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Warum haben hypoxische Regionen in einem Tumor Zugang zu Glukose?

Warum haben hypoxische Regionen in einem Tumor Zugang zu Glukose?


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Der Warburg-Effekt ist bei Krebs allgegenwärtig. Es besteht aus der Hochregulierung der Glukoseaufnahme, der Glykolyse und der anschließenden Laktatsekretion, manchmal um das 200-fache in Krebszellen im Vergleich zu normalen Zellen. Eine gängige Erklärung für dieses Phänomen ist, dass Tumorzellen unter Sauerstoffmangel leiden können, weil sie weit weg vom Diffusionsbereich des Sauerstoffs in der Blutversorgung sind. Aber wenn das der Fall ist, wie sind sie dann nahe genug an der Blutversorgung, um Zugang zu ausreichend Glukose zu haben? Wie kann Glukose an Orte diffundieren, an denen Sauerstoff nicht drin ist, selbst wenn Sauerstoff ein viel kleineres Molekül ist?


Ich denke, dies ist eine schwierige Frage, auf die die Antwort nicht klar ist --- meines Wissens gibt es nur wenige Daten zum Stoffwechsel in soliden Tumoren und keinen klaren Konsens in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Ich werde also nicht versuchen, eine endgültige Antwort zu geben, aber hier sind zumindest ein paar Gedanken / Meinungen.

Warum sich transformierte Zellen an der aeroben Glykolyse oder dem "Warburg-Effekt" beteiligen, ist eine Frage, die die Menschen seit fast hundert Jahren zu beantworten versuchen. Es gibt Dutzende von Hypothesen, aber keine davon wird allgemein akzeptiert. Eine populäre Hypothese von Gilles & Gatenby besagt, dass transformierte Zellen aus soliden Tumoren glykolytisch sind, weil sie für den anaeroben Stoffwechsel in einer hypoxischen Umgebung selektiert wurden, und diese Selektion ist irgendwie irreversibel, so dass die Zellen auch nach der Extraktion aus den Zellen glykolytisch bleiben Tumor und unter aeroben Bedingungen kultiviert. Ich denke, diese Hypothese ist der Ursprung der Idee von hypoxischen und doch glykolytischen Tumoren.

In gewisser Weise ist die Hypothese von Gilles & Gatenby eine kluge Idee --- sie beruht auf der allgemein anerkannten Tatsache, dass die meisten Zellen bei Hypoxie glykolytisch werden, und reimt sich auf das Konzept der Selektion zum Überleben in Tumoren. Aber das Problem mit dem Argument (wie Sie erkannt haben) ist, dass die Tumorumgebung sauerstoffarm sein müsste und gleichzeitig reich an Glukose. Ich stimme Ihnen zu, dass es unwahrscheinlich ist, dass eine solche Umgebung aufgrund mangelnder Blutversorgung entsteht, da Sauerstoff leichter durch Gewebe (und Zellen) diffundiert als Glukose. Angesichts des hohen Bedarfs an Glukose durch glykolytische Zellen sollte Glukose außerdem limitierend werden, lange bevor der Sauerstoff ausgeht. Man kann also argumentieren, dass schlecht vaskularisierte Tumore hauptsächlich oxidativ und nicht glykolytisch sein sollten!

Meines Wissens gibt es keine Daten, die die Existenz von (Bereichen von) soliden Tumoren mit niedrigem Sauerstoffgehalt belegen und hohe Glukose. Es gibt natürlich zahlreiche Beweise dafür, dass viele solide Tumoren große Mengen an Glukose verbrauchen, und auch viele Studien zeigen hypoxische Regionen in Tumoren. Aber höchstwahrscheinlich sind dies verschiedene Arten von Tumoren oder verschiedene Regionen. In einer Umgebung mit weder Sauerstoff oder Glukose, Zellen sterben einfach ab --- genau das passiert in den nekrotischen Kernen größerer solider Tumore.

Die beste Quelle für weitere Informationen ist wahrscheinlich die tumorphysiologische Literatur. Diese Rezension ist ein guter Ausgangspunkt.

Schließlich ist ein weiteres Problem der Hypothese von Gilles & Gatenby, dass die aerobe Glykolyse leicht in Zellen nachgewiesen werden kann, die noch nie in einem Tumor waren. Zum Beispiel, in vitro Transformation kann die Glykolyse erhöhen, und normale Lymphozyten induzieren eine schnelle Glykolyse, wenn sie durch Rezeptorstimulation aktiviert werden. Es muss also nicht davon ausgegangen werden, dass glykolytische Tumoren hypoxisch sind.


Die Außenseite des Tumors hat Zugang zu den meisten Nährstoffen und Sauerstoff, manchmal sogar zur Blutversorgung (Angiogenese). Solide Tumoren haben diese Mikroumgebung, wenn man so will, und die menschliche Tumor-Mikroumgebung leidet oft unter Sauerstoff- und Nährstoffmangel und Azidose (Milosevic et al., 2004). Der Abstand von der Außenseite des Tumors zum Kern hat einen etablierten Diffusionsgradienten von Sauerstoff, Nährstoffen usw. (Cristini et al., 2005, zumal Blutgefäße nicht immer in diese Bereiche eindringen können). Ein Take-Home-Punkt ist, je größer der Tumor wird, desto weniger Nährstoffe stehen den nach innen gerichteten Tumorzellen zur Verfügung, bis die Zellen oft nekrotisch oder nekroptotisch werden (Huang et al., 2013). Da Tumoren außerdem einen konstanten Innendruck aufrechterhalten, werden die toten Zellen im Wesentlichen von den lebenden Zellen gefressen und alles wird ins Zentrum geschoben, wodurch die innere Umgebung des Tumormaterials zur Verfügung gestellt wird (Greenspan, 1972).

Im Folgenden werden grobe metabolische Verschiebungen erläutert, die den Tumoren verschiedene Möglichkeiten zur Nährstoffaufnahme bieten. Ich glaube nicht, dass es so viel damit zu tun hat, dass Glukose so tief in den Tumor diffundiert wie Sauerstoff, sondern mit dieser metabolischen Umprogrammierung.

