Redakcja Mito-Med: Witamy w podcaście Mitomed. Dziś mamy zaszczyt gościć profesora Tomasa Seyfrieda z Boston College, wiodącego badacza w dziedzinie terapii metabolicznej chorób przewlekłych. Zapraszamy do zapoznania się z jego przełomowymi badaniami nad rakiem. Witam, profesorze. Wspaniale, że jest Pan z nami.
Prof. Thomas Seyfried: Dziękuję bardzo, cała przyjemność po mojej stronie.
Redakcja Mito-Med: Jeśli Pan pozwoli, przejdę od razu do pytania. W swoich badaniach, jak również i książce przedstawia Pan mocną definicję choroby nowotworowej jako choroby metabolicznej, a nie genetycznej. Zanim jednak przejdziemy do sedna, chciałabym zadać Panu pytanie: Czym jest choroba metaboliczna? Bo jednak dzisiaj, kiedy ludzie słyszą ten termin, to na myśl przychodzi im otyłość czy cukrzyca, ale niekoniecznie nowotwór. Co więcej w chorobie metabolicznej dużą rolę odgrywają mitochondria, które nadal przez wielu specjalistów są spychane na margines. Tak więc, czym jest ta choroba metaboliczna i jak mitochondria są z nią powiązane?
Prof. Thomas Seyfried: Po pierwsze, dziękuję za to pytanie. Skoro mamy rozmawiać o nowotworach warto najpierw określić, czym jest rak, a następnie omówić rolę mitochondriów w jego rozwoju. Rak jest definiowany jako niekontrolowany wzrost i podział komórek. My oraz inni badacze postrzegamy go jako mitochondrialną chorobę metaboliczną – specyficzny rodzaj zaburzenia metabolicznego, w którym kluczową rolę odgrywają mitochondria.
Skoro twierdzimy, że rak to przede wszystkim choroba metaboliczna, a nie genetyczna, musimy poprzeć to odpowiednimi dowodami. Istnieje wiele sposobów, by to zweryfikować. Koncepcja raka jako mitochondrialnej choroby metabolicznej została po raz pierwszy sformułowana niemal 100 lat temu przez Otto Warburga, wybitnego niemieckiego naukowca, który wykazał, że we wszystkich głównych nowotworach dochodzi do zahamowania produkcji energii z wykorzystaniem tlenu, czyli na drodze fosforylacji oksydacyjnej. Warburg zauważył również, że kiedy ilość energii uwalnianej w mitochondriach na drodze fosforylacji oksydacyjnej spada, jedynie te komórki, które są w stanie skompensować ten niedobór poprzez zwiększenie metabolizmu fermentacyjnego, mogą przejść w stan niekontrolowanego wzrostu. Opisał to jako proces dwuetapowy:
z jednej strony mamy długotrwały spadek energii uwalnianej przez fosforylację oksydacyjną, a z drugiej długotrwały wzrost fermentacji, głównie glukozy, prowadzący do produkcji kwasu mlekowego. Obecnie rozwinęliśmy to rozumienie, dodając kolejną istotną część procesu: kompensacyjny wzrost alternatywnych źródeł produkcji energii. Na pierwszym etapie dochodzi do osłabienia procesu fosforylacji oksydacyjnej, a w dalszej kolejności następuje wzrost fosforylacji substratowej, zarówno w cytoplazmie, jak i w mitochondriach. To nowe spojrzenie na raka. Opisuje ono przejście od produkcji energii zależnej od fosforylacji oksydacyjnej do energii generowanej przez fosforylację substratową, czyli mechanizm niezależny od tlenu. Otto Warburg nie znał mitochondrialnej fosforylacji substratowej. Podobnie jak wielu współczesnych badaczy zakładał, że zużycie tlenu jest równoznaczne z uwalnianiem energii na drodze fosforylacji oksydacyjnej. Jednak nasze najnowsze dowody pokazują, że to założenie jest błędne. Komórki nowotworowe nadal zużywają tlen, ale nie wykorzystują go do syntezy ATP poprzez fosforylację oksydacyjną, jak dzieje się to w zdrowych komórkach. Rak jako mitochondrialna choroba metaboliczna jest obecnie lepiej rozumiany w kontekście biochemicznym. Potwierdziliśmy i rozszerzyliśmy pierwotne odkrycia Warburga, kierując uwagę na kluczową rolę fosforylacji substratowej w rozwoju nowotworów.
