Почему в опухоли гипоксические области имеют доступ к глюкозе?

Я думаю, что это сложный вопрос, на который нет ясного ответа -- насколько мне известно, имеется мало данных о метаболизме в солидных опухолях и нет четкого консенсуса в научном сообществе. Так что я не буду пытаться дать окончательный ответ, но вот хотя бы несколько мыслей/мнений.

Почему трансформированные клетки участвуют в аэробном гликолизе, или «эффекте Варбурга», — это вопрос, на который люди пытаются ответить уже почти сто лет. Существуют десятки гипотез, но ни одна из них не является общепринятой. Одна популярная гипотеза, выдвинутая Жилем и Гейтенби , гласит, что трансформированные клетки солидных опухолей являются гликолитическими, потому что они были отобраны для анаэробного метаболизма в гипоксической среде, и этот отбор каким-то образом необратим, так что клетки остаются гликолитическими даже после извлечения из опухоль и культивируют в аэробных условиях. Я думаю, что эта гипотеза является источником представления о гипоксических и в то же время гликолитических опухолях.

В некотором смысле гипотеза Жиля и Гейтенби является умной идеей — она основана на общепризнанном факте, что большинство клеток становятся гликолитическими при гипоксии, и рифмуется с концепцией отбора для выживания в опухолях . Но проблема с этим аргументом (как вы поняли) заключается в том, что среда опухоли должна быть с низким содержанием кислорода и в то же время с высоким содержанием глюкозы. Я согласен с вами, что вряд ли такая среда могла возникнуть из-за недостатка кровоснабжения, так как кислород легче диффундирует через ткани (и клетки), чем глюкоза. Более того, учитывая высокую потребность гликолитических клеток в глюкозе, глюкоза должна стать лимитирующей задолго до того, как закончится кислород. Таким образом, можно утверждать, что плохо васкуляризированные опухоли должны быть в основном окислительными, а не гликолитическими!

Насколько мне известно, нет данных, демонстрирующих существование (областей) солидных опухолей с низким содержанием кислорода и высоким содержанием глюкозы. Конечно, существует достаточно доказательств того, что многие солидные опухоли потребляют большое количество глюкозы, а также множество исследований, показывающих гипоксические области в опухолях. Но скорее всего это разные виды опухолей, или разные регионы. В среде без кислорода и глюкозы клетки просто погибнут — именно это и происходит в некротических ядрах более крупных солидных опухолей.

Лучшим источником дополнительной информации, вероятно, является литература по физиологии опухолей. Этот обзор является хорошей отправной точкой.

Наконец, еще одна проблема с гипотезой Жиля и Гейтенби заключается в том, что аэробный гликолиз можно легко продемонстрировать в клетках, которые никогда не были в опухоли. Например, трансформация in vitro может увеличить гликолиз, а нормальные лимфоциты индуцируют быстрый гликолиз при активации стимуляцией рецептора. Таким образом, нет необходимости предполагать, что гликолитические опухоли являются гипоксическими.

Снаружи опухоль имеет доступ к большинству питательных веществ и кислорода, иногда даже к кровоснабжению (ангиогенез). Солидные опухоли имеют такое микроокружение, если хотите, а микроокружение опухоли человека часто страдает от недостатка кислорода и питательных веществ и ацидоза ( Milosevic et al., 2004 ). Расстояние от внешней части опухоли до ядра имеет установленный градиент диффузии кислорода, питательных веществ и т. д. ( Cristini et al., 2005 , тем более, что кровеносные сосуды не всегда могут проникнуть в эти участки). Суть в том, что чем больше становится опухоль, тем меньше питательных веществ доступно внутренним опухолевым клеткам, пока клетки не станут некротическими или некроптотическими ( Huang et al., 2013).). Кроме того, поскольку опухоли поддерживают постоянное внутреннее давление, мертвые клетки по существу съедаются живыми клетками, и все выталкивается к центру, тем самым обеспечивая внутреннюю среду опухолевого материала для работы ( Greenspan, 1972 ).

Существуют грубые метаболические сдвиги, описанные ниже, которые предоставляют опухолям различные способы получения питательных веществ. Я не думаю, что это связано с диффузией глюкозы так же глубоко в опухоль, как кислород, как с перепрограммированием метаболизма.

