En un tumor, ¿por qué las regiones hipóxicas tienen acceso a la glucosa?

Creo que esta es una pregunta difícil para la que la respuesta no es clara; que yo sepa, hay pocos datos sobre el metabolismo en tumores sólidos y no hay un consenso claro en la comunidad científica. Así que no voy a intentar dar una respuesta definitiva, pero aquí hay al menos algunos pensamientos/opiniones.

Por qué las células transformadas participan en la glucólisis aeróbica, o el "efecto Warburg", es una pregunta que la gente ha estado tratando de responder durante casi cien años. Hay docenas de hipótesis, pero ninguna de ellas es ampliamente aceptada. Una hipótesis popular presentada por Gilles & Gatenby dice que las células transformadas de tumores sólidos son glucolíticas porque han sido seleccionadas para el metabolismo anaeróbico en un ambiente hipóxico, y esta selección es de alguna manera irreversible, por lo que las células permanecen glucolíticas incluso después de haber sido extraídas del medio. tumor y cultivado en condiciones aeróbicas. Creo que esta hipótesis es el origen de la idea de tumores hipóxicos y sin embargo glicolíticos.

En cierto modo, la hipótesis de Gilles y Gatenby es una idea inteligente: se basa en el hecho bien aceptado de que la mayoría de las células se vuelven glicolíticas en hipoxia y rima con el concepto de selección para sobrevivir en tumores . Pero el problema con el argumento (como se ha dado cuenta) es que el ambiente del tumor tendría que ser bajo en oxígeno y al mismo tiempo alto en glucosa. Estoy de acuerdo con usted en que es poco probable que tal entorno pueda surgir debido a la falta de suministro de sangre, ya que el oxígeno se difunde más fácilmente a través de los tejidos (y las células) que la glucosa. Además, considerando la alta demanda de glucosa por parte de las células glucolíticas, la glucosa debería volverse limitante mucho antes de que se agote el oxígeno. ¡Entonces se puede argumentar que los tumores poco vascularizados deberían ser principalmente oxidativos, no glucolíticos!

Que yo sepa, no hay datos que demuestren la existencia de (regiones de) tumores sólidos con poco oxígeno y mucha glucosa. Por supuesto, existe amplia evidencia de que muchos tumores sólidos consumen grandes cantidades de glucosa, y también muchos estudios que muestran regiones hipóxicas en los tumores. Pero lo más probable es que se trate de diferentes tipos de tumores o diferentes regiones. En un entorno sin oxígeno ni glucosa, las células simplemente morirán, que es exactamente lo que sucede en los núcleos necróticos de los tumores sólidos más grandes.

La mejor fuente de información adicional es probablemente la literatura sobre fisiología tumoral. Esta reseña es un buen punto de partida.

Finalmente, otro problema con la hipótesis de Gilles & Gatenby es que la glucólisis aeróbica se puede demostrar fácilmente en células que nunca han estado en un tumor. Por ejemplo, la transformación in vitro puede aumentar la glucólisis y los linfocitos normales inducen una glucólisis rápida cuando se activan mediante la estimulación del receptor. Así que no hay necesidad de asumir que los tumores glicolíticos son hipóxicos.

El exterior del tumor tiene acceso a la mayor cantidad de nutrientes y oxígeno, a veces incluso al suministro de sangre (angiogénesis). Los tumores sólidos tienen este microambiente, por así decirlo, y el microambiente del tumor humano a menudo sufre de falta de oxígeno y nutrientes, y acidosis ( Milosevic et al., 2004 ). La distancia desde el exterior del tumor hasta el núcleo tiene un gradiente de difusión establecido de oxígeno, nutrientes, etc. ( Cristini et al., 2005 , especialmente porque los vasos sanguíneos no siempre pueden penetrar en estas áreas). Un punto a recordar es que cuanto más grande se vuelve el tumor, menos nutrientes están disponibles para las células tumorales internas hasta que las células a menudo se vuelven necróticas o necroptóticas ( Huang et al., 2013).). Además, dado que los tumores mantienen una presión interna constante, las células vivas esencialmente comen las células muertas y todo es empujado hacia el centro, proporcionando así el entorno interior de los materiales tumorales con los que trabajar ( Greenspan, 1972 ).

Hay grandes cambios metabólicos que se explican a continuación que proporcionan a los tumores diferentes formas de obtener nutrientes. No creo que tenga tanto que ver con la glucosa que se difunde tan profundamente en el tumor como el oxígeno como lo hace con esta reprogramación metabólica.

