Markery metaboliczne nowotworów glowy i szyi

478
ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL
Markery metaboliczne nowotworów głowy i szyi
– aplikacje kliniczne i podłoże biochemiczne
Metabolic markers of the head and neck cancers
– clinical applications and the biochemical background
Anna M. Czarnecka1, Wojciech Kukwa 2, Anna Ścińska 2, Andrzej Kukwa 2
Otolaryngol Pol 2009;
63 (6): 478-484
SUMMARY
The problem of diagnosis in the field of head and neck region is still valid.
Specific diagnosis and precise estimation of the tumor’s size with the use
of CT and MRI imaging is generally unsatisfactory. The Positron Emission
Tomography (PET) supports this process with additional information about
the tumor’s metabolism. Numerous publications show that PET-CT has a
great influence on the evaluation of the size of the tumor, presence of lymph
node metastases, choice of treatment and the prognosis of the recurrence.
Cancer cells represent a specifi c metabolic state. These cells intake large
quantities of glucose and utilize it in the process of glycolysis. The oxidative phosphorylation is not efficient in the transformed cells and defects in
mitochondrial functions are at the heart of malignant cell transformation.
Disruption of the oxidative phosphorylation chain has been described in the
neoplasms. As a consequence, in cancer the glycolysis is active even in the
normoxic environment. This metabolic shift in cell transformation has been
described in early XX century and so called Warburg’s hypothesis profoundly
influenced the present perception of cancer metabolism, positioning what is
termed aerobic glycolysis in the mainstream of clinical oncology. Today we
know that neoplastic cells differ at the proteomic level. A subset of different
proteins such as hexokinase II or HIF are upregulated. These abnormalities
might be used as the neoplastic markers.
©by Polskie Towarzystwo Otorynolaryngologów
– Chirurgów Głowy i Szyi
Otrzymano/Received:
24.01.2009
Zaakceptowano do druku/Accepted:
20.04.2009
1
Laboratorium Onkologii Molekularnej
Klinika Onkologii Wojskowy Instytut Medyczny
ul. Szaserów 128
04-141 Warszawa
Kierownik C. Szczylik
2
Klinika Otolaryngologii Instytutu Stomatologii
Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego,
Szpital Czerniakowski, ul. Stępińska 19/25,
00-739 Warszawa,
Kierownik A. Kukwa.
Wkład pracy autorów/Authors contribution:
Autorzy w równym stopniu przyczynili się do
powstania niniejszej pracy
Konflikt interesu/Conflicts of interest:
Autorzy pracy nie zgłaszają konfliktu interesów.
Adres do korespondencji/
Address for correspondence:
imię i nazwisko: Wojciech Kukwa
adres pocztowy:
Klinika Otolaryngologii Instytutu Stomatologii
WUM, Szpital Czerniakowski,
ul. Stępińska 19/25,
00-739 Warszawa
tel./fax 0-22 31 86 266
e-mail [email protected]
Hasła indeksowe: PET, Pozytronowa Tomografi a Emisyjna, rak głowy i szyi, mitochondria, metabolizm, 18-fl uorodeoksyglukoza, diagnostyka
Key words: PET, Positron emission tomography, head and neck cancer, mitochondria, metabolism, 18-fl uorodeoxyglucose, diagnosis
Wstęp
Nowotwory nabłonkowe regionu głowy i szyi stanowią
około 5% wszystkich nowotworów złośliwych. W roku
2000 stanowiły ósmą co do częstości występowania
grupę nowotworów na świecie. Zanotowano wówczas
około 481 000 nowych zachorowań i około 320 000
zgonów z powodu raka narządów głowy i szyi. Daje to
średni współczynnik śmiertelności na poziomie 7,3 i 3,2
na 100,000 odpowiednio mężczyzn i kobiet [1]. W 2007
oceniano roczny poziom zachorowania na 644 000
a śmiertelność na 350 000 [2]. W Polsce nowotwory te
stanowiły w 2003 roku 7,3% wszystkich nowotworów
u mężczyzn i 1% u kobiet. Stwierdzono wówczas 5649
nowych zachorowań i 3541 zgonów z powodu tych
nowotworów. Choć duża część nowotworów górnego
odcinka przewodu pokarmowego i układu oddechowego jest na tyle objawowa, aby postawić rozpoznanie
we wczesnej fazie, większość pacjentów zgłasza się do
lekarza w stadium miejscowo zaawansowanej choroby. Ponad 60% pacjentów z nowotworami głowy i szyi
w chwili ustalenia rozpoznania jest w stadium T3
lub T4. Pomimo postępów w leczeniu tych pacjentów,
5- i 10- letnie statystyki przeżycia bez wznowy procesu
nowotworowego nie poprawiają się w istotny sposób.
Około 40-60% pacjentów leczonych z powodu raka
regionu głowy i szyi będzie miało wznowę lokalną,
natomiast 20-30% będzie miało zmiany przerzutowe
lub drugie ognisko pierwotne [3].
W ostatnich latach przeprowadzono badania kliniczne nad znaczeniem diagnostycznym i prognostycznym prężności tlenu w tkance nowotworowej,
mierzonej przyżyciowo u pacjentów z chorobą nowotworową w obrębie narządów głowy i szyi. Ustalono
wzorzec prężności tlenu w obrębie tkanek ogniska
pierwotnego i zmian przerzutowych oraz wpływ radioi chemioterapii na obserwowany rozkład. W badaniu
porównawczym prężności tlenu w tkance nowotworowej
i otaczającej tkance prawidłowej wykazano, iż średnia
prężność tlenu tkanki prawidłowej wynosi 43 mmHg.
