Метастазирование(Парадигма рака 3.0)
18Реабилитация Варбурга
Нобелевский лауреат Отто Генрих Варбург (1883–1970) родился во Фрайбурге, на юго-западе Германии. Он был сыном Эмиля Варбурга, выдающегося профессора физики из Фрайбургского университета, и общался с великими современниками, будущими легендарными учеными – Альбертом Эйнштейном и Максом Планком.
Сам Варбург посвятил свои исследования области клеточной энергетики – там он смог приложить к биологии строгие методы естественных наук (химии и физики). Сколько энергии требуется клеткам? Как они вырабатывают эту энергию? Этот интерес в конце концов привел его к делу всей жизни – изучению темы, которую он назвал «проблемой рака». В чем отличие энергетического метаболизма нормальных и раковых клеток?
Обычно клетки вырабатывают энергию в форме аденозинтрифосфата (АТФ) двумя возможными путями: окислительным фосфорилированием (дыхание) или гликолизом (ферментация). Окислительное фосфорилирование происходит в митохондриях: каждая молекула глюкозы сжигается с помощью кислорода, вырабатывая 36 молекул АТФ. В отсутствие кислорода здоровым клеткам приходится прибегать к гликолизу, который дает лишь две молекулы АТФ и две молекулы молочной кислоты на молекулу глюкозы. Например, во время интенсивных упражнений мышцам требуется столько энергии за такое короткое время, что кровеносная система просто не успевает удовлетворить все потребности в кислороде. Мышцы переключаются на гликолиз, который не требует кислорода и вырабатывает намного меньше энергии на одну молекулу глюкозы. В конце концов молочная кислота накапливается и вызывает мышечную усталость – именно поэтому во время особенно тяжелого упражнения вы можете вдруг почувствовать, что больше уже просто не можете. Здоровые клетки не очень хорошо функционируют в кислой среде. Когда вы отдыхаете, потребность в кислороде снижается, и мышцы, получив достаточную дозу кислорода, снова переходят к окислительному фосфорилированию.
Клеткам, которые вырабатывают много энергии с помощью окислительного фосфорилирования, естественно, требуется больше кислорода. Варбург заметил это явление, когда увидел, как быстро растут оплодотворенные яйца морских ежей. Он предположил, что быстрорастущие раковые клетки тоже потребляют большие объемы кислорода. Но предположение оказалось ошибочным. В 1923 году Варбург не без удивления отметил, что быстрорастущие опухолевые клетки у крыс потребляют не больше кислорода, чем здоровые.
С другой стороны, раковые клетки потребляли в десять раз больше глюкозы[329] и вырабатывали молочную кислоту в 70 раз быстрее, чем нормальные ткани. Варбург подсчитал, что опухолевые клетки перерабатывают невероятные 66 % всей потребляемой глюкозы в молочную кислоту[330].
Несмотря на легкую доступность кислорода, раковые клетки вырабатывали энергию, используя менее эффективный сигнальный путь гликолиза. Сейчас этот удивительный процесс называют эффектом Варбурга.
Поскольку при гликолизе на каждую молекулу глюкозы вырабатывается намного меньше АТФ, раковым клеткам приходится жадно глотать глюкозу, словно верблюду, который впервые подошел к воде после длинного перехода по пустыне. Сейчас мы пользуемся эффектом Варбурга для одной из онкологических процедур, позитронно-эмиссионной томографии. Как мы уже обсуждали в главе 3, ПЭТ измеряет количество глюкозы, потребляемой клетками. Активные раковые клетки поедают глюкозу намного быстрее, чем окружающие их здоровые клетки, и ПЭТ показывает нам эти «горячие точки».
Аэробный гликолиз (гликолиз в присутствии больших запасов кислорода) – это уникальная черта рака. Нормальные клетки при доступности кислорода практически всегда избирают окислительное фосфорилирование. Даже в ситуациях, когда клетки растут быстро и требуют большого количества энергии, например при заживлении ран, эффект Варбурга все равно не задействуется. Но почему? Это кажется очень странным.
Подумайте хорошенько. Мы знаем, что у рака есть четыре отличительные особенности:
1. Он растет.
2. Он бессмертен.
3. Он передвигается.
4. Он использует эффект Варбурга: умышленно прибегает к менее эффективному методу выработки энергии.
Один из этих пунктов явно не сходится с другими. Бессмертные раковые клетки – очень занятые создания: они постоянно растут и передвигаются по организму. Для этого нужно много-много энергии. Почему тогда рак выбирает менее эффективный способ выработки энергии?