Produkcja ATP w tym procesie polega na przeniesieniu reszty fosforanowej z cząsteczki organicznej na ADP, co prowadzi do syntezy ATP. Mechanizm ten określany jest mianem fosforylacji substratowej. Jest to jedna z najstarszych form wytwarzania energii, stosowa przez organizmy jeszcze przed pojawieniem się tlenu w atmosferze, czyli ponad 2,5 miliarda lat temu.
Komórki nowotworowe w dużej mierze polegają na tym pradawnym, beztlenowym mechanizmie produkcji energii, czyli fosforylacji substratowej. Wiemy to z licznych badań eksperymentalnych, przeprowadzonych przez moją grupą badawczą oraz inne zespoły zajmujące się tym zagadnieniem. W oparciu o powyższe odkrycia zredefiniowaliśmy raka jako mitochondrialną chorobę metaboliczną. Jest to zupełnie nowe podejście w onkologii. Mitochondrialna teoria metaboliczna stoi w opozycji do teorii mutacji somatycznych, dominującej w onkologii przez ostatnie 75-100 lat. Tradycyjna teoria zakładała, że niekontrolowany wzrost komórek wynika z mutacji w DNA jądrowym – tzw. mutacji somatycznych, czyli powstających w komórkach somatycznych, a nie mutacji linii zarodkowej. Nagromadzenie tych mutacji w komórkach różnych tkanek miało prowadzić do nowotworzenia.
Moim celem było krytyczne przeanalizowanie dowodów leżących u podstaw teorii mutacji somatycznych. W trakcie badań stało się dla mnie jasne, że ta teoria ma liczne niedociągnięcia i słabe punkty, które nie wyjaśniają w pełni, w jaki sposób te mutacje miałyby prowadzić do niekontrolowanego wzrostu komórek. Przyjrzyjmy się dowodom wskazującym, że rak nie może być wyłącznie chorobą genetyczną wywołaną mutacjami somatycznymi.
Jeśli przeszczepimy jądro nowotworowe, zawierające rzekome mutacje somatyczne, do zdrowej komórki, której cytoplazma ma prawidłowo funkcjonujące mitochondria i sprawną fosforylację oksydacyjną, nie zaobserwujemy niekontrolowanego wzrostu, mimo że jądro nadal zawiera te same mutacje. Natomiast jeśli przeniesiemy jądro zdrowej komórki do cytoplazmy komórki nowotworowej, to komórka ta zaczyna wykazywać rozregulowany wzrost. Oznacza to, że przyczyna nowotworzenia leży w mitochondriach i cytozolu, a nie w mutacjach jądrowych. W onkologii dominuje pogląd, że mutacje somatyczne są przyczyną nowotworów, jednak jednocześnie przyznaje się, że nie wszystkie takie mutacje prowadzą do rozwoju raka. Rozróżnia się mutacje kierujące (ang. driver mutations), które napędzają wzrost nowotworu, oraz mutacje pasażerskie (ang. passenger mutations), które nie mają wpływu na proces nowotworzenia.
Mutacje kierujące teoretycznie miałyby odpowiadać za rozregulowany wzrost komórek. Jednak nowe dowody pokazują, że wiele zdrowych tkanek w ludzkim organizmie zawiera liczne mutacje kierujące, a mimo to nie wykazuje cech nowotworzenia. To kolejny fakt podważający teorię, że rak jest chorobą wywoływaną przez mutacje somatyczne.
Co więcej, istnieje niewielka liczba nowotworów, w których nie wykryto żadnych mutacji, a mimo to ich wzrost jest rozregulowany. Jak to możliwe, skoro teoria mutacji somatycznych zakłada, że niekontrolowany wzrost komórek jest bezpośrednio spowodowany właśnie przez te mutacje? Przypadki nowotworów bez wykrywalnych mutacji całkowicie przeczą tej teorii. Coraz wyraźniej widać, że teoria mutacji somatycznych nie potrafi w pełni wyjaśnić mechanizmów rozregulowanego wzrostu komórek. Mamy trzy kluczowe dowody podważające jej założenia: istnienie nowotworów bez mutacji genetycznych, obecność mutacji kierujących w zdrowych komórkach, które nie wykazują cech nowotworzenia oraz eksperymenty z przeszczepem jądra i mitochondriów, których wyniki są sprzeczne z teorią mutacji somatycznych. Mimo tych nieścisłości amerykański National Cancer Institute nadal utrzymuje, że rak to zbiór różnych chorób spowodowanych mutacjami genetycznymi.