O tolar yngologia Polska tom 63, nr 6 , lis topad – gr udzień 20 0 9
ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL
W tkance prawidłowej występują bardzo nieliczne ogniska o wartościach pO2</=2 mmHg. Z kolei w tkance
raka jest odwrotnie. Średnia prężność tlenu jest bardzo
niska (wielokrotnie niższa niż 43 mmHg) oraz wiele
jest ognisk o wartościach pO2</=2 mmHg [4]. Średnia
prężność tlenu w komórkach nowotworowych raka
płaskonabłonkowego głowy i szyi jest o 41,8 mmHg
niższa niż średnia prężność w komórkach zdrowych
[5]. Dodatkowo, średnia prężność tlenu spada jeszcze bardziej w tkankach przerzutowych w węzłach
chłonnych. Wśród tkanek przerzutowych z węzłów
chłonnych, ilość ognisk niskiej prężności tlenu (</=2
mmHg) wzrasta wraz ze wzrostem wielkości przerzutu
(N3 vs. N2). W węzłach o dużej średnicy (węzły N3)
prężność tlenu jest niższa niż w materiale z węzłów
mniejszych (węzły N2) [4]. W obrębie pojedynczego węzła
nie obserwowano różnic prężności tlenu w zależności
od lokalizacji komórek. Nie wykazano spadku prężności
tlenu w środku ogniska przerzutowego w porównaniu
z obwodem guza [4]. Wykazano natomiast, iż stopień
hipoksji stwierdzany w guzie pierwotnym koreluje ze
stopniem hipoksji ognisk przerzutowych. Im niższa
prężność tlenu w guzie, tym niższe wartości stwierdzane w węzłach [6]. Finalnie w populacji pacjentów
z rakiem płaskonabłonkowym głowy i szyi wykazano,
iż wysoki procent komórek o niskim stężeniu parcjalnym tlenu (pO2< 2,5 mmHg) w guzie może być jednym
z czynników rokowniczych w prognostyce wznowy
procesu nowotworowego i przeżyć dwuletnich [7].
Odmienny metabolizm komórek nowotworowych
zwrócił uwagę już w latach 20. XX wieku. Otto Warburg zaobserwował uszkodzenia oddychania tlenowego
i towarzyszącą temu nasiloną glikolizę w komórkach
nowotworowych. Na podstawie zebranych danych doświadczalnych zaproponował on, iż dla transformacji
nowotworowej konieczne są nieodwracalne uszkodzenia
mechanizmów oddychania tlenowego [8, 9]. Jako kolejni
H. Goldblatt i G. Cameron, przeprowadzili eksperyment
demonstrujący indukcję nowotworu w wyniku niedoboru tlenu - eksponowali fibroblasty wyizolowane z serc
na warunki braku tlenu przez dłuższy czas, w efekcie
czego otrzymali komórki nowotworowe [10].
Obecnie wiemy, iż organellami odpowiedzialnymi za proces oddychania tlenowego są mitochondria
– półautonomiczne struktury mające własny niewielki
genom (mtDNA – 13 polipeptydów) i aparat syntezy
białek (tRNA, rybosomy). Mitochondria są tymi organellami komórki, w których zachodzi produkcja ATP
w mechanizmie fosforylacji oksydacyjnej (OXPHOS),
jak też obróbka metabolitów pośrednich wielu szlaków
przemian metabolicznych. Jednak przede wszystkim
są one niezbędne w komórce do utrzymania homeostazy jonowej, potencjału red-oks i pH oraz w procesie
apoptozy (programowanej śmierci komórki). Spektrum
procesów, w które zaangażowane są mitochondria
decyduje o tym, iż są one kluczowymi organellami
O tolar yngologia Polska tom 63, nr 6 , lis topad – gr udzień 20 0 9
regulującymi proliferację i śmierć komórek, a co za
tym idzie odgrywają niepodważalną rolę w procesie
transformacji nowotworowej [11, 12, 13].
Dotychczas prowadzone badania dążą do powiązania zaburzeń mitochondrialnych z procesami rozwoju
nowotworów. W szerokim spektrum projektów stosowane były metody genetyki wprost, gdzie pobierano
tkankę od pacjenta z chorobą nowotworową, a następnie szukano zmian w aktywności łańcucha transportu elektronów i mutacji mtDNA [14, 15, 16, 17, 18].
Dzięki temu kilku rodzajom nowotworów przypisano
określone, charakterystyczne dla nich zestawy mutacji
mtDNA [12]. Już sam Warburg proponował, aby stan
energetyczny komórek i ich stan metaboliczny był
używany jako marker w badaniach diagnostycznych
w onkologii [8].
