Metabolizmus a jeho zmeny počas karcinogenézy

Metabolizmus základných energetických substrátov, akými sú sacharidy, lipidy a proteíny, vytvárajú v zdravých bunkách niekoľko metabolických medziproduktov. Tieto sú využité pre syntézu nukleových kyselín, neesenciálnych aminokyselín, glykogénu a mnohých ďalších biomolekúl, potrebných pre fungovanie zdravého organizmu.

Deregulácia metabolických procesov je úzko prepojená s progresiou rakoviny a inými patologickými javmi. Čiastočne je to spôsobené tým, že proliferácia je závislá na dostupnosti živín. Viaceré molekulárne mechanizmy poskytujú podporu pre tri základné potreby deliacich sa buniek:

• rýchlu tvorbu ATP na udržanie energetického stavu
• zvýšenú biosyntézu makromolekúl
• udržiavanie príslušného redoxného stavu bunky 

Pre splnenie týchto potrieb nádorové bunky menia metabolizmus všetkých hlavných tried makromolekúl: sacharidov, bielkovín, lipidov a nukleových kyselín. Mnohé podobné zmeny sú tiež pozorované aj v rýchlo proliferujúcich zdravých bunkách, akými sú napríklad krvné bunky a bunky výstelky tráviaceho traktu, v ktorých predstavujú vhodné odpovede na fyziologické rastové signály.

Karcinogenéza a mateabolizmus

Karcinogenéza je zložitý viacstupňový proces, ktorý si vyžaduje odbúranie niekoľkých bunkových bariér, ako sú napr. programová bunková smrť či procesy starnutia. K tomu dochádza väčšinou prostredníctvom mutácií v onkogénoch (napr. src, myc, ras) a tumor-supresorových génoch (napr. BRCA, Rb-1, p53).

Mikroprostredie nádoru zohráva kľúčovú úlohu pri prechode z prekanceróznych lézií do karcinogenézy tým, že vyvíja adaptívny tlak, ktorý selektuje bunky pre ich klonálne rozširovanie. Bunkový energetický metabolizmus je jedným z hlavných procesov, ktorý je ovplyvnený počas prechodu buniek z normálneho stavu do stavu neoplastickej transformácie. Obzvlášť metabolizmus glukózy sa veľmi často mení v nádorových bunkách.

Metabolizmus sacharidov v zdravých a nádorových bunkách

Sacharidy zohrávajú niekoľko rozhodujúcich úloh v metabolických procesoch živých organizmov. Slúžia ako zdroj energie a ako stavebné prvky v živých bunkách. Po prijatí do organizmu sú zložité sacharidy enzymatický hydrolyzované na monosacharidy ako napríklad škrob na glukózu.

Glukóza (GLU) je významným zdrojom energie takmer vo všetkých živých bunkách a hlavný dôraz sa kladie na jej syntézu, využitie a následnú degradáciu. U stavovcov je GLU transportovaná krvou po celom tele. Ak sú v bunke rezervy energie nízke, tak je GLU degradovaná prostredníctvom glykolýzy. Molekuly GLU nevyhnutné na okamžitú výrobu energie sú uložené vo forme glykogénu vo svaloch a pečeni. Energetické požiadavky niektorých tkanív ako napríklad mozgu, červených krviniek a výkon buniek kostrového svalstva, sú závislé na nepretržitom toku GLU. V závislosti od metabolických požiadaviek buniek môže byť GLU tiež použitá na syntézu napríklad ďalších monosacharidov, niektorých aminokyselín alebo mastných kyselín.

Glykóza a jej zmeny 

Glykolýza nastáva aspoň čiastočne v takmer každej živej bunke. Mechanizmy krokov v glykolýze sú vysoko konzervované v prokaryotách a eukaryotách. Glykolýza je aj dôležitý anaeróbny proces, ktorý bol nevyhnutný v atmosfére chudobnej na kyslík pre-eukaryotickej Zeme.

V glykolýze je každá molekula GLU rozštiepená a prevedená na dve trojuhlíkové jednotky - pyruvát. Počas tohto procesu je oxidovaných niekoľko uhlíkových atómov. Malé množstvo energie, získanej počas glykolytických reakcií (približne 5%), je dočasne uskladnené v dvoch molekulách každej ATP a NADH. Nasledujúci metabolický osud pyruvátu závisí na organizme a jeho metabolických požiadavkách. V anaeróbnych organizmoch sa môže pyruvát premeniť na odpadové produkty, ako sú kyselina mliečna, kyselina octová, etanol a ďalšie podobné molekuly. Aeróbne organizmy kompletne oxidujú pyruvát na oxid uhličitý a vodu v mechanizme známom ako aeróbne dýchanie

Za normálnych podmienok je pyruvát premenený na acetylkoenzým A, ktorý poskytuje východiskový materiál pre Krebsov cyklus a oxidatívnu fosforyláciu. Celkový čistý zisk z jednej molekuly GLU je 34 molekúl ATP

