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Il cancro sul trono di spade: il glucosio fa da prìncipe, ma la glutammina è la vera regina

La maggior parte delle cellule animali degradano lo zucchero per rilasciare energia. A volte degradano i grassi e, in circostanze speciali, le cellule possono persino metabolizzare le proteine. Le cellule cancerose fanno le cose in modo leggermente diverso. In primo luogo, la maggior parte delle cellule tumorali continua a dipendere dal glucosio, ma passa dalla “respirazione cellulare” (che richiede ossigeno) alla “glicolisi” (che può avvenire con o senza ossigeno). I ricercatori del Cancer Center dell’Università del Colorado stanno esplorando un terzo approccio: si attengono alla respirazione cellulare, ma passano dal metabolizzare lo zucchero al metabolizzare le proteine, o più precisamente gli amminoacidi, che sono i mattoni delle proteine. Le cellule sane non hanno bisogno di metabolizzare le proteine. In effetti, sembra che le cellule staminali del cancro abbiano bisogno di metabolizzare le proteine. E questa differenza si sta dimostrando un tallone d’Achille che consente ai ricercatori di colpire le cellule staminali tumorali senza danneggiare le cellule sane: l’approccio si è già dimostrato efficace negli studi clinici contro la leucemia mieloide acuta e promette altri tumori tra cui seno, pancreas e fegato.

Ad esempio, alcuni aminoacidi sono necessari per diverse esigenze metaboliche diverse dalla sintesi proteica. Facendo l’esempio più semplice, citiamo la glutammina. Serve per gli zuccheri amminici (presenti in molti antigeni cellulari) e per la sintesi di purine e pirimidine (basi fondamentali per gli acidi nucleici). Entra anche nella struttura del glutatione (GSH), il principale antiossidante cellulare, utilizzato dalle cellule cancerose per difendersi dallo stress ossidativo e dai farmaci chemioterapici. Il concetto di sfruttare gli analoghi della glutammina per uccidere le cellule tumorali è una vecchia nozione dell’ultimo secolo, dal momento che antagonisti simili alla glutammina come l’azaserina e il DON venivano impiegati come farmaci antineoplastici. Tuttavia, sono estremamente tossici e quindi abbandonati dopo l’introduzione di antitumorali più selettivi. Nonostante ciò, la tentazione di uccidere le cellule tumorali colpendo il “nucleo” metabolico è stata messa in riserva tra gli scienziati di base. Incapace di trarre vantaggio dai mimici della glutammina, è stata esplorata anche l’altra strategia per utilizzare preparati privi di glutammina, tenendo presente che questi aminoacidi sono fondamentali per generare nucleotidi per il metabolismo del DNA e dell’RNA.

Gli scienziati sono diventati abbastanza bravi a uccidere la maggior parte delle cellule tumorali nelle leucemie, ma una piccola popolazione di cellule staminali tumorali è equipaggiata in modo unico per resistere alle terapie convenzionali e queste cellule staminali spesso sopravvivono per ricominciare la condizione in seguito. In un recente studio clinico, i pazienti con leucemia mieloide acuta che non erano candidati al trapianto di midollo osseo sono stati trattati con il farmaco venetoclax, che blocca la capacità delle cellule di assorbire gli aminoacidi. In una ricerca precedenti, gli scienziati hanno dimostrato che il venetoclax associato a un altro farmaco, l’azacitidina, è superiore ai trattamenti convenzionali nei confronti delle cellule staminali leucemiche (LSC). Questa combinazione interrompe la produzione di energia nei mitocondri in due modi. In primo luogo interferisce con il ciclo TCA per produrre elettroni e acidi organici; innesca quindi la disattivazione dell’ossidazione fosforilativa, la cascata enzimatica che sintetizza l’ATP. Tutti questi disturbi derivano dal legame di venetoclax a Bcl-2, la principale proteina antiapoptotica cellulare che risiede normalmente nelle membrane dei mitocondri. Queste perturbazioni metaboliche prendono di mira in modo efficiente e selettivo le cellule staminali leucemiche.