Как опухоль изменяет свой профиль экспрессии, чтобы соответствовать своим потребностям под стрессом голодания? Подход на основе примеров

Факторы, индуцируемые гипоксией, или HIF, к сожалению, модулируют прогрессирование опухоли. (См. Bellot et al., 2009 , Zhang et al., 2008 для примеров аутофагии, индуцированной HIF, Huang et al., 2014 для неисчерпывающего обзора дополнительных способов, которыми HIF модулирует прогрессирование рака). Опухолевые клетки, страдающие хронической гипоксией, усиливают свои транспортеры GLUT и пути гликолиза посредством действия HIF-1α/ß, поскольку они часто должны начинать вырабатывать АТФ без кислорода. Однако они также подавляют митохондриальную активность посредством трансактивации PDK1 и MXI1 Denzo et al., 2008 . PDK1 в конечном итоге ингибирует PDH, а MXI1 фактически уменьшает количество митохондрий на клетку.

Таким образом, включение глютамина в цикл ТСА, где обычно требуется пируват, дополняет отсутствующую потребность в углероде (см. рисунок ниже), где будет задействован пируват, потому что снова ссылаясь на статью Дензо, в гипоксической опухоли пируват превращается в лактат ЛДГ, что частично объясняет ацидоз. Однако включение глутамина предположительно должно быть независимым от экспрессии HIF, поэтому я просмотрел такие статьи, как Ma et al., 2013 , в которых показано, что голодание опухолей по глюкозе в конечном итоге делает их более агрессивными в основном из-за регуляции с помощью PKCζ и последующего включения метаболизм глутамина.

Рис. А. Глядя здесь на альтернативные топливные пути во время голодания опухоли, клетки могут очищаться от некротического центра опухоли, использовать аутофагию, другие источники углерода и т. д. в соответствии со своими потребностями. Источник: Э. Уайт, 2013 г.

В частности, в опухолевых клетках с дефицитом PKCζ наблюдается сдвиг парадигмы, который включает (1) активацию фосфоглицератдегидрогеназы (PHGDH) и фосфосеринаминотрансферазы (PSAT1), которые в норме подавляются PKCζ, (2) неингибируемую активность mTOR, которая в норме отключаются во время истощения питательных веществ и (3) ингибируют пути AMPK и аутофагии, которые обычно активны при истощении питательных веществ.

«Полногеномный анализ транскриптома показал, что клетки с дефицитом PKCζ демонстрируют генные изменения в путях, согласующиеся с использованием глютамина в качестве альтернативы глюкозе».

Как у людей, так и у мышей они пришли к выводу, что в отношении рака кишечника PKCζ регулярно действует как супрессор опухоли. Но главное здесь то, что здесь могут быть задействованы множественные патологические мутации, чтобы попытаться понять эффект Варбурга.

Leithner et al., 2015 также показывает, что опухолевые клетки (это характерно для рака легких) могут начать использовать лактат для образования строительных блоков глюкозы путем модификации пути глюконеогенеза, в значительной степени опосредованного митохондриальной изоформой фосфоенолпируваткарбоксикиназы (PEPCK), известной как ПКК2:

«При низком уровне глюкозы все три атома углерода из (13)C3-лактата появлялись в пуле PEP, что дополнительно способствовало превращению лактата в пируват, через пируваткарбоксилазу в оксалоацетат и через PCK2 в фосфоенолпируват».

Я хотел бы еще раз подчеркнуть, что в гипоксической опухоли доказательства подтверждают, что пируват превращается в лактат, но теперь я подразумеваю, что лактат потенциально может быть преобразован в глюкозу, петля положительной обратной связи обеспечивает глюкозу опухоли. Это в некоторой степени подтверждается клиническим исследованием Koukourakis et al., 2006 , которое показывает, что в опухолях со сверхэкспрессией LDH-5 и HIF-1α/2α потребление кислорода в злокачественных опухолях было низким, а потребление глюкозы высоким. Но я также хочу вернуться к статье Denzo, потому что в ней были затронуты некоторые интересные моменты, и я рекомендую ее прочитать: снижение потребности митохондрий в кислороде может быть более важным, чем увеличение гликолиза.

Некоторые интересные моменты :

1) Метаболический сдвиг, вызванный гипоксией, снижает потребность опухоли в кислороде и повышает ее потребность в глюкозе. Это не обязательно означает, что опухоль на самом деле получает глюкозу, и иногда это не означает, что опухолевая клетка на самом деле лишена кислорода, скорее гипоксия вызвана просто недостатком кислорода, чтобы удовлетворить высокую потребность в кислороде, читайте Такакусаги и др., 2014 .

2) Путем перепрограммирования своего метаболизма и каннибализма клеток, которые на самом деле умерли от лишения, опухоль может жизнеспособно "получать" энергию - хотя и не обязательно напрямую в форме глюкозы - через ряд патологических мутаций.

