Hipoxia y cáncer (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad de Lleida (UdL)
Grado Ciencias Biomédicas - 3º curso
Asignatura Cáncer
Año del apunte 2016
Páginas 8
Fecha de subida 03/05/2016
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3º C. Biomédicas (UdL) Irene LV CÁNCER Hipoxia y cáncer Los tumores sólidos van creciendo y en el centro de la masa tumoral comienza a haber una concentración de oxígeno insuficiente para nutrir a todas las células.
Se genera un desequilibrio entre le demanda y la disponibilidad de oxígeno en la masa tumoral y centro del tumor se vuelve hipóxico. Esto se debe a que la red vascular preexistente es demasiado pobre para asimilar el crecimiento del tumor y no resulta suficiente para abastecer a la cantidad de células a las que ahora debe administrar nutrientes y oxígeno.
La hipoxia se define como una presión de oxígeno intersticial inferior al 2%, mientras que el tejido normal tiene una presión de oxígeno que oscila entre el 2 y el 9% (dependiendo del tejido).
Los vasos que se encuentran alrededor de la zona hipóxica y en el tumor en general son vasos deficientes, cuyas paredes están rotas, que tienen puntos ciegos y que se encuentran bloqueados en ciertos niveles. Esto impide que el flujo sanguíneo llegue bien a las células y además pueden llevar a episodios de trombosis o a flujos de sangre lenta que causan hipoxia aguda. Esta arquitectura general de los vasos del tumor se debe a que las células tumorales intentan producir muchos vasos nuevos mediante la secreción de factores para recibir oxígeno. Esta elevada tasa de producción de factores en un periodo tan corto de tiempo crea esta estructura que acaba deficiente, ya que no puede llegar bien el oxígeno, ni los nutrientes a las células. Esta estructura también puede resultar beneficiosa para la masa tumoral ya que impide que los fármacos lleguen bien a las células.
Para que las células tumorales puedan sobrevivir en condiciones de hipoxia deben activarse mecanismos de adaptación.
Las células reprograman su metabolismo para poder producir ATP a pesar de las limitaciones de oxígeno. Intentan mantener la disponibilidad de oxígeno induciendo la generación de una red vascular, para lo que es útil el factor inducible por hipoxia o HIF, que solo se encuentra activo bajo condiciones de hipoxia y promueve el crecimiento de los vasos.
Por tanto, en condiciones de hipoxia, se activa la vía de HIF-1 que, entre otras cosas, promueve el crecimiento de los vasos sanguíneos. Todas las funciones de HIF son determinantes para la adaptación del tumor al microambiente.
Por otro lado, HIF es responsable de la adaptación metabólica, tras la cual las células comienzan a hacer glicólisis en lugar de la respiración mitocondrial.
1 CÁNCER Curso 2015/2016 Muchas células tumorales no sobreviven a las condiciones de hipoxia y mueren y los clones que sobreviven, tienen generalmente alguna resistencia innata debido a alguna mutación que les permite sobrevivir a condiciones de estrés. Es decir, el microambiente hipóxico ejerce una presión selectiva a la que solo sobreviven las células con alguna ventaja. Por ejemplo, la hipoxia puede enriquecer al tumor de células con mutaciones de pérdida de función en p53, que inhiben la apoptosis. Esta presión selectiva también favorece a las células con insensibilidad a la apoptosis por la vía mitocondrial.
Como ya se ha comentado, otro de los mecanismos que utiliza la célula tumoral para adaptarse a las condiciones del microambiente es la adaptación metabólica, promovida por HIF. Las células tumorales deben producir una gran cantidad de ATP a pesar de encontrarse ante una cantidad limitante de oxígeno. Esto lo consiguen realizando únicamente la glicólisis en lugar de la fosforilación oxidativa.
Esto lleva a la conversión de la glucosa a lactato, a un aumento del flujo glicolítico respecto a las células normales, así como de las enzimas glicolíticas, que favorece una producción sostenida de ATP a pesar de las condiciones. Por cada glicólisis se producen 2 moléculas de ATP (por cada una de glucosa) de forma muy rápida. Este metabolismo característico de las células tumorales es conocido como Efecto Warburg.
