2. Hyperglykémie a proliferace nádorových buněk

Glukóza je specificky potřebná k uspokojení metabolických požadavků rychle se množících nádorových buněk. Již více než dvě desetiletí je známo, že glukóza je hlavní hnací silou růstu nádorových buněk . Podpůrnou roli hyperglykémie na proliferaci nádorů není těžké pochopit.

Hyperglykémie je u lidí s DM2 často doprovázena hyperinzulinémií. Testy proliferace odhalily, že vysoké hladiny glukózy (11 mM) a inzulínu (100 ng/ml) podporují proliferaci nádorových buněčných linií HT29 (lidský karcinom tlustého střeva), SW480 (lidský kolorektální karcinom), MCF-7 (lidský adenokarcinom prsu), MDA MB468 (lidský adenokarcinom prsu), PC3 (lidský karcinom prostaty) a T24 (lidský karcinom močového měchýře) . Kromě toho přídavek perorální glukózy, inzulínové injekce nebo obojí vykazovalo podpůrný účinek na růst nádorů prsu u potkanů . Nedávné studie ukázaly, že inzulin podporuje progresi rakoviny tím, že zvyšuje metabolické schopnosti nádorových buněk . Vzhledem k tomu, že vysoká hladina glukózy a vysoká hladina inzulínu mohou různými mechanismy indukovat proliferaci nádorových buněk, byla by kontrola hladiny glukózy v krvi a inzulínu na odpovídající úrovni prospěšná u pacientů s nádorovým onemocněním s DM.

Při hyperglykemických podmínkách studie zjistily nejen zvýšenou expresi kolagenového receptoru, ale také kinázy vázané na integrin a dalších kináz regulujících mnoho buněčných procesů, včetně růstu a proliferace . Existují určité důkazy, že diabetes by mohl podporovat proliferaci buněk PC. Chu et al. zkoumali záznamy o resekovaných pacientech s PC a zjistili, že preexistující diabetes je spojen se sníženým přežitím u pacientů, kteří podstoupili resekci pro PC. Navíc PC s nově vzniklým diabetem může vykazovat zvětšenou velikost nádoru a snížené přežití po resekci . Když byly buňky karcinomu pankreatu H2T křečka implantovány do lícních váčků syrských křečků, velikost, hmotnost a celkový obsah DNA nádoru byly významně větší u zvířat s diabetem, což ukazuje, že diabetes zřejmě podporuje růst buněk PC u křečka .

Zvýšená produkce reaktivních forem kyslíku (ROS) z mitochondrií je hlavní příčinou hyperglykemických komplikací (obr. 2). U diabetiků vede hyperglykémie u citlivých buněk k nadprodukci superoxidu mitochondriálním elektronovým transportním řetězcem . Zvýšené hladiny ROS mohou vést k mutacím buněčné DNA, a mohou proto hrát důležitou roli při iniciaci a progresi vícestupňové karcinogeneze. Ještě důležitější je, že tvorba ROS byla nezbytná pro růst nezávislý na ukotvení vyvolaný K-Ras prostřednictvím regulace signální dráhy ERK MAPK .

Obrázek 2

Mechanismus buněčných dějů vyvolaných vysokou hladinou glukózy v nádorových buňkách. Vysoká glukóza (hyperglykémie) generuje buněčné ROS především prostřednictvím mitochondriálního metabolismu; zvýšené ROS aktivují kaskádu MAPK, která indukcí transkripce souvisejících genů způsobuje buněčné děje. Kromě toho může vysoká hladina glukózy vyvolat aktivaci proteinkinázy C (PKC) přímou i nepřímou cestou. Předpokládá se také, že vysoká hladina glukózy může indukovat transkripci EGF a transaktivaci EGFR, což přispívá k různému biologickému chování nádorových buněk. Vysokou glukózou zprostředkovaná upregulace GDNF se také může podílet na různých buněčných dějích prostřednictvím kaskády GDNF/RET.

