Warburg-effekten er de fleste kræftcellers tendens til primært at producere energi gennem meget aktiv glykolyse efterfulgt af dannelsen af mælkesyre [1] snarere end gennem langsom glykolyse og pyruvatoxidation i mitokondrier ved hjælp af oxygen som i de fleste normale celler [2] [ 3] [4 ] ] . I cellerne i en hurtigt voksende malign tumor er niveauet af glykolyse næsten 200 gange højere end i normalt væv . Samtidig forbliver glykolyse at foretrække selv under forhold, hvor ilt er i overskud.
Effekten blev opdaget af Otto Heinrich Warburg i 1920'erne. Opkaldt efter ham af Ephraim Raker i 1974 [1] .
Otto Warburg mente, at disse ændringer i stofskiftet er den grundlæggende årsag til kræft ( Warburg-hypotesen ) [5] . I dag er det kendt, at hovedårsagerne til malign transformation af celler er mutationer i onkogener og tumorsuppressorgener , og Warburg-effekten betragtes kun som en konsekvens af disse mutationer [6] [7] .
I 1920'erne opdagede Otto Warburg og kolleger kræftceller, der optog store mængder glukose sammenlignet med de omkringliggende celler. Glucose blev også fermenteret til laktat , mens der var nok ilt (en aerob glykolyse ). Det blev også påpeget, at cellulær respiration kunne holde cellen i live. Konklusionen herfra var, at for at dræbe en celle ved at fratage den dens energi, er det nødvendigt at tage både glukose og ilt fra den. Senere, i 1929, fortsatte den engelske biokemiker Herbert Crabtree Warburgs arbejde og studerede heterogeniteten af glykolyse i kræftceller. Han bekræftede, hvad Warburg havde fundet, men så også, at andelen af cellulær respiration varierer, og at mange tumorer viser betydelige mængder. Fra dette konkluderede Crabtree ikke kun, at kræftsvulster bruger anaerob glykolyse, men at de også har en vis variation i fermentering, formentlig på grund af miljømæssige eller genetiske påvirkninger.
I modsætning til resultaterne af tidligere arbejde, og af årsager, der er uklare for disse forfattere, foreslog Warburg senere, at dysfunktionelle mitokondrier er roden til anaerob glykolyse. Warburg foreslog også, at denne begivenhed er årsagen til kræft. Dette fænomen blev kaldt Warburg-effekten i begyndelsen af 1970'erne af Ephraim Racker , som også påpegede, at tidligere beviser viste tumorers evne til cellulær respiration. Wrecker udviklede sine egne teorier om oprindelsen af Warburg-effekten, lige fra ubalancer i intracellulær pH til defekter i ATPase- aktivitet. Senere observerede Racker, Jeffrey Fliehr og Morris Birnbaum, at anaerob glykolyse er en kontrolleret proces, der kan reguleres direkte af vækstfaktorsignalering. På det tidspunkt førte opdagelsen af onkogener til den konklusion, at afvigende regulering af vækstfaktorsignalering er en udløsende begivenhed i onkogenese. Således bragte deres observationer ny betydning til Warburgs hypotese i biologien af kræftsvulster. Indtil for nylig var det dog uklart, om Warburg-effekten var en bivirkning i patogenesen af kræft. Nylige genetiske og farmakologiske undersøgelser har overbevisende vist, at Warburg-effekten er nødvendig for tumorvækst. Vender vi tilbage til de primære undersøgelser af tumormetabolisme, er det nu klart, at både anaerob glykolyse og mitokondriel metabolisme kan være påkrævet. Gennem denne historie har Warburg-effektens funktioner været kontroversielle. [otte]
Warburg-effekten kan simpelthen være resultatet af skader på mitokondrier under malignitet, tilpasning til lave iltniveauer eller resultatet af at deaktivere mitokondrielle gener, da mange af dem er involveret i at udløse apoptose , som ellers ville føre til kræftcelledød. Måske er effekten simpelthen en konsekvens af hurtig celledeling. Fordi glykolyse giver de fleste af de byggesten, der er nødvendige for celledeling og vækst, er det blevet foreslået, at kræftceller (og normale prolifererende celler) aktiverer glykolyse på trods af tilstedeværelsen af ilt for at formere sig med succes [9] . Bevis er påvisningen af aktiv anaerob glykolyse i celler med øget ekspression af mitokondrierelateret hexokinase [10] , som er ansvarlig for stimuleringen af glykolyse. Ved nyrekræft kan den samme effekt forekomme på grund af tilstedeværelsen af mutationer i Hippel-Lindau-tumorsuppressoren , som aktiverer generne af glykolytiske enzymer, herunder M2-splejsningsisoformen af pyruvatkinase [11] .