W rezultacie wszystkie główne ośrodki onkologiczne na świecie podtrzymują tezę, że rak jest chorobą genetyczną i na tej podstawie rozwija się tzw. medycyna precyzyjna, której celem jest opracowywanie leków ukierunkowanych na mutacje genetyczne oraz szlaki sygnałowe powiązane z tymi mutacjami. Jednak żadne z tych podejść nie doprowadziło do istotnego obniżenia wskaźników umieralności na raka.
Fakt, że zachorowalność na raka wciąż rośnie na całym świecie, przy jednoczesnej nieskuteczności dostępnych terapii, wynika z błędnej teorii, na której opiera się współczesne leczenie. Jeśli rak nie jest chorobą genetyczną, to terapie oparte na teorii mutacji somatycznych nigdy nie będą skutecznie redukować śmiertelności. Natomiast jeśli zgodnie z nowymi dowodami rak jest mitochondrialną chorobą metaboliczną, to mamy jasną strategię jego leczenia, pozwalającą znacznie zmniejszyć wskaźnik zgonów, a także wydłużyć życie pacjentów i poprawić jego jakość. Wiedząc, że rak to choroba mitochondrialna napędzana przez fosforylację substratową, musimy zadać sobie kluczowe pytanie: jakie paliwa są wykorzystywane w tym procesie? My oraz inne zespoły badawcze wyraźnie wykazaliśmy, że główne źródła energii dla fosforylacji substratowej to glukoza oraz aminokwas glutamina. Wiemy, że glukoza dostarcza energii na drodze fosforylacji substratowej w cytozolu, w ramach szlaku Embdena-Meyerhofa-Parnasa.
Wiemy również, że aminokwas glutamina generuje energię poprzez fosforylację substratową w mitochondriach, w ramach szlaku glutaminolizy, a kluczową rolę odgrywa tutaj reakcja z udziałem ligazy bursztynylo-CoA. Oba te procesy, fosforylacja substratowa w cytozolu i w mitochondriach, są znacznie nasilone w komórkach nowotworowych.
Jeśli nowotwór jest napędzany przez fermentację glukozy i glutaminy na drodze fosforylacji substratowej, to najbardziej logicznym podejściem terapeutycznym jest ograniczenie paliw, które napędzają niekontrolowany wzrost komórek, czyli redukcja podaży glukozy i glutaminy. Bez tych substratów komórki nowotworowe tracą zdolność wzrostu, ponieważ nie mogą przeprowadzać fosforylacji substratowej. Najskuteczniejszym i jednocześnie najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem w terapii nowotworów jest jednoczesne ograniczenie glukozy i glutaminy (napędzających niekontrolowany wzrost), oraz przestawienie organizmu na źródła energii, których komórki nowotworowe nie są w stanie wykorzystać, czyli kwasy tłuszczowe i ciała ketonowe. Podczas, gdy zdrowe komórki organizmu mogą efektywnie wykorzystywać kwasy tłuszczowe i ketony do zapewnienia przeżycia i prawidłowego metabolizmu, komórki nowotworowe nie są w stanie nimi zastąpić glukozy i glutaminy w procesie podtrzymywania swojego rozregulowanego wzrostu.
Wykazaliśmy, że komórki nowotworowe gromadzą duże ilości kwasów tłuszczowych w cytoplazmie, ponieważ nie są w stanie ich wykorzystać do produkcji energii. Te nagromadzone lipidy nie pełnią funkcji energetycznej, a jedynie chronią komórki nowotworowe.