Metabolizm komórek nowotworowych
– aplikacje kliniczne
Obecnie mimo niewątpliwej przydatności tomografii
komputerowej (CT) i rezonansu magnetycznego (MRI)
w diagnostyce i monitorowaniu leczenia pacjentów z nowotworami głowy i szyi, podkreślany jest fakt, iż zastosowanie tych metod wiąże się z poważnym problemem
wyników fałszywie negatywnych (związanych ze zbyt
małą rozdzielczością metod) lub fałszywie pozytywnych
(związanych z niemożnością odróżnienia masy guza
od tkanki martwiczej czy blizny). Informacje uzyskane z morfologicznych obrazów CT/MRI nie zawsze są
wystarczające do przeprowadzenia pełnej diagnostyki
różnicowej guza pierwotnego, a tym bardziej wznowy.
Postęp naukowy i metodyczny w onkologii skłania do
wykorzystywania w procesie diagnostycznym guzów
głowy i szyi nie tylko informacji z badań obrazowych
– morfologicznych jak MRI, ale też czynnościowych jak
tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (SPECT), czy
spektroskopia protonowa (1H MRS) i PET [19].
Nieoceniona w wypadkach wątpliwych może okazać
się metoda obrazowania czynnościowego taka jak pozytronowa tomografia emisyjna (PET), a w szczególności
PET-CT i/lub PET-MRI [20]. Technika PET bazuje na
różnicach metabolicznych występujących pomiędzy
tkanką zdrową a nowotworową [21]. Podczas badania
PET posługujemy się radioaktywnym znacznikiem,
który gromadzi się w patologicznie zmienionej tkance
(tu: nowotworowej). Do najczęściej używanych radioznaczników należy 18-fluorodeoksyglukoza (FDG). 18fluorodeoksyglukoza jako analog D-glukozy wnika do
komórki przez transporter GLUT-1 i jest fosforylowana
przez heksokinazę [22]. Znacznik ten jest tak przydatny,
gdyż pobór i podstawowy metabolizm glukozy w drodze
glikolizy jest niski w tkance zdrowej, a wysoki w tkance nowotworowej. Dodatkowo, FDG gromadzone jest
w komórce nowotworowej, ponieważ zwiększa się ilość
GLUT, wzrasta ilość heksokinazy a spada fosfatazy, co
479
480
ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL
razem powoduje, iż FDG jest zatrzymywana w komórkach raka jak w pułapce [20]. Z kolei wykorzystanie
FMISO-PET ((18)-fluoromizonidazol-PET) bazuje na
tym, iż 2-nitroimidazol jest znacznikiem hypoksji. Misonidazol redukowany jest w warunkach hipoksji. Jego
zredukowana pochodna wiąże się kowalencyjnie z makromolekułami niedotlenionych komórek. Obecność
w cząsteczce izotopu fluoru pozwala na zobrazowanie
zmiany z wykorzystaniem metod medycyny nuklearnej.
FMISO-PET umożliwia więc nieinwazyjną ocenę regionów hipoksji, co jest o tyle ważne, iż zaawansowany rak
głowy i szyi charakteryzuje się znacznym nasileniem
hipoksji, która wpływa na biologię komórek, czyniąc
je bardziej agresywnymi i zmniejszając ich wrażliwość
na leczenie (chemio- i radioterapia) [23].
Do dziś przeprowadzono wiele pilotażowych badań
mających na celu ustalenie specyficzności diagnostycznej PET w badaniach nowotworów głowy i szyi. Obecnie
FDG-PET jest często stosowany na świecie do oceny
wielkości guza przy planowaniu radioterapii, podczas
gdy FMISO-PET ((18)-fluoromizonidazol-PET) do oceny obszarów niedotlenionych. Stosując pozytronową
tomografię emisyjną porównano metabolizm glukozy
i stopień nasilenia hipoksji – używając (18)F-fluorodeoksyglukozę (FDG) jako marker przemian energetycznych
oraz (18)F-fluoromizonidazol (FMISO) jako marker
hipoksji i ustalono zależność między poborem FMISO
i FDG. Dla 26 przebadanych przypadków raka głowy
i szyi korelacja wyniosła 0,62 [24].
Zastosowanie PET-CT do oceny stopnia zaawansowania guzów głowy i szyi (HNSCC) pozwoliło ustalić
czułość tej metody na 100%, swoistość na 71% oraz
całkowitą trafność diagnostyczną na 89%. Wartość
predykcyjna dodatnia dla badanej grupy wyniosła
87%, a wartość predykcyjna ujemna 100% [25]. Przy
diagnostyce guzów pierwotnych CT-FDG-PET (97%)
i MR- FDG-PET (100%) pozwalały na określenie granicy
guz-tkanka zdrowa precyzyjniej niż samo CT (69%) lub
MR (40%). Podobnie CT-FDG-PET (98%) i MR-FDG-PET
(100%) z istotnie wiekszą czułością niż CT (70%) lub
MR (80%) wskazywały inwazję sąsiadujących z guzem
struktur anatomicznych, szczególnie dołu podskroniowego, żuchwy i szczęki [26]. W niektórych grupach
pacjentów wykazano, iż wynik badania PET-CT koreluje z rozpozaniem histopatologicznym. W grupie 88
pacjentów z rozpoznanym, potwierdzonym w badaniu
histopatologicznym nowotworem nosowej części gardła
wykazano, iż raki typu III (niezróżnicowane) wykazują
wyższy wychwyt FDG niż raki typu II (nierogowaciejące)
a te z kolei wyższe niż typu I (rogowaciejące) [22].
