12.04.2022
Одним из признаков злокачественной опухоли является изменение метаболических свойств клеток [1]. К ним относятся:
Особенностью является выраженная гетерогенность энергетического гомеостаза опухолевых клеток вследствие огромного числа причин, в том числе:
Более 100 лет прошло с тех пор, как Отто Варбург провел первые экспериментальные исследования метаболизма в опухолевых клетках, 74 года с момента внедрения Сидни Фарбер антифолатов в лечение лейкоза и 20 лет изучения взаимосвязи онкогенов и способов потребления энергии [4]. Однако, к сожалению, на сегодняшний день подобные аспекты не учитываются при планировании лекарственной терапии. Кроме того, без внимания остаются метаболические особенности клеток микроокружения (например, фибробластов) и иммунной системы, которые играют ключевую роль в инициации опухоли и ее прогрессии. Безусловно, терапевтические воздействия на ключевые метаболические мишени как в опухолевых клетках, так и в ее микроокружении, могут быть перспективной стратегией с точки зрения влияния на контроль злокачественного роста и продолжительность жизни больных. К ним относятся:
Исключение важнейших метаболитов
Впервые в 1988 году Prager M. и Baechtel F. продемонстрировали зависимость роста клеток рака почки от наличия в среде аспарагиназы [5]. Данный фермент гидролизует основные энергетические субстраты светлоклеточного рака, такие как аспарагин и глутамин (около 2-3%). К 6 дню эксперимента лишь 6% злокачественных клеток оставались жизнеспособными по сравнению с 66% в обычных условиях. На сегодняшний день аспарагиназа входит в стандарты лечения острого лимфобластного лейкоза у детей [6]. Интересно отметить, что эффективность подобного лечения коррелирует с экспрессией аспарагин синтетазы в злокачественных клетках. Li H. с соавторами протестировали 225 метаболитов в 928 клеточных линиях 20 типов опухолей [7]. Оказалось, что в случае снижения функции данного фермента в различных видах опухолей (чаще при раке желудка и печени) отмечалось значительное подавление опухолевого роста. Эти результаты позволяют предположить, что лечение аспарагиназой в случае наличия предиктивного маркера (отсутствие фермента или его гиперметилирование) может рассматриваться как перспективный метод метаболической терапии различных солидных опухолей [7].
Голодание и ограничение калорий, кетодиета
Ограничение калорий, изменение характера питания и различные диетические подходы зарекомендовали себя в лечении различных заболеваний, в том числе трудноизлечимой эпилепсии у детей, сахарного диабета 2 типа, ожирения, дисбактериоза. В исследовании II фазы (DIRECT) продемонстрирована эффективность голод-имитирующей диеты у больных ранним раком молочной железы на фоне неоадъювантной химиотерапии по сравнению с обычным режимом питания [8]. При этом оценивался как клинический ответ, так и влияние на качество жизни (восприятие болезни, переносимость химиотерапии). Голод-имитирующая диета включала в себя растительную пищу с низким содержанием аминокислот. Она представляла собой суп, бульон, витамины и чай в течение 3-х дней до цикла химиотерапии и в день цитостатического лечения. При этом калорийность рациона снижалась с первого (~1200 ккал) до 2-4 дня (~200 ккал). В итоге у больных на фоне депривации основных энергетических субстратов была более выражена стрессоустойчивость и лучшая переносимость проводимой химиотерапии. Кроме того, согласно опросникам по качеству жизни, у них нарастали показатели эмоционального, физического, ролевого, когнитивного и социального функционирования. При этом снижались параметры усталости, тошноты и бессонницы [8]. Таким образом, подобный подход может быть рассмотрен как дополнительная опция к проводимой стандартной терапии.