Wie verändert der Tumor sein Expressionsprofil, um seinen Bedürfnissen unter dem Hungerstress gerecht zu werden? Beispielbasierter Ansatz


Hypoxie-induzierbare Faktoren oder HIF modulieren leider die Tumorprogression. (Siehe Bellot et al., 2009, Zhang et al., 2008 für Beispiele der durch HIF induzierten Autophagie, Huang et al., 2014 für einen nicht erschöpfenden Überblick über zusätzliche Möglichkeiten, wie HIF die Krebsprogression moduliert). Tumorzellen, die an chronischer Hypoxie leiden, regulieren ihre GLUT-Transporter und glykolytischen Wege durch die Wirkung von HIF-1α/ß hoch, da sie oft beginnen müssen, ATP ohne Sauerstoff zu produzieren. Sie regulieren jedoch auch die mitochondriale Aktivität durch Transaktivierung von PDK1 und MXI1 herunter Denzo et al., 2008. PDK1 hemmt PDH und MXI1 reduziert letztendlich die Anzahl der Mitochondrien pro Zelle.

Die Eingliederung also von Glutamin in den TCA-Zyklus, wo normalerweise Pyruvat benötigt würde, ergänzt den jetzt fehlenden Kohlenstoffbedarf (siehe Abbildung unten), wo Pyruvat beteiligt wäre, denn unter erneuter Bezugnahme auf das Denzo-Papier wird im hypoxischen Tumor Pyruvat teilweise durch LDH in Laktat umgewandelt die Azidose erklären. Der Einbau von Glutamin sollte jedoch angeblich unabhängig von der HIF-Expression sein, daher habe ich mir Veröffentlichungen wie Ma et al., 2013 angesehen, die zeigten, dass hungernde Glukose-Tumoren sie aufgrund der Regulierung durch PKCζ und dem anschließenden Einbau von . aggressiver machten Glutaminstoffwechsel.

Abb. A. Betrachtet man hier alternative Energiepfade während des Aushungerns des Tumors, können die Zellen das nekrotische Zentrum des Tumors ausspülen, Autophagie, andere Kohlenstoffquellen usw. nutzen, um ihren Bedarf zu decken. Quelle: White, E., 2013

Genauer gesagt gibt es einen Paradigmenwechsel bei PKCζ-defizienten Tumorzellen, der (1) eine Hochregulierung der Phosphoglycerat-Dehydrogenase (PHGDH) und der Phosphoserin-Aminotransferase (PSAT1) beinhaltet, die normalerweise von PKCζ unterdrückt werden, (2) ungehemmte mTOR-Aktivität, die normalerweise während des Nährstoffmangels abgeschaltet werden und (3) AMPK- und Autophagie-Wege gehemmt werden, die normalerweise bei Nährstoffmangel aktiv sind.

"Eine genomweite Transkriptomanalyse zeigte, dass PKCζ-defiziente Zellen Genveränderungen in Signalwegen zeigten, die mit der Verwendung von Glutamin als Glukosealternative übereinstimmen."

Sowohl bei Menschen als auch bei Mäusen schlussfolgern sie, dass PKCζ in Bezug auf Darmkrebs regelmäßig als Tumorsuppressor wirkt. Aber der Hauptpunkt hier ist, dass hier mehrere pathologische Mutationen involviert sein können, um zu versuchen, den Warburg-Effekt zu verstehen.

Leithner et al., 2015 zeigt ebenfalls, dass Tumorzellen (dies ist spezifisch für Lungenkrebs) beginnen können, Laktat zu verwerten, um Glukosebausteine ​​zu bilden, indem sie den Gluconeogenese-Weg modifizieren, der hauptsächlich durch eine mitochondriale Isoform der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) bekannt als PCK2:

"Bei niedrigem Glucosegehalt erschienen alle drei Kohlenstoffe von (13)C₃-Lactat im PEP-Pool, was eine Umwandlung von Lactat in Pyruvat, über Pyruvat-Carboxylase in Oxalacetat und über PCK2 in Phosphoenolpyruvat weiter unterstützte."

Ich möchte noch einmal darauf hinweisen, dass im hypoxischen Tumor Beweise dafür sprechen, dass Pyruvat in Laktat umgewandelt wird, aber jetzt impliziere ich, dass das Laktat möglicherweise in Glukose umgewandelt werden kann, eine positive Rückkopplungsschleife, die die Tumorglukose liefert. Dies wird in gewisser Weise durch die klinische Studie in Koukourakis et al., 2006, unterstützt, die zeigt, dass bei Tumoren, die LDH-5 und HIF-1α/2α überexprimieren, bei den malignen Tumoren der Sauerstoffverbrauch niedrig und der Glukoseverbrauch hoch war. Aber ich möchte auch auf den Denzo-Artikel zurückkommen, weil er einige interessante Punkte aufgeworfen hat, und ich empfehle, ihn zu lesen: Der verringerte mitochondriale Sauerstoffbedarf könnte wichtiger sein als die erhöhte Glykolyse.

Einige interessante Punkte:

1) Die durch Hypoxie induzierte Stoffwechselverschiebung senkt den Sauerstoffbedarf des Tumors und erhöht seinen Glukosebedarf. Dies bedeutet nicht unbedingt, dass der Tumor tatsächlich Glukose bekommt, und manchmal bedeutet es auch nicht, dass der Tumorzelle tatsächlich Sauerstoff entzogen wird, sondern die Hypoxie wird einfach durch . induziert nicht genug Sauerstoff, um den hohen Sauerstoffbedarf zu decken, lesen Sie Takakusagi et al., 2014.

2) Durch die Umprogrammierung seines Stoffwechsels und die Kannibalisierung von Zellen, die tatsächlich an Entbehrung gestorben sind, kann der Tumor durch eine Reihe pathologischer Mutationen lebensfähig Energie "bekommen" - wenn auch nicht unbedingt direkt in Form von Glukose.