I marts 2008 annoncerede Lewis K. Cantley og kolleger, at pyruvatkinase M2-PK, en isoform af pyruvatkinase, er det enzym , der er ansvarligt for Warburg-effekten. M2-RK findes i alle hurtigt delende celler og gør det muligt for kræftceller at indtage glukose med en accelereret hastighed; hvis celler tvinges til at skifte til den normale form for pyruvatkinase, hvilket hæmmer syntesen af tumor M2-RK, så falder deres væksthastighed betydeligt. Forskerne erkendte, at den nøjagtige kemi af glukosemetabolisme sandsynligvis ville variere i forskellige former for kræft, men PKM2 var til stede i alle de testede kræftceller. Denne form for enzymet findes normalt ikke i sundt væv, selvom det naturligvis er nødvendigt for hurtig celle-reproduktion, såsom ved sårheling eller hæmatopoiese [12] [13] .
Mange stoffer, der hæmmer glykolyse, er pt[ hvornår? ] er genstand for intens forskning som anticancermidler [14] , herunder SB-204990, 2-deoxy-D-glucose , 3- brompyruvat, 5-thioglucose og dichloreddikesyre . Kliniske forsøg er i gang med 2-deoxy-D-glucose og dichloreddikesyre [15] .
Alpha-cyano-4-hydroxykanelsyre, en lille molekylehæmmer af monocarboxylattransportører (forhindrer akkumulering af mælkesyre i tumorer), er med succes blevet brugt til behandling af hjernetumorer i prækliniske undersøgelser [16] [17] [18] [19] . Inhibitorer med høj affinitet for monocarboxylattransportere er blevet udviklet. I øjeblikket[ hvornår? ] de gennemgår kliniske forsøg hos AstraZeneca [20] .
Dichloreddikesyre, en lille molekyle inhibitor af mitokondriel pyruvat dehydrogenase kinase, "undertrykker" glykolyse in vitro og in vivo . Forskere ved University of Alberta foreslog i 2007, at dichloreddikesyre kan have en terapeutisk effekt mod mange typer kræft [21] [22] .
Det er vist in vitro , at et højt niveau af glukose fremskynder spredningen af kræftceller, mens mangel på det fører til apoptose. Disse resultater initierede yderligere undersøgelse af glucoses virkning på tumorvækst. Kliniske data viser, at et fald i blodsukkerniveauet ved fremskreden cancer er korreleret med bedre patientoverlevelse [23] .
Pr. glucosemolekyle er anaerob glykolyse en ineffektiv metode til ATP-syntese sammenlignet med mængden produceret af mitokondriel respiration. Men hastigheden af glukosemetabolisme gennem anaerob glykolyse er højere, således at produktionen af laktat fra glukose sker 10-100 gange hurtigere end den fuldstændige oxidation af glukose i mitokondrier. Faktisk er mængden af ATP syntetiseret i en given tidsperiode sammenlignelig med enhver form for glukosemetabolisme. En rimelig hypotese om, at kræft bruger anaerob glykolyse, må således forklares med forskellen i kinetikken.
Teoretiske beregninger ved hjælp af evolutionær spilteori bekræfter, at celler med højere hastigheder men lavere ATP-produktionsudbytte kan opnå en selektiv fordel, når de konkurrerer om delte og begrænsede energiressourcer. Faktisk har tumormikromiljøet begrænset glucosetilgængelighed og konkurrerer om næringsstoffer med stromale og immunceller. Undersøgelsen viste også, at når ændringer i det cellulære miljø forårsagede en signifikant stigning i behovet for ATP ved at ændre behovet for ATP-afhængige membranpumper, steg anaerob glykolyse hurtigt, og oxidativ phosphorylering forblev konstant. Dette giver yderligere begrundelse for, at Warburg-effektens funktion er at understøtte hurtig ATP-produktion, som hurtigt kan justeres for at opretholde det ønskede ATP-niveau.