¿Cómo altera el tumor su perfil de expresión para adaptarse a sus necesidades bajo el estrés del hambre? Enfoque basado en ejemplos

Los factores inducibles por hipoxia o HIF lamentablemente modulan la progresión tumoral. (Consulte Bellot et al., 2009 , Zhang et al., 2008 para ver ejemplos de autofagia inducida por HIF, Huang et al., 2014 para obtener una descripción general no exhaustiva de las formas adicionales en que HIF modula la progresión del cáncer). Las células tumorales que sufren hipoxia crónica aumentan sus transportadores GLUT y vías glicolíticas a través de la acción de HIF-1α/ß porque a menudo deben comenzar a producir ATP sin oxígeno. Sin embargo, también regulan a la baja la actividad mitocondrial a través de la transactivación de PDK1 y MXI1 Denzo et al., 2008 . PDK1 termina inhibiendo la PDH y MXI1 termina reduciendo el número de mitocondrias por célula.

Entonces, la incorporación de glutamina en el ciclo de TCA donde normalmente se necesitaría piruvato complementa el requerimiento de carbono que ahora falta (ver la figura a continuación) donde el piruvato estaría involucrado, porque refiriéndose nuevamente al artículo de Denzo, en el tumor hipóxico el piruvato se convierte en lactato por LDH, lo que explica en parte la acidosis. Sin embargo, la incorporación de glutamina supuestamente debería ser independiente de la expresión de HIF, por lo que analicé artículos como el de Ma et al., 2013 , que mostró que los tumores hambrientos de glucosa terminaron haciéndolos más agresivos debido en gran parte a la regulación por PKCζ, y la posterior incorporación de metabolismo de la glutamina.

Fig. A. Mirando aquí las vías de combustible alternativo durante la inanición del tumor, las células pueden limpiar el centro necrótico del tumor, utilizar la autofagia, otra fuente de carbono, etc. para satisfacer sus necesidades. Fuente: Blanco, E., 2013

Más específicamente, hay un cambio de paradigma en las células tumorales deficientes en PKCζ que implica (1) la regulación al alza de la fosfoglicerato deshidrogenasa (PHGDH) y la fosfoserina aminotransferasa (PSAT1), que normalmente son reprimidas por PKCζ, (2) la actividad mTOR desinhibida, que normalmente es cerrarse durante el agotamiento de nutrientes y (3) inhibir las vías de AMPK y autofagia, que normalmente están activas en el agotamiento de nutrientes.

"El análisis del transcriptoma de todo el genoma demostró que las células deficientes en PKCζ mostraban alteraciones genéticas en vías consistentes con el uso de glutamina como alternativa a la glucosa".

Tanto en humanos como en ratones, concluyen que, con respecto a los cánceres intestinales, la PKCζ actúa regularmente como un supresor de tumores. Pero el punto principal aquí es que múltiples mutaciones patológicas pueden estar implicadas aquí para tratar de dar sentido al efecto Warburg.

Leithner et al., 2015 también muestra que las células tumorales (esto es específico para el cáncer de pulmón) pueden comenzar a utilizar lactato para formar bloques de construcción de glucosa al modificar la vía de la gluconeogénesis, mediada en gran parte por una isoforma mitocondrial de la fosfoenolpiruvato carboxicinasa (PEPCK) conocida como PCK2:

"Bajo glucosa baja, los tres carbonos del (13) C₃-lactato aparecieron en el conjunto de PEP, lo que respalda aún más la conversión de lactato en piruvato, a través de la piruvato carboxilasa en oxaloacetato y a través de PCK2 en fosfoenolpiruvato".

Me gustaría volver a mencionar que en el tumor hipóxico, la evidencia respalda que el piruvato se convierte en lactato, pero ahora insinúo que el lactato puede convertirse potencialmente en glucosa, un circuito de retroalimentación positiva que proporciona glucosa al tumor. Esto está algo respaldado por el estudio clínico en Koukourakis et al., 2006 que muestra tumores que sobreexpresan LDH-5 y HIF-1α/2α que en los tumores malignos, el consumo de oxígeno era bajo y el consumo de glucosa era alto. Pero también quiero volver al artículo de Denzo porque mencionaron algunos puntos interesantes y recomiendo leerlo: la disminución de la necesidad mitocondrial de oxígeno podría ser más importante que el aumento de la glucólisis.

Algunos puntos interesantes :

1) El cambio metabólico inducido por la hipoxia reduce el requerimiento de oxígeno del tumor y aumenta su requerimiento de glucosa. Esto no significa necesariamente que el tumor en realidad esté recibiendo glucosa y, a veces, tampoco significa que la célula tumoral esté realmente privada de oxígeno, sino que la hipoxia es inducida simplemente porque no hay suficiente oxígeno para satisfacer el alto requerimiento de oxígeno, lea Takakusagi et al., 2014 .

2) Al reprogramar su metabolismo y canibalizar las células que realmente murieron por privación, el tumor puede "obtener" energía de manera viable, aunque no necesariamente directamente en forma de glucosa, a través de una serie de mutaciones patológicas.

