tintirea metabolismului glucozei cu 2-deoxi-D-glucoză 2 DG pentru îmbunătățirea terapiei cu cancer

Tumorile necesită o utilizare sporită a glucozei pentru a genera energie metabolică (ATP) și blocuri de construcție pentru sinteza macromoleculară pentru a susține proliferarea rapidă a celulelor. Aceasta se manifestă într-o dependență crescută de calea glicolitică (chiar în prezența oxigenului) pentru aprovizionarea cu energie (ATP) în comparație cu țesuturile normale înconjurătoare, un fenomen descris pentru aproape 80 de ani de Otto Warburg [1] să fie un semn distinctiv al cancerului cauzal asociat chiar cu procesul de carcinogeneză [2].

Utilizarea sporita a glucozei și a glicolizei care apar concomitent cu transformarea malignă, disfuncția mitocondrială (legată sau independentă de mutații), hipoxia microregională și evoluția glicolizei aerobe la cele mai multe tipuri de tumori umane [3,4] constituie factori cheie care contribuie la tumorigeneza și, prin urmare, formează obiective eficiente pentru diagnosticul, tratamentul și prevenirea cancerului. În timp ce absorbția sporită a glucozei este din ce în ce mai exploatată pentru detectarea și clasificarea neinvazivă a tumorilor prin tomografie cu emisie de pozitroni utilizând F-18 marcat cu analog de glucoză 2-deoxi-D-glucoză (FDG) [5], dezvoltarea strategiilor terapeutice bazate pe schimbarea metabolică rămâne o provocare. Studiile recente care au dezvăluit relațiile complicate dintre transformarea oncogenă, utilizarea crescută a glucozei, gradul malign și rezistența terapeutică a tumorilor [3,6] au redresat interesul cercetării în aplicarea ipotezei lui Warburg pentru a identifica și dezvolta noi strategii terapeutice.

Un număr de agenți farmacologici care vizează transportul de glucoză și / sau enzime glicolitice specifice în general supraexprimate în tumori sunt în curs de investigare în sisteme model și în studiile clinice umane. Unii agenți promițători includ:

▪ 2-deoxi-D-glucoză (2-DG), inhibitor al transportului de glucoză, fosfohexizomerază și glucoz-6-fosfat dehidrogenază;

▪ 3-brompiruvat 3BP și lonidamină, inhibitori ai hexokinazei;

▪ Inhibitori ai subtipului piruvat kinazei PKM2, găsiți în principal în celulele proliferative [7-9].

Analogul glucozei, 2-DG este cel mai larg investigat agent farmacologic în oncologia experimentală și clinică pentru țintirea metabolismului glucozei. 2-DG inhibă competitiv transportul de glucoză (prin împărțirea acelorași transportatori de glucoză GLUTs) și este fosforilat de hexokinază (HK) pentru a forma 2-DG-6-fosfat, care nu este metabolizat în continuare, reducând astfel producția de glicoliză (ATP) pentoza-fosfat (NAPDH) [10-12]. Mai mult, 2-DG modifică glicozilarea N-legată, conducând la răspunsuri nesoluționate ale proteinelor și perturbă metabolismul tiolului, provocând stres oxidativ. De asemenea, induce modificări în expresia genelor și starea de fosforilare a proteinelor implicate în semnalizare, controlul ciclului celular, reparația ADN, influxul de calciu și moartea celulelor prin apoptoză [13-15]. Inhibarea proliferării a fost raportată în multe linii celulare tumorale, în timp ce studiile la animale au evidențiat o mare eterogenitate în inhibarea creșterii tumorilor [16-19].

