефиците питательных веществ, но анаэробный гликолиз благоприятствует, когда питательных веществ много. Анаэробный гликолиз благоприятствует анаболизму и избегает окисления драгоценных углерод-углеродных связей в углекислый газ . Напротив, окислительное фосфорилирование связано с метаболизмом голодания и благоприятствует, когда питательных веществ мало, и клетки должны максимизировать извлечение свободной энергии, чтобы выжить. [4] Такие компромиссы теоретически могут быть связаны с поведением Гиффена в экономике. [12]
Доказательства приписывают некоторые из высоких анаэробных гликолитических скоростей сверхэкспрессированной форме митохондриально-связанной гексокиназы [13], ответственной за высокую гликолитическую активность. При раке почки этот эффект может быть обусловлен наличием мутаций в гене- супрессоре опухолей фон Гиппеля-Линдау , повышающем регуляцию гликолитических ферментов, включая изоформу сплайсинга M2 пируваткиназы. [14] Мутация TP53 поражает энергетический метаболизм и усиливает гликолиз при раке молочной железы.
Эффект Варбурга связан с поглощением и использованием глюкозы, поскольку это связано с тем, как регулируется активность митохондрий. Проблема заключается не столько в повреждении митохондрий, сколько в изменении активности. С другой стороны, опухолевые клетки демонстрируют повышенную скорость гликолиза, что можно объяснить повреждением митохондрий. [15]
В раковых клетках значительные изменения в экспрессии генов увеличивают поглощение глюкозы для поддержки их быстрого роста. В отличие от нормальных клеток, которые производят лактат только при низком уровне кислорода, раковые клетки преобразуют большую часть глюкозы в лактат даже при наличии достаточного количества кислорода. Это известно как «эффект Варбурга». Точные причины этого не полностью поняты, но была выдвинута гипотеза, что раковые клетки создают лактат для управления избыточными цитозольными электронами, которые митохондрии не могут обработать. [16] Ферменты, участвующие в метаболизме пирувата, отдают приоритет: 1) эффективному производству АТФ посредством митохондриального окислительного фосфорилирования , 2) утилизации избыточных цитозольных электронов в виде лактата и 3) биосинтезу для роста. По сути, секреция лактата действует как механизм утилизации избыточных электронов, поддерживая клеточный баланс. [16]
По состоянию на 2013 год [обновлять]ученые изучали возможность терапевтической ценности эффекта Варбурга. Увеличение поглощения питательных веществ раковыми клетками рассматривалось как возможная целевая цель лечения путем использования критического инструмента пролиферации при раке, но остается неясным, может ли это привести к разработке препаратов, имеющих терапевтическую пользу. [17] Было разработано много веществ, которые ингибируют гликолиз и поэтому имеют потенциал в качестве противораковых агентов, [18] включая SB-204990, 2-дезокси-D-глюкозу (2DG), 3-бромпируват (3-BrPA, бромпировиноградная кислота или бромпируват), 3-бром-2-оксопропионат-1-пропиловый эфир (3-BrOP), 5-тиоглюкозу и дихлоруксусную кислоту (DCA).
Клиническое исследование 2-DG [2008] показало медленное накопление и было прекращено. [19] По состоянию на 2017 год [обновлять]пока нет доказательств, подтверждающих использование DCA для лечения рака. [20]
Альфа-циано-4-гидроксикоричная кислота (ACCA; CHC), низкомолекулярный ингибитор монокарбоксилатных транспортеров (MCT; которые предотвращают накопление молочной кислоты в опухолях), успешно использовалась в качестве метаболической мишени в доклинических исследованиях опухолей мозга. [21] [22] [23] [24] Были разработаны ингибиторы MCT с более высоким сродством, которые в настоящее время проходят клинические испытания компанией Astra-Zeneca. [25]
Дихлоруксусная кислота (DCA), низкомолекулярный ингибитор митохондриальной пируватдегидрогеназной киназы , «снижает» гликолиз in vitro и in vivo . Исследователи из Университета Альберты в 2007 году предположили, что DCA может иметь терапевтические преимущества против многих типов рака. [26] [27]
Пируватдегидрогеназа катализирует этап ограничения скорости аэробного окисления глюкозы и пирувата и связывает гликолиз с циклом трикарбоновых кислот (ЦТК). ДКА действует как структурный аналог пирувата и активирует комплекс пируватдегидрогеназы (ПДК) для ингибирования пируватдегидрогеназных киназ, чтобы сохранить комплекс в его нефосфорилированной форме. ДКА снижает экспрессию киназ, предотвращая инактивацию ПДК и позволяя пирувату превращаться в ацетил-КоА, а не в лактат через анаэробное дыхание, тем самым позволяя клеточному дыханию продолжаться. Благодаря этому механизму действия ДКА противодействует повышенной продукции лактата, проявляемой опухолевыми клетками, позволяя циклу ТКА метаболизировать его путем окислительного фосфорилирования . [28] DCA пока не оценивался как единственное лечение рака, поскольку исследования клинической активности препарата все еще продолжаются, но было показано, что он эффективен при использовании с другими методами лечения рака. Нейротоксичность и фармакокинетика препарата все еще должны контролироваться, но если его оценки будут удовлетворительными, он может быть очень полезен, поскольку это недорогая малая молекула. [29]