3) La glucólisis anaeróbica seguida de la actividad de LDH es una adaptación eficiente. Si observa a Koppenol, Bounds & Dang, 2011 , la célula tumoral hipóxica puede producir 26 ATP y 26 ácido láctico a partir de 13 glucosa en el tiempo que tarda el fósforo oxidativo. para producir 36 ATP a partir de una glucosa. En un momento de inanición, la producción de energía eficiente es algo bueno, y el mecanismo hipóxico es rápido , especialmente si consideramos que el tumor está produciendo glucosa a partir de ácido láctico en cualquier capacidad. También señalan que los tumores se vuelven en cierto modo adictos al efecto Warburg,

"... la desregulación oncogénica de la acumulación de biomasa para la proliferación celular crea una demanda bioenergética mayor y sostenida que vuelve adictas a las células cancerosas a un suministro anabólico adecuado".

" ¿Cómo puede la glucosa difundirse a lugares donde el oxígeno no puede, incluso si el oxígeno es una molécula mucho más pequeña? " No tengo una respuesta tan definitiva para esto, aunque personalmente determinaría que no la tiene, no por mucho. Donde quiero ir es que no se trata realmente de que la glucosa y el oxígeno lleguen al mismo lugar. Sospecho que alcanzan casi la misma profundidad en el tumor dependiendo de la composición del tumor mismo y del tejido en el que reside. También quiero señalar que la hipoxia no es lo mismo que la anoxia , donde no hay oxígeno y el las células están en su mayor parte muertas en esas regiones. Si lee la extensión de esta publicación, comprenderá que las células tumorales están experimentando hipoxia , o una cantidad deficiente.de oxígeno que les llega, y también asumiría una cantidad deficiente de glucosa, en lugar de una falta de ella . En ese sentido nuevamente, y debido a que no hay muchos nutrientes para todos, estamos aludiendo al uso eficiente de glucosa y oxígeno, y la acumulación beneficiosa de biomasa, para lo cual demostramos que el efecto Warburg es clave. Porque una vez que llegas al punto de la anoxia, nuevamente, estamos viendo la muerte celular anóxica, pero esas células se convierten en lo que esencialmente equivale a material reciclado.

Notas de cierre

No veo por qué la glucosa no podría difundirse a lo largo de su gradiente hacia el tumor considerando que hay un entorno de microfluidos dentro del tumor, pero donde estamos hablando en la región hipóxica (no en las regiones anóxicas) sospecho que hay todavía hay algo de glucosa presente al igual que algo de oxígeno. Es importante, entonces, que las células tumorales tengan más transportadores GLUT de la acción de HIF y el uso eficiente de cualquier metabolito que pueda obtener. Por lo general, me faltan datos sobre qué tan lejos pueden perfundir en un tumor, pero para mí sería difícil de cuantificar ya que hay muchos factores de confusión, como de qué tejido se originó el tumor, irregularidades en la microcirculación, etc.

Hipoxia no significa que no llegue oxígeno al lugar, significa baja tensión de oxígeno en comparación con el tejido normal bien perfundido. En mis experimentos he observado el exterior de modelos de glioma de rata bien perfundidos pero no tan bien por dentro. Hemos utilizado métodos basados ​​en RM para estudiar la perfusión e IHC para estudiar la vasculatura. De la misma manera, he observado un aumento de la expresión de MCT-4 (indirectamente, más producción de ácido láctico) en las regiones externas del tumor, pero ciertamente a veces hay algunas bolsas en el interior con un aumento de MCT-4. Pero pase lo que pase, todo el tumor y los alrededores son ácidos. Esto podría deberse al ácido láctico o al mantenimiento del pH intracelular mediante intercambiadores de protones. Aunque no hay una respuesta clara, hay muchos puntos en los que estoy de acuerdo con CMosychuk. La baja tensión de oxígeno aumenta la actividad de HIF, lo que tiene sus repercusiones. También me enfrenté a otra situación curiosa. Estaba trabajando con tumores pseudohipóxicos. No tienen baja tensión de oxígeno pero aún tienen HIF activado porque HIF se estabiliza artificialmente gracias a algunas mutaciones (VHL, SDHB). Ahora, esperaba más GLUT porque pude ver una mayor captación de 18F-FDG en estos tumores, pero vi una mayor expresión de hexoquinasa-2. Recuerde, en este caso no hubo hipoxia, ¡aún así la activación de HIF tuvo su efecto de aumento de la glucólisis!Así que yo también creo que la baja tensión de oxígeno podría significar un bajo suministro de nutrientes, pero ciertamente no significa que no haya suministro de nutrientes. Vemos partes del tumor que tienen baja tensión de oxígeno, viven y metabolizan felizmente y acidifican toda la región. Ni siquiera he visto un núcleo necrótico en estos tumores. Cuando maté estas células dando temozolomida a los animales, la acidez ya no estaba allí. Entonces, la acidez ciertamente se debió al metabolismo de las células. Recuerde, todos estos son estudios in vivo y hacemos diferentes tipos de mediciones en el mismo tumor mientras la rata está viva.