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"Cancer Stem Cell Theory ed Effetto Warburg, due facce di una stessa medaglia?" _ parte seconda

September 13, 2014 at 14:28


Sul volume 15 dell'International Journal of Molecular Sciences, numero 5 del Maggio 2014, è stato pubblicato lo studio scientifico dal titolo "Cancer Stem Cell Theory and the Warburg Effect, Two Sides of the Same Coin?", ad opera di Nicola Pacini e Fabio Borziani.

Traduciamo qui in italiano un secondo estratto dal presente articolo.
 

EFFETTO WARBURG
 
È noto da più di 85 anni che la quasi totalità delle cellule neoplastiche, siano esse di natura epiteliale o mesenchimale, presentano una profonda alterazione delle attività metaboliche, ed in particolare un forte shift verso la glicolisi, con un marcato calo dell’attività mitocondriale, ovvero della fosforilazione ossidativa. Questo fenomeno è noto come Effetto Warburg, e prende il nome da Heinrich Otto Warburg, lo studioso che per primo descrisse questa particolarità.
 
Come è noto, la glicolisi rappresenta uno dei più antichi meccanismi bioenergetici, comparso durante la filogenesi degli eucarioti: essa conduce all’ossidazione del glucosio con formazione di intermedi a 3 atomi di carbonio. Detta via metabolica è anaerobiotica per eccellenza, tuttavia nelle cellule e nei tessuti neoplastici la stessa glicolisi è spesso presente indipendentemente dalla presenza o assenza di ossigeno, così da riferirsi alla definizione di glicolisi aerobia.
 
Storicamente, lo stesso Warburg, a metà degli anni ‘50 sostenne che la glicolisi aerobia potesse rappresentare non una comune caratteristica patogenetica delle cellule neoplastiche, ma un essenziale meccanismo eziologico delle neoplasie. Questa ipotesi fu a lungo dibattuta e contrastata, tuttavia negli ultimi anni un numero crescente di lavori e di ricerche indipendenti hanno focalizzato l’attenzione su questo fenomeno e sugli insiemi dei cambiamenti metabolici che insorgono nelle cellule neoplastiche, mostrando che a parità di fattori genetici/epigenetici di molecole segnale, quali fattori di crescita, citochine ed altri, il processo neoplastico è caratterizzato da un’ampia alterazione del proprio metabolismo energetico, tanto che vi è stata una vera e propria “riscoperta” dell’Effetto Warburg.
 
Inizialmente fu ritenuto che il maggior tasso di glicolisi fosse dovuto ad una mancanza di vascolarizzazione, che intrinsecamente comporta una minore ossigenazione locale, così da poter spiegare lo switch glicolitico come una risposta omeostatica locale alla minore pressione di ossigeno. Tuttavia, numerosi studi hanno evidenziato che detto fenomeno risente solo in minima parte delle condizioni di vascolarizzazione e perfusione locale, in altre parole ne è influenzato, ma in larga parte indipendente.
 
Un altro aspetto dibattuto negli anni, e che fu causa di varie critiche al lavoro di Warburg e dei suoi collaboratori, è che spesso in tessuti neoplastici si manifesta un forte switch glicolitico, indipendente dalla pressione di ossigeno, ma il consumo di ossigeno non è affatto abolito, ovvero non sempre si esprime una diminuzione dei fenomeni ossidativi ossigeno-dipendenti. Tale fenomeno fu spiegato secondo la teoria di Feodor Lynen, che per primo postulò che come causa primaria dell’Effetto Warburg vi fosse non tanto l’incapacità cellulare all’utilizzazione di ossigeno nei normali processi ossido-riduttivi, quanto un disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa, la quale poteva essere anche secondaria all’eziogenesi delle neoplasie.
 