3) Anaerobe Glykolyse gefolgt von LDH-Aktivität ist eine effiziente Anpassung Wenn man sich Koppenol, Bounds & Dang, 2011 ansieht, kann die hypoxische Tumorzelle in der Zeit, in der sie oxidativen Phosphor benötigt, aus 13 Glukose 26 ATP und 26 Milchsäure produzieren. um 36 ATP aus einer Glukose zu produzieren. In einer Zeit des Hungers ist eine effiziente Energieproduktion eine gute Sache, und der hypoxische Mechanismus ist schnell, besonders wenn wir bedenken, dass der Tumor in irgendeiner Weise Glukose aus Milchsäure produziert. Sie weisen auch darauf hin, dass Tumore gewissermaßen süchtig nach dem Warburg-Effekt werden,

„… die onkogene Deregulierung der Biomasseakkumulation für die Zellproliferation erzeugt einen erhöhten, anhaltenden bioenergetischen Bedarf, der Krebszellen abhängig macht von einer ausreichenden anabolen Versorgung.“

"Wie kann Glukose an Orte diffundieren, an denen Sauerstoff nicht drin ist, selbst wenn Sauerstoff ein viel kleineres Molekül ist?"Ich habe keine so definitive Antwort darauf, obwohl ich persönlich feststellen würde, dass dies nicht der Fall ist, nicht viel. Wo ich hin will, geht es nicht wirklich darum, dass Glukose und Sauerstoff an denselben Ort gelangen. Ich vermute, dass sie reichen je nach Zusammensetzung des Tumors und des Gewebes, in dem er sich befindet, ungefähr gleich tief in den Tumor hinein. Ich möchte auch darauf hinweisen, dass Hypoxie nicht dasselbe ist wie Anoxie, wo kein Sauerstoff vorhanden ist und die Zellen in diesen Regionen größtenteils tot sind. Wenn Sie die Länge dieses Beitrags lesen, verstehen Sie, dass die Tumorzellen leiden Hypoxie, oder ein Mangel betragen Sauerstoff zu ihnen gelangt, und ebenso würde ich einen Mangel vermuten betragen von Glukose, wie im Gegensatz zu dessen Fehlen. In diesem Sinne, und da es nicht viele Nährstoffe gibt, spielen wir auf die effiziente Nutzung von Glukose und Sauerstoff und die vorteilhafte Ansammlung von Biomasse an, für die der Warburg-Effekt der Schlüssel ist. Denn sobald Sie den Punkt der Anoxie erreicht haben, betrachten wir den anoxischen Zelltod, aber diese Zellen werden im Wesentlichen in Recyclingmaterial umgewandelt.

Schlussbemerkungen


Ich verstehe nicht, warum Glukose nicht entlang seines Gradienten in den Tumor diffundieren kann, wenn man bedenkt, dass es eine Mikroflüssigkeitsumgebung im Tumor gibt, aber wo wir in der hypoxischen Region (nicht den anoxischen Regionen) sprechen, vermute ich dort ist immer noch etwas Glukose vorhanden, so wie sie ist etwas Sauerstoff. Es ist daher wichtig, dass die Tumorzellen mehr GLUT-Transporter aus der Wirkung von HIF haben und alle Metaboliten, die sie bekommen können, effizient genutzt werden. Mir fehlen im Allgemeinen Daten, wie weit sie tatsächlich in einen Tumor eindringen können, aber für mich wäre es schwer zu quantifizieren, da es viele Störfaktoren gibt, z. B. aus welchem ​​Gewebe der Tumor stammt, Unregelmäßigkeiten in der Mikrozirkulation usw.


Hypoxie bedeutet nicht, dass kein Sauerstoff die Stelle erreicht, sondern eine niedrige Sauerstoffspannung im Vergleich zu normalem gut durchblutetem Gewebe. In meinen Experimenten habe ich beobachtet, dass das Äußere von Gliommodellen der Ratte gut durchblutet ist, aber nicht so gut im Inneren. Wir haben MR-basierte Methoden zur Untersuchung der Perfusion und IHC zur Untersuchung des Gefäßsystems verwendet. Auf die gleiche Weise habe ich eine erhöhte MCT-4-Expression (indirekt mehr Milchsäureproduktion) in den äußeren Regionen des Tumors beobachtet, aber sicherlich gibt es manchmal einige Taschen mit erhöhtem MCT-4 im Inneren. Aber egal, der gesamte Tumor und die Umgebung sind sauer. Dies könnte auf Milchsäure oder die Aufrechterhaltung des intrazellulären pH-Werts durch Protonenaustauscher zurückzuführen sein. Obwohl es keine klare Antwort gibt, stimme ich CMosychuk in vielen Punkten zu. Eine niedrige Sauerstoffspannung erhöht die HIF-Aktivität, was ihre Auswirkungen hat. Ich stand auch einer anderen merkwürdigen Situation gegenüber. Ich habe mit pseudohypoxischen Tumoren gearbeitet. Sie haben keine niedrige Sauerstoffspannung, aber dennoch aktiviertes HIF, da HIF dank einiger Mutationen (VHL, SDHB) künstlich stabilisiert wird. Jetzt erwartete ich mehr GLUT, weil ich eine erhöhte 18F-FDG-Aufnahme in diesen Tumoren sehen konnte, aber ich sah eine erhöhte Hexokinase-2-Expression. Denken Sie daran, in diesem Fall gab es keine Hypoxie, dennoch hatte die Aktivierung von HIF ihre Wirkung, die die Glykolyse erhöht! Daher denke ich auch, dass eine niedrige Sauerstoffspannung eine geringe Nährstoffversorgung bedeuten kann, aber sicherlich keine keine Nährstoffversorgung. Wir sehen Tumorteile mit niedriger Sauerstoffspannung, die glücklich leben und metabolisieren und die gesamte Region sauer machen. Ich habe bei diesen Tumoren nicht einmal einen nekrotischen Kern gesehen. Als ich diese Zellen tötete und den Tieren Temozolomid gab, war die Säure nicht mehr da. Die Säure war also sicherlich vom Stoffwechsel der Zellen. Denken Sie daran, dass dies alles In-vivo-Studien sind und wir verschiedene Arten von Messungen an demselben Tumor durchführen, während die Ratte am Leben ist.