Fondamentalmente, le cellule staminali della leucemia non (o forse non sono in grado) di passare dalla respirazione cellulare alla glicolisi come le cellule tumorali più mature. Invece, passano dal metabolizzare il glucosio al metabolizzare gli aminoacidi, diventando assolutamente dipendenti dal metabolizzare gli aminoacidi per l’energia. Il farmaco venetoclax impedisce alle cellule staminali leucemiche di utilizzare gli aminoacidi per l’energia cellulare, nonostante il meccanismo non sia stato ancora chiarito. In laboratorio e ora in clinica, quando i ricercatori hanno trattato pazienti con leucemia mieloide acuta con venetoclax, le cellule staminali della leucemia sono morte. È importante sottolineare che, poiché le cellule sane non dipendono dal metabolismo degli amminoacidi, venetoclax ha ucciso le cellule staminali della leucemia senza danneggiare le cellule sane. È interessante notare che solo i pazienti con leucemia mieloide acuta che sono stati trattati con venetoclax come primo trattamento hanno mostrato una risposta così drammatica. Quando i pazienti sono stati trattati prima con altre terapie, le cellule staminali della leucemia sono state spinte a diversificarsi e alcune hanno adottato il metabolismo dei lipidi. Quando questi pazienti sono stati successivamente trattati con venetoclax, il farmaco ha ucciso le cellule staminali tumorali che continuavano a dipendere dal metabolismo degli amminoacidi.

D’altra parte, era inefficace contro le cellule staminali tumorali che erano passate al metabolismo dei lipidi. Era come se il metabolismo dei lipidi fornisse una via di fuga per queste cellule, e quando anche una piccola popolazione di cellule staminali leucemiche era in grado di resistere alla chemioterapia, erano in grado di riavviare successivamente la crescita della malattia. Questo dimostra come le cellule tumorali sono dei veri e propri “camaelonti biologici” che fanno di tutto per adattarsi al solo ed unico scopo: sopravvivere. E questa loro dipendenza dalla glutammina si fa sempre più certa con l’aumentare delle conoscenze della biologica tumorale. Ad esempio, fino al 60% dei carcinomi ovarici a cellule chiare (OCCC) presenta mutazioni inattivanti nel gene oncosoppressore ARID1A. Queste mutazioni sono fattori genetici noti di questo tipo di cancro, che tipicamente non risponde alla chemioterapia e porta la prognosi peggiore tra tutti i sottotipi di cancro ovarico. ARID1A / BAF250 fa parte di un complesso proteico chiamato SWI / SNF che modula l’espressione genica e il rimodellamento della cromatina. Oltre al tumore OCCC, il suo gene è stato comunemente trovato mutato nei tumori gastrici e nel cancro del pancreas.

Nel carcinoma mammario le metastasi a distanza acquisiscono mutazioni di inattivazione in ARID1A non osservate nel tumore primario. Si ritiene che questo conferisca vantaggio alle cellule metastatiche per diventare meno sensibili ai farmaci chemioterapici. Gli scienziati del Wistar Institute hanno scoperto che l’inattivazione del gene ARID1A nel cancro ovarico aumenta l’utilizzo dell’amminoacido glutammina rendendo le cellule cancerose dipendenti dal metabolismo della glutammina. I ricercatori hanno anche dimostrato che l’inibizione farmacologica del metabolismo della glutammina può rappresentare un’efficace strategia terapeutica per il cancro ovarico mutante ARID1A. Poiché la riprogrammazione del metabolismo è un segno distintivo dei tumori, gli autori hanno studiato l’effetto trascrizionale dell’inattivazione di ARID1A e hanno scoperto che GLS1, che codifica per l’enzima glutaminasi, era il gene più sovraregolato tra quelli che controllano il metabolismo della glutammina. Di conseguenza, la GLS1 è stato espressa a livelli significativamente più alti nei campioni di tumore di pazienti con altri tipi di cancro che portano anche mutazioni nel complesso SWI/SNF. Le mutazioni in questo complesso proteico potrebbero essere vantaggiose per le cellule tumorali in un altro modo.