Výskum metabolizmu glukózy

Pred viac ako 100 rokmi Louis Pasteur prvý popísal vzťah medzi dvoma spôsobmi metabolizmu GLU zistením, že absencia kyslíka má za následok inhibíciu oxidatívnej fosforylácie a prepnutie na glykolýzu pre ATP tvorbu („Pasteurov efekt“). V roku 1920 Otto Warburg zistil, že nádorové bunky, na rozdiel od normálnych buniek, využívajú v metabolizme GLU glykolýzu namiesto mitochondriálnej oxidatívnej fosforylácie, a to aj v podmienkach bohatých na kyslík. Tieto zistenia boli pomenované ako „Warburgov efekt“

Na rozdiel od väčšiny normálnych buniek, mnoho transformovaných buniek čerpá podstatnú časť svojej energie z aeróbnej glykolýzy, premenou väčšej časti prichádzajúcej GLU na laktát, skôr než sa metabolizujú v mitochondriách prostredníctvom oxidatívnej fosforylácie. Hoci produkcia ATP prostredníctvom glykolýzy môže byť rýchlejšia než prostredníctvom oxidatívnej fosforylácie, je oveľa menej účinná, pokiaľ ide o ATP vytvorenú na jednotku spotrebovanej GLU. Nádorové bunky sú nútené nadmerne vychytávať GLU na splnenie potrieb ich biosyntézy, zvýšenej energie a redoxnej potreby. Zvýšené vychytávanie GLU bolo potvrdené vo väčšine primárnych i metastatických nádorov onkologických pacientov.

Rakovinové bunky a ich metabolizmus 

Je známe, že malígne bunky majú zrýchlený metabolizmus, vysoké glukózové požiadavky a zvýšené vychytávanie GLU. Energeticky nezávislý transport GLU cez plazmatickú membránu je sprostredkovaný glukózovými transportérmi (GLUT – z angl. glucose transporters), patriacimi do rodiny štruktúrne príbuzných proteínov, ktoré sa líšia v tkanivovej distribúcii a v afinite pre GLU. Rodina GLUT je exprimovaná v membránach takmer všetkých typov buniek. Zvýšený transport GLU v malígnych bunkách je spojený so zvýšenou a deregulovanou expresiou GLUT.

Warburg sa vo svoje hypotéza domnieval, že prameňom rakoviny môžu byť defekty v energetickom metabolizme a to výhradne v mitochondriách (Warburgova hypotéza). Táto Warburgova hypotéza bola neskôr vyvrátená. Iná pôsobivá myšlienka vysvetliť Warburgov efekt je, že zmenený metabolizmus nádorových buniek poskytuje selektívnu výhodu pre prežitie a proliferáciu v jedinečnom nádorovom mikroprostredí.

Jednou z hlavných vlastností nádorových buniek je rýchla proliferácia. V dôsledku tejto zrýchlenej proliferácie nastáva v okolí a v nádore hypoxia, pretože lokálny cievny systém nie je schopný nádorové bunky dostatočne okysličiť. Vzhľadom na neschopnosť mitochondrií poskytnúť dostatok ATP pre prežitie buniek v hypoxických podmienkach, musia mať nádorové bunky vysoko regulované glykolytické cesty. K tomu dochádza prostredníctvom indukcie hypoxiou-indukovaného faktora-1 (HIF-1). Syntéza podjednotky HIF-1α je regulovaná prostredníctvom mechanizmov nezávislých od kyslíka, zatiaľ čo degradácia je na kyslíku závislá.

V roku 1927 bol v nádoroch pozorovaný fyziologický dôsledok zvýšenej tvorby laktátu, t.j. pokles intersticiálnej pH. Niektoré štúdie potvrdzujú, že kyslé prostredie sprostredkováva nádorovú invazivitu. Laktát stimuluje tvorbu kyseliny hyaluronovej, glykózaminoglykánu a expresiu CD44, ktorý je hlavným transmembránovým receptorom. Keď kyselina hyaluronová viaže CD44 na povrch bunky, tým zvýši malígnu progresiu znížením bunkovej adherencie. Naviazaním molekuly kyseliny hyalurónovej na glykoproteínový receptor CD44, ktorý sa vyskytuje na bunkovom povrchu, nastáva zníženie bunkovej adherencie, vďaka čomu sú bunky schopné samostatného pohybu a tým sa zvyšuje malígna progresia. V súčasnosti existuje veľké množstvo dôkazov o význame expresie CD44 v progresii mnohých typov nádorov, ako aj pre jeho expresiu v tumor iniciujúcich bunkách, tiež známych ako nádorové kmeňové bunky. Tumor iniciujúce bunky sú vysoko odolné voči apoptóze a sú považované za nevyhnutné pre tvorbu metastáz po dlhšom období pokoja.