Rolle der Hypoxie in der Krebstherapie durch Regulierung der Tumormikroumgebung

Klinische Resistenz ist ein komplexes Phänomen bei großen menschlichen Krebserkrankungen, das multifaktorielle Mechanismen beinhaltet, und Hypoxie ist eine der Schlüsselkomponenten, die das zelluläre Expressionsprogramm beeinflussen und zu Therapieresistenz führen. Ziel der vorliegenden Studie war es, die Rolle der Hypoxie in der Krebstherapie durch die Regulierung der Tumor-Mikroumgebung (TME) zusammenzufassen und das Potenzial einer auf Hypoxie ausgerichteten Therapie aufzuzeigen.

Methoden

Relevante veröffentlichte Studien wurden von PubMed, Web of Science und Embase unter Verwendung von Schlüsselwörtern wie Hypoxie, Krebstherapie, Resistenz, TME, Krebs, Apoptose, DNA-Schädigung, Autophagie, p53 und anderen ähnlichen Begriffen abgerufen.

Ergebnisse

Jüngste Studien haben gezeigt, dass Hypoxie bei Patienten durch Regulierung der TME mit einer schlechten Prognose verbunden ist. Es verleiht Resistenz gegen konventionelle Therapien durch eine Reihe von Signalwegen bei Apoptose, Autophagie, DNA-Schäden, mitochondrialer Aktivität, p53 und Arzneimittelausfluss.

Abschluss

Hypoxie-Targeting könnte relevant sein, um Hypoxie-assoziierte Resistenzen bei der Krebsbehandlung zu überwinden.


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Signalwege im Zusammenhang mit Tumorhypoxie

Hypoxie induziert eine Reihe komplexer intrazellulärer Signalwege wie den Hauptweg des Hypoxie-induzierbaren Faktors (HIF). Andere Hypoxie-assoziierte Pfade umfassen PI3K/AKT/mTOR, 29 , 30 MAPK, auch bekannt als ERK-Pfade, 31 – 33 und NFᎋ. 34 Diese Wege sind an der Zellproliferation, dem Überleben, der Apoptose, dem Stoffwechsel, der Migration und der Entzündung beteiligt.

PI3K/AKT/mTOR-, MAPK- und NFᎋ-Signalwege werden auch hypoxieunabhängig durch eine Reihe von Faktoren wie Zytokine, Chemokine und Wachstumsfaktoren stimuliert, die an Rezeptor-Tyrosin-Kinasen, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, binden, Toll-like-Rezeptoren (TLR) und Alarmin-Rezeptoren auf der Zelloberfläche, die schließlich auch zur Aktivierung von HIF-1α führen können (Abbildung 1). Darüber hinaus verursachen in Krebszellen epigenetische Veränderungen und erworbene Mutationen der Pathways’-Mitglieder sowie eine Überaktivierung/Überstimulation von Rezeptoren ein unkontrollierbares Wachstum von Krebszellen. 35 Das Targeting von Nicht-HIF-Signalwegen stellt ein vielversprechendes Ziel für die antineoplastische Therapie dar, und jeder Signalweg ist für sich allein ein großes Thema. Weitere Informationen zur Rolle der Nicht-HIF-Signalwege bei Krebs finden Sie an anderer Stelle. Dieser Review konzentriert sich hauptsächlich auf den HIF-Signalweg und seine Beteiligung an der Tumorprogression.

Regulation von HIF bei normoxischen und hypoxischen Bedingungen.

Anmerkungen: HIF-α, ein Transkriptionsfaktor, kann sowohl durch hypoxische als auch durch nicht-hypoxische Faktoren reguliert werden. Bei Normoxie werden HIF-α-Untereinheiten durch Sauerstoffsensoren, einschließlich PHD- und FIH-1-Enzymen, hydroxyliert, was eine Polyubiquitinierung und einen proteasomalen Abbau von hydroxylierten HIF-α-Untereinheiten (rote Pfeile) verursacht. Die Aktivität von PHD und FIH-1 ist sauerstoffabhängig (rote Pfeile) bei Hypoxie (blaue Pfeile) verlieren diese Enzyme ihre Aktivität aufgrund einer verminderten Sauerstoffversorgung, was zu einer Stabilisierung, Akkumulation und Translokation des HIF-α-Proteins in den Zellkern führt in Gentranskription und biologischen Konsequenzen (schwarze Pfeile). HIF wird auch hypoxie-unabhängig als Reaktion auf Stickstoffmonoxid (NO), reaktive Sauerstoffspezies (ROS), Zytokine, Lipopolysaccharide und Wachstumsfaktoren durch Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTK), G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) moduliert. Toll-like-Rezeptoren (TLR) und Alarmin-Rezeptoren. Die nicht-hypoxische HIF-Regulation wird durch eine Reihe verschiedener Signalwege vermittelt, darunter NF㮫, PI3K/AKT/mTOR und MAPK/ERK (grüne Pfeile). Diese Pfade sowie die ROS-Produktion werden zusätzlich durch Hypoxie reguliert, was zu einer mehrfachen HIF-α-Stimulation führt, sowohl hypoxisch als auch normoxisch. Infolgedessen verändert die HIF-Akkumulation und -Aktivierung die Blutgefäßbildung, Apoptose, Metastasierung und den Stoffwechsel über eine Reihe von Genen, einschließlich VEGF, SDF-1, Ang-2, MMPs, BNIP-3, p53, Übergang von Epithel-zu-Mesenchym ( EMT), E-cad, CXCR4, LOX, CAIX, GLUT-1 und GSK (schwarze Pfeile).