ARID1A possiede almeno due domini cardine conservati per la sua funzione. Innanzitutto, ha un dominio ARID, che è un dominio di legame al DNA che può legare specificamente sequenze di DNA ricche di AT. In secondo luogo, il C-terminale della proteina può stimolare l’attivazione trascrizionale dipendente dal recettore dei glucocorticoidi. La trascrizione dipendente dai glucocorticoidi è collegata all’espressione di geni coinvolti nella risposta antinfiammatoria e nella soppressione della replicazione cellulare. Questo è qualcosa che non piace alle cellule tumorali. Sia una risposta infiammatoria che un tasso proliferativo più elevato, sono alcune delle caratteristiche classiche di un tumore. La produzione di metastasi è legata all’espressione di metalloproteasi (MMP), al fine di degradare la proteina principale della matrice extracellulare, cioè il collagene, e propagarsi in tutto il corpo. Le MMP sono classicamente represse dai glucocorticoidi nel contesto di diverse condizioni infiammatorie come le autoimmunità e l’osteoartrosi. Il fatto che le metastasi del cancro ovarico e mammario perdano il gene ARID1A potrebbe essere anche per questo motivo, oltre a regolare una dipendenza metabolica dalla glutammina. I ricercatori del Wistar Institute Cancer Center stanno studiando gli effetti dell’inattivazione di ARID1A, per ideare nuove strategie terapeutiche guidate da meccanismi e approcci combinati per migliorare l’immunoterapia per il cancro ovarico.

Gli autori hanno inattivato ARID1A nelle cellule di cancro ovarico wild-type e hanno osservato un aumento del consumo di glutammina. La glutammina è normalmente necessaria per la crescita delle cellule tumorali, ma le cellule mutanti ARID1A mostrano una maggiore dipendenza da questo amminoacido. Quindi gli scienziati hanno valutato il potenziale terapeutico dell’inibizione del metabolismo della glutammina bloccando l’enzima glutaminasi con un inibitore chiamato Telanglenastat. Questa molecola è in fase di sperimentazione in studi clinici ed è ben tollerata come agente singolo e in combinazione con altre terapie antitumorali. Quando testato in vivo su modelli murini OCCC, il farmaco ha ridotto significativamente il carico tumorale e prolungato la sopravvivenza. Questi studi sono stati estesi ai topi portatori di trapianti di tumori derivati ​​dal paziente, confermando che telanglenastat ha alterato la crescita dei tumori ARID1A-mutanti ma non ARID1A-wildtype. I ricercatori hanno anche combinato telanglenastat con un trattamento anti-PDL1, rivelando una sinergia tra gli inibitori della glutaminasi e il blocco del checkpoint immunitario nel sopprimere la crescita dei tumori ovarici mutanti ARID1A. Gli inibitori della glutaminasi potrebbero diventare una nuova strategia per mirare con precisione a una specifica vulnerabilità delle cellule OCCC associate alla perdita della funzione ARID1A.

Altri studi mirano con la stessa logica al cancro al seno. Gli scienziati hanno utilizzato modelli umani MDA-MB-231 e topo 4T1 che imitano da vicino le metastasi del cancro al seno umano. Le cellule MDA-MB-231 isolate dopo metastasi ossee hanno mostrato un ridotto assorbimento di glucosio e glicolisi rispetto alle cellule parentali, suggerendo che queste cellule potrebbero spostare i loro requisiti metabolici per la sopravvivenza. Investigando la glutammina, un comune amminoacido non essenziale, in condizioni di glucosio ridotto entrambe le linee cellulari hanno mostrato dipendenza dalla glutammina per la sopravvivenza cellulare. La sospensione della glutammina ha aumentato significativamente il tasso di morte cellulare programmata (apoptosi). La glutammina è stata anche fondamentale per la normale proliferazione cellulare anche in presenza di elevate concentrazioni di glucosio. Ciò significa che queste cellule metastatiche hanno subìto un interruttore metabolico e i ricercatori sono stati in grado di individuare il cardine nella proteina chinasi C zeta (PKC-ζ). È stata osservata una sotto-regolazione sette volte dei livelli di espressione della proteina PKC-ζ nelle cellule MDA-MB-231 di derivazione ossea (linea tripla negativa; TNBC) rispetto alla popolazione dei genitori.