Hyperglykémie také specificky aktivuje metabolismus polyolů s následným snížením aktivity Na+/K+-ATPázy v epiteliálních buňkách pankreatických vývodů . Tingstedt et al. navíc zjistili, že protein REG (regenerating gene) I-alfa je přednostně exprimován v nádorových tkáních a buňkách PC pacientů s diabetem a nadměrná exprese tohoto proteinu vede ke zrychlené proliferaci buněk a následně k růstu nádorů in vitro a in vivo . Kromě toho může být koncentrace glukózy důležitým faktorem při proliferaci buněk karcinomu prsu a výskyt karcinomu prsu je u pacientek s diabetem vysoký. Vliv glukózy na proliferaci buněk karcinomu prsu byl hodnocen na základě zkoumání doby zdvojení buněk, syntézy DNA, hladiny proteinů souvisejících s buněčným cyklem, exprese izozymu proteinkinázy C (PKC) a podtypů receptoru aktivovaného peroxizomovým proliferátorem (PPAR), které byly stanoveny po expozici glukóze v normální (5,5 mM) a vysoké (25 mM) koncentraci u lidských buněk karcinomu prsu MCF-7 . U buněk MCF-7 vysoká glukóza stimulovala buněčnou proliferaci, což se projevilo zvýšením syntézy DNA a exprese cdk2 a cyklinu D1. Hladiny proteinů PKC-α, PPARγ a PPARα byly po léčbě vysokou glukózou u buněk MCF-7 citlivých na léky zvýšeny. Tyto výsledky naznačují, že hyperglykémie zvyšuje proliferaci buněk karcinomu prsu prostřednictvím zrychlené progrese buněčného cyklu s upregulací cdk2 a cyklinu D1 . Naše skupina dále zkoumala proliferační účinky neurotrofního faktoru odvozeného od gliové buněčné linie (GDNF) a expresi jeho tyrozinkinázového receptoru RET u buněk BxPC-3 a MIA PaCa-2 při vystavení různým koncentracím glukózy . Proliferace buněčných linií BxPC-3 i MIA PaCa-2 byla ovlivněna glukózou v závislosti na koncentraci. U obou buněčných linií byla zjištěna jednoznačná exprese GDNF a RET. Koncentrace glukózy mohla změnit expresi GDNF a RET v závislosti na koncentraci odpovídajícím způsobem se změnou buněčné proliferace. Zvýšená regulace interakce ligandů GDNF a RET s receptory by se mohla podílet na progresi rakoviny vyvolané glukózou (obr. 2). Kromě toho jsme prokázali, že proliferační schopnost buněk BxPC-3 a Panc-1 byla v závislosti na koncentraci glukózy zvýšena. Dále byl pomocí protilátky neutralizující EGF a RT-PCR zjištěn podpůrný účinek vysokých hladin glukózy na transkripci a sekreci EGF, nikoli však jeho receptorů v těchto buněčných liniích PC. Kromě toho je transaktivace EGFR indukována vysokými hladinami glukózy v závislosti na koncentraci a čase v buňkách PC v přítomnosti protilátky neutralizující EGF. Tyto výsledky naznačují, že vysoké hladiny glukózy podporují proliferaci PC buněk prostřednictvím indukce exprese EGF a transaktivace EGFR .

3. Hyperglykémie a apoptóza nádorových buněk

Apoptóza, geneticky regulovaný proces, který je nezbytný pro udržení individuální homeostázy, se u rakoviny vymyká kontrole. Rezistence vůči apoptóze je jedním z charakteristických znaků nádorových buněk . Podmínky vysoké hladiny glukózy snadno indukují apoptózu u normálních buněk . Metabolismus glukózy však chrání nádorové buňky před apoptózou zprostředkovanou cytochromem C .

Nedávné studie in vitro naznačují, že důležitý mechanismus zvýšeného metabolismu glukózy v karcinomových buňkách zahrnuje nadměrnou expresi transmembránových transportérů glukózy . U mnoha nádorů byly rovněž zjištěny změny v metabolismu glukózy, které způsobují zvýšenou produkci laktátu . Zvýšené množství laktátu v nádorových buňkách naznačuje přepnutí metabolismu glukózy z aerobního na anaerobní využití glukózy, které poprvé popsal Warburg (1956). Moderní molekulární biologie vedla k renesanci Warburgova efektu . Trvalé zvýšení anaerobní utilizace glukózy v primárních nádorech je charakteristické pro agresivnější nádorové buňky . Snížená mitochondriální respirace a zvýšená přeměna glukózy na laktát v kombinaci se zvýšenou sekrecí laktátu jsou spojeny s acidifikací nádoru a jeho prostředí . Tento stav se mění ve výhodu pro nádorové buňky s odolností vůči acidóze, která je realizována zvýšenou aktivitou H+ transportérů (např. Na+/H+ výměník) . V nenádorových tkáních je však kyselé mikroprostředí pro savčí buňky obvykle toxické a obvykle vede k apoptóze prostřednictvím aktivace kaspáz .