HIF-Pfad

Die zelluläre Anpassung an Hypoxie wird hauptsächlich durch eine Familie von Transkriptionsregulatoren, HIF, vermittelt, die vor 2 Jahrzehnten identifiziert wurden. 36 Die hypoxische Induktion und Proteinstabilisierung der HIF-α-Untereinheiten (HIF-1α, HIF-2α und HIF-3α) wird durch Sauerstoffsensoren, einschließlich PHD- und FIH-1-Enzymen, reguliert. PHDs und FIH-1 sind HIF-α stromaufwärts und ihre Aktivität ist sauerstoffabhängig. 37 In sauerstoffreichen Zellen werden HIF-α-Untereinheiten durch PHDs und FIH-1 hydroxyliert, was die Markierung von HIF-α-OH durch pVHL, die Polyubiquitinierung und den Proteinabbau von HIF-α durch das Proteasom erleichtert. 38 Wenn der Sauerstoffgehalt sinkt, verlieren die PHD-Enzyme ihre Aktivität, die Hydroxylierung der HIF-α-Untereinheit wird gehemmt und der Abbau gestoppt. Die nicht-hydroxylierten, stabilisierten HIF-α-Untereinheiten translozieren in den Zellkern, wo sie mit der konstitutiv exprimierten HIF-β-Untereinheit dimerisieren, an DNA binden und die Gentranskription der adaptiven Wege initiieren ( 1 ). 37

Abgesehen von der Hypoxie wird der HIF-Signalweg hypoxieunabhängig moduliert. Die Stabilisierung und Aktivität von HIF-α wird durch epigenetische Veränderungen und Mutationen reguliert, die zu einem Verlust von tumorsuppressorischen Funktionen (ING4, p53, PTEN, VHL) und einem Gewinn an onkogenen Funktionen (Ras, Raf, Src, mTOR, und Myk). 39 – 41 Hypoxie-unabhängige HIF-α-Regulation erfolgt als Reaktion auf Zytokine, Lipopolysaccharide und Wachstumsfaktoren, vermittelt durch PI3K/AKT/mTOR, 29 , 30 MAPK, 41 und NFᎋ-Wege. 42, 43 Darüber hinaus wurde gezeigt, dass mitochondriale ROS 44, 45 und Stickstoffmonoxid (NO) 46 die HIF-1α-Akkumulation hoch- oder herunterregulieren (Abbildung 1).

Aufgrund des vielfältigen Charakters von Tumoren mit hypoxischem und entzündlichem Phänotyp werden Signalwege gleichzeitig aktiviert und sie teilen häufig mehrere Zielgene. HIF-1α und NFᎋ regulieren zusammen über 1.000 Gene und kontrollieren somit den malignen und metastatischen Phänotyp von Krebszellen, da sie beide: i) das Zellüberleben durch eine Reihe von Wachstumsfaktoren und die Hemmung pro-apoptotischer Wege verbessern, ii) tragen zur Tumorneuvaskularisierung über VEGF, VEGF-Rezeptoren, COX-2, iNOS bei, iii) regulieren die Zellablösung durch Herunterregulierung von Adhäsionsmolekülen wie Cadherinen und iv) induzieren Zellmigration und -invasion durch matrixabbauende Enzyme. 43 Die HIF- und NFKB-Pfade werden durch einen negativen Rückkopplungsschleifenmechanismus gesteuert und kreuzen sich auch über Alarmine. Gewebeschäden und Nekrose, die auch durch Hypoxie induziert werden können, erhöhen das Vorhandensein von Alarminen, den endogenen Markern für Schäden, die vom Rezeptor für fortgeschrittene Glykationsendprodukte (RAGE) und einigen TLRs erkannt werden. Darüber hinaus wird die Expression des RAGE-Rezeptors auch durch HIF-1a hochreguliert. Alarminrezeptoren wiederum aktivieren stark NFkB und die proinflammatorische Genexpression. Darüber hinaus wird die basale HIF-1a-mRNA-Expression durch NFKB unter nicht-hypoxischen Bedingungen reguliert, da gezeigt wurde, dass der HIF-1a-Promotor auf bestimmte NFKB-Untereinheiten anspricht. 39

Der HIF-Weg wird während physiologischer Prozesse benötigt und ist an der Krebsbiologie beteiligt, indem er Hunderte von Genen reguliert. 47 – 49 Dieser Hauptregulator erleichtert das Tumorwachstum, indem er die Angiogenese über VEGF und SDF-1 fördert, 50 , 51 den Stoffwechsel durch die Regulierung von GLUT-1, GLUT-3 und glykolytischen Enzymen, 52 – 54 und die Zellapoptose reguliert und Zellüberleben über BNIP-3, 55 p53, 56, 57 TGF-β und bFGF. 3 Darüber hinaus trägt HIF-α zur Krebsmetastasierung bei, indem es die Adhäsion und Motilität von Krebszellen durch die Regulierung der epithelialen-mesenchymalen Transition (EMT) und der E-cad-, ZEB1-, -2- und TCF3-Expression 58 sowie der Migration und . verändert Invasionsfähigkeiten durch CXCR4, 59 CAIX, 60 LOX, 61 MMP-2 und MMP-9. 47 , 62 , 63


Schlüsselwörter

Prof. Minhuan Lan erhielt seinen Ph.D. Abschluss in organischer Chemie im Jahr 2013 am Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences (TIPC, CAS) unter der Leitung von Prof. Pengfei Wang und Prof. Wenjun Zhang. Anschließend schloss er sich der Gruppe von Prof. Wenjun Zhang als Postdoc an der City University of Hong Kong an (von 2013 bis 2017). Er kam 2017 an die Central South University (CSU). Jetzt ist er Professor an der CSU. Seine aktuellen Forschungsinteressen umfassen das Design und die Entwicklung funktioneller Materialien und deren Anwendung in Biosensorik, Bioimaging, Phototherapie und sonodynamischer Therapie.

