Учёные активировали митохондрии раковых клеток и замедлили рост опухоли

Российские исследователи показали, что изменение энергетического обмена может влиять на деление опухолевых клеток

Эффект Варбурга: почему раковые клетки иначе используют глюкозу

Чтобы понять значение открытия, нужно разобраться в особенности, которую учёные обнаружили в опухолях почти сто лет назад.

В 1920-х годах немецкий биохимик Отто Варбург обратил внимание на необычное поведение раковых клеток. Даже при достаточном количестве кислорода они активно расщепляют глюкозу до лактата, вместо того чтобы преимущественно использовать продукты её распада для получения энергии в митохондриях.

Это явление получило название эффекта Варбурга.

В большинстве здоровых клеток значительная часть энергии образуется с участием митохондрий. Глюкоза сначала расщепляется до пирувата, который затем может поступать в митохондрии. Там его дальнейшее окисление помогает вырабатывать АТФ — универсальную молекулу, обеспечивающую энергией клеточные процессы.

Опухолевые клетки нередко используют другую стратегию. Они резко усиливают гликолиз — последовательность реакций расщепления глюкозы — и направляют значительную часть образовавшегося пирувата на производство лактата.

На первый взгляд такая стратегия кажется невыгодной. Гликолиз позволяет получить значительно меньше АТФ из одной молекулы глюкозы, чем её полное окисление.

Однако быстро делящимся клеткам нужна не только энергия.

Им необходимы строительные материалы для создания новых мембран, белков, нуклеиновых кислот и других компонентов будущих клеток. Интенсивный гликолиз помогает поддерживать образование промежуточных соединений, которые используются в этих процессах.

Поэтому метаболическая перестройка может давать опухоли преимущество при быстром росте.

При этом важно учитывать современное понимание эффекта Варбурга. Митохондрии раковых клеток далеко не всегда повреждены или выключены. Во многих опухолях они продолжают активно работать, а гликолиз и митохондриальное дыхание сосуществуют.

Именно это обстоятельство стало отправной точкой нового исследования.

Grubraw: как заставить митохондрии активнее использовать пируват

Учёные из Федерального центра мозга и нейротехнологий ФМБА, РНИМУ имени Н.И. Пирогова, Института биоорганической химии РАН и других научных организаций решили проверить необычную гипотезу.

Что произойдёт, если искусственно усилить митохондриальный обмен веществ в клетке, привыкшей к метаболизму по типу Варбурга?

Один из механизмов такой перестройки связан с ограничением поступления пирувата в митохондрии.

Исследователи предложили обойти это ограничение, обеспечив образование пирувата непосредственно внутри митохондрий.

Для этого они создали генетически кодируемый инструмент Grubraw. Его название представляет собой слово Warburg, записанное в обратном порядке.

Grubraw использует D-аланин — особую пространственную форму аминокислоты аланина — для образования пирувата внутри митохондриального матрикса.

Сам по себе D-аланин не является противоопухолевым средством. В эксперименте он выступает субстратом для специально введённого фермента.

Механизм можно представить последовательно:

1. В клетку вводят генетическую конструкцию, обеспечивающую образование Grubraw в митохондриях.
2. Клетка получает D-аланин, который используется ферментом для синтеза пирувата.
3. Пируват образуется непосредственно внутри митохондрий, минуя ограниченный транспорт из цитоплазмы.
4. Дополнительный пируват вовлекается в митохондриальный обмен веществ, усиливая окислительные процессы.

Это позволяет исследователям целенаправленно изменять метаболизм клетки и наблюдать последствия.

Принципиально важно, что Grubraw — экспериментальный инструмент, а не готовый способ лечения. Его применение предполагает генетическую модификацию клеток.

Что произошло с раковыми клетками после активации митохондрий

Исследователи проверяли Grubraw на нескольких клеточных моделях, включая опухолевые клетки человека.

После активации инструмента они зарегистрировали увеличение митохондриального окислительного метаболизма, в том числе повышение потребления кислорода.

Но наиболее интересным оказалось другое наблюдение.

В большинстве исследованных опухолевых клеточных моделей усиление митохондриального метаболизма сопровождалось замедлением размножения клеток.

Затем учёные перешли к экспериментам на животных.

Для этого использовали мышей с ксенотрансплантатами человеческой меланомы Lu451. Ксенотрансплантат — это опухоль, полученная после пересадки клеток одного биологического вида другому.

В эксперименте применялись опухолевые клетки, заранее модифицированные для экспрессии Grubraw.

При активации инструмента рост опухолей замедлялся по сравнению с контрольными условиями.

Это особенно важно, поскольку изменения метаболизма, наблюдаемые в клеточной культуре, не обязательно сохраняют своё значение в живом организме.

В данном случае исследователи смогли продемонстрировать эффект и в экспериментальной модели опухоли.

Однако замедление роста не означает уничтожения опухоли. Работа также не доказывает, что такой подход способен продлевать жизнь пациентов или повышать эффективность существующего противоопухолевого лечения.