Studiile clinice inițiale cu perfuzii intravenoase de 2-DG la pacienții cu leucemie și tumori pancreatice au fost întrerupte datorită efectelor secundare adverse, în principal sub formă de diaforeză și tulburări ale SNC cauzate de doze mari de 2-DG [20]. Recent, au fost inițiate studii clinice de fază I la pacienții cu tumori prostate după rezultatele încurajatoare în studiile preclinice [21]. Deși rezultatele acestor studii sunt încă așteptate, potențialul de utilizare a 2-DG ca agent terapeutic unic pare să fie limitat din cauza probabilității de a dezvolta toxicitate prin administrarea zilnică de doze mari de 2-DG pe o perioadă lungă de timp. Simptomele observate la scurt timp după administrarea unică de doze farmacologice de 2-DG sunt similare hipoglicemiei, în principal datorită glucocitopeniei în sistemul nervos (hipotalamus), determinând modificări ale sistemului cardio-respirator și imunitar și ale altor țesuturi normale [22] . Deoarece 2-DG dispare din sânge cu un timp de înjumătățire de aproximativ 90 de minute, simptomele sunt tranzitorii; totuși, administrarea continuă a 2-DG pe o durată lungă ar putea produce efecte secundare grave.

O abordare mai promițătoare sugerată de Jain, Pohlit și Purohit, bazată pe studiile lor privind energia reparării leziunilor prin radiații la mutanții de tip sălbatic și cu deficit de respirație ai celulelor de drojdie [23], este de a utiliza 2-DG în combinație cu anticancerosi agenți ca un modificator diferențial al proceselor de reparare. Acest lucru ar putea spori eficacitatea medicamentelor terapeutice actuale, cum ar fi radiațiile și / sau medicamentele citotoxice [24]. Mai multe studii in vitro și in vivo pe diferite sisteme model au validat această abordare demonstrând că administrarea 2-DG înainte sau imediat după iradiere poate spori selectiv uciderea indusă a celulelor maligne prin inhibarea proceselor de recuperare celulară care necesită energie care implică repararea leziunilor ADN și celule cicluri de verificare.

Creșterea indusă de 2-DG a daunelor cauzate de radiații a fost observată ca fiind direct proporțională cu utilizarea glucozei, prezența hipoxiei și doze de 2-DG și radiații [24-26]. Este demn de remarcat faptul că în sistemele celulare normale în condiții similare, s-a observat reducerea daunelor (protecția) [24,27]. Deși mecanismele moleculare precise care stau la baza modificărilor diferențiale induse de 2-DG rămân încă de elucidat, combinațiile adecvate cu agenți tumorigeni cum ar fi radiațiile ionizante și medicamentele chimioterapeutice cu 2-DG oferă oportunități unice de a distruge selectiv tumorile, de a reduce toxicitatea țesuturilor normale și îmbunătățirea semnificativă a eficacității terapeutice.

Pe baza radiosensibilizării induse de 2-DG observate în culturile de organe primare ale țesuturilor gliomului cerebral [28], au fost concepute studii clinice luând în considerare radiobiologia glioamelor și farmacocinetica 2-DG. Deoarece procesele moleculare și celulare legate de supraviețuirea și moartea celulelor sunt inițiate imediat după iradiere și durează de la câteva minute până la câteva ore (câteva zile în cazul întârzierii stresului oxidativ metabolic), proiectarea regimurilor de tratament bazate pe cunoașterea timpului – schimbările dependente în modificările metabolice și celulare de semnalizare determinate de 2-DG față de cursul de timp al căilor de pro-supraviețuire și pro-moarte sunt esențiale pentru a obține beneficii optime din această combinație. Studiile preclinice care utilizează o combinație de 2-DG administrat intravenos chiar înainte de iradierea tumorii (<5 min înainte) au arătat rezultate excelente, cu rate de supraviețuire fără tumori de 50-60% [24,29,30]. Prin urmare, primul protocol clinic de testare a fezabilității și siguranței a constat într-o doză orală de 2-DG (200 mg / kg b.wt) administrată 20-30 min înainte de iradierea γ sau fotonică, cu patru fracțiuni săptămânale unice de 5 Gy / fracțiune [31]. Creșterea ulterioară a dozei și studiile multicentrice de fază II asupra pacienților cu glioblastom au arătat o complianță excelentă, toleranță și siguranță la tratamentul combinat de până la o doză de 2-DG săptămânală săptămânală de 250 mg / kg b.wt combinată cu o radiație de fracțiune de 5 Gy / doză [32]. La o doză mai mare de 300 mg / kg greutatea corporală, doi din șase pacienți nu au putut finaliza tratamentul din cauza agitației, deși parametrii vitali nu au fost modificați [32]. Supraviețuirea îmbunătățită observată la dozele 2-DG de 250-300 mg / kg greutate corp sugerează că pacienții care tolerează doze mai mari ar beneficia cel mai mult de tratamentul combinat. Cel mai important, aceste studii care au implicat mai mult de 100 de pacienți cu glioblastom au arătat că o combinație de 2-DG cu radioterapie hipofracționată a îmbunătățit semnificativ calitatea vieții, cu dovezi clinico-patologice care confirmă protecția țesutului cerebral normal [33]. Protocolul de tratament care utilizează fracțiuni săptămânale de radiații mari care necesită administrarea de 2-DG numai o dată pe săptămână, este convenabil pentru pacient, este rentabil și permite tratarea unui număr mai mare de pacienți pe mașină. Un studiu multicentric de fază III este în curs de desfășurare.