Prof. Pengfei Wang promovierte 1993 in organischer Chemie am Institute of Photographic Chemistry, Chinese Academy of Sciences (CAS). Nach Abschluss der Berufserfahrung am Laboratoire PPSM des CNRS (Frankreich) als Gastwissenschaftler am National Institute of Materials and Chemical Research (NIMC), Tsukuba, Japan, als COE-Stipendiat und am Department of Applied Physics and Materials Science der City University of Hong Kong als Senior Research Fellow am Technical Institute of Physics and Chemistry (TIPC), CAS, 2005 als Professor. Seine aktuellen Forschungsinteressen umfassen Chemosensoren/Biosensoren, organische optoelektronische Materialien und Geräte.

Prof. Jong Seung Kim promovierte 1993 am Department of Chemistry and Biochemistry der Texas Tech University. Derzeit ist er ordentlicher Professor am Department of Chemistry der Korea University in Seoul. Seine Hauptforschungsinteressen sind die Anwendung der organischen Chemie auf die Wirkstoffabgabe und die Diagnose verschiedener Pathologien, einschließlich der Alzheimer-Krankheit und bösartigen Neoplasmen sowie deren hochauflösende Bildgebung. Jetzt hat er mehr als 450 veröffentlicht und der H-Index ist 93 (Web of Sci).


Hypoxie und Krebs

Eine fehlregulierte Sauerstoffsensorik ist stark an der Pathophysiologie einer Vielzahl von Krankheiten beteiligt, einschließlich Krebs 12 . Hypoxie, definiert als Versagen der Sauerstoffversorgung auf Gewebeebene, tritt auf, wenn die Sauerstoffversorgung nicht ausreicht, um den Bedarf zu decken, und ist ein wichtiges pathologisches Merkmal solider Tumoren 13 (Abbildung 3). Die Existenz von hypoxischen Regionen innerhalb solider Tumoren, die sich histologisch als Nekrose manifestieren, ist seit langem bekannt 14 . Das Aufkommen von sauerstoffempfindlichen Nadelelektroden erleichterte die direkte Messung des Sauerstoffgehalts von Tumoren, der im Vergleich zu gleichwertigen nicht-bösartigen Geweben reduziert ist, wobei einige Bereiche praktisch anoxisch sind 15-19. Die Entwicklung einer Tumorhypoxie hängt unweigerlich vom Zusammenspiel einer Reihe komplexer Faktoren ab, darunter die Sauerstofftransportkapazität des Blutes (Krebspatienten sind oft anämisch 20 ), die Integrität und Funktion der Tumorblutgefäße und die metabolischen Anforderungen von Tumor und Stroma Zellen. Von besonderer Bedeutung ist, dass die tumorassoziierte Angiogenese häufig zur Bildung von Gefäßen führt, die sowohl strukturell als auch funktionell abnormal sind 21 . Zwei Subtypen der Tumorhypoxie wurden vorgeschlagen. Eine akute (durchblutungsbegrenzte) Hypoxie entwickelt sich aufgrund einer plötzlichen Verringerung des Blutflusses 22 , wie beispielsweise bei einem vorübergehenden Gefäßverschluss. Im Gegensatz dazu entwickelt sich eine chronische (diffusionsbegrenzte) Hypoxie aufgrund der abnormal großen Diffusionsabstände zwischen zentral gelegenen Tumorzellen und ihrem nächsten Blutgefäß 14 . Dennoch bleibt die genaue Unterscheidung zwischen akuter und chronischer Tumorhypoxie unklar und kann zu einfach sein 23, 24 .

Das Vorliegen von Hypoxie in soliden menschlichen Tumoren ist unabhängig vom Tumortyp ein schlechter prognostischer Faktor 25, 26 . Hypoxie kann durch eine Reihe von Mechanismen, einschließlich der Förderung genetischer Instabilität 27 , Resistenz gegen Apoptose 28 , Angiogenese 29 , Invasion 30 und Metastasierung 31 , einen aggressiveren malignen Phänotyp verursachen . Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass Hypoxie durch eine Vielzahl von Mechanismen die Resistenz gegen alle wichtigen Arten von Krebstherapien fördert. Die Heilungswahrscheinlichkeit einer Operation ist aufgrund einer erhöhten Neigung zu lokaler Invasion und Fernmetastasierung weniger wahrscheinlich 32, 33 . Hypoxie verringert die Empfindlichkeit von Tumorzellen gegenüber einer Strahlentherapie, die von der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies abhängt, die DNA-Schäden verursachen 34 . Eine Chemotherapie kann aufgrund einer verminderten Reaktion hypoxischer Tumorzellen auf Zytotoxine weniger wirksam sein 35 . Ebenso beeinflusst die gestörte Perfusion von soliden Tumoren die Abgabe anderer Anti-Krebs-Medikamente, wie beispielsweise niedermolekularer Inhibitoren, an hypoxische Zellen 36 . Schließlich wird die hypoxische Tumormikroumgebung allgemein als immunsuppressiv angesehen und verringert wahrscheinlich die Wirksamkeit der Immuntherapie 37 .


