Метаболические фенотипы опухолей: распределение, биологические особенности и значение для персонализированной терапии

Метаболические фенотипы опухолей: распределение, биологические особенности и значение для персонализированной терапии

Аннотация

Опухолевые клетки характеризуются глубокой перестройкой метаболизма, позволяющей им адаптироваться к гипоксии, дефициту субстратов и воздействию терапии. В современной онкологии выделяют несколько ключевых метаболических фенотипов, различающихся источниками энергии, доминирующими биохимическими путями и терапевтическими уязвимостями. В статье представлено примерное распределение фенотипов по частоте встречаемости, описаны их основные характеристики и обсуждена клиническая значимость для выбора персонализированной стратегии лечения. Особое внимание уделено смешанным фенотипам, составляющим основную массу клинических случаев.

Введение

Метаболическая пластичность опухолевых клеток рассматривается как один из центральных механизмов онкогенеза и прогрессирования заболевания. Нарушения энергетического обмена проявляются различными фенотипами, отражающими предпочтительное использование глюкозы, жирных кислот, аминокислот, кетоновых тел или митохондриального дыхания. Каждый фенотип имеет свой паттерн экспрессии ферментов, транспортёров и регуляторных белков, что позволяет рассматривать их как потенциальные диагностические маркеры и терапевтические мишени.

Клиническое значение фенотипирования заключается в возможности прогнозирования чувствительности опухоли к метаболическим ингибиторам, химиопрепаратам, иммунотерапии и лучевой терапии, а также в повышении эффективности комбинированных схем. Примерное распределение фенотипов, основанное на данных молекулярных исследований, ПЭТ-визуализации, метаболомики и генетического анализа, представлено ниже и сопровождается кратким обзором биологических особенностей каждого типа.

1. Гликолитический фенотип

Примерная частота: 30–40 процентов.
Гликолитический фенотип является наиболее распространенным вариантом метаболической адаптации опухолей. Он характеризуется усиленным потреблением глюкозы и активной продукцией лактата при наличии кислорода, что соответствует классическому эффекту Варбурга. Основными драйверами выступают повышенная экспрессия глюкозных транспортёров (GLUT1) и ключевых ферментов гликолиза (HK2, LDHA), а также активация HIF при гипоксии.

Гликолитические опухоли характеризуются высокой пролиферативной активностью, выраженной гипоксией, ацидозом и склонностью к инвазии. Чаще всего встречаются при раке лёгких, молочной железы, головного мозга, лимфомах и метастатических формах других опухолей. Гликолитический метаболизм обеспечивает клеткам устойчивость к ряду режимов химио- и лучевой терапии, но делает их чувствительными к ингибиторам гликолиза, блокаторам LDHA, транспортёров лактата (MCT4) и прооксидантной терапии.

2. OXPHOS-зависимый фенотип

Примерная частота: 20–30 процентов.
Часть опухолей, вопреки распространённому представлению, сохраняют или усиливают зависимость от митохондриального дыхания. Такие клетки характеризуются высокой митохондриальной массой, стабильной активностью цепи переноса электронов и выраженной чувствительностью к ингибиторам окислительного фосфорилирования.

OXPHOS-зависимые опухоли часто менее агрессивны, но более устойчивы к прооксидантной терапии и некоторым химиотерапевтическим режимам. Они используют жирные кислоты, пируват, кетоновые тела и аминокислоты как источники энергии. Повышенная митохондриальная активность встречается при раке молочной железы, меланоме, раке простаты и ряде гематологических злокачественных заболеваний.

3. Глутаминолитический фенотип

Примерная частота: 15–20 процентов.
Глутамин-зависимые опухоли используют глутамин как ключевой источник азота, углерода и редокс-баланса. Глутаминолиз обеспечивает образование α-кетоглутарата и подпитывает цикл Кребса, поддерживая энергетический метаболизм и биосинтез макромолекул.

Характерными молекулярными маркерами являются ASCT2, GLS1, GLS2 и GLUD. Глутаминолитический фенотип широко распространен при тройном негативном раке молочной железы, раке поджелудочной железы, некоторых лимфомах и меланоме. Уязвимость к ингибиторам GLS1 (CB-839), транспортёров глутамина и комбинациям с прооксидантами делает этот фенотип перспективной терапевтической мишенью.