Metformin, perorální antidiabetikum ze skupiny biguanidů, je lékem první volby pro léčbu DM2. Již dříve byly prokázány apoptózu podporující účinky metforminu na různé druhy rakoviny (např. rakovinu vaječníků, prsu a plic) prostřednictvím zvýšení apoptotických genů . Metforminem indukované apoptóze nádorových buněk však bylo zabráněno za podmínek vysoké hladiny glukózy v modelu karcinogenem indukované tumorigeneze mléčné žlázy u hlodavců . Tyto údaje naznačují, že hyperglykémie může chránit nádorové buňky před procesem apoptózy, a tudíž neudržení homeostázy glukózy může podporovat agresivnější fenotyp rakoviny.

4. Hyperglykémie a metastázy nádorových buněk

Metastázy, které jsou považovány za zásadní krok v progresi rakoviny, představují největší problém pro léčbu rakoviny a jsou hlavní příčinou úmrtí souvisejících s rakovinou. Epidemiologické studie ukázaly, že vzdálené metastázy jsou zodpovědné za téměř 90 % úmrtí na rakovinu .

Od té doby, co se metastázy zkoumají, byly navrženy modely a koncepce fungování procesu metastatického onemocnění. Patří mezi ně hypotéza “semínka a půdy”, v níž se populace nádorových buněk považuje za semínka, která potřebují vhodné mikroprostředí orgánu, tzv. “půdu”, aby přežila mimo primární nádor a rostla jako metastázy . V místě primárního nádoru se přepracované nádorové buňky transformují do invazivního fenotypu, aby pronikly nádorovým stromatem a intravazací se dostaly do krevního oběhu nebo lymfatického systému. V sekundárních lézích se pak musí vytvořit pohodlná premetastatická nika pro putující “semínka” tvořící makrometastázy.

Nedávné studie odhalily, že hyperglykémie je spojena s metastázováním a může přispívat k reenginezi nádorových buněk v primárních lézích. Epidemiologická studie prokázala, že u pacientů s rakovinou s DM2 nebo hyperglykémií je podíl recidivy nádoru, metastáz nebo fatálního výsledku vyšší než u pacientů bez metabolického onemocnění . Metformin, nejčastěji používaný antidiabetický lék, navíc inhibuje migraci a invazi buněk tím, že oslabuje funkci nádorových kmenových buněk (CSC) zprostředkovanou deregulací miRNA včetně let-7a, let-7b, miR-26a, miR-101, miR-200b a miR-200c, které se u PC obvykle ztrácejí . Kromě toho léčba metforminem také reguluje fenotyp CD44+/CD24- kmenových buněk karcinomu prsu snížením exprese klíčových faktorů EMT včetně transkripčních faktorů ZEB, Twist a Slug a cytokinu TGF-beta .

Vairaktaris et al. zkoumali molekulární podstatu souvislosti mezi rakovinou dutiny ústní a diabetem (I. typu) na modelu potkana vyvolaném jednorázovou intraperitoneální injekcí streptozotocinu rozpuštěného ve fyziologickém pufru . Tato skupina pozorovala, že ačkoli byla exprese E26 transformation specific-1 (ets-1) pozorována u diabetických i normálních potkanů, její exprese byla v různých stadiích rakoviny vyšší u diabetických než u normálních potkanů. Je všeobecně známo, že ets-1 kóduje transkripční faktor, který se podílí na transkripční regulaci několika genů zapojených do nádorové invaze a metastazování, jako je kolagenáza I, stromelysin a aktivátor plazminogenu urokinázy . Ets-1 se podílí na vzniku lidského spinocelulárního karcinomu ústní dutiny (OSCC) a zdá se, že hladiny ets-1 dobře korelují se stupněm invazivity a metastazování .

V posledních letech se v souvislosti s metastazováním věnuje dostatečná pozornost epiteliálně-mezenchymálnímu přechodu (EMT). Nádorové buňky procházející EMT získávají invazivní vlastnosti a dostávají se do okolní tkáně, což vede k vytvoření vhodného mikroprostředí pro nádorovou proliferaci a metastazování . Hromadící se údaje a studie zkoumaly vztah mezi EMT a hyperglykémií, většinou se zaměřením na diabetické poškození ledvin , diabetické cévní onemocnění a peritoneální dialýzu . Bohužel jen malá pozornost byla věnována úloze hyperglykémie při indukci fenotypu EMT nádorových buněk . Naše výsledky prokázaly, že vysoká hladina glukózy může zvýšit produkci ROS v buněčných liniích PC BxPC-3 a Panc-1, což dále vede k buněčné motilitě a invazivitě . Předpokládali jsme, že hyperglykémie usnadňuje metastazování PC indukcí EMT a destrukcí cév prostřednictvím oxidačního stresu .