På trods af dette forslags tiltrækningskraft er der vanskeligheder. Simple empiriske beregninger viser, at mængden af ATP, der kræves til cellevækst og -deling, kan være meget mindre end den, der kræves til normal cellevedligeholdelse. Således kan efterspørgslen efter ATP aldrig nå sin grænse under væksten af tumorceller. Derudover er mekanismer, der er tilgængelige for andre celletyper i tilfælde af hurtig efterspørgsel efter ATP, også til stede i tumorceller. For eksempel er den hurtige syntese af ATP fra kreatinkinaser i trænet muskel- eller adenylatkinase under hormonforandringer til stede i de fleste tumorceller og burde være i stand til at imødekomme efterspørgslen efter ATP. Der er således behov for yderligere undersøgelser for at vise, om denne mekanisme kan forklare rollen af anaerob glykolyse. [otte]
Warburg-effekten antages at være en tilpasningsmekanisme til at understøtte de biosyntetiske krav til ukontrolleret vækst. I dette scenarie bruges øget glukoseindtag som en kulstofkilde til de anabolske processer, der er nødvendige for at understøtte celledeling. Dette overskydende kulstof bruges til at generere nukleotider, lipider og proteiner og kan ledes gennem flere forgreningsveje, der stammer fra glykolyse. Et eksempel er lækagen af glykolytisk flux til serinbiosyntese af enzymet phosphoglycerat dehydrogenase (PHGDH). Ud over at bruge yderligere kulstof fra glukosemetabolisme til cellulære byggesten, er der nu også et argument om, at i stedet for at begrænse hastigheden af ATP-syntese, har prolifererende celler mere behov for at genvinde ækvivalenter i form af NADPH .
En anden foreslået mekanisme til at redegøre for den biosyntetiske funktion af Warburg-effekten er regenereringen af NAD+ fra NADH i pyruvat til laktat-trinnet, som fuldender anaerob glykolyse. I dette scenarie skal NADH, som produceres af glyceraldehydphosphatdehydrogenase (GAPDH), indtages for at regenerere NAD+ for at opretholde glykolyseaktivitet. Denne høje glykolysehastighed muliggør processer, der for eksempel kan pumpe 3-phosphoglycerat (3PG) til serin til produktion af NADPH og nukleotider gennem et-kulstofmetabolisme. Disse antagelser konkluderer, at Warburg-effekten opretholder et metabolisk miljø, der tillader hurtig biosyntese for at understøtte vækst og spredning.
Derudover har andre foreslået, at anaerob glykolyse er et kompromis for at understøtte biosyntese. I disse scenarier opstår en ineffektiv måde at skabe ATP på fra behovet for at forsyne de anabolske veje med de nødvendige materialer. Disse veje kræver øget ekspression af biosyntetiske gener, såsom dem, der er involveret i nukleotid- og lipidsyntese, og som et resultat sker dette ved at begrænse brugen af mitokondrier for at opretholde høj ekspression af biosyntetiske enzymer på grund af den begrænsede mængde protein, der er tilgængeligt. Et andet scenarie er, at det fysiske volumen, der er tilgængeligt pr. celle, kan begrænse antallet af mitokondrier, og derfor skal enhver energi og biomasse, der overstiger den begrænsede mitokondrielle kapacitet, opnås fra anaerob glykolyse. Dette koncept er blevet kaldt opløsningsmiddelkapacitetsbegrænsning. I begge disse tilfælde er Warburg-effekten en tilpasning til støtte for biomasseproduktion i lyset af begrænsede muligheder for ATP-generering.
Appellen ved dette forslag skyldes til dels dets evne til at give en simpel forklaring på den tilsyneladende sammenhæng mellem anaerob glykolyse og cancercellevækst. Det virker også intuitivt for nogle, at forgreningsveje fra glykolyse ville blive mere udnyttet under Warburg-effekten, da glykolysehastigheden er højere, og laktatproduktion i dette tilfælde ville tjene til at regenerere NAD+ for at tillade glykolysen at fortsætte. Derudover kan kravet til NADPH for lipiddannelse opsummeres i en meget simpel kemisk ligning, der viser, at kravet til NADPH er højere end for ATP til biosyntese.