Льюис К. Кэнтли и коллеги обнаружили, что M2-PK опухоли , форма фермента пируваткиназы , способствует эффекту Варбурга. M2-PK опухоли вырабатывается во всех быстро делящихся клетках и отвечает за то, чтобы раковые клетки могли потреблять глюкозу с ускоренной скоростью; при принудительном переключении клеток на альтернативную форму пируваткиназы путем ингибирования продукции M2-PK опухоли их рост был ограничен. Исследователи признали тот факт, что точная химия метаболизма глюкозы, вероятно, будет различаться в зависимости от различных форм рака; однако PKM2 была идентифицирована во всех раковых клетках, которые они протестировали. Эта форма фермента обычно не обнаруживается в покоящейся ткани, хотя она, по-видимому, необходима, когда клеткам нужно быстро размножаться, например, при заживлении ран или кроветворении . [30] [31]
Модель, называемая «обратным эффектом Варбурга», описывает клетки, высвобождающие энергию посредством гликолиза, но которые являются не опухолевыми клетками, а стромальными фибробластами . [32] В этом сценарии строма повреждается раковыми клетками и превращается в фабрики по синтезу богатых энергией питательных веществ. Затем клетки берут эти богатые энергией питательные вещества и используют их для цикла TCA, который используется для окислительного фосфорилирования. Это приводит к образованию богатой энергией среды, которая позволяет раковым клеткам реплицироваться. Это по-прежнему подтверждает первоначальное наблюдение Варбурга о том, что опухоли демонстрируют тенденцию к созданию энергии посредством аэробного гликолиза. [33]
Другая модель была описана в опухолевых клетках в модели ожирения, называемой инверсией эффекта Варбурга . В то время как в обратной модели строма микросреды производит богатые энергией питательные вещества, в контексте ожирения эти питательные вещества уже существуют в кровотоке и во внеклеточной жидкости (ECF). Таким образом, высокоэнергетические питательные вещества поступают непосредственно в TCA и затем в окислительное фосфорилирование, в то время как лактат и гликогенные аминокислоты идут по противоположному пути, предложенному Варбургом, который представляет собой производство глюкозы посредством потребления лактата. [34]
Использование питательных веществ резко изменяется, когда клетки получают сигналы к пролиферации. Характерные метаболические изменения позволяют клеткам удовлетворять большие биосинтетические потребности, связанные с ростом и делением клеток. Изменения в гликолитических ферментах, ограничивающих скорость, перенаправляют метаболизм на поддержку роста и пролиферации. Метаболическое перепрограммирование при раке в значительной степени обусловлено онкогенной активацией путей передачи сигнала и факторов транскрипции. Хотя эпигенетические механизмы менее изучены, они также способствуют регуляции экспрессии метаболических генов при раке. В свою очередь, накапливающиеся данные свидетельствуют о том, что метаболические изменения могут влиять на эпигеном. Понимание взаимосвязи между метаболизмом и эпигенетикой в раковых клетках может открыть новые пути для противораковых стратегий. [35]
Быстрое увеличение метаболизма необходимо во время активации Т-лимфоцитов, которые находятся в периферической крови, содержащей стабильные концентрации глюкозы. Поскольку глюкозы много, Т-клетки способны переключаться на быстрое использование глюкозы с помощью корецептора CD28 . [36] Эта передача сигналов CD3/CD28 параллельна передаче сигналов инсулина , поскольку обе приводят к более высокой экспрессии транспортера глюкозы 1 ( Glut-1 ) на поверхности клетки через активацию киназы Akt . Передача сигнала CD28 приводит не только к более высокому усвоению глюкозы, но и к увеличению скорости гликолиза. Большая часть глюкозы, поглощенной активированными Т-лимфоцитами, метаболизируется в лактат и выбрасывается из клеток. [37]
Эффект Варбурга стал источником популярных заблуждений о том, что рак можно лечить, сокращая потребление пищи и углеводов, чтобы якобы «морить» опухоли голодом. На самом деле, здоровье людей, больных раком, лучше всего поддерживается за счет поддержания здоровой диеты . [1]