3) Анаэробный гликолиз с последующей активностью ЛДГ является эффективной адаптацией. Если вы посмотрите на Koppenol, Bounds & Dang, 2011 , гипоксическая опухолевая клетка может производить 26 АТФ и 26 молочной кислоты из 13 глюкозы за время, необходимое для окислительного фосфорилирования. производить 36 АТФ из одной глюкозы. Во время голодания эффективное производство энергии — это хорошо, а гипоксический механизм работает быстро , особенно если учесть, что опухоль вырабатывает глюкозу из молочной кислоты в любом объеме. Они также отмечают, что опухоли становятся зависимыми от эффекта Варбурга.

«... онкогенное нарушение регуляции накопления биомассы для пролиферации клеток создает повышенный, устойчивый биоэнергетический спрос, который приучает раковые клетки к адекватному анаболическому снабжению».

« Как глюкоза может диффундировать туда, куда не может проникнуть кислород, даже если молекула кислорода гораздо меньше? » У меня нет такого однозначного ответа на этот вопрос, хотя я бы лично определил, что нет, ненамного. Я хочу добиться того, чтобы глюкоза и кислород не попадали в одно и то же место. Я подозреваю, что они одинаково глубоко проникают в опухоль в зависимости от состава самой опухоли и ткани, в которой она находится . клетки по большей части мертвы в этих регионах. Если вы читаете длину этого поста, то понимаете, что опухолевые клетки испытывают гипоксию , или их недостаточное количество .кислорода, достигающего их, и точно так же я бы предположил недостаточное количество глюкозы, а не ее отсутствие . Опять же, в этом смысле, а также из-за нехватки питательных веществ, мы имеем в виду эффективное использование как глюкозы, так и кислорода, а также полезное накопление биомассы, ключом к которому, как мы продемонстрировали, является эффект Варбурга. Потому что, как только вы дойдете до точки аноксии, опять же, мы наблюдаем аноксическую гибель клеток, но эти клетки превращаются в то, что, по сути, представляет собой переработку материала.

Заключительные примечания

Я не понимаю, почему глюкоза не может диффундировать по своему градиенту в опухоль, учитывая, что внутри опухоли есть микрожидкостная среда, но когда мы говорим о гипоксической области (а не о бескислородной), я подозреваю, что там глюкоза все еще присутствует , так же как и кислород . Таким образом, для опухолевых клеток важно иметь больше переносчиков GLUT от действия HIF и эффективного использования любых метаболитов, которые они могут получить. Как правило, мне не хватает данных о том, насколько глубоко они могут перфузировать в опухоль, но мне было бы трудно дать количественную оценку, поскольку существует множество смешанных факторов, таких как ткань, из которой возникла опухоль, нарушения микроциркуляции и т. д.

Гипоксия не означает, что кислород не достигает этого места, это означает низкое напряжение кислорода по сравнению с нормальной хорошо перфузируемой тканью. В своих экспериментах я наблюдал, что снаружи модели глиомы крыс хорошо перфузированы, но не так хорошо внутри. Мы использовали методы, основанные на МРТ, для изучения перфузии и ИГХ для изучения сосудистой сети. Точно так же я наблюдал повышенную экспрессию МСТ-4 (косвенно, большее производство молочной кислоты) во внешних областях опухоли, но, безусловно, иногда внутри были некоторые карманы с повышенным МСТ-4. Но несмотря ни на что, вся опухоль и окружающая среда кислые. Это может быть связано с молочной кислотой или поддержанием внутриклеточного pH с помощью протонообменников. Хотя четкого ответа нет, есть много моментов, в которых я согласен с С.Мосичуком. Низкое напряжение кислорода увеличивает активность HIF, что имеет свои последствия. Я также столкнулся с другой любопытной ситуацией. Я работал с псевдогипоксическими опухолями. У них не низкое напряжение кислорода, но все же активирован HIF, потому что HIF искусственно стабилизирован благодаря некоторым мутациям (VHL, SDHB). Теперь я ожидал большего количества GLUT, потому что я мог видеть повышенное поглощение 18F-FDG в этих опухолях, но я видел повышенную экспрессию гексокиназы-2. Помните, что в данном случае гипоксии не было, все же активация HIF дала о себе знать в виде усиления гликолиза!Так что я тоже думаю, что низкое напряжение кислорода может означать недостаточное снабжение питательными веществами, но это, конечно, не означает отсутствие питательных веществ. Мы видим части опухоли, имеющие низкое напряжение кислорода, счастливо живущие, метаболизирующиеся и делающие всю область кислой. Я даже не видел некротического ядра в этих опухолях. Когда я убил эти клетки, дав животным темозоломид, кислотности больше не было. Итак, кислотность, безусловно, была от метаболизма клеток. Помните, что все это исследования in vivo, и мы проводим различные виды измерений на одной и той же опухоли, пока крыса жива.