HIF – Hypoxia-inducible factor Se trata de un factor que solo se encuentra activo en condiciones de hipoxia. Consiste de dos subunidades: HIF-1α, dependiente de la concentración de oxígeno y la subunidad HIF-1β, que se expresa constitutivamente.
En condiciones de normoxia, las enzimas prolil-hidroxilasas (PHD) hidroxilan HIF en un residuo de prolina, haciendo que se degrade. Una vez hidroxilado, HIF puede ser reconocido por la enzima VHL que es una E3 ubiquitin ligasa, que lo conduce al proteasoma para que se degrade. Por tanto, en condiciones de normoxia sí que se sintetiza este factor pero tiene una vida media de 5 minutos, por lo que no podremos detectarlo. Además, en condiciones de normoxia, el FIH1 (HIF Inhibiting Factor) hidroxila un residuo de aspartato de HIF-1α que se encuentra en el dominio de transactivación (en C-terminal), impidiendo que se una el factor p300/CBP.
En condiciones de hipoxia, las PHD pierden su capacidad para hidroxilar, por lo que HIF-1α no podrá ser reconocido por VHL ni ser degradado. De esta manera, puede acumularse y desplazarse al núcleo donde se une a p300. Como no ha sido hidroxilado por FIH, la unión a p300 es posible.
p300 es un coactivador, por lo que la unión de HIF a este factor hace que se transcriban las dianas de este factor, como VEGFA o EPO (HRE o HIF Responding Elements).
2 3º C. Biomédicas (UdL) Irene LV En la siguiente imagen vemos otro esquema en el que se representa la regulación de HIF. HIF-1, como ya se ha dicho, es un dímero de dos subunidades, HIF-α y HIF-β. HIF-β es constitutivo mientras que la subunidad α es la que regula la actividad del factor.
En los ensayos en los que se demuestra si HIF se encuentra activo se suele transfectar a la célula con una construcción genética que lleva cajas de HRE o HIF Responding Elements, en las que se encuentran los promotores reconocidos por HIF. A esta construcción suele añadirse una proteína fluorescente o el gen de la luciferasa para poder medir la actividad de HIF.
Podemos ver en las imágenes de inmunofluorescencia que la presencia de HIFα en situación de hipoxia es muy superior a la que encontramos en normoxia, ya que una concentración normal de oxígeno conlleva su degradación.
La célula tumoral intenta sobrevivir en condiciones adversas, como la hipoxia, en la que HIF se encuentra estabilizado. Podemos encontrar muchos artículos que indican que existen kinasas que fosforilan HIF para darle más estabilidad aunque parece ser que esto solo ocurre en algunos tipos celulares.
Genes diana de HIF-1 HIF-1 (el dímero activo) puede activar muchas vías implicadas en muchas de las características del fenotipo tumoral. Que algunas estas vías estén activas es un factor de mal pronóstico del cáncer.
3 CÁNCER Curso 2015/2016 En un intento para mantener la energía, HIF -1 controla muchos mecanismos importantes en cáncer como: - Señalización angiogénica - Metabolismo energético - Crecimiento, división y apoptosis Señalización angiogénica HIF-1 es requerido para la embriogénesis ya que, a través de VEGF o Factor de Crecimiento Endotelial Vascular, controla la vascularización en el embrión. Este inductor del crecimiento de los vasos sanguíneos es el mayor transcrito de HIF.
Como HIF está involucrado en la angiogénesis, en un embrión Knock out de HIF los vasos son prácticamente ausentes.
Cuando tenemos un tumor en crecimiento, se produce una situación de hipoxia en la masa tumoral que desencadena en la activación de HIF. La vía HIF induce la transcripción de VEGF, que provoca el crecimiento de los vasos para que a las células tumorales lleguen todos los nutrientes y el oxígeno que necesitan. Además, el tumor también emplea los nuevos vasos para diseminarse y establecer metástasis.
En las células endoteliales de los vasos sanguíneos normales se establece un equilibrio entre factores pro y anti-angiogénicos.
En los vasos sanguíneos tumorales, como HIF se encuentra activo, encontramos muchos más factores pro-angiogénicos. A raíz de esto, los vasos tienen una arquitectura y función anormal y el flujo de sangre no es el correcto, por lo que se mantiene la situación de hipoxia y la activación de la vía de HIF.