Czułość, specyficzność i trafność dla metody
PET-CT wynosi odpowiednio 81,1%, 98,2%, i 95,0%
w ocenie przerzutów do węzłów chłonnych szyi w rakach
płaskonabłonkowych głowy i szyi [27]. Dla raka jamy
ustnej czułość wynosi 41% (PET) vs. 22% (CT/MRI).
Dzięki temu prawdopodobieństwo obecności utajonych
przerzutów spada poniżej 15% u pacjentów z guzami
T1-T3 [20]. U pacjentów z guzem przerzutowym na
szyi (limfadenopatia szyjna) potwierdzonym histopatologicznie PET może pomóc wskazać zmianę pierwotną. Jest to o tyle istotne, iż u 5% pacjentów z rakiem
głowy i szyi rozpoznawane są przerzuty do węzłów,
natomiast lokalizacja guza pierwotnego jest trudna
do ustalenia. Kolejne 1 do 6% pacjentów będzie miało
w chwili rozpoznania drugą zmianę synchroniczną
[28]. Badanie PET pozwala na wykrycie guzów pierwotnych u ok. 30% chorych, przy specyficzności 92,9%
i czułości 66% oraz wartości predykcyjnej dodatniej
88,8% i wartości predykcyjnej ujemnej 76,5%. Mimo
wysokich wartości wszystkich współczynników przeprowadzenie tego badania nie zwalnia z konieczności
wykonania panendoskopii oraz biopsji migdałków/tonsilektomii [29]. W tym samym czasie samo CT i/lub
MRI pozwalają na wykrycie zmiany pierwotnej tylko
u 15-20 procent [28].
Technika nie pozostaje także bez wpływu na zakres
stosowanego leczenia uzupełniającego. Badanie Connell
i wsp. obejmujące obserwację średnio przez okres 28
miesięcy wykazało, iż wykorzystanie PET/CT dla analizy guza wpłynęło na zmianę klasyfikacji TNM w 34%
(12/35) przypadków oraz zmianę decyzji o podjęciu
i przebiegu radioterapii w 29% (10/35), a całkowita
odpowiedź metaboliczna w badaniu po zabiegu stanowiła istotny statystycznie predyktor długości przeżycia
(p = .037) [30]. Kolejne prace pokazują, iż wykorzystanie
PET-CT wpływa na ocenę wielkości guza (GTV – gross
tumor volume), wielkości obszarów napromieniania
– planowaną objętość napromieniana (PTV – planning
target volume) oraz umożliwia zwiększenie dawki na
guz i zajęte obszary węzłowe [20, 31].
PET-CT można także z powodzeniem wykorzystywać do oceny wznowy. Wynik negatywny (brak ognisk
wychwytu) pozwala z bardzo dużym prawdopodobieństwem wykluczyć wznowę miejscową. Aby uniknąć
wyników fałszywie dodatnich optymalnie jest wykonać
badanie w 2 do 3 miesięcy po zabiegu operacyjnym lub
zakończeniu radioterapii miejscowej. Minimalny odstęp
4 tygodni od ukończenia leczenia pozwala na uzyskanie
czułości rzędu 88% oraz specyficzności 95%. PET-CT
pozwala uzyskać dużą specyficzność diagnostyczną
podczas wykrywania choroby resztkowej w porównaniu
z CT z kontrastem (93% vs. 47%) [20].
Podjęto także próbę oceny użyteczności PET dla
prognostyki wznowy w raku płaskonabłonkowym głowy
i szyi. Analiza przeżycia 21 pacjentów z negatywnym
wynikiem PET oraz 9 z wynikiem dodatnim pokazała, iż
jedynie u jednego z pacjentów o zwiększonym wychwycie (18)F-FDG w obrębie krtani nie nastąpiła wznowa.
Z badania tego wynika, iż czułość i specyficzność
(18)F-FDG PET wynosi odpowiednio 100% (8/8) i 95%
(21/22), a wartość prognostyczna rozwoju wznowy
to 89% (8/9) [32]. W badaniu Rajendran i wsp. u 27
O tolar yngologia Polska tom 63, nr 6 , lis topad – gr udzień 20 0 9
ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL
pacjentów oceniono rejony hipoksji przed leczeniem
i porównano z czasem przeżycia pacjentów, dzięki
czemu wykazano iż wynik badania PET może być
niezależnym czynnikiem rokownicznym w raku głowy i szyi [33]. Pojawiły się też przesłanki, iż wartość
wystandaryzowanego wychwytu FDG (SUV standard
uptake value) może być niezależnym czynnikiem
prognostycznym w HNSCC [20]. Wykorzystanie tego
współczynnika ułatwia także zróźnicowanie zmiany
nowotworowej od zapalnej, jako iż leukocyty charakteryzuje inny SUV [28].
Kolejnym udoskonaleniem metody FMISO-PET
jest dynamiczna FMISO-PET wykorzystująca model
kinetyczny do oceny danych. Analiza parametrów
takich jak wiek pacjenta, wielkość guza, pobór FMISO oraz czas przeżycia pacjenta pokazuje, iż rozkład
perfuzji w tkance nowotowortowej i rozkład hipoksji
koreluje z tendencją do lokalnej wznowy w raku głowy
i szyi [34]. Dodatkowe udoskonalenie może stanowić
analiza wielkości guza przez ilościową ocenę obrazu
z dynamicznego (FDG)-PET – DPBN (dose painting by
numbers), która to metoda pozwala na dokładniejsze planowanie radioterapii i co za tym idzie lepszą
kontrolę guza w 55.9% do 70.2% przypadków [35].