Le particolarità del metabolismo energetico delle cellule tumorali non sono solo ascrivibili ad un fenotipo marcatamente glicolitico, ma anche ad alcune caratteristiche essenziali comuni ad altre cellule marcatamente glicolitiche dell’organismo, come ad esempio il tessuto muscolare, dove si mostra un forte sbilanciamento nel rapporto NAD+/NADH, con forte produzione di lattato e riduzione del flusso di piruvato all’interno del ciclo di Krebs. L’acido lattico prodotto, e conseguentemente l’abbassamento del pH, favorisce la neoangiogenesi mediante la stimolazione del fattore HIF-1 da parte delle cellule endoteliali, la degradazione del tessuto connettivo, il blocco della chemiotassi delle cellule T e l’attivazione di metalloproteasi.
 
Il quadro generale dell’Effetto Warburg è tuttavia più complesso, in quanto non si esprime  solamente un aumento marcato della glicolisi ed una sua deregolazione rispetto a cellule normalmente glicolitiche, ma si manifesta anche un’aberrazione del catabolismo della glutammina e del citrato. A ciò si aggiungono inoltre numerose perturbazioni nella catena di trasporto degli elettroni e varie alterazioni della funzione mitocondriale.
Recentemente è stato dimostrato da Lin (2012) che la transizione epitelio-mesenchimale, in vitro ed in vivo, è associata alla genesi dell’Effetto Warburg ed alla deregolazione della citrato sintasi. È stato altresì dimostrato come sia presente in varie linee cellulari, sia in vitro che in vivo, la correlazione tra malignità, transizione epitelio-mesenchimale e livelli intracellulari di ATP, e che il ripristino di un adeguato livello di ATP riattiva l’attività di p53 ed abolisce la transizione epitelio-mesenchimale.
 
Come già accennato, l’Effetto Warburg fu messo in relazione con la minore ossigenazione locale, ma è stato più volte evidenziato che anche in condizioni di buon apporto di ossigeno e di nutrienti, il fenomeno non viene modificato. È noto da più di 40 anni che le cellule neoplastiche crescono, si rinnovano e proliferano in modo nettamente migliore in un ambiente ipossico: ad esempio, melanomi umani, piastrati e coltivati in coltura, crescono nettamente meglio in condizioni di ipossia. Altresì, una bassa pressione di ossigeno è strettamente associata al mantenimento dello stato indifferenziato in cellule embrionali umane. La stessa ipossia promuove il rimodellamento da cellule somatiche a induced pluripotent stem cells.
 
Negli anni si è molto lavorato all’inibizione dell’angiogenesi come possibile target therapy. In condizioni fisiologiche i tessuti dell’organismo sono normalmente esposti ad una pressione di ossigeno di circa 20 mmHg, mentre nel tessuto neoplastico si nota una forte riduzione, variabile con le dimensioni della lesione, mediamente attorno a 5 mmHg. È stato anche documentato da numerosi studi clinici che tumori fortemente ipossici, siano essi sarcomi e/o carcinomi, sono associati ad una peggiore prognosi e ad un forte aumento del potenziale di metastatizzazione, così come è stato ben documentato che l’ambiente ipossico tumorale, in vivo e per vari tipi neoplastici, favorisce il processo di metastatizzazione.

Recentemente, è stato evidenziato che il trattamento con potenti ed efficaci inibitori dell’angiogenesi potenzia il processo di metastatizzazione. Se da un lato quindi l’inibizione dell’angiogenesi è potenzialmente utile nella terapia delle neoplasie dall’altro vi è la discrepanza tra l’effetto della pressione di ossigeno ed il blocco dell’angiogenesi. Tuttavia, se si considera che la maggioranza delle cellule neoplastiche utilizza la glicolisi quale meccanismo di sostentamento, allora è interessante notare che sebbene la glicolisi produca solo 2 molecole di ATP contro le 32 prodotte dalla fosforilazione ossidativa, in condizioni di intensa attività metabolica il flusso glicolitico può aumentare e mantenere livelli costanti di ATP, sempre che venga mantenuto un apporto sufficiente di nutrienti.
 

