El efecto Warburg es la tendencia de la mayoría de las células cancerosas a producir energía principalmente a través de una glucólisis muy activa seguida de la formación de ácido láctico [1] , en lugar de una glucólisis lenta y oxidación de piruvato en las mitocondrias usando oxígeno como en la mayoría de las células normales [2] [ 3] [4 ] ] . En las células de un tumor maligno de rápido crecimiento , el nivel de glucólisis es casi 200 veces mayor que en los tejidos normales . Al mismo tiempo, la glucólisis sigue siendo preferible incluso en condiciones de exceso de oxígeno.
El efecto fue descubierto por Otto Heinrich Warburg en la década de 1920. Nombrado en su honor por Ephraim Raker en 1974 [1] .
Otto Warburg creía que estos cambios en el metabolismo son la causa fundamental del cáncer (la hipótesis de Warburg ) [5] . Hoy se sabe que las principales causas de transformación maligna de las células son mutaciones en oncogenes y genes supresores de tumores , y el efecto Warburg se considera solo una consecuencia de estas mutaciones [6] [7] .
En la década de 1920, Otto Warburg y sus colegas descubrieron células cancerosas que absorbían grandes cantidades de glucosa en comparación con las células circundantes. Además, la glucosa se fermentaba en lactato , mientras había suficiente oxígeno (una glucólisis aeróbica ). También se señaló que la respiración celular podría mantener viva a la célula. La conclusión de esto fue que para matar una célula privándola de su energía, es necesario tomar glucosa y oxígeno de ella. Más tarde, en 1929, el bioquímico inglés Herbert Crabtree continuó el trabajo de Warburg y estudió la heterogeneidad de la glucólisis en las células cancerosas. Confirmó lo que había encontrado Warburg, pero también vio que la proporción de respiración celular varía y que muchos tumores muestran cantidades significativas. A partir de esto, Crabtree concluyó no solo que los tumores cancerosos utilizan la glucólisis anaeróbica, sino que también tienen cierta variabilidad en la fermentación, presumiblemente debido a influencias ambientales o genéticas.
Contrariamente a los hallazgos de trabajos anteriores, y por razones que estos autores desconocen, Warburg propuso más tarde que las mitocondrias disfuncionales son la raíz de la glucólisis anaeróbica. Warburg también sugirió que este evento es la causa raíz del cáncer. Este fenómeno fue llamado efecto Warburg a principios de la década de 1970 por Ephraim Racker , quien también señaló que la evidencia previa mostraba la capacidad de los tumores para la respiración celular. Wrecker desarrolló sus propias teorías sobre el origen del efecto Warburg, que van desde desequilibrios en el pH intracelular hasta defectos en la actividad ATPasa . Posteriormente, Racker, Jeffrey Fliehr y Morris Birnbaum observaron que la glucólisis anaeróbica es un proceso controlado que puede regularse directamente mediante la señalización del factor de crecimiento. En ese momento, el descubrimiento de los oncogenes llevó a la conclusión de que la regulación aberrante de la señalización del factor de crecimiento es un evento desencadenante de la oncogénesis. Por lo tanto, sus observaciones dieron un nuevo significado a la hipótesis de Warburg en la biología de los tumores cancerosos. Sin embargo, hasta hace poco no estaba claro si el efecto Warburg era un efecto secundario en la patogenia del cáncer. Recientes estudios genéticos y farmacológicos han demostrado de manera convincente que el efecto Warburg es necesario para el crecimiento tumoral. Volviendo a los estudios primarios del metabolismo tumoral, ahora está claro que pueden ser necesarios tanto la glucólisis anaeróbica como el metabolismo mitocondrial. A lo largo de esta historia, las funciones del Efecto Warburg han sido controvertidas. [ocho]
El efecto Warburg puede ser simplemente el resultado del daño a las mitocondrias durante la malignidad, la adaptación a bajos niveles de oxígeno o el resultado de desactivar los genes mitocondriales, ya que muchos de ellos están involucrados en el desencadenamiento de la apoptosis , que de otro modo conduciría a la muerte de las células cancerosas. Quizás el efecto sea simplemente una consecuencia de la rápida división celular. Debido a que la glucólisis proporciona la mayoría de los componentes básicos necesarios para la división y el crecimiento celular, se ha sugerido que las células cancerosas (y las células normales en proliferación) activan la glucólisis a pesar de la presencia de oxígeno para poder multiplicarse con éxito [9] . La evidencia es la detección de glucólisis anaeróbica activa en células con expresión aumentada de hexocinasa relacionada con mitocondrias [ 10] , que es responsable de la estimulación de la glucólisis. En el cáncer de riñón, el mismo efecto puede aparecer debido a la presencia de mutaciones en el supresor de tumores Hippel-Lindau , que activa los genes de las enzimas glucolíticas, incluida la isoforma de empalme M2 de la piruvato quinasa [11] .