Skuteczne i nietoksyczne podejście do leczenia raka polega na jednoczesnym celowaniu w dwa kluczowe paliwa napędzające fosforylację substratową (glukozę i glutaminę), oraz przejściu organizmu na paliwa, których komórki nowotworowe nie mogą wykorzystać. W przeciwieństwie do nowotworów, mózg, serce, wątroba i płuca mogą efektywnie czerpać energię z kwasów tłuszczowych i ciał ketonowych, co czyni tę strategię prostym i skutecznym rozwiązaniem terapeutycznym. Co więcej, wszystkie rodzaje nowotworów wydają się mieć wspólny mechanizm wzrostu, oparty na fosforylacji substratowej. Rak mózgu, jelita grubego, pęcherza moczowego, piersi, czerniaki czy nowotwory krwi – wszystkie wykazują zależność od glukozy i glutaminy jako głównych źródeł energii, których nie mogą zastąpić kwasami tłuszczowymi i ciałami ketonowymi. W rezultacie rak powinien być jedną z najmniej skomplikowanych chorób jakie znamy.
Dlaczego tak mało osób o tym wie? Ponieważ powszechnie uważa się, że rak jest wynikiem milionów różnych mutacji somatycznych, więc proste rozwiązanie wydaje się być niemożliwie. Jednak nowe spojrzenie na raka jako mitochondrialną chorobę metaboliczną pozwala lepiej zrozumieć mechanizmy jego rozwoju i skuteczne sposoby leczenia, o ile nie będziemy się dogmatycznie trzymać starej teorii. Podsumowując, rak to mitochondrialna choroba metaboliczna, napędzana przez fosforylację substratową w cytozolu i w mitochondriach, niezdolna do wykorzystywania kwasów tłuszczowych i ciał ketonowych jako źródła energii. Teoria mutacji somatycznych nie wyjaśnia jak skutecznie leczyć tę chorobę. Postrzeganie raka jako choroby genetycznej sprawia, że jego leczenie wydaje się niezwykle skomplikowane, podczas gdy uznanie go za mitochondrialne zaburzenie metaboliczne otwiera drogę do prostych metod terapeutycznych.
Redakcja Mito-Med: To wszystko jest niesamowicie interesujące, zwłaszcza kiedy mówi Pan o prostocie w kontekście raka. Wspominał Pan, że rak to mitochondrialna choroba metaboliczna. Chciałam spytać czy tylko zaburzenia mitochondrialne są przyczyną jego rozwoju? Jakie inne czynniki mogą wpływać na proces wzrostu komórek rakowych, poza glukozą i glutaminą, o których Pan wspominał. Jaką dokładnie rolę w rozwoju raka pełni efekt Warburga?
Prof. Thomas Seyfried: Pozwolę sobie odpowiedzieć pytaniem na pierwszą część pytania – czy istnieje chociaż jedna komórka nowotworowa z prawidłowo przebiegającą fosforylacją oksydacyjną? Odpowiedź brzmi: nie. Przeanalizowałem wszystkie główne rodzaje nowotworów. Do precyzyjnej oceny mitochondriów, konieczna jest mikroskopia elektronowa pozwalająca dokładnie przyjrzeć się organellom, ponieważ tradycyjny mikroskop świetlny nie pozwala na zobrazowanie ich struktury. Pod mikroskopem elektronowym wszystkie badane nowotwory wykazują nieprawidłowości w budowie mitochondriów. W biologii dobrze wiadomo, że struktura determinuje funkcję – to podstawowa koncepcja ewolucji. Jeśli organelle są strukturalnie nieprawidłowe, ich funkcja również będzie zaburzona. Mitochondria odpowiadają za wydajną produkcję energii poprzez fosforylację oksydacyjną, więc jeśli ich struktura ulega uszkodzeniu, proces ten zostaje upośledzony. W konsekwencji komórki nowotworowe kompensują utracony potencjał energetyczny poprzez fosforylację substratową. Problem z badaniami nad rakiem polega na tym, że wielu naukowców zakłada prawidłową fosforylację oksydacyjną, ponieważ komórki nowotworowe często zużywają tyle samo tlenu co komórki zdrowe. Może to prowadzić do błędnego wniosku, że mitochondrialna fosforylacja oksydacyjna nie jest zaburzona w nowotworach.