Der er dog alvorlige begrænsninger for denne foreslåede funktion af Warburg-effekten. For det første, under anaerob glykolyse, tilbageholdes det meste af kulstoffet ikke og frigives i stedet som laktat. Faktisk efterlader den generelle ligning for omdannelse af 1 molekyle glucose til 2 molekyler lactat uden en samlet stigning eller tab af NAD+ og NADH ingen plads til biomasse. Det vil sige, på grund af glykolysens støkiometri er biomasseproduktion gensidigt udelukket med laktatproduktion, og biosyntese kan ikke forklares for NAD+ regenerering af laktat alene. De veje, der fører til glukosebiosyntese, forekommer således i fuldstændig fravær af laktatproduktion, hvilket er kendetegnende for Warburg-effekten. Også pt[ hvornår? ] er det en udbredt opfattelse, at mitokondrier er nøglekomponenter i det biosyntetiske program, hvis substrater i TCA-cyklussen bruges til biosyntese af nukleotider, aminosyrer og lipider. I lyset af disse beviser er det stadig svært at forstå, hvordan Warburg-effekten direkte kan fremme biosyntese.
Nylige estimater af kvantitativ proteomik indikerer, at omkostningerne ved at producere et protein til at udføre anaerob glykolyse er enorme. Faktisk donerer celler op til 10% af hele deres proteom og halvdelen af deres metaboliske gener til produktion af proteiner involveret i glykolyse. I modsætning hertil kræver biosyntetiske programmer i celler meget mindre mængder protein. Således er omkostningerne ved at producere proteiner til anaerob glykolyse lige så store, hvis ikke mere end omkostningerne ved at producere proteiner til biosyntese. Forslaget om, at funktionen af Warburg-effekten er i biosyntese, udfordres også af det faktum, at mitokondrielle funktioner forekommer samtidig med Warburg-effekten, og begrænsning af mitokondriel aktivitet synes derfor ikke at forekomme under Warburg-effekten. I sidste ende er der behov for yderligere forskning for at finde ud af, om Warburg-effekten fungerer til at understøtte biosynteseprogrammer. [otte]
I modsætning til de cellulære funktioner beskrevet ovenfor, kan Warburg-effekten repræsentere en fordel for cellevækst i et multicellulært miljø. Forsuring af mikromiljøet og andre metaboliske interferenser er spændende muligheder. Øget glukosemetabolisme sænker pH i mikromiljøet på grund af laktatsekretion . De potentielle fordele ved forsuring for kræftceller er enorme. Den syremedierede invasionshypotese foreslår, at H+ ioner frigivet fra cancerceller diffunderer ind i miljøet og ændrer grænsefladen af tumorstroma, hvilket muliggør øget invasivitet. En nylig undersøgelse viste, at laktat afledt af tumorer bidrager til polariseringen af makrofager forbundet med M2-væv. Tilgængeligheden af glucose ser også ud til at være resultatet af direkte konkurrence mellem tumoren og tumorinfiltrerende lymfocytter. Høje niveauer af glykolyse begrænser tilgængeligheden af glucose til lymfocytter, som kræver tilstrækkelig glucose til deres funktioner. Støtte til dette forslag er direkte bevis på, at målretning af anaerob glykolyse i tumorer har den ekstra fordel at reducere glukoseoptagelse af lymfocytter og derfor undertrykke deres primære funktion med at dræbe tumorceller. Tilsammen antyder dette faktum, at tumorceller kan kommunikere med celler i immunsystemet for at understøtte antitumorimmunitet.
Det er sandsynligt, at Warburg-effekten giver en samlet fordel, der opretholder et tumormikromiljø, der fremmer kræftcellevækst. Warburg-effekten menes dog at være en tidlig hændelse i onkogenese, der er en direkte konsekvens af en indledende onkogen mutation såsom KRAS i bugspytkirtelkræft eller BRAF i melanom, der således forekommer før celleinvasion og i godartede og tidlige kræftformer. Et andet problem er, at under forhold fuldstændig isoleret fra miljøet, såsom i vækstfasen af encellet gær, forbliver Warburg-effekten valget af energimetabolisme fra glucose. Samlet set tyder disse data på, at de ikke-cellulære funktioner af Warburg-effekten er utilstrækkelige til fuldt ud at forklare dens funktioner. [otte]
Det antages, at Warburg-effekten bibringer funktionen af direkte signalering til tumorceller. Dette forslag er særligt attraktivt, da det identificerer en direkte årsagsrolle for ændret glukosemetabolisme ved at fremme tumorigenese gennem denne signaltransduktion, der påvirker andre cellulære processer. De to domæner af signalfunktion er generering og modulering af reaktive oxygenarter (ROS) og modulering af kromatintilstand. Andre undersøgelser har identificeret yderligere mulige signalmekanismer.