En marzo de 2008, Lewis K. Cantley y sus colegas anunciaron que la piruvato quinasa M2-PK, una isoforma de la piruvato quinasa, es la enzima responsable del efecto Warburg. M2-RK se encuentra en todas las células que se dividen rápidamente y permite que las células cancerosas consuman glucosa a un ritmo acelerado; si las células se ven obligadas a cambiar a la forma normal de piruvato quinasa, lo que inhibe la síntesis de M2-RK tumoral, entonces su tasa de crecimiento disminuye significativamente. Los científicos reconocieron que la química exacta del metabolismo de la glucosa probablemente diferiría en diferentes formas de cáncer, pero PKM2 estaba presente en todas las células cancerosas analizadas. Esta forma de la enzima normalmente no se encuentra en el tejido sano, aunque obviamente se requiere para la reproducción celular rápida, como en la cicatrización de heridas o la hematopoyesis [12] [13] .
Muchas sustancias que inhiben la glucólisis son actualmente[ ¿cuándo? ] es objeto de intensas investigaciones como agentes anticancerígenos [14] , incluidos SB-204990, 2-desoxi-D-glucosa , 3-bromopiruvato , 5-tioglucosa y ácido dicloroacético . Se están realizando ensayos clínicos para la 2-desoxi-D-glucosa y el ácido dicloroacético [15] .
El ácido alfa-ciano-4-hidroxicinámico, una molécula pequeña inhibidora de los transportadores de monocarboxilato (que previene la acumulación de ácido láctico en los tumores), se ha utilizado con éxito para tratar tumores cerebrales en estudios preclínicos [16] [17] [18] [19] . Se han desarrollado inhibidores con alta afinidad por los transportadores de monocarboxilato. Corrientemente[ ¿cuándo? ] se están sometiendo a ensayos clínicos en AstraZeneca [20] .
El ácido dicloroacético, una pequeña molécula inhibidora de la piruvato deshidrogenasa quinasa mitocondrial, "suprime" la glucólisis in vitro e in vivo . Investigadores de la Universidad de Alberta sugirieron en 2007 que el ácido dicloroacético podría tener un efecto terapéutico contra muchos tipos de cáncer [21] [22] .
Se ha demostrado in vitro que un alto nivel de glucosa acelera la propagación de las células cancerosas, mientras que su falta conduce a la apoptosis. Estos resultados iniciaron un estudio adicional del efecto de la glucosa en el crecimiento tumoral. Los datos clínicos muestran que una disminución de los niveles de glucosa en sangre en el cáncer avanzado se correlaciona con una mejor supervivencia del paciente [23] .
Por molécula de glucosa, la glucólisis anaeróbica es un método ineficiente de síntesis de ATP en comparación con la cantidad producida por la respiración mitocondrial. Sin embargo, la tasa de metabolismo de la glucosa a través de la glucólisis anaeróbica es mayor, por lo que la producción de lactato a partir de la glucosa se produce de 10 a 100 veces más rápido que la oxidación completa de la glucosa en las mitocondrias. De hecho, la cantidad de ATP sintetizada en cualquier período de tiempo es comparable a cualquier forma de metabolismo de la glucosa. Por lo tanto, una hipótesis razonable de que el cáncer utiliza la glucólisis anaeróbica debe explicarse por la diferencia en la cinética.