Kolejnym badaniem mogącym wspomóc diagnostykę
18-FMISO-PET oraz (18)F-FDG-PET są ocena CPD
(ang. color pixel density) oraz analiza perfuzji guza
(ang. tumor perfusion, TP) wykonywane przez badanie
kolor-duplex ultrasonograficzne (CDS) po podaniu
środka kontrastującego Levovist dla oceny obszarów
hipoksji. Stanowią one alternatywę dla standardowej
metody oceny prężności tlenu w tkankach nowotworów, jaką jest inwazyjna histografia p02, wspomagana
przez komputerowy system elektrod polarograficznych
[36]. Badanie to wydaje się istotne, gdyż wykazano, że
stężenie kwasu mlekowego oznaczone w tkance nowotworowej koreluje z opornością na radioterapię guzów
litych. Ponadto postuluje się, iż oznaczenie mleczanu
metodami nieinwazyjnymi, jak spektroskopia widm
protonowych rezonansu magnetycznego (wspomniana
ang. proton magnetic resonance spectroscopy imaging,
1H-MRS) może być stosowane jako czynnik prognostyczny w klinice i może okazać się rozstrzygające dla
postawienia prawidłowego rozpoznania, szczególnie
w wypadku dużych guzów ze zmianami wstecznymi
lub wznowy nowotworu [37].
Glikoliza w komórkach nowotworowych
– biochemiczne podłoże zmian
Otto Warburg wskazywał, iż fosforylacja oksydacyjna
jest uszkodzona w komórkach nowotworowych i że
duża część ATP produkowana jest w procesie glikolizy
[8, 38]. Późniejsze badania potwierdziły fakt obniżonej
wydajności fosforylacji oksydacyjnej w komórkach
nowotworowych [39] i dziś możemy powiedzieć, iż dla
O tolar yngologia Polska tom 63, nr 6 , lis topad – gr udzień 20 0 9
powstania komórek nowotworowych konieczne jest
uszkodzenie oddychania tlenowego i zwiększenie wydajności fermentacji (wg O. Warburg tzw. aerobic fermentation) [8]. Komórki nowotworowe mogą przez glikolizę
uzyskiwać do 50% koniecznej im energii (ATP) [40].
Jest to możliwe dzięki brakowi efektu Pasteura, czyli
niewystępowaniu inhibicji glikolizy podczas ekspozycji na warunki tlenowe. Zahamowanie metabolizmu
beztlenowego przy dostępie tlenu nosi nazwę efektu
Warburga [40], na cześć twórcy teorii o beztlenowym
metabolizmie nowotoworów. Jak się wydaje efektywność glikolizy tlenowej jest miarą stanu zróżnicowania
komórek, gdzie nowotwory o niskim stopniu złośliwości
ocenianym w badaniu histopatologicznym (guzy G1),
wykazują niski poziom glikolizy, a komórki nowotworów
o wysokim stopniu złośliwości (G3) wykazują znacznie
wyższą aktywność glikolizy [41]. M. W. Woods, D. Burk,
J. Hunter i G. Hobby pokazali, iż występują różnice
stanu metabolicznego między liniami komórkowymi
wywodzącymi się z nowotworów o różnej dynamice
wzrostu. Pokazano, iż szlak tlenowej glikolizy w linii
o dużej złośliwości jest o wiele bardziej aktywny, niż
w liniach o niskim stopniu złośliwości, gdzie aktywność
glikolizy tlenowej była o 2/3 niższa. Udowodniono, iż
in vivo komórki nowotworowe wykorzystują 15% glukozy z krwi przepływającej, z czego 90% jest spalane
w drodze glikolizy. Badania kliniczne potwierdziły
pozytywną korelację pomiędzy konsumpcją glukozy
i stopniem złośliwości m. in. na przykładzie glejaków – I°
i II° zużywały glukozę w ilości 0,21+/- 0,10 μmol/g/min;
III° 0,30 +/- 0,15 μmol/g/min; a IV° już 0,41 +/- 0,20
μmol/g/min. Analogiczna korelacja została wykazana dla oponiaków i niektórych mięsaków. Co istotne,
glejaki po radioterapii zredukowały pobór glukozy.
Większy pobór stwierdzono w glejakach u pacjentów
z szybkim nawrotem choroby [42].