Deoarece radiosensibilizarea prin 2-DG crește cu doza de radiație, a fost proiectat un protocol clinic pentru tratamentul glioblastomului cu radiochirurgie stereotactică cu doze mari la Centrul Medical Kettering (OH, SUA) și aprobat de US FDA. Un studiu clinic care utilizează un protocol similar pentru tratarea leziunilor metastatice intracraniene se desfășoară la Universitatea din Iowa (IA, SUA). Rezultatele acestui studiu ar trebui să ofere o bază pentru tratamentul altor neoplazii inoperabile cu radiosugerie plus 2-DG.

Fezabilitatea utilizării 2-DG în combinație cu regimurile terapeutice de medicină nucleară a fost demonstrată la pacienții cu carcinom tiroidian metastatic [24]. Protecția celulelor normale ale măduvei osoase în iradierea întregului corp [24,27] și sensibilizarea celulelor tumorale la deteriorarea indusă de radionuclizi prin 2-DG a fost raportată [34,35]. Aceste investigații preliminare ar trebui să încurajeze studii mai sistematice mai mari pentru a explora aplicațiile 2-DG pentru îmbunătățirea selectivității și eficacității terapiei radionuclidice interne, în special în cazul bolilor metastatice. Cu toate acestea, proiectarea optimă a tratamentului și programarea dozei trebuie alese cu atenție, deoarece o reducere a eficacității radioimunoterapiei utilizând 2-DG a fost recent raportată într-un studiu preclinic [36].

Deoarece răspunsurile celulare la deteriorarea cauzată de multe medicamente anticanceroase sunt similare cu radiațiile, 2-DG este, de asemenea, investigat ca adjuvant în chimioterapia cancerului. Deși studiile in vitro au arătat moartea crescută a celulelor [37,38], studiile in vivo cu diferite medicamente și protocoale anticanceroase au demonstrat un succes limitat în obținerea controlului tumorilor locale [39-40]. Deși studiile clinice de fază I au început în tratamentul anumitor tumori solide [41], sunt necesare studii suplimentare pentru optimizarea schemelor de tratament pentru ameliorarea chemosensibilizării tumorilor cu 2-DG.

 

Pentru a identifica pacienții care ar beneficia cel mai probabil de combinația dintre 2-DG și radiații sau medicamente, studiile clinice viitoare ar trebui concepute pentru a studia, neinvaziv și cantitativ, corelațiile dintre utilizarea glucozei și efectele induse de 2-DG în tratamentul malign și rezistent la tratament tumorile la diferite locuri, precum și în țesuturile normale. Încercările ar trebui făcute pentru a îmbunătăți în continuare toleranța la doze mai mari de 2-DG, pentru a reduce toxicitatea și a mări gradul de radiosensibilizare a tumorii. Administrarea locoregională, modificările dietetice, tehnicile de relaxare (meditația) sau utilizarea sedativelor, cum ar fi diazepamul, care reduc utilizarea glucozei în creier, ar putea servi la sporirea toleranței la 2-DG. Unele alte abordări noi care merită să fie testate în cadrul clinicii includ: utilizarea dozelor scăzute de 2-DG cu dieta cetogenică cu conținut ridicat de carbohidrați / grăsimi [42]; combinația de 2-DG cu inhibitori ai căii fosfat de pentoză, cum ar fi 6-aminonicotinamida [43,44]; și îmbunătățirea utilizării glicemiei tumorale prin utilizarea agenților localizatori ai tumorii, cum ar fi derivații hematoporfiriinei [45] prin administrarea intra-tumorală.