Nawet Warburg popełnił ten błąd. Dziś jednak dysponujemy nowymi dowodami i korzystamy z nowego modelu eksperymentalnego, który pozwala jednocześnie analizować poziom ATP i zużycie tlenu w komórkach nowotworowych. Dzięki temu odkryliśmy, że zmniejszenie zużycia tlenu w komórkach nowotworowych po podaniu cyjanku lub azydku nie prowadzi do spadku poziomu ATP. Oznacza to, że komórki nowotworowe zużywają tlen niezależnie od produkcji ATP. Innymi słowy, nawet jeśli pobierają tlen w podobnym stopniu co komórki zdrowe, to nie wykorzystują go do produkcji ATP na drodze fosforylacji oksydacyjnej. Opracowaliśmy pierwszy unikalny model eksperymentalny, który pozwala precyzyjnie oddzielić te dwa procesy. Wykazaliśmy, że zużycie tlenu nie jest wiarygodnym wskaźnikiem potwierdzającym produkcję ATP na drodze fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach. Nawet Warburg błędnie zakładał, że pobór tlenu koreluje z produkcją energii, dlatego musieliśmy skorygować jego założenia. Dziś wiemy, że nie istnieje nowotwór, który miałby prawidłową liczbę, strukturę i funkcję mitochondriów, umożliwiających wydajną fosforylację oksydacyjną. Właśnie dlatego komórki nowotworowe muszą polegać na kompensacyjnej fosforylacji substratowej.
Pojawia się więc pytanie: jak zmniejszona fosforylacja oksydacyjna, w połączeniu ze zwiększoną fosforylacją substratową, prowadzi do rozregulowanego wzrostu komórek, charakterystycznego dla nowotworu?
Ludzie muszą zrozumieć, że to mitochondria kontrolują cykl komórkowy: regulują cykliny odpowiedzialne za podziały komórkowe, stan spoczynku i zróżnicowanie komórek. To właśnie mitochondria decydują, kiedy komórka ma się dzielić, a kiedy pozostać w stanie spoczynku. Jeśli jednak mitochondria ulegną uszkodzeniu i nie będą w stanie utrzymać homeostazy metabolicznej, komórka powróci do swojego domyślnego stanu, czyli proliferacji. Przed pojawieniem się tlenu w atmosferze wszystkie komórki rozmnażały się w sposób niekontrolowany, ponieważ nie posiadały mitochondriów i nie miały mechanizmu regulacji, który dziś zapewniają te organelle. Gdy mitochondria – kluczowe struktury kontrolujące przeznaczenie, wzrost i życie komórki – zostają uszkodzone, komórka przełącza się na pradawne szlaki fermentacyjne, w których proliferacja staje się dominującym fenotypem. To właśnie fosforylacja substratowa napędza ten proces.
Często pojawia się pytanie: jak mitochondrialna teoria metaboliczna tłumaczy rozregulowany wzrost komórek nowotworowych? Odpowiedź jest prosta: uszkodzone mitochondria tracą zdolność kontrolowania wzrostu, a komórka powraca do niekontrolowanej proliferacji. Dopóki ma dostęp do glukozy i glutaminy w swoim mikrośrodowisku, będzie rosnąć bez ograniczeń.
Tak długo, jak komórki nowotworowe mają dostęp do paliw napędzających fosforylację substratową, będą nadal się rozwijać. Dlatego kluczowym rozwiązaniem w walce z rakiem jest ograniczenie tych paliw. Obecnie dużo lepiej rozumiemy ten proces. Wiemy też, że mitochondria kontrolują sygnalizację śmierci komórki. Jeśli ulegną poważnemu uszkodzeniu, uruchamiana jest zaprogramowana śmierć komórkowa, czyli apoptoza. Dzieje się tak, ponieważ mitochondria determinują los komórki. Jednak, gdy tracą swoją funkcję i przechodzą z fosforylacji oksydacyjnej na fosforylację substratową, mechanizm programowanej śmierci zostaje ominięty, a komórki wracają do fermentacji, unikając sygnałów prowadzących do ich eliminacji. Wszystkie te zależności mają logiczny sens w kontekście zastąpienia fosforylacji oksydacyjnej fosforylacją substratową. Dziś rozumiemy to zjawisko znacznie lepiej. W porównaniu do skomplikowanej teorii mutacji somatycznych, ta koncepcja jest znacznie prostsza. Wystarczy znajomość podstaw bioenergetyki i biologii, aby wyjaśnić cały ten proces w klarowny sposób.