Przyczyn podwyższonego poziomu glikolizy jest
wiele. Odpowiedzialne za zwiększoną aktywność są
podniesiony pobór glukozy, a przede wszystkim zmiana ekspresji i właściwości kinetycznych kluczowych
enzymów glikolizy, zwłaszcza heksokinazy, fosfofruktokinazy-1 L, aldolazy A, enolazy 1, dehydrogenazy
mleczanowej A czy kinazy pirogronianowej M [40,
43], gdyż mRNA tych enzymów jest efektywniej syntetyzowane po związaniu nadprodukowanego w nowotworach HIF-1 (hypoxia inducible transcription factor)
z promotorami ich genów [44]. M. W. Woods, D. Burk,
J. Hunter, G. Hobby oraz A. L. Schade przeanalizowali
poziom wymienionych enzymów w kilku liniach nowotoworowych. Linia wysoce złośliwa zawierała trzy razy
więcej aldolazy, niż nisko złośliwa, a także 2 razy więcej
dehydrogenazy α-glicerofosforanu [45]. Kolejne badania pokazały także, iż wiele komórek nowotworowych
zawiera podwyższony poziom aktywności heksokinazy
(pierwszego enzymu glikolizy), jak również podniesiony
poziom aktywności heksokinazy II związanej z ze-
481
482
ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL
wnętrzną błoną mitochondrialną [46]. Heksokinaza
typu II odgrywa krytyczną rolę w inicjacji i uzyskaniu
wysokiej stopy katabolizmu, charakterystycznej dla
szybko dzielących się komórek nowotworowych [43],
gdyż ma ona zmniejszoną wrażliwość na inhibicję
zwrotną przez produkt, a także przez degradację proteolityczną [40, 47] w porównaniu z heksokinazą I. Na
poziomie genomu komórki nowotworowe częstokroć
mają zwiększoną liczbę kopii genu heksokinazy typu II.
Zmiany epigenetyczne jak metylacja DNA i modyfikacje
histonów, są także zaangażowane w odmienny poziom
ekspresji genu heksokinazy II w komórkach transformowanych nowotworowo [40]. Ponadto, dochodzi do
kilkukrotnego wzrostu poziomu transkrypcji, gdyż
promotor heksokinazy II odpowiada na szerokie spektrum kaskad przekazywania sygnału w nadaktywnych
komórkach nowotworowych (ścieżki aktywowane przez
insulinę, glukagon, kinazę białkową A, kinazę białkową C i zmutowane p53) [40, 43]. Wykazano, iż wysoki
poziom ekspresji transportera glukozy (GLUT) i wysoka
aktywność heksokinazy korelują z agresywnością,
a także z aktywnością proliferacyjną komórek raka czy
szybkością angiogenezy. A to właśnie te mechanizmy
są odpowiedzialne za akumulacje FDG w komórkach
raka w badaniu PET [20].
Kolejnym zjawiskiem towarzyszącym transformacji
nowotworowej jest zwiększona transkrypcja kodowanych w genomie jądrowym i mitochondrialnym enzymów fosforylacji oksydacyjnej. Wykazano, że w komórkach nowotworowych transkrypty kodowanych w jądrze
podjednostek ATP syntazy i oksydazy cytochromu oraz
kodowanych w mitochondriach podjednostek kompleksów łańcucha oddechowego, są liczniejsze w komórkach
zdrowych. Zwiększony poziom transkrypcji mtDNA był
obserwowany w komórkach chemicznie indukowanych
nowotworów, a także transformowanych wirusami lub
transfekowanych onkogenami [11, 48]. Jednocześnie
okres półtrwania białek OXPHOS w tych komórkach
nowotworowych jest zmniejszony w porównaniu z mitochondriami komórek zdrowych [48]. Mitochondria
wyizolowane z materiału z biopsji mają m.in. obniżoną
aktywność ATPazy (kompleks V OXPHOS), czemu towarzyszy zmniejszona ilość ATPsynβ w wewnętrznej
błonie mitochondrium [38, 48]. Dodatkowo w tkankach nowotworowych, ulega nadekspresji IF1 (ATPase
inhibitor protein). To 10 kDa białko wiąże się z syntazą
ATP. Nadekspresja przyczynia się do prawie całkowitego związania kompleksu F 0F1 z inhibitorem i może
odgrywać krytyczną rolę w zapewnianiu źródła ATP
z glikolizy [48].
wciąż jesteśmy ograniczeni przez brak selektywności
większości stosowanych leków. Chirurgia z radioterapią są efektywnymi środkami służącymi leczeniu
miejscowych zmian, lecz nie przerzutów. Większość
leków przeciwnowotworowych jest identyfikowana
dzięki przesiewowym badaniom wielu środków chemicznych pod kątem wywieranego przez nie efektu
antyproliferacyjnego na komórki. Znajomość molekularnych podstaw nowotworzenia wprowadza nas
w nową erę leczenia. Stanie się możliwe selektywne
nakierowanie terapii na określone typy nowotworów,
z uwzględnieniem ich specyfiki. Być może realne
stanie się kompensowanie tych procesów metabolicznych, które w danym typie nowotworu zostaną
scharakteryzowane jako defektywne. Badania molekularne mogą być podstawą do tworzenia medycyny
w skali komórkowej. Obecnie wydaje się, że medycyna
molekularna będzie korzystać z metod proteomiki
i koncentrować się na modyfikacjach funkcji białek,
gdyż dotychczas stosowane metody terapii genowej
okazały się obarczone zbyt wieloma skutkami ubocznymi. Znajomość biologii molekularnej nowotworów
jest konieczna w celu wypracowania nowych metod
diagnostyki, a także terapii. Badania molekularne
będą mogły posłużyć do określenia charakteru zmian
genetycznych w komórkach tworzących nowotwór,
a znajomość zależności między zmianami i metabolizmem komórki stanowić może bazę nie tylko dla
diagnostyki, ale także prognozowania przebiegu i leczenia nowotworów [11, 13, 14, 49, 50].
PIŚMIENNICTWO
1.
site: II. Results for the global burden of disease 2000. BMC
Cancer 2002; 2: 37
2.
Jemal A, Siegel R, Ward E, et al. Cancer statistics, 2007.
