Lactatul este un modulator metabolic ce influenţează angiogeneza, evitarea supravegherii imune și reprogramarea metabolismului energetic malign, fiind astăzi ţinta unor noi studii de terapie anticancerigenă.

În 1920, Otto Warburg a demonstrat că, spre deosebire de majoritatea celulelor normale, care se bazează în principal pe fosforilarea oxidativă mitocondrială (OXPHOS) pentru a produce energie, celulele tumorale preiau în mod intensiv glucoza pentru a efectua glicoliza aerobă. Acest fenomen, denumit efect Warburg, a devenit o caracteristică metabolică distinctivă a celulelor canceroase și stă la baza detectării și monitorizării tumorilor prin tomografie cu emisie de pozitroni (18F) - deoxiglucoză (FDG-PET).

     Deoarece randamentul ATP al glicolizei aerobe (2 ATP per moleculă de glucoză) este de 18 ori mai mic decât cel al OXPHOS (36 ATP per moleculă de glucoză), reprogramarea metabolică implică o rată crescută de absorbţie a glucozei de către celulele tumorale pentru satisfacerea nevoilor energetice, biosinteza macromoleculară și procesele redox necesare pentru proliferarea rapidă. Astfel, transportorii de glucoză și enzimele glicolitice din aval sunt supraexprimate în peste 70% dintre cancere. Această modificare este determinată în principal de factorul transcripţional HIF - indus de hipoxie și de Myc, singur sau în cooperare. Factorii suplimentari care exacerbează creșterea și metabolismul includ oncogenele (Akt, PI3K, mTOR, Ras, Raf) și reprimarea genelor supresoare tumorale (VHL, PTEN, p53). Oncogenele și supresoarele tumorale sunt, de asemenea, activatori critici ai HIF-1a. În consecinţă, are loc transcrierea unei game largi de gene, unele dintre ele fiind implicate în reprogramarea metabolică.

      Nivelurile crescute de HIF-1a în celulele cu creștere rapidă stimulează glicoliza și restricţionează respiraţia mitocondrială prin inhibarea piruvat dehidrogenazei mitocondriale (PDH), reducând fluxul de piruvat în ciclul acidului tricarboxilic (TCA). Această inhibare mediată de HIF-1a a PDH în reprogramarea fluxului de glucoză este o bază majoră a efectului Warburg. În majoritatea celulelor canceroase, glucoza poate fi metabolizată și pe căi alternative, precum calea pentofosfat (PPP).

Metabolismul glucozei și al glutaminei în celulele canceroase

     După intrarea în celulă prin transportori specifici (GLUT), glucoza este metabolizată la piruvat. În celulele canceroase, piruvatul este transformat în lactat de LDHA, în timp ce catabolismul său în ciclul TCA este restricţionat prin inhibarea PDH de piruvat dehidrogenat kinaza 1 (PDK1) indusă de HIF-1a. Glicoliza generează un alt intermediar important, G6P, care este metabolizată prin calea PPP, care produce NADPH și riboza-5-fosfat pentru glutation și acizi nucleici de sinteză. Glutaminoliza este o sursă de energie alternativă pentru celulele canceroase. Prima dată convertită în glutamat prin glutaminază (GLS) în citosol, glutamina reumple ciclul TCA (anapleroza) prin conversia glutamatului în a-cetoglutarat (a-KG). Glutaminoliza contribuie, de asemenea, la sinteza lipidelor, aminoacizilor, nucleotidelor și la generarea de lactat, care este transportat în afara celulei de către omniprezentul transportor monocarboxilat 1 (MCT1) și MCT4 indus de hipoxie.

Glutaminoliza

     Consumul de glutamină este crescut substanţial în numeroase tipuri de cancer în comparaţie cu alţi aminoacizi, reprezentând o caracteristică a malignităţii. Glutamina este un element nutritiv cheie pentru mai multe procese metabolice care duc la: generarea de ATP, homeostaza redox, reîncărcarea ciclului TCA, întreţinerea stocului de antioxidanţi intracelulari și sinteza macromoleculară. Suprareglarea glutaminolizei este determinată de semnale oncogene. Mecanismul de reglare cel mai bine caracterizat implică factorul de transcripţie c-Myc și o variantă a familiei Rho GTPaze.