În timp ce cercetarea pentru a elucida mecanismele precise care stau la baza metabolismului crescut al glucozei în tumori și relația sa cu rezistența la tratament ar trebui intensificată, succesul terapiilor care vizează acest fenotip cu 2-DG va depinde de reducerea toxicității la organele vitale prin proiectarea optimă a protocoalelor folosind abordări noi . Pentru ca acest lucru sa se intample intr-un interval de timp rezonabil, pentru a face un impact asupra oncologiei viitoare, oamenii de stiinta biomedicale bine-versat cu conceptele si instrumentele de genetica moleculara, inginerie metabolica si biologia sistemelor trebuie sa lucreze in cooperare mai stransa cu oncologi clinice.

https://www.futuremedicine.com/doi/10.2217/fon.09.44

BS Dwarakanath

&

Viney Jain

Published Online:11 Jun 2009

https://doi.org/10.2217/fon.09.44

Referinte

• 1 Warburg O: The metabolism of tumors. Constable and Co, London, UK (1930).Google Scholar
• 2 Warburg O: On the origin of cancer cells. Science123,309–314 (1956).Crossref, Medline, CAS, Google Scholar
• 3 Kim J, Dang Chi V: Cancer’s molecular sweet tooth and the Warburg effect. Cancer Res.66,8927–8930 (2006).Crossref, Medline, CAS, Google Scholar
• 4 Gillies RJ, Robey I, Gatenby RA: Causes and consequences of increased glucose metabolism of cancers. J. Nucl. Med.49,S24–S42 (2008).Crossref, Medline, CAS, Google Scholar
• 5 Gambhir SS: Molecular imaging of cancer with positron emission tomography. Nat. Rev. Cancer2,683–693 (2002).Crossref, Medline, CAS, Google Scholar
• 6 Cao W, Fang F, Gibbs S et al.: Glucose uptake inhibitor sensitizes cancer cells to daunorubicin and overcomes drug resistance in hypoxia. Cancer Chemother. Pharmacol.59,495–505 (2007).Crossref, Medline, CAS, Google Scholar
• 7 Xu RH, Pelicano H, Zhou Y et al.: Inhibition of glycolysis in cancer cells: a novel strategy to overcome drug resistance associated with mitochondrial respiratory defect and hypoxia. Cancer Res.65,613–621 (2005).Google Scholar
• 8 Di Cosimo S, Ferretti G, Papaldo P et al.: Lonidamine: Efficacy and safety in clinical trials for the treatment of solid tumors. Drugs Today39,157–173 (2003).Google Scholar
• 9 Spoden GA, Mazurek S, Morandell D et al.: Isotype-specific inhibitors of the glycolytic key regulator pyruvate kinase subtype M2 moderately decelerate tumor cell proliferation. Int. J. Cancer123,312–321 (2008).Google Scholar
• 10 Woodward GE, Cramer FB: 2-deoxy-D-glucose as an inhibitor of anaerobic glycolysis in tumor tissues. J. Franklin. Inst.254,259–260 (1952).Google Scholar
• 11 Brown J: Effects of 2-deoxyglucose on carbohydrate metabolism: review of the literature and studies in the rat. Metabolism11,1098–1112 (1962).Google Scholar
• 12 McComb RB, Yushok WD: Metabolism of ascites tumor cells. IV. Enzymatic reactions involved in adenosinetriphosphate degradation induced by 2-deoxyglucose. Cancer Res.24,198–205 (1964).Google Scholar
• 13 Lin X, Zhang F, Bradbury CM et al.: 2-Deoxy-D-glucose-induced cytotoxicity and radiosensitization in tumor cells is mediated via disruptions in thiol metabolism. Cancer Res.63,3413–3417 (2003).Google Scholar
• 14 Kurtoglu M, Gao N, Shang J et al.: Under normoxia, 2-deoxy-D-glucose elicits cell death in select tumor types not by inhibition of glycolysis but by interfering with N-linked glycosylation. Mol. Cancer Ther.6,3049–3058 (2007).Google Scholar