Los cálculos teóricos que utilizan la teoría de juegos evolutivos confirman que las células con velocidades más rápidas pero rendimientos de producción de ATP más bajos pueden obtener una ventaja selectiva cuando compiten por recursos energéticos compartidos y limitados. De hecho, el microambiente tumoral tiene una disponibilidad limitada de glucosa y compite por los nutrientes con las células estromales e inmunitarias. El estudio también mostró que cuando los cambios en el entorno celular causaron un aumento significativo en la necesidad de ATP al cambiar la necesidad de bombas de membrana dependientes de ATP, la glucólisis anaeróbica aumentó rápidamente y la fosforilación oxidativa permaneció constante. Esto proporciona una justificación adicional de que la función del efecto Warburg es apoyar la producción rápida de ATP, que puede ajustarse rápidamente para mantener el nivel de ATP deseado.
A pesar del atractivo de esta propuesta, existen dificultades. Cálculos empíricos simples muestran que la cantidad de ATP necesaria para el crecimiento y la división celular puede ser mucho menor que la necesaria para el mantenimiento celular normal. Por lo tanto, la demanda de ATP nunca puede llegar a su límite durante el crecimiento de las células tumorales. Además, los mecanismos que están disponibles para otros tipos de células en casos de demanda rápida de ATP también están presentes en las células tumorales. Por ejemplo, la síntesis rápida de ATP a partir de creatina quinasas en el músculo entrenado o la adenilato quinasa durante los cambios hormonales está presente en la mayoría de las células tumorales y debería poder satisfacer la demanda de ATP. Por lo tanto, se necesitan más estudios para demostrar si este mecanismo puede explicar el papel de la glucólisis anaeróbica. [ocho]
Se supone que el efecto Warburg es un mecanismo de adaptación para respaldar los requisitos biosintéticos del crecimiento descontrolado. En este escenario, el aumento de la ingesta de glucosa se utiliza como fuente de carbono para los procesos anabólicos necesarios para apoyar la división celular. Este exceso de carbono se utiliza para generar nucleótidos, lípidos y proteínas y puede enrutarse a través de varias vías de ramificación que se originan en la glucólisis. Un ejemplo es la fuga de flujo glucolítico en la biosíntesis de serina por la enzima fosfoglicerato deshidrogenasa (PHGDH). Además de usar carbono adicional del metabolismo de la glucosa para los bloques de construcción celular, ahora también existe el argumento de que, en lugar de limitar la tasa de síntesis de ATP, las células en proliferación necesitan más la recuperación de equivalentes en forma de NADPH .
Otro mecanismo propuesto para explicar la función biosintética del efecto Warburg es la regeneración de NAD+ a partir de NADH en el paso de piruvato a lactato, que completa la glucólisis anaeróbica. En este escenario, el NADH, que es producido por la gliceraldehído fosfato deshidrogenasa (GAPDH), debe consumirse para regenerar NAD+ y mantener la actividad de la glucólisis. Esta alta tasa de glucólisis permite procesos que pueden, por ejemplo, bombear 3-fosfoglicerato (3PG) a serina para la producción de NADPH y nucleótidos a través del metabolismo de un carbono. Estas suposiciones concluyen que el efecto Warburg mantiene un entorno metabólico que permite una biosíntesis rápida para apoyar el crecimiento y la propagación.
Además, otros han sugerido que la glucólisis anaeróbica es un compromiso para apoyar la biosíntesis. En estos escenarios, una forma ineficiente de crear ATP surge de la necesidad de suministrar los materiales necesarios a las vías anabólicas. Estas vías requieren una mayor expresión de genes biosintéticos, como los involucrados en la síntesis de nucleótidos y lípidos, y como resultado, esto ocurre al limitar el uso de mitocondrias para mantener una alta expresión de enzimas biosintéticos debido a la cantidad limitada de proteína disponible. Otro escenario es que el volumen físico disponible por célula puede limitar la cantidad de mitocondrias y, por lo tanto, cualquier energía y biomasa que exceda la capacidad mitocondrial limitada debe obtenerse de la glucólisis anaeróbica. Este concepto se ha denominado limitación de la capacidad del disolvente. En ambos casos, el efecto Warburg es una adaptación para apoyar la producción de biomasa frente a oportunidades limitadas para la generación de ATP.
El atractivo de esta sugerencia se debe en parte a su capacidad para proporcionar una explicación sencilla de la aparente correlación entre la glucólisis anaeróbica y el crecimiento de células cancerosas. Además, parece intuitivo para algunos que las vías de ramificación de la glucólisis se utilizarían más durante el efecto Warburg, ya que la tasa de glucólisis es más alta y la producción de lactato en este caso serviría para regenerar NAD+ y permitir que continúe la glucólisis. Además, el requerimiento de NADPH para la formación de lípidos se puede resumir en una ecuación química muy simple que muestra que el requerimiento de NADPH es mayor que el de ATP para la biosíntesis.