Abstrakt

Ein veränderter Energiestoffwechsel ist ein biochemischer Fingerabdruck von Krebszellen, der eines der “hallmarks von Krebs” darstellt. Dieser metabolische Phänotyp ist durch eine bevorzugte Abhängigkeit von der Glykolyse (der Prozess der Umwandlung von Glukose in Pyruvat gefolgt von der Laktatproduktion) für die sauerstoffunabhängige Energieproduktion gekennzeichnet. Obwohl die Glykolyse in der Nettoausbeute an Adenosintriphosphat (ATP) weniger effizient ist als die oxidative Phosphorylierung, passen sich Krebszellen an diesen mathematischen Nachteil durch eine erhöhte Glukoseaufnahme an, was wiederum eine höhere Glykolyserate ermöglicht. Neben der Bereitstellung von zellulärer Energie spielen die metabolischen Zwischenprodukte der Glykolyse auch eine zentrale Rolle in der makromolekularen Biosynthese und verleihen Krebszellen bei verminderter Nährstoffversorgung einen selektiven Vorteil. Die zunehmenden Daten zeigen auch, dass intrazelluläres ATP eine kritische Determinante der Chemoresistenz ist. Unter hypoxischen Bedingungen, bei denen die Glykolyse der vorherrschende Energie produzierende Weg bleibt, würde eine Sensibilisierung von Krebszellen eine intrazelluläre Verarmung von ATP durch Hemmung der Glykolyse erfordern. Zusammen unterstreichen die onkogene Regulation der Glykolyse und die vielfältigen Rollen glykolytischer Komponenten die biologische Bedeutung der Tumorglykolyse. Somit bleibt die gezielte Glykolyse für eine therapeutische Intervention attraktiv. Mehrere präklinische Untersuchungen haben in der Tat die Wirksamkeit dieses therapeutischen Ansatzes gezeigt und damit seine wissenschaftliche Begründung gestützt. Jüngste Übersichtsartikel haben eine Fülle von Informationen über die biochemischen Ziele der Glykolyse und deren Inhibitoren geliefert. Ziel dieser Übersichtsarbeit ist es, die neuesten Forschungsergebnisse zur krebsspezifischen Rolle glykolytischer Enzyme einschließlich ihrer nicht-glykolytischen Funktionen vorzustellen, um das Potenzial für therapeutische Möglichkeiten zu erkunden. Darüber hinaus diskutieren wir das translationale Potenzial neuer Wirkstoffkandidaten im Lichte technischer Fortschritte bei Behandlungsmodalitäten wie der bildgesteuerten zielgerichteten Verabreichung von Krebstherapeutika.


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Einführung

Tumors are metabolic entities. They draw nutrients from the bloodstream, consume them through biochemical pathways and secrete waste products that then become substrates for metabolism elsewhere in the body. The metabolism of tumors has fascinated cancer biologists since Warburg's experiments in the 1920s, which showed that ascites tumor cells from the mouse were capable of unexpectedly high rates of glucose consumption and lactate secretion in the presence of oxygen (the Warburg effect). Because this behavior was so different from the differentiated tissues he used in comparison, those early observations stimulated the hope that the metabolic idiosyncrasies of tumors could be exploited to benefit cancer patients (Warburg, 1925, 1956). In terms of tumor imaging, this has turned out to be true the utility of 2-[18F]-fluoro-2-deoxy-D-glucose positron emission tomography and 1 H magnetic resonance spectroscopy in human cancer depend precisely on the ability of these modalities to detect glucose uptake and lactate production. Interest in the Warburg effect as an Achilles' heel to be exploited in cancer treatment has been further stimulated by showing that enhanced glucose metabolism is a common consequence of many of the mutations responsible for human cancer, and therefore may be a central process essential for tumor growth (Flier et al., 1987 Shim et al., 1997 Osthus et al., 2000 Elstrom et al., 2004 Matoba et al., 2006 Kroemer and Pouyssegur, 2008).

In terms of developing strategies to treat cancer, however, tumor metabolism has so far proven to be more of a Holy Grail than an Achilles' heel. Part of the difficulty lies in the flexibility of metabolic systems and the panoply of nutrients to which tumors have access. Thus, a complete picture of the metabolism of any tumor must consider the contribution of multiple nutrients simultaneously. Chief among the other nutrients available to tumors is glutamine, the most abundant amino acid in the plasma and the major carrier of nitrogen between organs. Glutamine is also second only to glucose in terms of persistent interest in its role in tumor cell metabolism, which now dates back more than 50 years (Eagle, 1955 Kvamme and Svenneby, 1960). In culture, tumor cells are avid glutamine consumers, metabolizing it at rates far in excess of any other amino acid (Eagle, 1955). The same is true in tumors implanted onto vascular pedicles in rats to allow precise measurements of the rates of amino acid extraction from the blood (Sauer et al., 1982 Sauer and Dauchy, 1983). These observations led to the notion that glutamine metabolism stood with the Warburg effect as a major component of the general metabolic phenotype of proliferating tumor cells (Kovacevic and McGivan, 1983).

Glutamine's importance in tumor cell metabolism derives from the characteristics that it shares with glucose. Both nutrients help to satisfy two important needs for proliferating tumor cells: bioenergetics (adenosine triphosphate (ATP) production) and the provision of intermediates for macromolecular synthesis (DeBerardinis et al., 2008b). A number of excellent discussions on the use of glutamine in cancer have previously been presented (Medina et al., 1992 Souba, 1993). Surprisingly, however, only recently it has been reported that oncogenes influence glutamine metabolism as they do for glucose, and that tumor genetics can dictate cellular dependence on glutamine for survival. Furthermore, other studies have been uncovering diverse and unexpected roles for glutamine and its by-products in cell signaling, linking glutamine metabolism to cell survival and growth in ways beyond its roles in intermediary metabolism. In this study we review glutamine's metabolic and non-metabolic functions in tumor cells, the integration of glucose and glutamine metabolism in tumor growth and aspects of whole-body glutamine metabolism that may influence the morbidity and mortality of cancer patients.


MATERIALEN UND METHODEN

Human Subjects

Written informed consent, approved by the University of Pennsylvania institutional review board, Clinical Trials and Scientific Monitoring Committee of the University of Pennsylvania Cancer Center, Cancer Therapeutics Evaluation Program and the National Cancer Institute was obtained from all of the patients entered on this study. Eligible patients were those undergoing therapeutic craniotomy for supratentorial primary malignant disease based on imaging criteria. Patients of all ethnic and gender groups were included.

Needle Electrode Studies

These studies were done as reported previously (17) . Briefly, patients were prepared for surgery by performing a routine craniotomy. After the dura was opened, tumor oxygenation was measured with the pO2 histograph needle electrode (Eppendorf-Netherler-Hinz, GmbH, Hamburg, Germany), under direct visualization, ultrasound guidance, or intraoperative frameless stereotaxy (SMN, Carl Zeiss, Thornwood, NY, or Stealth, Medtronics, Minneapolis, MN.). Inhaled oxygen concentration at the time of electrode insertion was ≤40%. Two to four needle tracks were sampled with a total track length of 1 to 4 cm. The Eppendorf values for each patient’s tumor were tabulated as median pO2 and percentage of values <2.5 mm Hg, <5 mm Hg, and <10 mm Hg.