Давайте представим: вы создали быструю спортивную машину, обтекаемую, с низкой посадкой и антикрылом, уменьшающим сопротивление воздуха. А потом открыли капот, выкинули оттуда двигатель мощностью в 600 лошадиных сил и поставили вместо него мотор от газонокосилки, в котором всего 9 «лошадей». Серьезно? Это очень странно. Но рак, по сути, делает то же самое: специально выбирает менее эффективный метод выработки энергии. Но это не может быть простым совпадением: 80 % всех известных раковых опухолей используют эффект Варбурга. Какова бы ни была причина, этот эффект важен для генеза рака и не является просто метаболической ошибкой. Рак не продержался бы миллионы лет, поражая многоклеточные организмы от гидры до кошек, собак и людей, если бы делал ошибки.
В знаменитой статье 1956 года «Происхождение рака» Варбург выдвинул гипотезу, что аномальный переход к аэробному гликолизу – это настолько странно, что, должно быть, именно он является тем самым событием, которое запускает развитие рака. Вспомним: для успешного окислительного фосфорилирования требуются кислород и хорошо работающие митохондрии, клеточные структуры, в которых и происходит процесс. Поскольку кислород присутствует в изобилии, Варбург пришел к выводу, что дело здесь в плохой работе митохондрий, которые вынуждают раковую клетку переключиться на менее эффективный сигнальный путь гликолиза[331]. Варбург предполагал, что рак вызывается в основном повреждением митохондрий.
Эффект Варбурга – это хорошо известный факт, но вот гипотезе Варбурга противоречат многие наблюдения[332]. Митохондрии раковых клеток часто работают нормально и даже сохраняют дыхательные функции[333]. У большинства раковых клеток митохондрии вполне функционируют – это означает, что они полагаются в производстве энергии не только на гликолиз и при необходимости могут переключиться обратно на окислительное фосфорилирование[334]. Рак не вынужден использовать гликолиз – он специально так делает. Но почему?
Эффективная выработка энергии (АТФ) является преимуществом только в условиях недостатка ресурсов. Если клеткам доступно много глюкозы, какая разница, две молекулы АТФ получать из одной глюкозы или 36? Гликолиз вырабатывает АТФ менее эффективно, но быстрее. За то время, что здоровые клетки перерабатывают одну молекулу глюкозы в 36 молекул АТФ, раковые клетки успевают переработать 11 молекул глюкозы на 22 молекулы АТФ и 22 молекулы молочной кислоты. Поскольку молочная кислота может быть переработана в АТФ в пропорции 1:1, раковая клетка за то же время в теории может получить 44 молекулы АТФ. Раковые клетки вырабатывают энергию быстрее, но для этого им требуется в десять раз больше глюкозы[335].
Представьте себе двух человек. Один сжигает за день 2 тыс. калорий, а у другого организм более энергоэффективный и сжигает всего 1 тыс. калорий. Повышенная энергоэффективность перестает быть преимуществом, если вы съедаете по 2500 калорий в день. Окислительное фосфорилирование дает преимущество только при дефиците глюкозы, но, учитывая распространение эпидемии ожирения и диабета 2-го типа, глюкозы нам сейчас доступно скорее много, чем мало. Так что в современных условиях энергоэффективность окислительного фосфорилирования можно назвать «преимуществом» разве что в кавычках.
Учитывая, что этот сигнальный путь используется практически всеми известными видами рака, приходится сделать вывод, что это не совпадение и не ошибка – этот процесс является неотъемлемой частью развития рака. Он дает какое-то преимущество в адаптации. Но какое?
Клеткам для роста нужна не только энергия, но и строительные материалы. Поскольку мы – углеродная форма жизни, для роста наших клеток и производства органических молекул нужен углерод. При окислительном фосфорилировании бо́льшая часть углерода в глюкозе перерабатывается в энергию, а образовавшийся углекислый газ мы выдыхаем. При гликолизе же лишь небольшая часть углерода полностью сжигается для получения энергии. Оставшийся углерод можно переработать в строительные материалы для производства новых аминокислот и жирных кислот.
Представьте себе следующую аналогию: для строительства дома нужна и энергия (прилежный труд строителей), и материалы. Если у вас есть строители, но нет кирпичей, дома вы не построите. Быстрорастущим клеткам тоже нужна и энергия (АТФ), и материалы (углерод). Окислительное фосфорилирование вырабатывает только энергию, что не способствует максимально возможному росту. Гликолиз лучше поддерживает быстрый рост, потому что предоставляет и энергию, и материалы, а окислительное фосфорилирование – только чистую энергию[336]. Возможно, именно поэтому эффект Варбурга лучше обеспечивает рост рака.
В 1970-х гг. метаболическая теория рака, которую продвигал Варбург, казалась все более шаткой. Уже началась генетическая революция, и теория соматических мутаций притянула к себе исследователей рака, словно магнитом. Вопрос о том, каким топливом рак пользуется для своего роста, и его аномальная, любопытная склонность к гликолизу оставались загадками, от которых просто отмахивались. Новые научные статьи об эффекте Варбурга выходили очень редко. Два этих направления исследований – рост раковых опухолей и метаболизм раковых клеток – вообще не пересекались. А затем, в конце 1990-х гг., они неожиданно встретились – и их тут же поженили под дулом пистолета.