Det er vigtigt at opretholde en ordentlig balance mellem ROS. For store mængder ROS beskadiger cellemembraner, nukleinsyrer og har andre skadelige virkninger. Utilstrækkelige niveauer af ROS forstyrrer signaltransduktionsprocesser, der er gavnlige for celleproliferation, såsom inaktivering af phosphatase og tensin homolog (PTEN) og tyrosin phosphataser. Warburg-effekten inducerer ændringer i redoxpotentialet i mitokondrier, hvilket i sidste ende ændrer ROS-generering.
En vigtig faktor, der bestemmer redoxpotentialet i celler, er NADH, som er tilgængelig i mitokondrier til elektrontransport. Cellulære mekanismer til opretholdelse af redox-homeostase finder sted, når glykolysehastigheden svinger. Til en vis grad af glykolyse er malat-aspartat-shuttlen gennem mitokondrierne i stand til at genoprette NADH-ubalancen. Men når glykolysehastigheder er højere end dem, der kan opnås med malat-aspartat-shuttlen, er omdannelsen af pyruvat til lactat via lactatdehydrogenase (LDH) i stand til at regenerere NAD+. Denne proces kan også påvirke homeostasen af ROS-generering ved at påvirke koncentrationen af reducerende ækvivalenter i mitokondrier.Denne konsekvens af Warburg-effekten kan være direkte involveret i onkogen-induceret aldring (OR). SIR har en tumor-undertrykkende cellulær funktion, og en nylig undersøgelse har vist, at øget glukoseoxidation via pyruvatdehydrogenase (PDH) kan regulere SVR. Dette fund viser, at redoxbalancen af NADH kan bidrage til direkte signaleringsroller i Warburg-effekten.
Derudover forstærkes metaboliske veje, der stimulerer redox-homeostase, sammen med Warburg-effekten. For eksempel genererer pentosephosphatvejen afledt af glykolyse NADPH. Serinmetabolisme, som er involveret i et-kulstofmetabolisme, producerer NADPH og glutathion, som modulerer ROS-niveauer. Tilsammen giver disse resultater direkte biokemiske forbindelser mellem anaerob glykolyse og ROS-tilgængelighed, som igen kan påvirke en række signaleringsprocesser.
Ud over signalering gennem ROS er signalforholdet mellem glukosemetabolisme og histonacetylering blevet veldokumenteret. Kromatinstrukturens status er ansvarlig for regulering af forskellige cellulære funktioner, herunder DNA-reparation og gentranskription. Det har vist sig, at acetyl-CoA, et substrat for histonacetylering, kan reguleres af glukoseflux. Forskning har vist, at der er en direkte sammenhæng mellem cellulær metabolisme og vækstgenregulering, og at intracellulære niveauer af acetyl-CoA kan repræsentere en bredt bevaret mekanisme, der bidrager til denne vigtige forbindelse. Aktiviteten af ATP-citratlyase, enzymet ansvarligt for omdannelsen af citrat til acetyl-CoA, kan påvirke histonacetyleringsniveauer. Forhøjede niveauer af acetyl-CoA kan være tilstrækkelige til at bringe celler ind i vækstfasen via histonacetylering. Fjernelse af glucose eller reduktion af ATP-citratlyase resulterer i tab af acetylering på flere histoner og forårsager et fald i transkription af gener involveret i glucosemetabolisme. Dette indikerer, at der er en sammenhæng mellem glukosemetabolisme og histonacetylering. Til støtte for denne idé har glykolytisk metabolisme vist sig at påvirke kromatinstrukturen.