CA Cancer J Clin 2007; 57: 43-66
3.
Seiwert TY, Cohen EE. State-of-the-art management of locally advanced head and neck cancer. Br J Cancer 2005;
92: 1341-8
4.
Lartigau E, Le Ridant AM, Lambin P, et al. Oxygenation of
head and neck tumors. Cancer 1993; 71: 2319-25
5.
Terris DJ, Dunphy EP. Oxygen tension measurements of
head and neck cancers. Arch Otolaryngol Head Neck Surg
1994; 120: 283-7
6.
Becker A, Hansgen G, Richter C, et al. [Oxygenation status
of squamous cell carcinoma of the head and neck: comparison of primary tumors, their neck node metastases and
normal tissue]. Strahlenther Onkol 1998; 174: 484-6
7.
Rudat V, Stadler P, Becker A, et al. Predictive value of the
tumor oxygenation by means of pO2 histography in pa-
Podsumowanie
Pierwsze porady jak walczyć z chorobą nowotworową
odnajdziemy już w pracach Hipokratesa. Dziś postępy w leczeniu onkologicznym są względnie duże, ale
Shibuya K, Mathers CD, Boschi-Pinto C, et al. Global and
regional estimates of cancer mortality and incidence by
tients with advanced head and neck cancer. Strahlenther
Onkol 2001; 177: 462-8
8.
Warburg O. On the Origin of Cancer Cells. Science 1956;
123: 309-14
O tolar yngologia Polska tom 63, nr 6 , lis topad – gr udzień 20 0 9
ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL
9.
Gogvadze V, Orrenius S, Zhivotovsky B. Mitochondria in
mography and positron emission tomography with 2-
cancer cells: what is so special about them? Trends Cell
[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose head and neck images. Am
Biol 2008; 18: 165-73
J Surg 1996; 172: 628-32
10. Goldblatt H, Cameron G. Induced malignancy in cells from
27. Yoon DY, Hwang HS, Chang SK, et al. CT, MR, US,( 18)F-
rat myocardium subjected to intermittent anaerobiosis du-
FDG PET/CT, and their combined use for the assessment
ring long propagation in vitro. J Exp Med 1953; 97: 525-52
of cervical lymph node metastases in squamous cell carci-
11. Czarnecka AM, Gammazza AM, Di Felice V, et al. Cancer
as a “Mitochondriopathy”. J Cancer Mol 2007; 3: 71-79
noma of the head and neck. Eur Radiol 2008
28. Price T, Pickles J. Synchronous bilateral tonsillar carcino-
12. Czarnecka AM, Golik P, Bartnik E. Mitochondrial DNA
ma: role of fluoro-deoxyglucose positron emission tomo-
mutations in human neoplasia. J Appl Genet 2006; 47:
graphy scanning in detecting occult primary tumours in
67-78
metastatic nodal disease of the head and neck. J Laryngol
13. Bartnik E, Lorenc A, Mroczek K. Human mitochondria in
health, disease, ageing and cancer. J Appl Genet 2001; 42:
65-71
14. Czarnecka A, Golik P, Bartnik E. Mitochondrial DNA mutations in human neoplasia. J Appl Genet 2006; 47: 6778
Otol 2006; 120: 334-7
29. Miller FR, Hussey D, Beeram M, et al. Positron emission
tomography in the management of unknown primary head
and neck carcinoma. Arch Otolaryngol Head Neck Surg
2005; 131: 626-9
30. Connell CA, Corry J, Milner AD, et al. Clinical impact of,
15. Lee HC, Yin PH, Lin JC, et al. Mitochondrial Genome In-
and prognostic stratification by, F-18 FDG PET/CT in
stability and mtDNA Depletion in Human Cancers. Ann N
head and neck mucosal squamous cell carcinoma. Head
Y Acad Sci 2005; 1042: 109-22
Neck 2007; 29: 986-95
16. Bianchi NO, Bianchi MS, Richard SM. Mitochondrial geno-
31. Porceddu SV, Burmeister BH, Hicks RJ. Role of functional
me instability in human cancer. Rev Mut Res 2001; 488:
imaging in head and neck squamous cell carcinoma: flu-
9-23
orodeoxyglucose positron emission tomography and bey-
17. Gottlieb E, Tomlinson IP. Mitochondrial tumour suppressors: a genetic and biochemical update. Nat Rev Cancer
2005; 5: 857-66
18. Brandon M, Baldi P, Wallace DC. Mitochondrial mutations
in cancer. Oncogene 2006; 25: 4647-62
19. Bisdas S, Baghi M, Huebner F, et al. In vivo proton MR
ond. Hematol Oncol Clin North Am 2008; 22: 1221-38
32. Salaun PY, Abgral R, Querellou S, et al. Does (18)fluorofluorodeoxyglucose positron emission tomography improve
recurrence detection in patients treated for head and neck
squamous cell carcinoma with negative clinical follow-up?