4. Липидно-метаболический фенотип

Примерная частота: 10–15 процентов.
Этот фенотип включает две основные подгруппы: опухоли с активным de novo липогенезом и опухоли с усиленным β-окислением жирных кислот. Липогенез обеспечивает клеточное деление за счёт синтеза мембранных липидов, тогда как β-окисление используется для получения энергии.

Основные маркеры включают FASN, ACC, SREBP1 и CPT1A. Липидный фенотип характерен для опухолей молочной железы, простаты, печени и некоторых сарком. Такие опухоли устойчивы к гликолитическим ингибиторам, но чувствительны к блокаторам FAO (этомоксир, TVB-2640), ингибиторам липогенеза и препаратам, нарушающим транспорт жирных кислот.

5. Кетонозависимый фенотип

Примерная частота: менее 5 процентов.
Этот редко встречающийся фенотип характеризуется использованием кетоновых тел как энергетического ресурса в условиях гипоксии или дефицита глюкозы. Он часто сочетается с глутаминолитическим и липидным метаболизмом и наблюдается при опухолях мозга, почек и некоторых формах эндокринных опухолей.

6. Смешанные метаболические фенотипы

Примерная частота: 50–60 процентов всех опухолей.
Большинство клинических случаев представляет собой гибридные фенотипы, сочетающие два или более доминирующих пути. Наиболее распространены комбинации gликолитического и OXPHOS-зависимого типов или гликолитического и глутаминолитического типов.

Метаболическая гибридность приводит к мультиустойчивости, позволяет опухоли обходить действие отдельных препаратов и может снижать эффективность стандартной химиотерапии. Именно смешанные фенотипы требуют наиболее комплексной диагностики, включающей ПЭТ, метаболомику, спектроскопию и генетическое профилирование.

Заключение

Распределение метаболических фенотипов отражает сложность биохимической адаптации опухолевых клеток и подчеркивает необходимость индивидуализированного подхода к терапии. Понимание структуры метаболического профиля позволяет выбирать препараты, воздействующие на энергетическое ядро опухоли, и комбинировать метаболические ингибиторы с химиотерапией, иммунотерапией и лучевым лечением.

Учитывая высокую частоту смешанных фенотипов, метаболическая диагностика должна быть комплексной и включать молекулярные, визуализационные и биохимические методы. Такой подход является основой современной персонализированной онкологии.

• Warburg O. On the origin of cancer cells.
  Journal: Science [Наука]. Дата: 1956.
  Перевод названия: «О происхождении раковых клеток».

• Vander Heiden M. G., Cantley L. C., Thompson C. B. Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation.
  Journal: Science [Наука]. Дата: 2009.
  Перевод: «Понимание эффекта Варбурга: метаболические требования клеточной пролиферации».

• Pavlova N. N., Thompson C. B. The emerging hallmarks of cancer metabolism.
  Journal: Cell Metabolism [Клеточный метаболизм]. Дата: 2016.
  Перевод: «Новые отличительные признаки метаболизма рака».

• Semenza G. L. HIF-1: upstream and downstream of cancer metabolism.
  Journal: Cancer Metastasis Reviews [Обзоры по метастазированию рака]. Дата: 2010.
  Перевод: «HIF-1: регуляторы выше и ниже по потоку в метаболизме рака».

• DeBerardinis R. J., Cheng T. Q’s next: the diverse functions of glutamine in metabolism, cell biology and cancer.
  Journal: Oncogene [Онкоген]. Дата: 2010.
  Перевод: «Что дальше у глутамина: разнообразные функции в метаболизме, клеточной биологии и раке».

• Altman B. J., Stine Z. E., Dang C. V. From Krebs to clinic: glutamine metabolism in cancer therapy.
  Journal: Nature Reviews Cancer [Обзоры природы: Рак]. Дата: 2016.
  Перевод: «От цикла Кребса к клинике: метаболизм глутамина в терапии рака».

• Boroughs L. K., DeBerardinis R. J. Metabolic pathways promoting cancer cell survival and growth.
  Journal: Nature Cell Biology [Клеточная биология природы]. Дата: 2015.
  Перевод: «Метаболические пути, поддерживающие выживание и рост раковых клеток».