Sin embargo, existen serias limitaciones a esta función propuesta del efecto Warburg. Primero, durante la glucólisis anaeróbica, la mayor parte del carbono no se retiene y, en cambio, se libera como lactato. De hecho, la ecuación general para convertir 1 molécula de glucosa en 2 moléculas de lactato sin un aumento o pérdida general de NAD+ y NADH no deja espacio para la biomasa. Es decir, debido a la estequiometría de la glucólisis, la producción de biomasa es mutuamente excluyente con la producción de lactato y la biosíntesis no puede explicarse para la regeneración de NAD+ solo con lactato. Por lo tanto, las vías que conducen a la biosíntesis de glucosa ocurren en ausencia total de producción de lactato, que es el sello distintivo del efecto Warburg. También actualmente[ ¿cuándo? ] se cree ampliamente que las mitocondrias son componentes clave del programa biosintético, cuyos sustratos en el ciclo TCA se utilizan para la biosíntesis de nucleótidos, aminoácidos y lípidos. A la luz de esta evidencia, sigue siendo difícil entender cómo el efecto Warburg puede promover directamente la biosíntesis.
Estimaciones recientes de proteómica cuantitativa indican que el costo de producir una proteína para llevar a cabo la glucólisis anaeróbica es enorme. De hecho, las células donan hasta el 10% de su proteoma completo y la mitad de sus genes metabólicos para la producción de proteínas involucradas en la glucólisis. Por el contrario, los programas biosintéticos en las células requieren cantidades mucho más pequeñas de proteína. Por lo tanto, el costo de producir proteínas para la glucólisis anaeróbica es tan grande, si no más, que el costo de producir proteínas para la biosíntesis. Además, la sugerencia de que la función del efecto Warburg está en la biosíntesis se ve cuestionada por el hecho de que las funciones mitocondriales ocurren simultáneamente con el efecto Warburg y, por lo tanto, la limitación de la actividad mitocondrial no parece ocurrir durante el efecto Warburg. En última instancia, se necesita más investigación para averiguar si el efecto Warburg funciona para respaldar los programas de biosíntesis. [ocho]
En contraste con las funciones celulares descritas anteriormente, el efecto Warburg puede representar una ventaja para el crecimiento celular en un entorno multicelular. La acidificación del microambiente y otras interferencias metabólicas son posibilidades intrigantes. El aumento del metabolismo de la glucosa reduce el pH en el microambiente debido a la secreción de lactato . Los beneficios potenciales de la acidificación para las células cancerosas son enormes. La hipótesis de la invasión mediada por ácido propone que los iones H+ liberados de las células cancerosas se difunden en el medio ambiente y alteran la interfaz del estroma tumoral, lo que permite una mayor invasividad. Un estudio reciente mostró que el lactato derivado de tumores contribuye a la polarización de los macrófagos asociados con los tejidos M2. Además, la disponibilidad de glucosa parece ser el resultado de la competencia directa entre el tumor y los linfocitos infiltrantes del tumor. Los altos niveles de glucólisis limitan la disponibilidad de glucosa para los linfocitos, que requieren suficiente glucosa para sus funciones. El apoyo a esta propuesta es evidencia directa de que enfocarse en la glucólisis anaeróbica en los tumores tiene el beneficio adicional de reducir la captación de glucosa por parte de los linfocitos y, por lo tanto, suprimir su función principal de matar las células tumorales. En conjunto, este hecho sugiere que las células tumorales pueden comunicarse con las células del sistema inmunitario para respaldar la inmunidad antitumoral.