I livelli di PKC-ζ erano anche significativamente ridotti nelle cellule 4T1 metastatiche, rispetto alle cellule MT1A2 non metastatiche. È noto che la carenza di PKC-ζ promuove l’utilizzo della glutammina tramite la biosintesi della serina. Infatti, i livelli di enzimi coinvolti nella biosintesi della serina, fosfoglicerato deidrogenasi (3-PGDH), fosfoserina fosfatasi (PSPH) e fosfoserina aminotransferasi (PSAT1) hanno mostrato sovraregolazione a seguito di deprivazione di glucosio con deficit di PKC-ζ. Un quadro più complicato ma complementare comporta la regolazione di un altro enzima del metabolismo della glutammina, chiamato glutaminasi (GLS). La fase di limitazione della velocità nel metabolismo della glutammina è la conversione della glutammina in glutammato, che è catalizzata dall’enzima glutaminasi. La glutaminasi esiste in diverse varianti tessuto-specifiche, codificate da due geni nei mammiferi, glutaminasi di tipo renale (GLS1) e glutaminasi di tipo epatico (GLS2). GLS1 svolge un ruolo centrale nella tumorigenesi, mentre il ruolo di GLS2 nel cancro rimane poco chiaro. È stato riscontrato che GLS1 è espressa più in alta nel TNBC rispetto ad altri sottogruppi di cancro al seno, ed è essenziale per la sopravvivenza di queste cellule con una degradazione della glutammina deregolata.

Telanglenastat risulta essere specifico per GLS1 e non per GLS2. E le linee cellulari MDA-MB-231 mostrano una maggiore sensibilità a questo farmaco rispetto alle linee cellulari positive agli estrogeni. La perdita specifica delle cellule tumorali di glutaminasi può migliorare l’attivazione delle cellule T antitumorali sia in un modello TNBC di topo spontaneo che negli innesti tumorali.  L’inibitore del trasportatore della glutammina V-9302 ha bloccato selettivamente l’assorbimento della glutammina da parte delle cellule TNBC ma non dei linfociti T CD8+ poiché non esprimono ASCT2, un trasportatore di aminoacidi come alanina, serina, cisteina ma anche glutammina. In questo modo, i linfociti possono rimanere indisturbati nella sintesi del GSH, un importante antiossidante cellulare per migliorare la loro funzione effettrice. Questo potrebbe gettare le basi per migliori protocolli di immunoterapia. Ad esempio, gli inibitori del checkpoint immunitario e le terapie adottive con linfociti infiltranti il ​​tumore (TIL) hanno migliorato profondamente la sopravvivenza dei pazienti con melanoma. Tuttavia, la maggior parte dei pazienti non risponde a questi agenti e molti soggetti che rispondono sperimentano recidive della malattia.

Mentre numerosi trattamenti innovativi vengono esplorati per compensare i limiti di questi agenti, nuove combinazioni terapeutiche con immunoterapie hanno il potenziale per migliorare le risposte dei pazienti. In uno studio pubblicato di recente, gli scienziati del MD Anderson Cancer Center dell’Università del Texas hanno studiato l’attività anti-melanoma delle combinazioni di immunoterapia con Telaglenastat. Negli studi di co-coltura in vitro TIL-tumore, il trattamento farmacologico ha migliorato l’attività citotossica delle TIL autologhe su cellule di melanoma derivate dal paziente. La conversione della glutammina in alfa-chetoglutarato è stata influenzata in modo più potente nelle cellule tumorali rispetto ai TIL in queste co-colture. Questi risultati suggeriscono che il telanglenastat può indebolire le cellule tumorali risparmiando qualsiasi tossicità contro le cellule immunitarie. Quando somministrato a topi innestati, l’inibitore ha attivato le cellule T antigene-specifiche del melanoma e ha migliorato la loro attività di uccisione del tumore, in un modello murino immunocompetente di terapia con cellule T adottive. Inoltre, la combinazione con anticorpi anti-PD1 o anti-CTLA4 ha aumentato l’infiltrazione tumorale da parte delle cellule T effettrici contro modello di melanoma murino ad alto tasso di mutazione.