Кетогенная диета (КД) – это режим питания с высоким содержанием жиров, несколько ограниченным потреблением белков и очень низким содержанием углеводов, который имитирует метаболизм в состоянии голодания, вызывая выработку кетоновых тел [9]. Соотношение основных нутриентов представлено в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика кетогенной диеты.
| Нутриент | Стандартная диета (%) | Кетогенная диета (%) |
|---|---|---|
| Углеводы | 62 | 3 |
| Жиры | 6 | 72 |
| Белки | 27 | 15 |
| Энергетический состав (ккал/гр) | 4,4 | 7,2 |
| Жиры/ | 0,07 | 4 |
Особенностью КД, в отличие от голодания, является сохранение калорий, необходимых для энергетического метаболизма клеток. В норме образование кетоновых тел происходит в печени за счет продукции ацетил кофермента А (ацетил-коА) и окисления жирных кислот. Кетогенез контролируется инсулином и глюкагоном. Зачем нужны кетоновые тела? Они являются альтернативным источником энергии для клеток головного мозга, поперечнополосатой и сердечной мускулатуры, однако не могут использоваться раковыми клетками.
Как известно, основным источником энергии для опухоли является глюкоза. Для того, чтобы поддерживать высокий пролиферативный потенциал в злокачественных клетках, активирован гликолиз даже в присутствии кислорода (эффект Варбурга). Таким образом, терапевтический подход в депривации основного нутриента может быть эффективным с точки зрения торможения их роста. В случае КД опухолевые клетки имеют ограниченный доступ к глюкозе и не могут использовать кетоновые тела для производства энергии в связи с измененной функцией митохондрий, а также снижением ферментативной активности потребления кетонов [9].
Положительным аспектом КД является возможность потенцировать эффект химиотерапии или лучевой терапии, например, при раке легкого или нейробластоме [9]. Кроме того, наблюдается синергизм при применении ингибиторов контрольных точек [9]. В экспериментальных работах было показано, что 3-β-гидроксибутират подавляет экспрессию PD-L1 в миелоидных клетках, увеличивая число CXCR3+ Т-клеток и экспрессию интерферона 1. Ключевым механизмом является активация AMPK, которая фосфорилирует PD-L1, что приводит к его последующей деградации [9].
Что касается клинических результатов, то в рандомизированном исследовании применения КД у больных раком молочной железы, получающих стандартную химиотерапию, было отмечено значительное снижение фактора некроза опухоли α (ФНО-α) после 12 недель терапии (р<0,001), повышение интерлейкина-10 (ИЛ-10) (р<0,001), снижение уровня инсулина (р<0,002), а также уменьшение размеров опухоли и снижение стадии процесса при местнораспространенном новообразовании по сравнению с контрольной группой (27 и 6 мм, р=0,01) [10].
Физические нагрузки
Эпидемиологические исследования демонстрируют снижение риска развития около 13 видов злокачественных опухолей на фоне физической активности [11]. Очевидно, что в основе этого эффекта лежит перепрограммирование метаболических процессов в организме в целом. При этом предклинические исследования на грызунах показывают, что бег на колесе, на беговой дорожке или плавание снижают частоту возникновения опухолей, их рост и метастазирование независимо от выбранной модели (перевиваемые или индуцированные) [11]. С чем это может быть связано? Физические упражнения изменяют возможные регуляторные механизмы роста злокачественных опухолей, что неизбежно сопровождается выраженными метаболическими изменениями. К ним относятся: изменение кровотока, регуляция pH, активация симпатической нервной системы, гипертермия, изменение концентрации половых гормонов и гормонов стресса (инсулин, лептин, глюкокортикоиды, катехоламины), изменение уровня циркулирующих экзосом, цитокинов и миокинов, а также факторов роста, деактивация сигнальных путей (HIPPO/YAP или Akt/mTOR), повышение активности иммунной системы за счет эпинефрин-зависимой стимуляции (ИФН1, NK-клетки), снижение функции опухолевой лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и, тем самым, подавление секреции лактата в микроокружении [11].
В недавно опубликованном клиническом исследовании влияния физической нагрузки на эффективность неоадъювантной химиотерапии у больных раком пищевода было установлено значительное уменьшение объема опухоли по сравнению с контрольной группой: TRG 1-3 n=15/20 (75%) и n=7/19 (36,8%), p=0,025, соответственно. При этом было отмечено сокращение размеров региональных лимфатических узлов (42,9% и 15,8%, р=0,089, соответственно) и изменение иммунологических показателей (CD3, CD8, ИЛ-6, VEGF, ИФН1, ФНО-α) [11].