Es probable que el efecto Warburg proporcione un beneficio general que mantiene un microambiente tumoral que promueve el crecimiento de células cancerosas. Sin embargo, se cree que el efecto Warburg es un evento temprano en la oncogénesis que es una consecuencia directa de una mutación oncogénica inicial como KRAS en el cáncer de páncreas o BRAF en el melanoma, ocurriendo así antes de la invasión celular y en los cánceres benignos y tempranos. Otro problema es que en condiciones completamente aisladas del medio ambiente, como en la fase de crecimiento de la levadura unicelular, el efecto Warburg sigue siendo la elección del metabolismo energético de la glucosa. En general, estos datos sugieren que las funciones no celulares del efecto Warburg son insuficientes para explicar completamente sus funciones. [ocho]
Se supone que el efecto Warburg imparte la función de señalización directa a las células tumorales. Esta sugerencia es particularmente atractiva ya que identifica un papel causal directo para el metabolismo alterado de la glucosa en la promoción de la tumorigénesis a través de esta transducción de señales que afecta a otros procesos celulares. Los dos dominios de la función de señalización son la generación y modulación de especies reactivas de oxígeno (ROS) y la modulación del estado de la cromatina. Otros estudios han identificado posibles mecanismos de señalización adicionales.
Mantener un equilibrio adecuado de ROS es esencial. Las cantidades excesivas de ROS dañan las membranas celulares, los ácidos nucleicos y tienen otros efectos nocivos. Los niveles insuficientes de ROS interrumpen los procesos de transducción de señales que son beneficiosos para la proliferación celular, como la inactivación de la fosfatasa y el homólogo de tensina (PTEN) y las tirosina fosfatasas. El efecto Warburg induce cambios en el potencial redox de las mitocondrias, alterando finalmente la generación de ROS.
Un factor importante que determina el potencial redox en las células es el NADH, que está disponible en las mitocondrias para el transporte de electrones. Los mecanismos celulares para mantener la homeostasis redox tienen lugar cuando fluctúa la tasa de glucólisis. Hasta cierto grado de glucólisis, la lanzadera de malato-aspartato a través de las mitocondrias es capaz de restaurar el desequilibrio de NADH. Sin embargo, cuando las tasas de glucólisis son más altas que las que se pueden lograr con la lanzadera de malato-aspartato, la conversión de piruvato en lactato a través de la lactato deshidrogenasa (LDH) puede regenerar NAD+. Este proceso también puede afectar la homeostasis de la generación de ROS al afectar la concentración de equivalentes reductores en las mitocondrias.Esta consecuencia del efecto Warburg puede estar directamente involucrada en el envejecimiento inducido por oncogenes (OR). SIR tiene una función celular supresora de tumores, y un estudio reciente ha demostrado que el aumento de la oxidación de la glucosa a través de la piruvato deshidrogenasa (PDH) puede regular la SVR. Este hallazgo muestra que el equilibrio redox de NADH puede contribuir a funciones de señalización directa en el efecto Warburg.
Además, las vías metabólicas que estimulan la homeostasis redox se mejoran junto con el efecto Warburg. Por ejemplo, la vía de las pentosas fosfato derivada de la glucólisis genera NADPH. El metabolismo de la serina, que está involucrado en el metabolismo de un carbono, produce NADPH y glutatión, que modulan los niveles de ROS. Juntos, estos resultados proporcionan vínculos bioquímicos directos entre la glucólisis anaeróbica y la disponibilidad de ROS, lo que, a su vez, puede afectar una variedad de procesos de señalización.
Además de la señalización a través de ROS, la relación de señalización entre el metabolismo de la glucosa y la acetilación de histonas ha sido bien documentada. El estado de la estructura de la cromatina es responsable de regular varias funciones celulares, incluida la reparación del ADN y la transcripción de genes. Se ha encontrado que el flujo de glucosa puede regular la acetil-CoA, un sustrato para la acetilación de histonas. La investigación ha demostrado que existe un vínculo directo entre el metabolismo celular y la regulación de los genes del crecimiento y que los niveles intracelulares de acetil-CoA pueden representar un mecanismo ampliamente conservado que contribuye a este importante vínculo. La actividad de ATP-citrato liasa, la enzima responsable de la conversión de citrato en acetil-CoA, puede influir en los niveles de acetilación de histonas. Los niveles elevados de acetil-CoA pueden ser suficientes para que las células entren en la fase de crecimiento a través de la acetilación de histonas. La eliminación de glucosa o la reducción de ATP-citrato liasa da como resultado la pérdida de acetilación en varias histonas y provoca una disminución en la transcripción de genes implicados en el metabolismo de la glucosa. Esto indica que existe alguna relación entre el metabolismo de la glucosa y la acetilación de histonas. En apoyo de esta idea, se ha descubierto que el metabolismo glucolítico influye en la estructura de la cromatina.
