Desentrañando las estrategias metabólicas que mantienen el cáncer “en forma”

Arkaitz Carracedo (1) (2) (3) (4)

(1) CIC bioGUNE, Bizkaia Technology Park, 801a bld., 48160 Derio, Bizkaia, Spain. (2) CIBERONC.(3) Ikerbasque, Basque foundation for science, 48011 Bilbao, Spain.(4) Biochemistry and Molecular Biology Department, University of the Basque Country (UPV/EHU), P. O. Box 644, E-48080 Bilbao, Spain.

La investigación ilumina un camino incierto cuando se trata de la salud y la enfermedad. Durante toda nuestra existencia los seres humanos hemos tratado de doblegar las leyes de la naturaleza que controlan la cantidad de vida de que disponemos. La investigación ha sido y es nuestra herramienta para retrasar el envejecimiento y la muerte. En este siglo, nos enfrentamos a grandes retos que determinarán cuanto y como vivimos: las enfermedades neurodegenerativas, las bacterias super-resistentes y el cáncer, entre otros. En este contexto, la investigación biomédica y el contacto fluido entre academia, industria y clínica son los medios fundamentales de que disponemos, y que tenemos que explotar de un modo inteligente.

Uno de los aspectos biomédicos que ha renacido en este siglo es el de la investigación sobre el metabolismo del cáncer. Su relevancia clínica puede ser debatible en cuanto a su aplicación clínica, pero una breve mirada al pasado basta para ponernos en perspectiva.

Figura 1: Esquema representativo de la intercalación de señalización oncogénica y vías metabólicas durante la progresión del cáncer.

Figura 1: Esquema representativo de la intercalación de señalización oncogénica y vías metabólicas durante la progresión del cáncer.

El metotrexato es un fármaco que se utiliza en la actualidad como antitumoral e inmunosupresor. Su origen se remonta a la década de los 50 del siglo pasado, a partir de investigaciones lideradas por el Dr. Sidney Farber. Este compuesto presenta dos características que justifican su importancia en la historia de investigación en cáncer: Ser una de las primeras quimioterapias implantadas en la clínica para el tratamiento del cáncer, y ser una de las primeras estrategias terapéuticas basadas en la manipulación del metabolismo de células tumorales. El metotrexato es un análogo del ácido fólico, un antimetabolito. Su desarrollo se basó en la observación de que el ácido fólico empeoraba el pronóstico de pacientes con leucemia. Aunque su mecanismo de acción se desconocía cuando se desarrolló, hoy sabemos que la inhibición del ciclo del folato bloquea la producción de intermediarios metabólicos (como el tetrahidrofolato) que son requeridos para la síntesis de ácidos nucleicos. Este fármaco representa la primera demostración del potencial terapéutico de manipular el metabolismo del cáncer.

“Los avances tecnológicos y la investigación oncológica nos permiten hoy aplicar a la clínica conceptos que en el pasado se consideraban observaciones aisladas”

El segundo ejemplo emana de las investigaciones del premio Nobel Dr. Otto Warburg. El Dr. Warburg reportó en 1927 que las células tumorales presentaban un metabolismo anómalo, dado que exhibían una preferencia para el metabolismo anaeróbico de la glucosa incluso en presencia de oxígeno. El dogma instaurado hasta entonces a partir del estudio de células no tumorales establecía que éste era un proceso de adaptación a la ausencia de oxígeno, mientras que en presencia del mismo las células debían maximizar el rendimiento energético del nutriente a través de su oxidación completa en la mitocondria. Por ello, el Dr. Warburg hipotetizó que dicho comportamiento metabólico radicaba en la incorrecta función mitocondrial de células tumorales. Hoy en día entendemos con mayor detalle, aunque no en su totalidad, el fundamento del denominado “efecto Warburg” o la glicólisis en presencia de oxígeno. Pero más importante aún, los estudios de Warburg impulsaron el desarrollo de una metodología que hoy está instaurada en la mayoría de nuestros hospitales: el FDG-PET. De los estudios de Warburg se dedujo que, para mantener el equilibrio energético, las células tumorales debían incrementar en órdenes de magnitud el aporte de glucosa. Esto se ha traducido en un modo de “iluminar” el cáncer. El FDG es un
análogo de glucosa modificado para adquirir dos propiedades: que no se metabolice en la glicolisis y que incorpore un isotopo radiactivo (18F) para su visualización por tomografía de emisión de positrones (PET). Con estas propiedades, el FDG administrado en pacientes permite detectar masas tumorales tras un PET, debido a la propiedad que tienen estas células de “comer” más glucosa (algo que también hace el cerebro y el corazón, y por ello estos órganos no son aptos para el uso de este método).

Figura 2: Estrategia de investigación, desarrollo e innovación que ha permitido el desarrollo del presente proyecto, y que engloba el plan de actuación en Euskadi.

Figura 2: Estrategia de investigación, desarrollo e innovación que ha permitido el desarrollo
del presente proyecto, y que engloba el plan de actuación en Euskadi.

Con estos dos antecedentes, no cabe duda de que la comprensión y el estudio del metabolismo del cáncer puede dar lugar a nuevas estrategias para detectar y tratar la enfermedad. En los últimos años, la investigación que realizamos en CIC bioGUNE ha arrojado luz sobre diversos aspectos del metabolismo del cáncer, que desarrollamos a continuación (Figura 1).

La gasolina del cáncer de próstata.

El cáncer de próstata presenta la mayor incidencia entre los tumores de los hombres, y, a pesar de su alta tasa de curación, ocasiona un número de muertes al año que cuadruplica el ocasionado por accidentes en carretera en España. Cuando preguntamos acerca de la problemática del cáncer de próstata desde el punto de vista clínico, una cuestión prevalece: todavía no comprendemos ni sabemos identificar qué pacientes presentan un cáncer que, a pesar de no presentar características de alta agresividad, puede suponer un riesgo para su vida tras el tratamiento localizado. Con esta pregunta en mente, nos propusimos dilucidar si el metabolismo del cáncer de próstata podría proveernos dicha información.

“La alimentación representa el contacto más íntimo con nuestro entorno, y por tanto, debemos considerar el impacto que tendrán en el futuro las alteraciones nutricionales y la obesidad en la biología del cáncer”
En el laboratorio estudiamos el cáncer desde múltiples perspectivas que presentan diferentes equilibrios entre las posibilidades de manipulación (asignación de causa-efecto) y su cercanía a la realidad de la enfermedad. De lo “más manipulable-menos aplicable” a lo “menos manipulable-más aplicable”, disponemos de modelos celulares, modelos animales y biopsias de pacientes. Para este proyecto, quisimos ir más allá y nos propusimos minar datos provenientes de tecnologías de alto rendimiento (que miden miles de parámetros o moléculas en cada muestra) y que se encuentran disponibles en repositorios públicos. Para ello nos propusimos desarrollar herramientas bioinformáticas, para decidir a priori cual sería la ruta metabólica más prometedora para invertir nuestro tiempo y nuestros recursos. Mirando ahora en retrospectiva, soy consciente de que la decisión que tomamos en ese momento de implementar la bioinformática en el laboratorio ha cambiado el modo en el que hacemos investigación, desarrollamos proyectos y miramos el cáncer. La bioinformática nos permitió seleccionar el candidato más prometedor en base a dos criterios de selección: i) que su expresión se encontrase alterada en múltiples cohortes de pacientes y ii) que los cambios en expresión se asociasen a la progresión
del cáncer de próstata. Nuestra búsqueda desembocó en un gen (PGC1A) que conocíamos por su importante papel en el metabolismo de nuestras células normales, y su contribución a enfermedades como la diabetes. Con este candidato como foco de nuestros estudios, nos propusimos acometer un paso que es fundamental en investigación: la demostración de causalidad, esto es, que los cambios de expresión de PGC1A determinaban la progresión de la enfermedad, y no eran una consecuencia de la misma. Los modelos experimentales son instrumentales para acometer este tipo de objetivos.

“La investigación tiene el potencial de ser un motor de riqueza cultural y económica, pero requiere establecer un plan a largo plazo, donde potenciemos las sinergias entre los agentes implicados”

En el laboratorio disponemos de ratones modificados genéticamente, en los que la manipulación de
un gen en las células de la próstata, que se ve alterado en pacientes, da lugar a cáncer. Una de las limitaciones (o las oportunidades) de este modelo es que carece de capacidad metastática. Por lo tanto, nos propusimos “humanizar” el modelo experimental, manipulando la expresión de PGC1A para imitar lo que sucede en muestras de pacientes. Los resultados fueron espectaculares: la manipulación de nuestro regulador metabólico en el ratón que desarrolla cáncer de próstata promovió la progresión de la enfermedad a metástasis, lo que confirmaba nuestra sospecha de que el metabolismo es un factor importante en la progresión del tumor, y nos daba una nueva herramienta que trasladar a la clínica. Tras un arduo trabajo en diversos modelos experimentales, Verónica Torrano y Lorea Valcárcel pudieron desengranar el mecanismo mediante el cual PGC1A inhibe la metástasis del cáncer de próstata. Este regulador promueve un estado metabólico que aumenta el rendimiento energético a partir de glucosa y ácidos grasos a expensas de la generación de biomasa. Es por tanto un inhibidor del efecto “Warburg”. Complementariamente, cuando las células tumorales de próstata reducen la expresión de PGC1A entran en un “modo metabólico proliferativo” que creemos que soportará el crecimiento de la masa tumoral una vez las células anidan en un tejido secundario, originando una metástasis.

“La investigación de primer nivel requiere hacer apuestas por proyectos e ideas arriesgadas, considerando que las revoluciones en ciencia biomédica radican en el éxito de tan sólo un pequeño porcentaje de éstas”

El estudio que culminó con la complementación perfecta de observaciones clínicas con una explicación mecanística carecía aún del potencial de impactar en la decisión del urólogo para poder identificar de un modo más eficaz aquellos pacientes con mayor riesgo de padecer una enfermedad molecularmente agresiva. Nos planteamos que, dado que PGC1A regula programas de expresión génica, sería factible que pudiéramos construir una firma genética que informase sobre la actividad de este regulador, y en consecuencia sobre la agresividad del tumor. El refinamiento bioinformático nos permitió construir dicha firma y demonstrar que efectivamente ese era el caso, y nos inspiró a aplicar modelos matemáticos más sofisticados que en la actualidad estamos tratando de traducir en un biomarcador de agresividad de cáncer de próstata.

El aceite que lubrica el motor de los tumores.

Las investigaciones que parten del estudio de muestras biológicas de pacientes requieren de una precisa estimación de la variabilidad interindividual que puede influir en la robustez de los datos obtenidos y, por lo tanto, la relevancia de las conclusiones alcanzadas. Para circunvenir esta limitación, nos aliamos con una empresa farmacéutica (AGIOS Pharmaceuticals) y propusimos explotar el potencial de nuestro modelo experimental murino de cáncer de próstata para analizar las fases tempranas de la enfermedad de un modo más robusto y reduciendo la variabilidad. Un análisis metabolómico reveló una vía metabólica predominantemente activada en el tejido tumoral de ratones modificados genéticamente. Nos sorprendió que la ruta identificada, que cataliza la biosíntesis de poliaminas, era ampliamente conocida desde la década de los 80, pero las bases moleculares de su regulación aberrante en cáncer de próstata no habían sido clarificadas. Un aspecto determinante de nuestra estrategia de experimentación fue que pudimos validar los resultados en muestras biológicas humanas, en favor de la estrategia de emplear modelos simplificados para el estudio de las bases moleculares de la enfermedad. Las poliaminas son pequeñas biomoléculas que debido a su carga (son policationes) tienen gran afinidad de
interacción con los ácidos nucleicos (ADN y ARN). Esto se traduce en que las poliaminas son componentes esenciales para la correcta actividad replicativa, transcripcional y traduccional de la célula. En conjunto, las células que entran en programas proliferativos necesitan coordinar la síntesis de poliaminas, para que éstas “engranen” la maquinaria celular. Con esta premisa, propusimos la hipótesis de que las mutaciones que originan la formación del cáncer de próstata debían activar programas moleculares que coordinasen la producción de poliaminas para sustentar un programa proliferativo. Siguiendo esta línea argumentativa, la biosíntesis de poliaminas representaría una interesante diana terapéutica en este tipo de cáncer. Nuestras investigaciones fueron capaces de contrastar esta hipótesis, demostrando que la activación de la ruta oncogénica fosfoinosítido 3 quinasa (PI3K) desencadenaba la producción de una enzima clave en la biosíntesis de poliaminas (AMD1). Pudimos corroborar que este mecanismo molecular era operativo en células de cáncer de próstata, en nuestro modelo de ratón, e incluso en muestras provenientes de un ensayo clínico, al que accedimos mediante una colaboración con Memorial Sloan Kettering Cancer Center (EEUU) y el Hospital Vall d´Hebrón de Barcelona. Las protagonistas de este proyecto de investigación, Amaia Zabala y Amaia Arruabarrena, pudieron además demostrar que la inhibición de esta vía metabólica limitaba el crecimiento tumoral, reforzando la noción de que la producción de poliaminas es un proceso explotable terapéuticamente.

 

Micrografías de fluorescencia que muestran el complejo entramado de mitocondrias en células tumorales (en rojo, se indica el núcleo celular en azul). Las mitocondrias coordinan la obtención de energía y de biomasa en nuestras células, y desconocemos aún gran parte de su relevancia en las decisiones que toma una célula cancerosa a lo largo de su vida. Fotografía tomada por: Lorea Valcarcel (CIC bioGUNE).

Micrografías de fluorescencia que muestran el complejo entramado de mitocondrias en células
tumorales (en rojo, se indica el núcleo celular en azul). Las mitocondrias coordinan la
obtención de energía y de biomasa en nuestras células, y desconocemos aún gran parte de
su relevancia en las decisiones que toma una célula cancerosa a lo largo de su vida. Fotografía
tomada por: Lorea Valcarcel (CIC bioGUNE).

Nuestro trabajo contribuye a un esfuerzo internacional que ha emergido en los últimos años y que pretende ahondar en las características del cáncer que nos permitirá detectar y tratar la enfermedad de un modo más eficaz.

“Al investigar los cambios metabólicos del cáncer podemos anticipar como podemos intervenir para continuar reduciendo la mortalidad en esta enfermedad”

 

A lo largo de este proyecto han existido dos componentes imprescindibles para poder migrar el conocimiento a la aplicación clínica, que son parte de una estrategia mayor y más ambiciosa que se viene estableciendo a nivel internacional (Figura 2):

1) Nuestro equipo de colaboradores del Hospital de Basurto, que incluye urólogos, patólogos, enfermeras, entre otros y el grupo de investigación que formamos nos permite impulsar la investigación oncológica tomando lo mejor de los dos mundos de la investigación básica y clínica. Ésta es la única fórmula de éxito para dar pasos sólidos hacia a erradicación del cáncer.

2) El Biobanco vasco para la investigación, que ha canalizado la adquisición, gestión y preparación de muestras y datos clínicos provenientes de pacientes. El Biobanco es un organismo imprescindible en un
universo investigador en el que la custodia de la muestra y la protección de la información personal del paciente son capitales, y donde los centros de investigación no están puerta con puerta con los hospitales. El Biobanco ha sido y sigue siendo el puente que asegura que básicos y clínicos impulsamos la investigación, protegiendo a la vez los intereses y derechos de los individuos que participan en los estudios de recolección de muestras biológicas y datos clínicos. Esta estructura de  investigación translacional, con el potencial tecnológico de nuestro centro de investigación es un revulsivo para el avance de la investigación en cáncer. A estos factores críticos para potenciar la investigación, desarrollo e innovación hay que añadir otros agentes (sectores biotecnológico y farmacéutico) que actualmente tienen una presencia internacional fuerte con un desarrollo local en Euskadi que va in crescendo. En este sentido, debemos potenciar el concepto de “Think globally, act locally”, dado que las sinergias y los cambios de paradigma derivan de la identificación de oportunidades colaborativas tras un contacto continuado entre agentes que enfocan la enfermedad desde prismas diferentes.

Referencias

[1] Arruabarrena-Aristorena, A., A. Zabala-Letona and A. Carracedo (2018). “Oil for the
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P. Sanchez-Mosquera, L. Bozal-Basterra, A. Zabala-Letona, A. Arruabarrena-Aristorena,
A. Berenguer, N. Embade, A. Ugalde-Olano, I. Lacasa-Viscasillas, A. Loizaga-Iriarte,
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[8] Warburg, O., F. Wind and E. Negelein (1927). “The Metabolism of Tumors in the
Body.” J Gen Physiol 8(6): 519-530.

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