• Currie E., Schulze A., Zechner R., Walther T. C., Farese R. V. Cellular fatty acid metabolism and cancer.
  Journal: Nature Reviews Cancer [Обзоры природы: Рак]. Дата: 2013.
  Перевод: «Клеточный метаболизм жирных кислот и рак».

• Camarda R. et al. Inhibition of fatty acid oxidation as a therapy for MYC-overexpressing triple-negative breast cancer.
  Journal: Nature Medicine [Природа: Медицина]. Дата: 2016.
  Перевод: «Ингибирование окисления жирных кислот как терапия при тройном негативном РМЖ с гиперэкспрессией MYC».

• Falchook G. S. et al. First-in-human study of the fatty acid synthase inhibitor TVB-2640 in patients with advanced tumors.
  Journal: Clinical Cancer Research [Клинические исследования рака]. Дата: 2021.
  Перевод: «Первое исследование на человеке ингибитора синтазы жирных кислот TVB-2640 у пациентов с распространенными опухолями».

• Molina J. R. et al. An inhibitor of oxidative phosphorylation exploits cancer vulnerability.
  Journal: Nature Medicine [Природа: Медицина]. Дата: 2018.
  Перевод: «Ингибитор окислительного фосфорилирования использует уязвимость рака».
  (Связано с классом препаратов наподобие IACS-010759.)

• Zuo H. et al. Noninvasive detection of 2-hydroxyglutarate in IDH-mutated gliomas by magnetic resonance spectroscopy.
  Journal: Science Translational Medicine [Наука трансляционной медицины]. Дата: 2012.
  Перевод: «Неинвазивное выявление 2-гидроксиглутарата в глиомах с мутациями IDH методом МР-спектроскопии».

• DiNardo C. D. et al. Ivosidenib in IDH1-mutated acute myeloid leukemia.
  Journal: New England Journal of Medicine [Новый английский журнал медицины]. Дата: 2018.
  Перевод: «Ивосидениб при остром миелоидном лейкозе с мутацией IDH1».

• Stein E. M. et al. Enasidenib in mutant IDH2 relapsed or refractory acute myeloid leukemia.
  Journal: New England Journal of Medicine [Новый английский журнал медицины]. Дата: 2017.
  Перевод: «Энасидениб при рецидивирующем или рефрактерном ОМЛ с мутацией IDH2».

• Martinez-Outschoorn U. E., Peiris-Pagès M., Pestell R. G., Sotgia F., Lisanti M. P. Cancer metabolism: a therapeutic perspective.
  Journal: Nature Reviews Clinical Oncology [Обзоры природы: Клиническая онкология]. Дата: 2017.
  Перевод: «Метаболизм рака: терапевтический взгляд».

• Hanahan D., Weinberg R. A. Hallmarks of cancer: the next generation.
  Journal: Cell [Клетка]. Дата: 2011.
  Перевод: «Признаки рака: следующее поколение».
  (Ключевой раздел о метаболическом перепрограммировании.)

• Romero-Garcia S., Moreno-Altamirano M. M. B., Prado-Garcia H., Sanchez-Garcia F. J. Lactate contribution to the tumor microenvironment.
  Journal: Frontiers in Oncology [Фронтиры онкологии]. Дата: 2016.
  Перевод: «Вклад лактата в микросреду опухоли».

• Gao P. et al. c-Myc suppression of miR-23a/b enhances mitochondrial glutaminase expression and glutamine metabolism.
  Journal: Nature [Природа]. Дата: 2009.
  Перевод: «Подавление c-Myc микроРНК-23a/b усиливает экспрессию митохондриальной глутаминазы и метаболизм глутамина».

• Vyas S., Zaganjor E., Haigis M. C. Mitochondria and cancer.
  Journal: Cell [Клетка]. Дата: 2016.
  Перевод: «Митохондрии и рак».

• Ward P. S., Thompson C. B. Metabolic reprogramming: a cancer hallmark even warburg did not anticipate.
  Journal: Cancer Cell [Клетка рака]. Дата: 2012.
  Перевод: «Метаболическое перепрограммирование: признак рака, которого не предвидел даже Варбург».