Ингибирование отдельных этапов метаболизма
Важным аспектом, с учетом гетерогенности опухолевого метаболизма, является поиск предиктивных маркеров перед назначением препаратов, влияющих на отдельные этапы энергетического гомеостаза. Например, к ним относятся:
Использование метаболических особенностей опухолей как «ахиллесову пяту» (витамин С и ферроптоз)
Ферроптоз – это один из сравнительно недавно открытых (в 2012 г.) механизмов клеточной гибели. В отличие от некроза, апоптоза, пироптоза или аутофагии, он обусловлен накоплением в клетке свободных радикалов (активных форм кислорода) из-за железо-опосредованного перекисного окисления липидов [13]. Считается, что опухолевые клетки в большей степени подвержены ферроптозу в связи с их выраженной пролиферативной и метаболической активностью. Данное обстоятельство делает подобный механизм клеточной гибели перспективной терапевтической мишенью.
Витамин С является незаменимым микроэлементом благодаря множеству функций, которые он выполняет в организме. Его «незаменимость» у человека определяется отсутствием фермента гулонолактон оксидазы, необходимого для синтеза витамина С в связи с окислением глюкозы. Витамин С в организме является кофактором гидроксилирования пролина и лизина, необходимых для синтеза коллагена типа 1. Кроме того, его стандартные дозы являются компонентом антиоксидантной защиты [14].
Одно из первых рандомизированных исследований, в котором оценивалась эффективность витамина С у больных злокачественными опухолями, было проведено Creagan E. с соавторами в 1979 г. Значимых различий с точки зрения общей выживаемости, лечебного эффекта и качества жизни достигнуто не было. Похожие данные были получены Moertel с соавторами у больных метастатическим колоректальным раком [14].
В последующих экспериментальных работах была предпринята попытка объяснить полученные негативные результаты. Оказалось, что основное терапевтическое значение имеет доза препарата и способ его введения. Предклинические и клинические исследования показали, что при внутривенном введении в высоких дозах витамин С оказывает противоопухолевое действие. Благодаря сложной фармакокинетике подобный эффект наблюдается при достижении его концентрации в плазме не менее 0,25 ммоль. Регуляция транспорта витамина С в опухолевую ткань осуществляется транспортерами (SVCT и GLUT), экспрессия которых зависит от типа клеток. Основным противоопухолевым механизмом действия витамина С является индукция образования свободных радикалов вследствие реакции Фентона. Важно отметить, что помимо общепризнанных прооксидантных эффектов, витамин С модулирует ферменты TET, способствующие деметилированию ДНК, и действует как кофактор гидроксилаз HIF, активность которых необходима для протеасомной деградации HIF-1α. Указанные особенности открывают новые возможности лечения опухолей со специфическими молекулярными дефектами (например, наличие KRAS-мутации, гиперэкспрессия HIF-1α или изменения TET2, IDH1/2 и WT1). Более того, действие витамина С на уровне ДНК может стать рациональной основой для комбинированной терапии с ингибиторами PARP и гипометилирующими агентами. На сегодняшний день растет число публикаций о клинической эффективности высоких доз витамина С [14]. В нашей клинической практике у пожилого больного с диссеминированным колоректальным раком (KRAS-мутация) при прогрессировании после 3-х линий лекарственной терапии было отмечено снижение биомаркера РЭА с 1661 до 188 нг/мл и торможение роста метастатических очагов на фоне внутрипеченочной инфузии высоких до витамина С при отсутствии клинически значимых побочных эффектов и субъективном улучшении общего состояния.
Перегрузка клетки глюкозой (гипертермия с перекислением)
В конце прошлого столетия достаточно активно проводили экспериментальные работы для изучения влияния гипертермии на pH опухолевого микроокружения, а также на метаболизм злокачественных клеток [15]. На примере саркомы Юшида при помощи капиллярного электрода изучали внеклеточный и внутриклеточный pH in vivo как в опухолевых, так и в нормальных клетках у крыс линии Вистар. Оказалось, что в обычных условиях опухоль, печень и желудочно-кишечный тракт имели сходный pH в микроокружении (7,05-7,3). При этом внутриклеточный pH в опухоли был всегда выше (7,2), чем в нормальных клетках (6,8-7,1). В случае лечебной гипертермии крысы (420С в течение 1 часа) изменений внутри- и внеклеточного pH не наблюдалось. Если же в этих условиях вводили глюкозу (6 гр/кг, уровень глюкозы в плазме 22 ммоль/л, в течение 6 часов), то кислотность опухолевого микроокружения заметно снижалась (до 6,6) и сохранялась в течение 12-14 часов на достигнутом уровне. При этом изменений pH внутри злокачественной клетки не наблюдалось. Однако в гистологических срезах было отмечено снижение эффективности гликолиза и окислительного фосфорилирования. Важно отметить, что в подобных экспериментальных условиях pH в нормальных клетках и их микроокружении не изменялась. Таким образом, был отмечен синергетический эффект гипертермии и гипергликемии с точки зрения торможения метаболизма опухолевой клетки [15].