Реабилитация Варбурга
Мы довольно долго считали, что ростом клетки и ее метаболизмом управляют два разных набора сигнальных путей. Но революционные открытия Лью Кэнтли показали, что хорошо известный метаболический гормон инсулин непосредственно связан с сигнальными путями роста через PI3K. Рост и метаболизм раковых клеток оказались неразрывно связаны между собой одними и теми же генами и гормонами[337]. Например, онкоген myc контролирует не только рост, но и метаболический фермент, который запускает эффект Варбурга. Кэнтли обнаружил прямую связь между сенсорами питательных веществ, метаболизмом, эффектом Варбурга и клеточной пролиферацией[338]. Гены, контролирующие рост, одновременно контролировали и метаболизм.
Все эти новооткрытые онкогены и гены-супрессоры опухолей влияли и на метаболические сигнальные пути. Многие онкогены контролируют ферменты – тирозинкиназы, регулирующие и рост клеток, и метаболизм глюкозы. Вездесущий ген-супрессор опухолей p53 влияет на рост клеток, но вместе с тем и регулирует клеточный метаболизм, воздействуя на митохондриальное дыхание и гликолиз.
Раковые клетки не могут перестать расти, но еще они не могут перестать есть. Раковая опухоль растет, потому что не может перестать есть, или ест, потому что не может перестать расти? Скорее всего, и то, и другое. Болезни роста, в конце концов, одновременно являются еще и болезнями метаболизма – и это относится не только к метаболизму глюкозы.
Раковые клетки очень любят есть глюкозу, но не только ее. При раке нарушается работа еще и сигнальных путей аминокислоты глутамина[339]. Аминокислоты – это строительный материал для белков, а глутамин – самая распространенная аминокислота в крови. Некоторые раковые клетки потребляют в десять с лишним раз больше глутамина, чем здоровые[340]. Некоторые виды рака, например нейробластома, лимфома, рак почек и рак поджелудочной железы, страдают от настоящей глутаминовой «наркомании»: без глутамина они просто не могут выжить[341].
Варбург считал, что раковые опухоли получают энергию только из глюкозы, но это оказалось не совсем верно. Еще раковые клетки могут перерабатывать глутамин, а современные исследования показали, что рак может питаться жирными кислотами и другими аминокислотами[342]. Раковые клетки соперничают за пищу со множеством других клеток, так что гибкий рацион питания дает им преимущество для роста. Возможно, исходная гипотеза Варбурга и неверна, но его интуитивное предположение, что метаболизм рака очень важен, оказалось совершенно точным. Эффект Варбурга действительно имеет конкретное предназначение. Он дает раковым клеткам стратегическое преимущество в борьбе за выживание. Большие объемы молочной кислоты, производимой при гликолизе, – это не просто отходы, как ранее предполагалось: они дают раковым клеткам значительное преимущество.
Молочная кислота
Когда опухоль растет, новые раковые клетки появляются все дальше и дальше от основного кровеносного сосуда, который поставляет кислород и забирает отходы жизнедеятельности. Клетки, расположенные близко к кровеносной системе, хорошо снабжаются и процветают. Клетки, расположенные слишком далеко, получают недостаточно кислорода, чтобы выжить. Между двумя этими регионами находится так называемая зона гипоксии, в которой клетки, получающие самый минимум кислорода, позволяющий выжить, активируют ферменты, носящие название «факторы, индуцируемые гипоксией» (HIF). Борьба за выживание в зоне гипоксии – это очень серьезное давление отбора.
Сначала HIF стимулируют выделение фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), который способствует росту новых кровеносных сосудов. Новые кровеносные сосуды доставляют больше кислорода и помогают опухоли вырасти. Вызывание ангиогенеза – это одна из ключевых отличительных особенностей рака, описанных Вейнбергом и Ханаханом.
Во-вторых, HIF обычно помогает стационарным клеткам стать более подвижными. Молекулы клеточной адгезии, удерживающие клетки на месте, перестают нормально функционировать, и базальные мембраны, ограничивающие область распространения тех или иных клеток, начинают деградировать[343]. Это облегчает клеткам задачу по «активации инвазии и метастазирования» – получению еще одной ключевой отличительной особенности рака.
В-третьих, из-за недостатка кислорода HIF перепрограммирует метаболизм клетки, переключая ее с окислительного фосфорилирования на гликолиз. Поскольку для производства энергии теперь нужно больше глюкозы, HIF повышает экспрессию клеточных глюкозных рецепторов. В то же время HIF замедляет производство новых митохондрий, необходимых для окислительного фосфорилирования[344]. По сути, именно HIF несут ответственность за феномен, называемый эффектом Варбурга, – еще одну ключевую особенность рака[345].