• 15 Heminger K, Jain V, Kadakia M, Dwarakanath B, Berberich SJ: Altered gene expression induced by ionizing radiation and glycolytic inhibitor 2-deoxy-glucose in a human glioma cell line: implications for radiosensitization. Cancer Biol. Ther.5,815–823 (2006).Google Scholar
• 16 Bell SE, Quinn DM, Kellett GL, Warr JR: 2-deoxy-D-glucose preferentially kills multidrug-resistant human KB carcinoma cell lines by apoptosis Br. J. Cancer78,1464–1470 (1998).Google Scholar
• 17 Dwarakanath BS, Adhikari JS, Khaitan D et al.: Growth inhibition and induction of apoptosis by 2-deoxy-D-glucose in human squamous carcinoma cell lines. Biomedicine24,36–47 (2005).Google Scholar
• 18 Laszlo J, Humphrey SR, Glodin A: Effects of glucose analogues (2-deoxy-D-glucose, 2-deoxy-D-galactose) on experimental tumors. J. Natl Cancer Inst.24,267–271 (1960).Medline, CAS, Google Scholar
• 19 Hunter AJ, Blekkenhorst GH: The effects of 2-deoxyglucose and amino-oxyacetic acid on the radiation response of mammalian cells in vitro. Int. J. Radiat. Biol.73,311–324 (1998).Google Scholar
• 20 Landau BR, Laszlo J, Stengle J et al.: Certain metabolic and pharmacologic effects in cancer patients given infusions of 2-deoxy-D-glucose. J. Nat. Cancer Inst.21,485–494 (1958).Medline, CAS, Google Scholar
• 21 Diaola RS, Dvorzhinski D, Thalasia A et al.: Therapeutic starvation and autophagy in prostate cancer: a new paradigm for targeting metabolism in cancer therapy. Prostate68,1743–1752 (2008).Google Scholar
• 22 Vijayaraghavan R, Kumar D, Dube SN et al.: Acute toxicity and cardio-respiratory effects of 2-deoxy-D-glucose: a promising radiosensitizer. Biomed. Environm. Sci.19,96–103 (2006).Medline, CAS, Google Scholar
• 23 Jain V, Pohlit W, Purohit SC: Influence of energy metabolism on the repair of X-ray damage in living cells. III. Effects of 2-deoxy-D-glucose on liquid holding reactivation in yeast. Biophysik.10,137–142 (1973).Google Scholar
• 24 Jain V: Modifications of radiation responses by 2-deoxy-D-glucose in normal and cancer cells. Ind. J. Nucl. Med.11,8–17 (1996).Google Scholar
• 25 Dwarakanath BS, Jain VK: Energy linked modification of the radiation response in a human cerebral glioma derived cell line. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.17,1033–1040 (1989).Google Scholar
• 26 Dwarakanath BS, Zolzer F, Chandna S et al.: Heterogeneity in 2-deoxy-D-glucose induced modifications in energetic and radiation responses of human tumor cell lines. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.51,1151–1161 (2001).Google Scholar
• 27 Jain VK, Kalia VK, Gopinath PM, Naqvi S, Kucheria K: Optimization of cancer therapy, part III. Effects of combinig 2-deoxy-D-glucose treatment with γ irradiation on normal mice. Ind. J. Exp. Biol.17,1320–1325 (1979).Google Scholar
• 28 Dwarakanath BS, Jain VK: Modification of the radiation induced damage by 2-deoxy-D-glucose in organ cultures of human cerebral gliomas. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.13,741–746 (1987).Google Scholar
• 29 Juling-Pohlit L, Pohlit W, Blattmann H: Repair inhibition in tumors irradiated with fast protons and negative pions. Strahlenther. Onkol.166,6–9 (1990).Google Scholar
• 30 Dwarakanath BS, Singh S, Jain V: Optimization of tumour radiotherapy: Part V – radiosensitization by 2-deoxy-D-glucose and DNA ligand Hoechest-33342 in a murine tumour. Ind. J. Exp. Biol.37,865–870 (1999).Medline, CAS, Google Scholar