Acidoza pericelulară

     Producţia de lactat, acidoza tumorală și hipoxia sunt asociate. Dar hipoxia și concentraţiile mari de lactat pot să apară separat, în localizări diferite în interiorul tumorilor. Glicoliza aerobă, creșterea glutaminolizei și rata scăzută de perfuzie a vaselor de sânge pot contribui la acumularea de lactat în zonele nehipoxice. În timp ce hipoxia fără acidoză lactică este, de obicei, asociată cu un prognostic nefast, acidoza lactică în absenţa hipoxiei s-a dovedit recent că induce calea OXPHOS în detrimentul glicolizei, contribuind la rezultate clinice favorabile.

     Acumularea de acid lactic rezultat din glicoliză nu este singurul proces care generează acidoză tumorală. Nivelurile crescute de CO2 generate de metabolismul oxidativ au fost principala cauză a acidităţii tumorii. CO2 este hidratat de anhidraza carbonică (CA) pentru a genera HCO3- și H+. Pentru a depăși acidifierea intracelulară (pHi), celulele au dezvoltat strategii adaptive pentru extruzia acidului: eliminarea H+ și captarea HCO3-. Colaborarea acestor mecanisme duce la acidifierea microambientului tumoral și la scăderea pH-ului, creând un gradient invers al pH-ului, care susţine fenotipul malign.

     Deși acidul lactic nu este principalul jucător în acidificarea celulelor canceroase, rolul său este de „moleculă de semnalizare” implicată în mecanisme care promovează supravieţuirea, proliferarea și metastazarea celulelor canceroase.

Molecula de semnalizare a migraţiei celulare și a angiogenezei

     Lactatul crește producţia factorului de creștere endotelială vasculară (VEGF) și a receptorului său, VEGFR2, de către celulele tumorale și endoteliale. Această inducţie are loc prin activarea HIF-1, ca rezultat al acumulării indirecte de piruvat. Lactatul ar putea induce producţia de IL-8 de către celulele endoteliale, prin stimularea factorului nuclear-kappa B (NF-kB), ceea ce produce maturizarea vaselor de sânge și creșterea migraţiei celulare.

Prin stabilizarea expresiei proteice a genei NDRG3 reglată în aval de N-Myc, lactatul a indus reglarea nivelurilor VEGF, IL-8 și CD31 în timpul hipoxiei prelungite, aparent prin calea de semnalizare ERK1/2. Modificările nivelului de lactat extracelular cresc migraţia aleatorie in vitro a diferitelor celule canceroase într-o manieră dependentă de concentraţie, ceea ce ar facilita metastazarea. Motilitatea celulelor canceroase este indusă de lactat prin creșterea producţiei TGF-b2, hialuronan și CD44, care joacă un rol important în activarea integrinei, angiogenezei și modularea stromei.

Rolul imunomodulator al lactatului

     Acidul lactic inhibă puternic răspunsul imun antitumoral prin scăderea activităţii citotoxice a LT umane și a celulelor NK. De asemenea, acesta inactivează eliberarea de citokine (CK) din celulele dendritice și inhibă diferenţierea și activarea celulelor dendritice derivate din monocite.
Lactatul produce inflamaţia asociată tumorii prin creșterea producţiei de IL-23 și IL-6.

     Un rol critic a fost atribuit lactatului în dezvoltarea și evoluţia unei game largi de cancere, acesta fiind un marker de prognostic al supravieţuirii precare a pacientului. Acumularea de lactat a fost strâns legată de agresivitatea cancerului de col uterin și a carcinomului scuamos al capului și gâtului, invers corelată cu supravieţuirea pacientului.

Complexe transportoare de acid lactic

     Pentru a obţine activarea motilităţii celulare și suprimarea sistemului imunitar, celulele canceroase menţin fluxul continuu de glicoliză legat de efluxul acidului lactic. Se credea că acidul lactic este eliminat prin difuzia transmembranară, dar studiile au identificat transportori specifici de lactat transmembranari, aparţinând unei familii de transportori de monocarboxilaţi (MCT). Această familie include 14 membri codificaţi de gena 16 (SLC16A). Doar primele patru izoforme (MCT1-4) au fost validate funcţional pentru a transporta monocarboxilaţi, cum ar fi L-lactat, piruvat și corpi cetonici.