Además de la acetilación de histonas, que responde a la disponibilidad de glucosa en las células, la desacetilación también puede verse influida por la disponibilidad de nutrientes. La desacetilación juega un papel importante en la absorción y señalización de nutrientes, ya que la actividad de algunas desacetilasas está modulada por los niveles de NAD+. Más específicamente, la relación NAD+/NADH aumenta en condiciones de deficiencia de nutrientes. Por lo tanto, la acetilación y la desacetilación pueden verse influenciadas por la disponibilidad de nutrientes, lo que indica que sus estados pueden ser consecuencias del efecto Warburg. Estas numerosas pruebas apuntan a que la glucólisis tiene funciones de señalización celular.
Sin embargo, las dificultades también limitan esta especulación a ser un mecanismo general que beneficia a las células cancerosas al someterse a la glucólisis anaeróbica. Una de esas limitaciones es que es difícil imaginar cómo surge la especificidad molecular a través de un mecanismo de señalización global tan tosco. A diferencia, por ejemplo, de la señalización del factor de crecimiento, en la que la unión de un ligando a un sustrato induce cambios en la actividad conformacional y enzimática que afectan a procesos celulares específicos, el mecanismo en el que el estado de señalización de la glucólisis para otros procesos celulares no tiene fuentes obvias de transmisión. especificidad Otra limitación es que tales ofertas no suelen ser falsificables. Esto significa que es extremadamente difícil diseñar experimentos para demostrar definitivamente que un mecanismo de señalización específico, como la modulación de la estructura de la cromatina, depende directamente del estado del metabolismo de la glucosa como un beneficio clave de la glucólisis anaeróbica. Una de las razones de esto es que la interacción bioquímica es rápida, pero los cambios fenotípicos en las células se desarrollan durante mucho más tiempo, lo que genera muchos de los factores de confusión que ocurren en el camino. Los modelos genéticos que podrían probar estas hipótesis son difíciles de imaginar, y otros experimentos carecen de la capacidad de probar si los resultados celulares específicos ocurren a través de tales mecanismos de señalización en lugar de medios indirectos. Tampoco está claro hasta qué punto estas características comunes, como la homeostasis de señalización de ROS y la organización de la estructura de la cromatina, son eventos clave en la oncogénesis. En el futuro, tal especificidad y la capacidad de probar experimentalmente estas hipótesis pueden provenir de la observación de aspectos cuantitativos del mecanismo, como se ha demostrado en otros estudios de transducción de señales. Los experimentos que pueden controlar con precisión los niveles de acetil-CoA y ROS podrían permitir separar muchos de los efectos posteriores del efecto Warburg. [ocho]
También existe el llamado efecto Warburg reversible . En este caso, las células tumorales no obtienen energía de la glucólisis, sino que estimulan la glucólisis en los fibroblastos estromales adyacentes , y las propias células tumorales obtienen energía a través de la fosforilación oxidativa y la importación de metabolitos de los fibroblastos. Aunque este descubrimiento no elimina la posibilidad de que el efecto Warburg pueda ocurrir en algunos tipos de tumores, una vez más planteó la necesidad de observar más de cerca el metabolismo tumoral [24] [25]
La reprogramación metabólica también se observa en enfermedades neurodegenerativas, Alzheimer y Parkinson. Consiste en potenciar la fosforilación oxidativa, el llamado efecto Warburg inverso .
La utilización de nutrientes cambia drásticamente cuando las células reciben la señal para proliferar. Los cambios en el metabolismo hacen posible cumplir con los grandes requisitos biosintéticos asociados con asegurar el crecimiento y la división celular. La alteración de las enzimas glucolíticas limitantes de la velocidad redirige el metabolismo para apoyar el crecimiento y la proliferación. La reprogramación metabólica en las células cancerosas se debe en gran medida a la activación oncogénica de las vías de transducción de señales y los factores de transcripción. Los mecanismos epigenéticos también contribuyen a la regulación de la expresión génica metabólica en el cáncer. Lo contrario también es cierto, con evidencia acumulada que sugiere que los cambios metabólicos pueden afectar la epigenética. Comprender la relación entre el metabolismo de las células cancerosas y la epigenética puede abrir nuevas vías para el desarrollo de estrategias contra el cáncer [26] .