Изменения, вызванные HIF, помогают клеткам лучше выжить в бедной кислородом среде. Клетки, лишенные кислорода, пытаются построить новые кровеносные сосуды, уйти из области гипоксии и использовать меньше кислорода. То, что такое поведение характерно и для раковых клеток, вовсе не совпадение. Именно в такой среде одноклеточный организм получает преимущество над своим многоклеточным собратом. Эффект Варбурга – это не просто метаболическая «ошибка». Он дает раковым клеткам уникальное преимущество в борьбе за выживание с другими клетками.
При гликолизе раковые клетки вырабатывают молочную кислоту, а потом выбрасывают эту кислоту в окружающую среду – точно так же, как, скажем, химический завод, сбрасывающий отходы в близлежащую реку. Это вовсе не случайно, а молочная кислота – не просто побочный продукт. Опухоли расходуют драгоценную энергию, чтобы целенаправленно производить кислоту и сбрасывать ее в окружающую среду, которая уже и без того является кислой[346]. Здоровые клетки живут в среде с pH 7,2–7,4, а вот опухоли создают вокруг себя микросреду с pH 6,5–6,9[347]. Почему раковые клетки прикладывают такие усилия, чтобы сделать среду вокруг себя кислой?[348] Потому что кислая среда дает клеткам огромное преимущество в борьбе за выживание. Здоровые клетки повреждаются кислотой, и в них запускается апоптоз, а вот раковые клетки такую среду переносят неплохо.
Есть два способа победить соперников: либо самому стать сильнее, либо ослабить остальных. Оба способа работают. Рак устраивает клеточную «Игру в кальмара»: ты либо выигрываешь, либо умираешь. Нормальные клетки играют по правилам и сотрудничают, а вот одноклеточные организмы соперничают с ними, устраивая саботаж. Раковые клетки выделяют едкую молочную кислоту, мешая жить соседним здоровым клеткам. «Убей ближнего своего» – это проверенная временем стратегия выживания, распространенная в одноклеточной вселенной.
Раковые клетки, формируя вокруг себя кислую среду, легко проникают через базальную мембрану и благодаря этому могут метастазировать.
В 1928 году сэр Александр Флеминг обнаружил, что грибок Penicillium notatum выделяет едкое вещество, которое убивает окружающие бактерии. Из этого вещества позже сделали первое в мире лекарство-антибиотик – пенициллин. На острове Пасхи обнаружили бактерию, которая выделяет рапамицин – едкое вещество, которое убивает конкурирующие с ней грибки.
Кислая среда разъедает внеклеточный матрикс, нормальную поддерживающую структуру клетки. Это позволяет раковым клеткам легче проникать через базальную мембрану, что делает возможным метастазирование. А еще повреждения, вызванные молочной кислотой, вызывают воспаление. Это привлекает иммунные клетки, которые вырабатывают факторы роста – они полезны при заживлении ран, но в данном случае они приносят пользу раковой клетке.
Рак называли «раной, которая не может зажить», потому что процесс сходен с избыточным ростом, наблюдаемым при заживлении ран. При нормальном заживлении раны вырастают новые кровеносные сосуды вместо разорванных старых, вычищаются обломки клеток, и рана заживает. Разница только одна, но очень важная: программа заживления ран рано или поздно отключается, а вот программа рака – нет.
Раковые клетки, формируя вокруг себя кислую среду, легко проникают через базальную мембрану и благодаря этому могут метастазировать.
Даже когда кислород легко доступен, раковая клетка продолжает использовать гликолиз, потому что он дает уникальное преимущество в борьбе за выживание: позволяет выделять молочную кислоту (эффект Варбурга). Воспаление, вызываемое молочной кислотой, еще и мешает иммунным клеткам, которые находят и убивают раковые клетки[349]. Таким образом, молочная кислота, производимая при задействовании эффекта Варбурга:
• Подавляет нормальную работу клеток;
• Разъедает внеклеточный матрикс, способствуя инвазии;
• Провоцирует воспалительную реакцию и выделение факторов роста;
• Ослабляет иммунную реакцию;
• Стимулирует ангиогенез.
Раковая клетка предпочитает гликолиз окислительному фосфорилированию (использует эффект Варбурга) не случайно. Это не ошибка. Это логичный выбор, потому что молочная кислота дает ей уникальное преимущество в борьбе за выживание. За это, конечно, приходится расплачиваться: для питания клеткам требуется намного больше глюкозы. В условиях изобилия глюкозы равновесие смещается в пользу развития рака. Именно эффект Варбурга готовит почву для следующего этапа развития рака, облегчая клеткам задачу по вторжению в ткани и передвижению по организму. Именно этот этап развития делает рак настолько смертоносным.