CD147 / BASIGIN

     În afară de reglarea genetică a MCT1-4, acești transportori necesită o asociere cu glicoproteine transmembranare pentru pliere și trafic adecvat. MCT1 și MCT4 au interacţionat în mod specific cu CD147/BASIGIN (BSG). BSG (numit și EMMPRIN, gp42, HT7, neurotelină, 5A11, OX-47 și M6) aparţine superfamiliei imunoglobulinei (Ig). BSG2 (denumită BSG) este cea mai răspândită și studiată izoformă. Conţine două domenii asemănătoare Ig și este exprimat pe scară largă în ţesuturile în care interacţionează cu MCT1 sau MCT4. BSG este implicat în numeroase evenimente fiziologice, precum spermatogeneza, implantarea, fertilizarea, sensibilitatea la limfocite, vederea, comportamentul și memoria.

Semnificaţia clinică a MCT în cancer

     Acidul lactic excedentar produs de celulele maligne trebuie eliminat în microambientul tumoral pentru supravieţuirea celulei. Astfel, s-a descris supra-reglarea MCT1 și MCT4 în cazul mai multor tumori solide, cum ar fi glioblastomul, cancerele de sân, colon, ficat, ovar și plămâni. Cu toate acestea, modelul de distribuţie al celor două MCT este diferit datorită disparităţilor conţinutului de lactat și a utilizării acestuia între diversele tipuri de tumori, căilor oncogene specifice fiecărui cancer și mecanismelor de reglementare distincte din fiecare MCT. Expresia MCT1/MCT4 a fost diferită chiar și în cadrul aceleiași tumori. Ţesuturile bine oxigenate ale tumorilor de col uterin și de colon exprimă niveluri ridicate de MCT1, în comparaţie cu aproape nicio expresie detectabilă în zonele hipoxice. Alte studii au raportat creșterea expresiei MCT4 în regiunile tumorale hipoxice, slab vascularizate. Astfel, se stabilește un transfer de lactat între populaţiile de celule canceroase hipoxice și oxigenate. Lactatul produs rezidual de celulele hipoxice, în principal via MCT4, este preluat și reutilizat de celule care exprimă MCT1 în regiuni oxigenate. Celulele aerobe vor transforma lactatul în piruvat pentru a le alimenta metabolismul oxidativ, permiţând glucozei să ajungă la celulele hipoxice din nucleul tumoral slab vascularizat. Inhibarea MCT1 în diferite celule canceroase scade disponibilitatea lactatului pentru celule oxidative, obligându-le să preia glucoza, ceea ce duce la înfometarea de glucoză și moartea celulelor hipoxice, conducând la stoparea creșterii tumorii.

BSG în cancer

     În paralel cu supraexpresia MCT1/4, cea a CD147/BSG este, de asemenea, afectată în cazurile de cancer, peste 540 de articole de cercetare evidenţiind rolul său prooncogen. Un studiu imunohistochimic a arătat că BSG este supraexprimat în 112 din 129 de probe tumorale, cu o incidenţă foarte mare în cancerul de sân, glioblastom și în cancerul de pancreas. BSG are un rol major în metabolismul tumorii, în special în controlul ratei glicolitice, a transportului de lactat și a homeostaziei pHi prin asistenţa MCT.  Suprimarea genei BSG a redus nivelurile de expresie ale MCT1/MCT4, a crescut  depozitul intracelular de acid lactic și a afectat creșterea tumorii in vivo.