Head Neck 2007; 29: 1115-20
spectroscopy of primary tumours, nodal and recurrent
33. Rajendran JG, Schwartz DL, O’Sullivan J, et al. Tumor
disease of the extracranial head and neck. Eur Radiol
hypoxia imaging with [F-18] fluoromisonidazole positron
2007; 17: 251-7
emission tomography in head and neck cancer. Clin Can-
20. Garcia C, Flamen P. Role of positron emission tomography
in the management of head and neck cancer in the molecular therapy era. Curr Opin Oncol 2008; 20: 275-9
21. Kresnik E, Mikosch P, Gallowitsch HJ, et al. Evaluation of
head and neck cancer with 18F-FDG PET: a comparison
with conventional methods. Eur J Nucl Med. 2001; 28:
816-21
22. Chang MC, Tsai SC, Lin WY. 18F-Fluorodeoxyglucose uptake in different histological subtypes of nasopharyngeal
carcinoma. J Laryngol. Otol. 2008:1-6
cer Res 2006; 12: 5435-41
34. Thorwarth D, Eschmann SM, Scheiderbauer J, et al. Kinetic analysis of dynamic 18F-fluoromisonidazole PET correlates with radiation treatment outcome in head-and-neck
cancer. BMC Cancer 2005; 5: 152
35. Thorwarth D, Eschmann SM, Paulsen F, et al. Hypoxia
dose painting by numbers: a planning study. Int J Radiat
Oncol Biol Phys 2007; 68: 291-300
36. Gagel B, Piroth M, Pinkawa M, et al. pO polarography,
contrast enhanced color duplex sonography (CDS), [18F]
23. Lee ST, Scott AM. Hypoxia positron emission tomography
fluoromisonidazole and [18F] fluorodeoxyglucose positron
imaging with 18f-fluoromisonidazole. Semin Nucl Med
emission tomography: validated methods for the evalua-
2007; 37: 451-61
tion of therapy-relevant tumor oxygenation or only bricks
24. Rajendran JG, Mankoff DA, O’Sullivan F, et al. Hypoxia
and glucose metabolism in malignant tumors: evaluation
in the puzzle of tumor hypoxia? BMC Cancer 2007; 7:
113
by [18F]fluoromisonidazole and [18F]fluorodeoxyglucose
37. Quennet V, Yaromina A, Zips D, et al. Tumor lactate con-
positron emission tomography imaging. Clin Cancer Res
tent predicts for response to fractionated irradiation of hu-
2004; 10: 2245-52
man squamous cell carcinomas in nude mice. Radiother
25. Balogova S, Perie S, Kerrou K, et al. Prospective comparison of FDG and FET PET/CT in patients with head and
neck squamous cell carcinoma. Mol Imaging Biol 2008;
10: 364-73
26. Wong WL, Hussain K, Chevretton E, et al. Validation and
clinical application of computer-combined computed toO tolar yngologia Polska tom 63, nr 6 , lis topad – gr udzień 20 0 9
Oncol 2006; 81: 130-5
38. Hockenbery DM. A mitochondrial Achilles’ heel in cancer.
Cancer Cell 2002; 2: 1-2
39. Cavalli LR, Liang BC. Mutagenesis, tumorigenicity and
apoptosis: are the mitochondria involved? Mutat Res
1998; 398: 19-26
483
484
ARTYKUŁ REDAKCYJNY / EDITORIAL
40. Mathupala SP, Rempel A, Pedersen PL. Aberrant Glyco-
45. Woods MW, G. V. Anaerobic glycolysis in spontaneous
lytic Metabolism of Cancer Cells: A Remarkable Coordi-
and transplanted liver tumors of mice. J Natl Cancer Inst
nation of Genetic, transcriptional, Post-translational, and
Muational Events That Lead to a Criticsal Role for Type II
Heksokinase. J Bioenerg Biomembr 1997; 29: 339-43
41. Menoret A, Bell G. Purification of multiple heat shock proteins from a single tumor sample. J Immunol Methods
2000; 237: 119-30.
42. Vaupel P, Kallinowski F, Okunieff P. Blood Flow, Oxygen
and Nutrient Supply, and Metabolic Microenvironment of
Human Tumors: A Review. Cancer Res 1989; 49: 644965
43. Dang CV, Semenza GL. Oncogenic alternations of metabolism. Trends Biochem Sci 1999; 24: 68-72
44. Koukourakis MI, Giatromanolaki A, Sivridis E, et al. Hypoxia-inducible factor (HIF1A and HIF2A), angiogenesis,
1973; 50: 1497-511
46. Penta JS, Johnson FM, Wachsman JT, et al. Mitochondrial DNA in human malignancy. Rev Mut Res 2001; 488:
119-33
47. Biswas G, Guha M, Avadhani NG. Mitochondria-to-nucleus stress signaling in mammalian cells: nature of nuclear
gene targets, transcription regulation, and induced resistance to apoptosis. Gene 2005; 354: 132-9.
48. Capuano F, Guerrieri F, Papa S. Oxidative Phosphorylation Enzymes in Normal and Neoplastic Cell Growth. J
Bioenerg Biomembr 1997; 29: 379-84
49. Piętka G, Kukwa W, Bartnik E, et al. Mutacje mitochondrialnego DNA w rozwoju nowotworów głowy i szyi. Otolaryngol Pol 2008; 2: 158-64
and chemoradiotherapy outcome of squamous cell head-
50. Czarnecka AM, Campanella C, Zummo G, et al. Mitochon-
and-neck cancer. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2002; 53:
drial chaperones in cancer: from molecular biology to cli-
1192-202
nical diagnostics. Cancer Biol Ther 2006; 5: 714-20
O tolar yngologia Polska tom 63, nr 6 , lis topad – gr udzień 20 0 9