5. Hyperglykémie a perineurální invaze u rakoviny

Perineurální invaze (PNI) je definována jako přítomnost nádorových buněk v epineurálním, perineurálním a endoneurálním prostoru neuronálního listu a v okolí nervů . PNI je samostatná patologická jednotka, kterou lze pozorovat při absenci lymfatické nebo cévní invaze, a je spojena s agresivním chováním nádoru a horším klinickým výsledkem . Nedávné studie prokázaly, že hyperglykémie by mohla usnadnit PNI u několika druhů rakoviny, zejména u karcinomu slinivky břišní .

Mechanismus PNI u rakoviny je nejasný. Existují dvě významné teorie včetně “cesty nízkého odporu”. Existují tři deficitní místa v okolí perineuria: v blízkosti nervového zakončení, v místě invadovaném cévami přítomnými v nervech a v místě invadovaném retikulárním vláknem . Mnoho předchozích studií předpokládalo, že nádorové buňky rostou podél “dráhy malého odporu” a tato dráha slouží jako cesta pro jejich vzdálenou migraci . Dalším možným vysvětlením PNI u PC jsou vzájemné signální interakce. Novější studie prokázaly, že PNI může zahrnovat reciproční signální interakce mezi nádorovými buňkami a nervy. Tyto invadující nádorové buňky mohly získat schopnost reagovat na proinvazivní signály v prostředí periferních nervů . Zjištění zvýšeného výskytu neurotrofních faktorů, jako je nervový růstový faktor (NGF), neurotrofní faktor odvozený od gliových buněk (GDNF), neurotrofní faktor odvozený od mozku (BDNF), adhezní molekuly nervových buněk (NCAM), glykoprotein asociovaný s myelinem (MAG) a chemokiny v intrapankreatických nervech a nádorových buňkách a jejich receptory na nádorových buňkách vedly v posledních letech ke zvýšené pozornosti těmto molekulám . NGF a jeho receptor TrkA jsou mezi těmito faktory nejsledovanější. Dvojice receptor-ligand je nadměrně exprimována v buněčných liniích PC a v perineuriu periferních nervů. Vazba NGF na TrkA vede k aktivaci signální dráhy p44/42 MAPK, podpoře růstu nádorových buněk, zvýšené invazivitě a metastazování a nakonec ke zprostředkování PNI .

V nedávné studii 61 resekovaných nádorů slinivky břišní bylo histopatologicky vyšetřeno mnoho po sobě jdoucích řezů vzorků nádorů a studie zaznamenala 86,9% (53/61) podíl PNI u pacientů s PC. U diabetických pacientů 93,75 % (15/16) byla frekvence PNI významně vyšší než u nediabetických pacientů 84,44 % (38/45) . Velké retrospektivní studie 544 chirurgicky resekovaných pacientů s duktálním adenokarcinomem pankreatu pozorovala podobné výsledky . Diabetes nebo porucha glukózové tolerance jsou často současně přítomny u pacientů s PC a jsou spojeny s horší prognózou . Poškození nervů je dobře známou komplikací diabetu a je charakterizováno neurozánětem . Hyperglykémie při diabetu může způsobit až čtyřnásobné zvýšení hladiny glukózy v neuronech . Pokud existují trvalé epizody hyperglykémie, pak intracelulární metabolismus glukózy vede k poškození neuronů . Lze předpokládat, že za hyperglykemických podmínek zvýšená hladina oxidativního stresu a prozánětlivých faktorů způsobuje poškození nervů a zánětlivou reakci , která současně usnadňuje proliferaci, migraci a metastazování nádorových buněk . Li et al. odhalili, že v mikroprostředí nádoru u pacientů s PC s hyperglykémií dochází současně k poškození a regeneraci nervů; tento současný výskyt může zhoršovat proces perineurální invaze. Na tomto procesu se může podílet také abnormální exprese NGF a p75, což následně vede k nižší míře kurativních operací . V nedávných studiích vědci zjistili, že nervová invaze je závislá na sekreci GDNF a aktivitě mitogenem aktivované proteinkinázy. GDNF koreceptory RET a GFRα1 byly vysoce exprimovány v lidských karcinomech pankreatu stejnou populací buněk . Koncentrace glukózy mohla měnit expresi GDNF a RET v závislosti na koncentraci a hyperglykémie mohla zvýšit interakci mezi GDNF a ligandovým receptorem RET .