• 31 Mohanti BK, Rath GK, Anantha N et al.: Improving cancer radiotherapy with 2-deoxy-D-glucose: Phase I/II clinical trials on human cerebral gliomas. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.35,103–111 (1996).Crossref, Medline, CAS, Google Scholar
• 32 Singh D, Banerji AK, Dwarakanath BS et al.: Optimizing cancer radiotherapy with 2-deoxy-D-glucose: dose escalation studies in patients with glioblastoma multiforme. Strahlentherapie181,507–514 (2005).Google Scholar
• 33 Venkataramana NK, Prasanna KV, Vishwanath PN et al.: Enhanced radiation effect on the tumor with protection of normal brain during a combinational therapy of 2-deoxy-D-glucose and hypo fractionated radiotherapy in malignant gliomas. Presented at: International Symposium on Application of 2-Deoxy-D-Glucose in the Management of Cancer. INMAS, Delhi, India, November 8–10, 2006.Google Scholar
• 34 Shrivastava V, Mishra AK, Dwarakanath BS, Ravindranath T: Enhancement of radionuclide induced cytotoxicity by 2-DG in human tumor cell lines. J. Cancer Res. Ther.2,57–64 (2006).Google Scholar
• 35 Aft RL, Lewis JS, Zhang F, Kim J, Welch MJ: Enhancing targeted radiotherapy by copper (II)diacetyl-bis(N4methylthiosemicarbazone) using 2-deoxy-D-glucose. Cancer Res.63,5496–5504 (2003).Google Scholar
• 36 Jason L, Dearling J, Qureshi U et al.: Combining radioimmunotherapy with antihypoxia therapy 2-deoxy-D-glucose results in reduction of therapeutic efficacy. Clin. Cancer Res.13,1903–1910 (2007).Google Scholar
• 37 Dwarakanath BS, Khaitan D, Ravindranath T: 2-deoxy-D-glucose enhance the cytotoxic effects of topoisomerase inhibitors in human tumor cell lines. Cancer Biol. Ther.3,34–43 (2004).Google Scholar
• 38 Simons AL, Ahmad IM, Mattson DM, Dornfeld KJ, Spitz DR: 2-deoxy-D-glucose combined with cisplatin enhances cytotoxicity via metabolic oxidative stress in human head and neck cancer cells. Cancer Res.67,3364–3370 (2007).Google Scholar
• 39 Maschek G, Savaraj N, Priebe W et al.: 2-deoxy-D-glucose increases the efficacy of adriamycin and paclitaxel in human osteosarcoma and non-small cell lung cancers in vivo. Cancer Res.64,31–34 (2004).Crossref, Medline, Google Scholar
• 40 Gupta S, Mathur R, Dwarakanath BS: Modifications of etoposide induced toxicity by 2-deoxy-D-glucose in Ehrlich ascites tumor bearing mice. Cancer Biol. Ther.4,87–94 (2005).Google Scholar
• 41 Raez LE, Rosenblatt J, Schlesselman J et al.: Combining glycolytic inhibitors with chemotherapy: Phase I trial of 2-deoxyglucose and docetaxel in patients with solid tumors. Presented at: American Society of Clinical Oncology Annual Meeting, Orlando, FL, USA, May 13–17 (2005).Google Scholar
• 42 Marsh J, Mukherjee P, Seyfried TN: Drug/diet synergy for managing malignant astrocytoma in mice: 2-deoxy-D-glucose and the restricted ketogenic diet. Nutr. Metab.5,33–37 (2008).Google Scholar
• 43 Varshney R, Dwarakanath BS, Jain V: Radiosensitization by 6-aminonicotinamide and 2-deoxy-D-glucose in human cancer cells. Int. J. Radiat. Biol.81,397–408 (2005).Google Scholar
• 44 Varshney R, Gupta S, Dwarakanath BS: Radiosensitization of murine Ehrlich Ascites tumor by a combination of 2-deoxy-D-glucose and 6 amino nicotinamide. Tech. Cancer Res. Treat.3,659–663 (2004).Google Scholar
• 45 Dwarakanath BS, Adhikari JS, Jain V: Hematoporphyrin derivatives potentiate the radiosensitizing effects of 2-DG in cancer cells. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.43,1125–1133 (1999).Google Scholar