Speranţă nouă pentru terapia anticancerigenă

     Datorită interdependenţei MCT1/4 și BSG pentru expresia funcţională a transportului de lactat și rolului cheie al BSG în dezvoltarea cancerului, aceasta este o ţintă terapeutică promiţătoare. Astfel, studiile genetice de inhibare a BSG au raportat inhibarea creșterii tumorale și creșterea morţii celulare în diferite linii de celule canceroase asociate cu reducerea angiogenezei, secreţiei MMP, invazivităţii și chimiorezistenţei. Pe de altă parte, tratamentul carcinomului cu celule scuamoase de la nivelul capului și gâtului cu anticorpul monoclonal (CNTO3899) anti-BSG a demonstrat că reduce proliferarea și induce apoptoza mediată de caspază a celulelor ex vivo și perturbă creșterea tumorii cu o radiosensibilitate crescută in vivo. Anticorpii monoclonali împotriva BSG au prezentat, de asemenea, eficacitate în tratamentul carcinomului hepatocelular și al tumorilor pancreatice hipervasculare, în monoterapie sau în combinaţie cu chimioterapia.

     Moleculele utilizate iniţial pentru a inhiba în mod eficient transportul MCT1 nu au avut validarea ca ţintă anticancer din cauza lipsei specificităţii. Recent, o companie farmaceutică a dezvoltat o nouă clasă de inhibitori înalt specifici și potenţi ai MCT1/MCT2, denumită AR-C155858, capabilă să crească depozitul intracelular de lactat. Dezvoltat iniţial ca imunosupresiv care acţionează asupra activării limfocitelor T, AR-C155858 afectează marcat creșterea fibroblastelor transformate de HRas, atât in vivo, cât și in vitro, ţintind MCT1 în cancer. O a doua generaţie de inhibitori MCT1, AZD3965, a demonstrat o acţiune de perturbare a efluxului de lactat, glicolizei și sintezei glutationului din limfomul Burkitt și liniile MCF7 de celule de cancer de sân, ceea ce duce la moartea celulelor. Efecte anticancerigene ale AZD3965 au fost demonstrate în cancerul pulmonar cu celule mici (SCLC) și în liniile de celule canceroase gastrice. Tratamentul tumorilor in vivo a indus creșterea concentraţiei lactatului, reducerea creșterii tumorale și sensibilitatea crescută la radiaţii. AZD3965 este, în prezent, în faza I/II a studiilor clinice din Marea Britanie, pentru pacienţi cu tumori solide, cancer de prostată și limfom B difuz cu celule mari.

     Din cauza redundanţei funcţionale între MCT1 și MCT4, inhibitorii MCT1 sunt ineficienţi în afectarea creșterii și a supravieţuirii tumorilor mari glicolitice și hipoxice. Mai mult decât atât, knockdown sau knockout MCT4 în celulele adenocarcinomului de colon uman le-a făcut sensibile la inhibarea farmacologică a MCT1 și, deci, a fost afectată proliferarea lor in vitro și creșterea tumorii in vivo. De asemenea, inhibiţia MCT4 a scăzut migraţia celulelor canceroase, deoarece MCT4 interacţionează strâns cu b1-integrinele celulelor migratoare. Cum majoritatea tumorilor agresive exprimă predominant izoforma indusă de hipoxie a MCT4, există o nevoie absolută de a dezvolta inhibitori specifici MCT4 ca terapie eficientă anticancer. 

     Un nou inhibitor MCT4 (AZ93) selectiv și eficient în blocarea creșterii unei game largi de celule canceroase, acţionează când gena MCT1 este perturbată sau inhibată farmacologic. Expresia larg răspândită a MCT și BSG, pe lângă spectrul larg al funcţiilor lor (metabolism celular, pH, angiogeneza, răspunsul imun) implică, în mod necesar, apariţia posibilelor efecte secundare, în special în organele în care expresia MCT/BSG este extrem de puternică, de exemplu, inima, mușchii striaţi, ochii, colonul și organele genitale.

     În cazul inhibării MCT/BSG, blocarea atât a MCT1, cât și a MCT4, în adenocarcinomul de colon, glioblastom și NSLC, determină o schimbare a metabolismului celulelor de la glicoliză la OXPHOS, care le sensibilizează la biguanide, cum ar fi metformina și fenformina. Observaţii similare au fost raportate pentru limfomul Raji și celule canceroase de sân. Inhibarea concomitentă a glicolizei (inhibarea MCT) și a complexului mitocondrial (biguanide) induce catastrofa metabolică, care duce la moartea rapidă a celulelor tumorale.