Sembra che si sia aperto un altro viale, da sfruttare. Ma è una vecchia traversa: gli antagonisti della glutammina sono stati tentati in passato per curare carcinomi e sarcomi, anche se con scarsi risultati. Il motivo principale era l’elevata tossicità di questi farmaci, ovvero l’azaserina e il DON. Tuttavia, con una comprensione più accurata della rete della glutammina, il collegamento degli oncogeni con gli enzimi metabolici e i miglioramenti della moderna chimica medicinale, le vecchie glorie potrebbero tornare alla ribalta. Di recente, ad esempio, gli scienziati della Johns Hopkins hanno ottenuto risultati concreti sull’uso dell’interferenza cellulare anti-glutammina contro il cancro dell’ovaio chemioresistente.

Dopo tutto, adesso la strategia del riposizionamento dei farmaci in vari contesti è una tendenza conveniente.

  • A cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.

Pubblicazioni scientifiche

Wu S, Fukumoto T, Lin J et al. Nature Cancer 2021 Jan 13.

Varghese S, Pramanik S et al. Mol Cancer Ther. 2020 Dec 23.

Edwards DN, Ngwa DM et al. J Clin Invest 2020 Dec 15; 140100.

Shen YA et al. Cancer Res 2020 Oct 15; 80(20):4514-4526.

Guerra VA et al. Best Pract Res Clin Haematol 2019; 32:145-53.

Jones CL, Stevens BM et al. Blood. 2019; 134(4):389-394.

Pollyea DA et al. Nature Med. 2018 Dec; 24(12):1859-1866.

Jones CL, Stevens BM et al. Cancer Cell. 2018; 34(5):724.

Craze ML, Cheung H et al. Br J Cancer. 2018; 118(2):258–65.

Lampa M, Arlt H, He T et al. PLoS One. 2017; 12(9):e0185092. 

Farge T, Saland E et al. Cancer Discov. 2017; 7(7):716-735.

Jacque N, Ronchetti AM et al. Blood. 2015; 126(11):1346-56. 

Phang JM et al. Curr Opin Clin Nutr Metab Care 2015; 18(1):71.

Huang F, Zhang Q et al. Int J Clin Exp Pathol. 2014; 7(3):1093.

Liu W et al. Proc Natl Acad Sci USA 2012; 109(23):8983–88. 

Dott. Gianfrancesco Cormaci
- Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998 (MD Degree in 1998) - Specialista in Biochimica Clinica nel 2002 (Clinical Biochemistry residency in 2002) - Dottorato in Neurobiologia nel 2006 (Neurobiology PhD in 2006) - Ha soggiornato negli Stati Uniti, Baltimora (MD) come ricercatore alle dipendenze del National Institute on Drug Abuse (NIDA/NIH) e poi alla Johns Hopkins University, dal 2004 al 2008. - Dal 2009 si occupa di Medicina personalizzata. - Guardia medica presso strutture private dal 2010 - Detentore di un brevetto sulla preparazione di prodotti gluten-free a partire da regolare farina di frumento immunologicamente neutralizzata (owner of a patent concerning the production of bakery gluten-free products, starting from regular wheat flour). - Responsabile del reparto Ricerca e Sviluppo per la società CoFood s.r.l. (leader of the R&D for the partnership CoFood s.r.l.) - Autore di un libro riguardante la salute e l'alimentazione, con approfondimenti su come questa condizioni tutti i sistemi corporei. - Autore di articoli su informazione medica, salute e benessere sui siti web salutesicilia.com e medicomunicare.it

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