En la tabla podemos encontrar las características diferenciales entre los vasos sanguíneos normales y los tumorales. Por ejemplo, en los vasos sanguíneos tumorales no encontramos pericitos, que son las células contráctiles que se encuentran rodeando a los vasos importantes para el crecimiento y la función de estos. La membrana basal, que también es importante para el crecimiento del vaso, está ausente o es demasiado delgada en los vasos del tumor. El diámetro de los vasos es superior al normal y tampoco la densidad es normal en los vasos de la masa tumoral.
HIF también induce la vasodilatación gracias a otra de sus dianas, NOS (sintasa de óxido nítrico).
Metabolismo energético Bajo condiciones de hipoxia, la célula cambia su metabolismo, que es aerobio, por un metabolismo anaerobio que le permite seguir produciendo ATP a pesar de la baja concentración de oxígeno. Mientras que la célula normal lleva a cabo un metabolismo oxidativo, la célula tumoral realiza la glicólisis.
HIF-1 es el responsable de modular los genes para activar la glicólisis y reprimir la respiración 4 3º C. Biomédicas (UdL) Irene LV mitocondrial (metabolismo oxidativo). Entre las dianas de HIF, podemos encontrar el transportador de glucosa GLUT1 y la enzima LDH, que cataliza la conversión de piruvato a lactato.
En la respiración anaeróbica, el piruvato obtenido a partir de la glucosa (glicólisis) se convierte en lactato ya que, sin oxígeno no puede utilizarse en la respiración mitocondrial. En la glicólisis se obtienen dos moléculas de piruvato, dos de ATP y dos NADH (que la célula normal utiliza en el ciclo de Krebs). La célula tumoral hace esta ruta metabólica tan rápido que acaba creciendo más de lo normal a pesar de que se producen menos moléculas de ATP.
Crecimiento, división celular y apoptosis En situación de hipoxia, como ya se ha comentado, muchas células morirán y solo se adaptarán a las condiciones y sobrevivirán los clones con las peores mutaciones.
En el estudio de la imagen vemos una línea de cáncer de endometrio en dos situaciones: normoxia e hipoxia (para la que se emplea una cámara de hipoxia). Las células están marcadas con yoduro de propidio, que marca el DNA.
A tiempo 0, no se expresa HID pero a medida que transcurren las horas en hipoxia, vemos que va aumentando la cantidad de este factor. Los niveles de ciclina D1 disminuyen y se produce un aumento de la fase G1, es decir, en hipoxia se para el ciclo celular.
Podemos ver que se produce algo de muerte apoptótica ya que aparecen fragmentos de DNA de más o menos 180 pares de bases (y múltiplos de esta longitud).
Vemos un ensayo para medir la proliferación de las células en las que están marcadas con BrdU. Cuando las células ciclan, incorporan esta base nitrogenada marcada. Gracias a esta técnica vemos que, en hipoxia, se produce una disminución de la proliferación. Es decir, de esta manera también comprobamos que la situación de hipoxia provoca la parada del ciclo celular.
5 CÁNCER Curso 2015/2016 Después de esto, algunas de las células tumorales morirán y otras se adaptarán a las condiciones del medio y empezarán a crecer.
A medida que aumenta el tiempo que las células pasan en hipoxia aumenta la expresión de HIF-1. Si estudiamos la expresión de las caspasas, vemos que la cantidad de pro-caspasa 8 no disminuye pero que sí aumenta la cantidad de caspasa 3 procesada. Hay un cierto porcentaje de muerte apoptótica pero no es muy grande.
Por inmunhistoquímica se han estudiado cortes de cáncer de endometrio. En ellos podemos ver que hay bastante HIF-1α.
La expresión de HIF-1α se asocia con la progresión tumoral pero también induce otros fenómenos: - Induce vías de supervivencia, como NFκB, que suprime la apoptosis y respalda la autofagia.
- Induce el mantenimiento de la condición de célula madre - Induce inestabilidad genómica - Promueve el fenotipo invasivo - Induce la formación de metástasis - Esta implicado en la resistencia a la terapia Vía NFκB e hipoxia La señalización por NFκB tiene una vía canónica y una vía alternativa. En la vía canónica, las IKK fosforilan al represor natural de la vía, que es IKβα. Cuando este es fosforilado, deja de funcionar como represor ya que es ubiquitinizado y reconocido por el proteasoma. El represor funcional se encuentra unido a p65 y p50, impidiendo que se activen y vayan al núcleo.