Závěrem lze říci, že hyperglykémie mohla podporovat PNI u několika druhů rakoviny, zejména u karcinomu slinivky břišní. Vysoká hladina glukózy způsobila demyelinizaci a axonální degeneraci nervů, což usnadnilo invazi nádorových buněk do nervů a zvýšilo interakce mezi nervovými a nádorovými buňkami zvýšením exprese cytokinů, jako je GDNF.

6. Hyperglykémie v léčbě rakoviny

Kromě účinků hyperglykémie na biologické chování nádorových buněk byl pozorován výskyt přechodné hyperglykémie během indukční chemoterapie a existující důkazy odhalily další roli hyperglykémie v léčbě nádorů. Bylo prokázáno, že hyperglykémie během chemoterapie hematologických a solidních nádorů souvisí se zvýšenou toxicitou ; zdá se tedy, že lepší kontrola glykémie během chemoterapie by mohla zlepšit toxicitu a výsledek léčby onkologických pacientů. Hyperglykémie navíc způsobovala rezistenci na chemoterapii u karcinomu prsu, ale nikoliv u nenádorových buněk, a tato rezistence byla překonána inhibicí syntázy mastných kyselin (FAS) nebo produkce ceramidu .

Je známo, že pacienty s DM často provázela porucha buněčné vrozené imunity , a zhoršená imunitní odpověď může přispívat k neúčinné chemoterapeutické léčbě onkologických pacientů. Již několik posledních let epidemiologické a laboratorní důkazy ukazují, že některá antidiabetická farmakoterapeutika vykazují vynikající účinky pro prevenci a léčbu rakoviny, např. metformin. Přestože některé studie odhalily různé molekulární mechanismy hypoglykemizujících látek a jejich protinádorových účinků, neměli bychom jejich glukózu snižující účinky při léčbě rakoviny zanedbávat, protože většina malignit představuje buňky hladové po glukóze. Souhrnně vzato může mít kontrola hyperglykémie pro pacienty s rakovinou důležité terapeutické důsledky. Úloha hyperglykémie při léčbě nádorových onemocnění a přesný mechanismus však zůstávají nejasné, a proto jsou v této oblasti zapotřebí další studie.

7. Závěr a budoucí směry

Stále více důkazů ukazuje na vysoký výskyt různých malignit u pacientů s DM2. Ačkoli jsou společné souvislosti mezi DM2 mellitem a nádorovými onemocněními pozorovány již dlouhou dobu, možné faktory, které jsou základem rizika vzniku nádorových onemocnění a úmrtnosti v této vysoce rizikové populaci, zůstávají nejasné. V tomto přehledu jsme se zabývali vlivem hyperglykémie, klíčové charakteristiky diabetes mellitus, na různé biologické chování a léčbu nádorových onemocnění. Kromě toho, že zvýšená hladina glukózy přímo poskytuje bohatou výživu pro růst nádorů, může také vyvolat aktivaci některých signálních drah, z nichž všechny hrají důležitou roli v progresi rakoviny. Kromě toho hyperglykemiezvyšuje rezistenci a intoleranci vůči chemoterapii. Vzhledem k rozsáhlému dopadu hyperglykémie a složitosti mikroprostředí by se při zkoumání vztahu mezi rakovinou a diabetes mellitus neměl zanedbávat vliv hyperglykémie na celý systém a jednotlivé složky v mikroprostředí nádoru. Existující důkazy však naznačují, že léčba hyperglykémie může mít u pacientů s rakovinou důležité terapeutické důsledky.

Konflikt zájmů

Autoři prohlašují, že v souvislosti s publikací tohoto článku nedošlo ke konfliktu zájmů.

Příspěvek autorů

Wanxing Duan a Xin Shen se na této práci podíleli rovným dílem.

Poděkování

Tato práce byla podpořena granty Čínské národní přírodní vědecké nadace (č. 81172360 pro Qingyong Ma a č. 81201824 pro Xuqi Li).

Poděkování

Tato práce byla podpořena granty Čínské národní přírodní vědecké nadace (č. 81172360 pro Qingyong Ma a č. 81201824 pro Xuqi Li).