Ud over histonacetylering, som reagerer på tilgængeligheden af glukose i celler, kan deacetylering også påvirkes af tilgængeligheden af næringsstoffer. Deacetylering spiller en vigtig rolle i næringsstofoptagelse og signalering, da aktiviteten af nogle deacetylaser moduleres af NAD+ niveauer. Mere specifikt stiger NAD+/NADH-forholdet under næringsmangelforhold. Derfor kan acetylering og deacetylering påvirkes af tilgængelighed af næringsstoffer, hvilket indikerer, at deres status kan være konsekvenser af Warburg-effekten. Disse talrige beviser peger på, at glykolyse har cellulære signalfunktioner.
Men vanskeligheder begrænser også denne spekulation til at være en generel mekanisme, der gavner kræftceller ved at gennemgå anaerob glykolyse. En sådan begrænsning er, at det er svært at forestille sig, hvordan molekylær specificitet opstår gennem en så rå global signalmekanisme. I modsætning til for eksempel vækstfaktorsignalering, hvor bindingen af en ligand til et substrat inducerer ændringer i konformationel og enzymatisk aktivitet, der påvirker specifikke cellulære processer, har den mekanisme, hvor tilstanden af glykolysesignalering for andre cellulære processer, ingen åbenlyse kilder til specificitet. En anden begrænsning er, at sådanne tilbud normalt ikke kan forfalskes. Dette betyder, at det er ekstremt vanskeligt at designe eksperimenter til endeligt at vise, at en specifik signalmekanisme, såsom modulering af kromatinstruktur, er direkte afhængig af status for glukosemetabolisme som en nøglefordel ved anaerob glykolyse. En grund til dette er, at den biokemiske interaktion er hurtig, men de fænotypiske ændringer i celler udvikler sig over meget længere tid, hvilket resulterer i mange af de forvirrende faktorer, der opstår undervejs. Genetiske modeller, der kunne teste disse hypoteser, er svære at forestille sig, og andre eksperimenter mangler evnen til at teste, om specifikke cellulære resultater opstår gennem sådanne signalmekanismer snarere end indirekte midler. I hvilket omfang disse fælles træk, såsom ROS-signalering af homeostase og organisering af kromatinstruktur, er nøglebegivenheder i onkogenese, forbliver også uklart. I fremtiden kan en sådan specificitet og evnen til eksperimentelt at teste disse hypoteser komme fra at observere kvantitative aspekter af mekanismen, som det er blevet vist i andre signaltransduktionsstudier. Eksperimenter, der præcist kan kontrollere acetyl-CoA- og ROS-niveauer, kunne gøre det muligt at adskille mange af de efterfølgende effekter af Warburg-effekten. [otte]
Der er også den såkaldte reversible Warburg-effekt . I dette tilfælde henter tumorceller ikke energi fra glykolyse, men stimulerer i stedet glykolyse i tilstødende stromale fibroblaster , og tumorceller selv opnår energi gennem oxidativ fosforylering og import af metabolitter fra fibroblaster. Selvom denne opdagelse ikke eliminerer muligheden for, at Warburg-effekten kan forekomme i nogle typer tumorer, rejste den endnu en gang behovet for at se nærmere på tumormetabolismen [24] [25]
Metabolisk omprogrammering observeres også ved neurodegenerative sygdomme, Alzheimers og Parkinsons sygdomme. Det består i at forstærke oxidativ fosforylering - den såkaldte omvendte Warburg-effekt .
Udnyttelsen af næringsstoffer ændrer sig dramatisk, når celler modtager signalet om at formere sig. Ændringer i stofskiftet gør det muligt at opfylde de store biosyntetiske krav, der er forbundet med at sikre cellevækst og -deling. Ændring af de hastighedsbegrænsende glykolytiske enzymer omdirigerer stofskiftet for at understøtte vækst og spredning. Metabolisk omprogrammering i cancerceller skyldes i høj grad onkogen aktivering af signaltransduktionsveje og transkriptionsfaktorer. Epigenetiske mekanismer bidrager også til reguleringen af metabolisk genekspression i cancer. Det omvendte er også sandt, med akkumulerende beviser, der tyder på, at metaboliske ændringer kan påvirke epigenetik. Forståelse af forholdet mellem kræftcellemetabolisme og epigenetik kan åbne nye veje for udvikling af anticancerstrategier [26] .