STATO METABOLICO, DIFFERENZIAZIONE E CICLO CELLULARE
 
Come già ampiamente espresso va inoltre sottolineato che vari lavori tra loro indipendenti nel corso degli ultimi 50 anni hanno evidenziato la stretta dipendenza dal fenotipo glicolitico e stato indifferenziato. Oltre a quanto già precedentemente riportato nel testo è opportuno ricordare come la via glicolitica non rappresenti soltanto una fonte di ATP, ma anche un efficiente sistema anaplerotico. Viene a mostrarsi non solo una marcata azione glicolitica, ma anche una forte alterazione di tutti gli enzimi connessi con il ciclo degli acidi tricarbossilici, il metabolismo degli acidi grassi e della glutammina. Questo assetto metabolico, come abbiamo ampiamente evidenziato, è tipico dello stato indifferenziato.
 
È interessante notare come anche cellule in rapida crescita, quali i linfociti T nel corso dell’espansione clonale, sono marcatamente glicolitice e presentano l’Effetto Warburg. Anche in caso di normale stimolazione con agenti mitotici si manifesta uno shift verso la glicolisi aerobia ed una forte produzione di lattato, fatto questo evidenziato anche in timociti di ratto, così come anche negli epatociti durante la rigenerazione epatica.
 
Si potrebbe verosimilmente concludere che un metabolismo anaerobiotico, ovvero che trasforma i nutrienti in energia chimica in modo ossigeno-indipendente, è tipico dello stato indifferenziato e delle cellule in rapida divisione. L’importanza della glicolisi aerobia durante rapidi cicli di divisione cellulare è documentata da molti anni. È stato inoltre evidenziato che durante la formazione dei trofoblasti umani e durante l’intero sviluppo nell’omogenesi mostrano un ruolo essenziale le variazioni del rapporto ATP/ADP. Recentemente, Kwon (2013) ha mostrato che durante la fase di precondrogenesi, durante la differenziazione degli osteoblasti e delle strutture scheletriche, si esprimono oscillazioni sincrone nella produzione di ATP e nel rapporto ATP/ADP. Il blocco di questo stato oscillante abolisce il processo di differenziazione degli osteoblasti e la formazione della matrice scheletrica.
 
È noto da tempo che nel Saccharomyces cerevisiae, ed in numerose altre cellule sia appartenenti al regno animale che vegetale, si presentano oscillazioni nel rapporto ATP/ADP. Altresì, queste sono in larga parte dovute al sistema glicolitico, che dipende per il proprio flusso dalle riserve energetiche e dall’apporto di glucosio. Inoltre, si è evidenziato che nel lievito ed in altri sistemi, laddove si raggiunge una certa densità di popolazione soglia, si assiste ad una sincronizzazione delle oscillazioni e ad un andamento stazionario all’unisono di tutte le cellule di una popolazione. Questo comportamento ottimizza le riserve energetiche e rappresenta una strategia evolutiva importante, così che un particolare assetto metabolico anaerobiotico o semplicemente ossigeno-indipendente, non è forse da considerarsi tipico del cancro o di altre patologie, quanto una caratteristica tipica dello stato indifferenziato e delle cellule in rapida crescita, mentre la differenziazione cellullare ed il perfezionarsi di uno stato altamente ordinato richiede un’efficiente fosforilazione ossidativa.
 
Recentemente Buravkova (2013) ha ben evidenziato come cellule umane mesenchimali mantengono uno stato indifferenziato se si presenta un abbassamento delle riserve di ATP. In altre parole bassi livelli di ATP sono sufficienti a mantenere un basso grado di differenziazione ed uno stato indifferenziato. Infine, è interessante notare come anche uno dei più noti agenti differenzianti, l’acido retinoico ed in generale i retinoidi, medino i loro effetti mediante una rimodulazione del metabolismo con un netto aumento della fosforilazione ossidativa. Dati recentemente evidenziati da Xun (2012) e Saumet (2012) sottolineano ancora una volta la stretta relazione tra differenziazione e respirazione cellulare.