6 3º C. Biomédicas (UdL) Irene LV La vía alternativa es a través de IKKα, que fosforila a p100 permitiendo que sea reconocido por ubiquitin ligasas que lo ubiquitinizan para que sea degradado por el proteasoma. Al degradarse, libera a RelB y también un fragmento, p52, que transloca al núcleo y actúa junto a RelB.
En el siguiente estudio se analizó que las células de carcinoma de endometrio activan la vía NFκB. En el núcleo de las células hipóxicas tenemos HIF-1α y p65 (podemos comprobarlo al analizar extractos nucleares). Además, conforme aumenta el tiempo en hipoxia, aumenta la cantidad de p100 y aparece p52.
Por tanto, concluyeron que las vías canónica y alternativa de NFκB aumentan la supervivencia en condiciones de hipoxia.
HIF y metástasis La enzima lisil-oxidasa o LOX es otra de las dianas de HIF y media el control de las metástasis en condiciones de hipoxia. Es decir, cuando LOX se sintetiza las células tumorales pueden diseminarse.
Resistencia a la terapia Uno de los mayores problemas de la hipoxia desde el punto de vista de la clínica es que causa resistencia a la terapia, sobre todo a la radioterapia.
En 1909, Gottwald Schwarz observó que la anemia hacía al tejido radioresistente. La radiación, como ya sabemos, puede causar daño directo sobre la molécula de DNA o bien daño indirecto, ya que ioniza el agua que posteriormente, ionizará al DNA. El oxígeno fija este daño en el DNA ya favorece la aparición de radicales libres que reaccionan con el DNA, haciendo el daño irreparable (la maquinaria de reparación no puede reparar estos daños).
7 CÁNCER Curso 2015/2016 En condiciones de hipoxia, esta reacción no se puede producir y el daño causado por la radiación no se fijará y podrá ser reparado. De esta manera, la maquinaria de reparación permitirá que la célula tumoral sobreviva. Esta es la causa de muchas recidivas que se producen tras la terapia. El tejido sobre el que se aplica la radiación está hipóxico por lo que la terapia no tiene el efecto deseado sobre las células tumorales: quedarán células tumorales vivas que causarán que el tumor vuelva a reaparecer (recidiva).
Para evitar que esto ocurra, se intenta evitar la hipoxia antes de tratar.
Al irradiar las células de cultivo en condiciones de hipoxia, vemos que, mientras que todas las células en normoxia mueren tras la radiación, en las células hipóxicas hay un 30-40% de supervivencia. Por tanto, la hipoxia es sinónimo de resultado adverso del tratamiento.
El OER (Oxygen Enhancement Ratio) es la cantidad de veces que hay que aumentar la dosis de radiación para que las células hipóxicas mueran igual que las normóxicas. En general hay que aplicar entre 2 y 3 veces más radiación.
La inhibición de HIF-1α bloque el crecimiento de un Xenotrasplante de un tumor en ratones Se inyectan líneas celulares de diferentes tumores en ratones inmunodeprimdos. En los tumores a los que se ha bloqueado la vía HIF se ve que el crecimiento es menor.
Hipoxia y medicina personalizada Si se administra un inhibidor de VEGF como coadyuvante en la quimioterapia, funciona mejor. Se podría pensar que, al generar más hipoxia los resultados de la terapia serían peores pero no ocurre así ya que, dando inhibidores estamos restableciendo el equilibrio entre factores pro y anti-angiogénicos. De esta manera, se recuperan los vasos normales (con una estructura correcta) permitiendo que la terapia llegue mejor a las células y funcione mejor.
Estrategias futuras: - Matar selectivamente a las células hipóxicas del tumor – drogas bioreductivas, ihnihbidores molecularmente dirigidos, … - Mejora de las herramientas de predicción para la evaluación del paciente: uso de técnicas de análisis funcional como PET (Positron Emission Tomography) - Análisis genómico individualizado del tumor y del huésped 8 ...