EF5 Studies

The National Cancer Institute, Division of Cancer Treatment, Bethesda, MD, supplied EF5 in 100-mL vials containing 3 mg/mL EF5 and 5% dextrose in water with 2.4% alcohol. The drug solution was administered intravenously via a peripheral catheter at a rate of ∼350 mL/h to a total dose of 21 mg/kg. In patients in whom magnetic resonance imaging scans suggested moderate or severe tumor-associated cerebral edema, 20 mg of furosemide was administered intravenously preceding the EF5 infusion.

Tissue Acquisition.

Approximately 24 hours (range, 18–30 hours) after completion of drug administration, the tumor was resected. Sterile tumor tissue was placed in iced EXCELL 610 medium (JRH Biosciences, Lenexa, KS) with 15% fetal calf serum. These tissues were immediately processed to determine “vor Ort EF5 binding” and “cube reference binding” (17 , 19 , 21 , 22) .

Assessment of EF5 Binding

EF5 pharmacokinetic analysis, tissue sectioning, and staining and fluorescence photography of tumor sections for analysis of vor Ort binding have been reported previously (17 , 19 , 21 , 23) . In vitro incubation of tumor tissue with EF3, an analog of EF5, under low oxygen conditions was used to determine the cube reference binding in tumor tissue from each patient, as described previously (17 , 19 , 21) .

Quantitative fluorescence microscopy was carried out as described previously (19 , 21) . Briefly, at the beginning and conclusion of each camera session, an image of a hemocytometer-loaded calibration dye in PBS with 1% paraformaldehyde was taken (Cy3 dye EIN549 nm, 1.25). The ratio of the exposure time of the camera to the mean fluorescence intensity of this image was used to correct the fluorescence intensities of the experimental images (based on their exposure time) for day-to-day variations in the lamp intensity (22) . In photographed images of the tissue sections obtained from the tissue cubes, the median EF3-dependent fluorescence intensity in areas of highest binding was identified, and this value was used to represent the maximum binding in that tissue (17 , 19 , 21) . This value is referred to as cube reference binding.

Image Analysis and Quantification of Vor Ort Bindung

Each tumor section was counterstained with Hoechst 33342 to stain nuclei, and bitmap (black/white) masks were created. Images were analyzed with routines written in MatLab (The MathWorks, Inc., Natick, MA) whereby EF5-dependent fluorescence intensity values were sampled within an image based on tissue identified by the Hoechst 33342 mask. The final EF5 absolute intensity values were calculated after corrections for lamp intensity, tissue section thickness, camera exposure time (17 , 19, 20, 21) , and EF5 drug exposure (23) . The final reported value, “percentage cube reference binding,” was calculated by dividing the corrected vor Ort EF5 binding intensity by the cube reference binding value, multiplied by 100.

At least four sections from each tumor, separated by at least 0.5 mm, were examined (28) . The use of a calibrated fluorescence scale and a measure of the maximum possible binding of each tumor (cube reference binding) allowed a pixel-by-pixel analysis of the observed EF5 binding as a percentage of cube reference binding. Thus, the endpoints for EF5 binding presented herein reflect both the level and the area of binding (18 , 26 , 29) . Data were summarized by providing a cumulative frequency (CF) analysis of all pixels. Selected points in the cumulative frequency curve were denoted by CF##. Daher, CF95 = 20 would mean that 95% of the EF5 values in the image were at or below 20% of cube reference binding. Median EF5 binding would be denoted as CF50 (18) .

To interpret the percentage cube reference binding as a hypoxia surrogate, we have previously performed in vitro studies to determine the relationship between EF5 binding and pO2 (22 , 25) . We have converted EF5 binding to tissue pO2 and defined a five-tier system to describe these levels: oxic, modestly hypoxic, moderately hypoxic, severely hypoxic, and anoxic (Table 1) ⇓ . Using these relationships, we have created two-dimensional tissue oxygen maps in a subset of patient tumors (17 , 18) . We have previously shown that the range of pO2 values measured in brain tumors with this technique is similar to that of those measured by the Eppendorf electrode technique, but that there is no correlation between these measurements in individual patients (17) .

Conversion of EF5 binding to tissue pO2

All of the tissue sections were reviewed by a neuropathologist (P. T. N.) at the Hospital of the University of Pennsylvania to assure that binding occurred in viable tumor tissue and to confirm histopathologic diagnosis and tumor staging.

Recursive Partitioning Analysis

Recursive partitioning analysis (RPA) is a mathematical method of building a classification tree to separate groups of patients who had similar outcome. Curran et al. (30) analyzed three Radiation Therapy Oncology Group (RTOG) databases for primary brain tumors (study numbers 74-01, 79-18 and 83-02) and identified six subgroups of patients with statistically different outcomes based on clinical evaluation and tissue histology (30) . Curran’s original work has been validated by Scott et al. (31) . For patients in RPA class 1, the median length of survival is 12.3-fold longer than for patients in RPA classification 6.

Statistische Analyse

Patient characteristics for all 18 patients (all tumor grades) were summarized by using descriptive statistics. For continuous variables (such as age), mean, SD, and median were calculated. Patients were neither lost to follow-up nor experienced death without recurrence in this study. The relationship between time to recurrence and EF5 binding was analyzed by using the probability distribution for linear correlation coefficient.


Abschluss

Hypoxia is considered a driving force of tumor progression and a negative prognostic factor. The finding of HIF as the main regulator of transcriptional responses to changes in oxygen levels has far-reaching implications, opening up new avenues for the development of new promising therapeutic strategies targeting the HIF-signaling pathway. In this regard, Journal of Experimental & Clinical Cancer Research is announcing a special issue to highlight significant advances in the understanding of the impact of hypoxia on tumor progression and treatment efficacy.