CONCLUSIONI
 
È noto da più di 150 anni che le cellule neoplastiche sono associate ad un marcato stato indifferenziato, tanto che già il patologo tedesco Julius Friedrich Cohnheim, assistente del più noto Rudolf Virchow, affermava come all’origine delle neoplasie vi fosse la presenza di residui di tessuti embrionali. Le recenti acquisizioni sull’origine delle neoplasie e sulla teoria staminale del cancro confermano e ben documentano il ruolo cardine di una popolazione indifferenziata quale potenziale origine e  meccanismi di mantenimento e di rinnovo delle neoplasie.
 
Come abbiamo visto nel corso di questa pagine, un fenotipo prevalentemente glicolitico, con bassi livelli di ATP, radicali liberi, fosforilazione ossidativa, e caratterizzato dall’utilizzo di cicli anaplerotici, è tipico dello stato indifferenziato e delle fasi di elevata divisione cellulare. Per convesso, durante la differenziazione cellulare si mostrano aumenti dei livelli di ATP, della produzione di radicali liberi, della biogenesi mitocondriale, della fosforilazione ossidativa ed una diminuzione del disaccoppiamento della fosforilazione.
 
Sebbene negli ultimi 60 anni la biologia cellulare abbia consegnato parecchia enfasi agli aspetti genetici/epigenetici che governano la cancerogenesi, è tuttavia stato chiaramente evidenziato negli eucarioti, sia in semplici organismi che nel Saccharomyces cerevisiae, ed in altri organismi unicellulari, che l’insieme di tutte le reazioni metaboliche (metaboloma) può fortemente influenzare il livello di regolazione di espressione di numerosi geni attraverso meccanismi epigenetici, quali la modulazione dell’acetilazione degli istoni, la metilazione della citosina, nonché le demetilasi e le deacetilasi.
 
Altresì, si è potuto valutare il rapporto ATP/ADP è anch’esso un fattore essenziale nella regolazione del ciclo cellulare, sia nella fase S che nelle fasi G0-G1, e durante tutta la vita cellulare. La differenziazione cellulare prima, ed il mantenimento di uno stato differenziato poi, richiedono un notevole lavoro ed è necessariamente accoppiato a meccanismi necessari per la produzione di un’adeguata quantità di energia, senza la quale non si potrebbe ottenere né differenziazione cellulare, né mantenere uno stato altamente ordinato quale quello di una cellula differenziata.
 
Da un esame attento di questi dati e di tutta quanta la letteratura a disposizione si può concludere che la differenziazione cellulare richiede intrinsecamente un efficiente meccanismo di fosforilazione ossidativa e cicli metabolici costanti. D’altro canto, se il problema neoplastico è da inquadrarsi quale patologia sorretta da un comparto staminale e dalla mancanza di differenziazione cellulare, allora l’Effetto Warburg non sarebbe da inquadrarsi nella peculiare e precipua caratteristica delle cellule tumorali, bensì nell’aspetto tipico dello stato indifferenziato, ovvero di un’intrinseca caratteristica della bassa differenziazione cellulare, che nelle neoplasie raggiunge appunto una delle più caotiche espressioni.
 

Figura 2. È riassunto il nostro modello, nel quale una neoplasia insorge o da cellule staminali, o come tappa obbligata dalla riprogrammazione in senso staminale di cellule somatiche, in accordo con le correnti evidenze a proposito dell’origine staminale delle neoplasie. Il particolare fenotipo metabolico noto come Effetto Warburg non è qui considerato come una firma metabolica acquisita durante il processo metabolico, bensì rappresenta un’espressione aberrante di un assetto metabolico tipico dello stato indifferenziato. La perdita e lo slittamento permanente verso questa particolare firma metabolica è qui presentata non come unica causa, ma come un’essenziale concausa, laddove le neoplasie possono essere inquadrate quali patologie dovute ad un aberrante differenziamento.

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