Неожиданная связь: митохондрии могут влиять на программу деления клетки

Один из наиболее интересных результатов исследования связан не с выработкой энергии как таковой, а с активностью генов.

Учёные обнаружили, что активация митохондрий сопровождалась снижением экспрессии генов, участвующих в нескольких фундаментальных процессах:

• прохождении клеточного цикла;
• клеточной пролиферации — увеличении числа клеток за счёт деления;
• репликации ДНК — копировании генетического материала перед делением.

Это наблюдение меняет привычный взгляд на роль энергетического обмена.

Обычно мы представляем метаболизм как систему, обслуживающую потребности клетки. Если клетка начинает быстро делиться, ей требуется больше энергии и строительных материалов, поэтому она перестраивает обмен веществ.

Но результаты исследования предполагают, что связь может работать и в обратном направлении.

Изменение метаболического состояния клетки способно сопровождаться перестройкой программы, регулирующей её размножение.

Другими словами, митохондрии могут быть не только поставщиками энергии, но и участниками регуляции клеточного поведения.

Это важная научная гипотеза, хотя конкретные механизмы передачи таких сигналов ещё предстоит установить.

Само по себе снижение активности генов клеточного цикла не доказывает, что именно оно стало непосредственной причиной торможения роста опухоли. Для установления причинной связи потребуются дополнительные эксперименты.

Как опухоль попыталась компенсировать вмешательство

Исследование выявило ещё одну необычную особенность поведения раковых клеток.

Когда Grubraw увеличивал образование пирувата внутри митохондрий, клетки не обязательно использовали весь дополнительный субстрат для окислительного метаболизма.

Часть избытка пирувата выводилась из клетки.

Этот результат показывает, насколько гибко опухолевые клетки способны регулировать потоки веществ.

Даже при искусственном изменении метаболизма они могут перераспределять образующиеся соединения, частично компенсируя вмешательство.

Такое поведение согласуется с представлением о метаболической пластичности опухолей — способности менять способы использования питательных веществ в зависимости от условий.

Именно эта пластичность представляет серьёзную проблему при разработке препаратов, воздействующих на обмен веществ.

Недостаточно просто заблокировать или усилить одну биохимическую реакцию. Необходимо понимать, как вся метаболическая система клетки ответит на вмешательство и какие обходные механизмы сможет использовать опухоль.

Почему Grubraw пока нельзя считать новым методом лечения рака

Несмотря на интересные результаты, исследование находится на доклинической стадии.

Существуют несколько принципиальных ограничений:

• Grubraw требует введения генетической конструкции. В экспериментах на животных использовались предварительно модифицированные опухолевые клетки. Это существенно отличается от лечения уже сформировавшейся опухоли у человека. Для клинического применения необходимо научиться безопасно и избирательно доставлять подобный инструмент в опухолевые клетки.
• Пока неизвестно, какие опухоли наиболее чувствительны к принудительной активации митохондриального метаболизма. Рак представляет собой множество заболеваний с различными генетическими и биохимическими особенностями. Метаболическая стратегия, эффективная в одной клеточной модели, может оказаться менее результативной в другой.
• Необходимо определить, как такое вмешательство влияет на здоровые ткани. Митохондрии жизненно важны для нормальных клеток. Поэтому любое лечение, направленное на изменение их активности, должно обладать достаточной избирательностью.
• Требуется детально дифференцировать механизмы. Необходимо разобраться, какая часть противоопухолевого эффекта непосредственно связана с усилением митохондриального дыхания, а какая может зависеть от других метаболических изменений.

Эти вопросы особенно важны при переходе от экспериментального инструмента к потенциальной лекарственной технологии.

Из результатов также не следует, что приём D-аланина, изменение питания или попытки самостоятельно стимулировать митохондрии способны замедлять рак. Экспериментальный эффект достигался в специально модифицированных клетках.

Может ли энергетический обмен стать новой мишенью противоопухолевой терапии

Современная онкология располагает несколькими направлениями лекарственного воздействия на опухоли.

Цитотоксические препараты повреждают быстро делящиеся клетки. Таргетная терапия воздействует на определённые молекулярные механизмы опухолевого роста. Иммунотерапия помогает иммунной системе распознавать и атаковать злокачественные клетки.

Метаболическая терапия рассматривает другую уязвимость — зависимость опухолевых клеток от определённых способов получения энергии и использования питательных веществ.

Идея воздействия на опухолевый метаболизм не нова. Но работа с Grubraw интересна тем, что исследователи не просто подавляли отдельную метаболическую реакцию, а направленно усиливали один из путей обмена веществ.

При этом менялось не только потребление кислорода, но и поведение опухолевых клеток.

Следующим шагом должны стать исследования механизмов, связывающих митохондриальную активность с регуляцией деления клеток, оценка безопасности и поиск способов фармакологически воспроизводить полезные эффекты без сложной генетической модификации.

Для практической онкологии особенно важно будет выяснить, можно ли использовать подобные механизмы совместно с существующими методами лечения.

Пока это направление исследований, а не доказанная терапевтическая стратегия.