Борьба с закислением микроокружения
Кислотность (pH) является одной из важнейших особенностей метаболизма опухолевой клетки. Обычно наблюдается внеклеточный ацидоз и внутриклеточный алкалоз или ощелачивание. Подобный градиент обеспечивает возможность пролиферации клеток, защиту от апоптоза, метаболическую адаптацию, миграцию и инвазивную способность клеток, активность микроокружения (иммунной системы и фибробластов). Безусловно, понимание механизмов pH-зависимого поведения клеток обеспечит развитие новой терапевтической стратегии опухолей [16].
В предклинических работах было показано, что у мышей на фоне приема бикарбоната натрия наблюдается меньшее число метастазов и увеличивается продолжительность жизни. Кроме того, алкализация микроокружения потенцирует эффект ингибиторов контрольных точек. Клинические исследования также подтверждают подобную гипотезу. У больных диссеминированным раком поджелудочной железы наблюдалось значительное увеличение продолжительности жизни на фоне приема бикарбоната по сравнению с контрольной группой (15,4 и 10,8 мес. соответственно; р<0,005) [16].
Потенцирование эффективности стандартной терапии
Оксид азота (NO) является стабильным свободным радикалом, который участвует во многих физиологических и патологических процессах в организме. В предклинических работах было показано, что NO повышает эффективность химио- и лучевой терапии, особенно в случае выраженной гипоксии в опухоли, за счет усиления кровотока и снижения потребления кислорода [17]. В качестве терапевтической стратегии было предложено введение доноров NO. Однако данный подход оказался весьма токсичным в связи с системной вазодилатацией и гипотензией, а также малоэффективным из-за замедления кровотока в опухоли, усугубления гипоксии и снижения pH. Альтернативой является стимуляция продукции NO за счет назначения L-аргинина как эндогенного субстрата фермента синтетазы оксида азота (NOS). Существует 3 изоформы данного белка. При этом в опухолевой ткани, как и при воспалении, и гипоксии, значение приобретает NOS2. Наибольшая экспрессия фермента наблюдается в клетках рака молочной железы, рака легкого, а также в церебральных метастазах. Назначение L-аргинина активно используется для лечения больных с эндотелиальной дисфункцией и генетической патологией митохондрий для улучшения микроциркуляции. При этом подобный подход нивелирует гемодинамические нарушения, которые обусловлены гиперпродукцией NO. В этой связи достаточно перспективным является применение L-аргинина в NOS-экспрессирующих опухолях в качестве сенсибилизатора к повреждению ДНК на фоне стандартной терапии в результате NO-индуцированного подавления метаболизма. В качестве доказательства подобной концепции было проведено исследование у 63 больных с метастатическим поражением головного мозга. Одна группа больных (n=31) получала 10 г L-аргинина внутрь за 1 час перед каждой фракцией облучения (1,6 Гр, 20 фракций, СОД 32 Гр). Другой группе (n=32) проводилось только облучение головного мозга. Объективный ответ составил 22% в группе контроля и 77,4% в группе L-аргинина (р<0,001) соответственно. При этом клинический эффект наблюдался у 93,5% больных по сравнению с контрольной группой (50%) [17].
Таким образом, метаболизм опухолевой клетки является сложным и пластичным процессом с выраженной гетерогенностью в зависимости от различных факторов. Безусловно, на сегодняшний день предпринимаются попытки поиска ключевых мишеней энергетического гомеостаза опухолевой клетки с целью терапевтического воздействия для увеличения продолжительности жизни больных. Без сомнения, подобное направление является перспективной стратегией лекарственной терапии злокачественных опухолей. Основными проблемами, которые требуют решения, являются:
Список литературы:
