Литий как фактор сопряжения нарушений минерального и углеводного гомеостаза при злокачественных новообразованиях эпителиальных тканей

Влияние процессов метаболизма углеводов на малигнизацию клеток было наглядно показано в серии экспериментов с введением мышам канцерогена и назначении диеты, содержащей 65% глюкозы или 65% сахарозы. Установлено, что у экспериментальных животных злокачественные новообразования появлялись раньше, чем у контрольных, которым вводили только канцероген [1]. Кроме того, при онкогенезе зачастую наблюдается гиперфункция коры надпочечников вследствие стрессорной реакции на опухоль, что приводит к повышению уровня глюкокортикоидов, активирующих процессы глюконеогенеза [2].

В настоящее время доказана роль микроэлементов в процессах роста, дифференцировки, репарации, регенерации, апоптоза, некроза, выживаемости клеток и, как следствие, в патогенезе опухолевых заболеваний [3, 4]. Патогенез опухолевой трансформации, вызванной дисбалансом микроэлементов, окончательно неизвестен. По мнению ряда авторов [5, 6] именно он лежит в основе инициации и промоции опухолевой патологии не только через модуляцию метаболизма и репарации ядер-ной и митохондриальной ДНК, но и различных ферментативных и белковых молекул (включая лизосомальный аппарат), иммунных клеток и активности антиоксидантной системы. Предполагается, что один из возможных путей связан с участием микроэлементов в работе сигнальных путей в стволовых клетках. Так, литий ингибирует 3р киназу гликоген синтазы, являющейся центральным звеном сигнального

Фундаментальная онкология и экспериментальная медицина пути Wnt, нарушение работы которого провоцирует возникновение злокачественных новообразований. 3р киназа гликоген синтазы регулирует активность белка р53, отвечающего за остановку клеточного цикла или апоптоз [7]. Однако литературные данные о нарушении элементного гомеостаза плазмы крови при канцерогенезе достаточно противоречивы. Так, даже при оценке уровня содержания одного из микроэлементов — железа — показано, что у больных раком легкого наблюдается его уменьшение, а в крови у пациентов с болезнью Ходжкина — увеличение [8].

В связи с вышеизложенным, целью данного исследования стал анализ молекулярных механизмов взаимосвязи углеводного и минерального гомеостаза с процессами канцерогенеза.

Материалы и методы

Исследовалась плазма крови 73 больных, ранее не подвергавшихся противоопухолевому лечению: 46 мужчин (47–74 лет) и 27 женщин (34–67 лет). После оперативного вмешательства проводилось гистологическое исследование опухолевого материала методом иммуногистохимии. Анализ распределения больных по диагнозам и стадиям показал, что рак почки имел место у 16 человек (22%), рак мочевого пузыря — у 12 (16%), рак простаты — у 16 (22%), рак яичников — у 14 (19%), рак гортани — у 7 (10%), рак кишечника — у 3 (4%), рак тела матки — у 2 (3%), рак поджелудочной — у 2 (3%), рак желчного пузыря — у 1 (1%). I стадия установлена у 18% пациентов, II стадия — 18%, III стадия — 46%, IV стадия — 18%. Контролем служила плазма крови 31 практически здоровых человек: 12 мужчин (24–74 лет) и 19 женщин (25–65 лет).

Определение концентрации глюкозы, гли-килированного гемоглобина, макроэлементов (Na, K, P, Ca, Cl, Mg) проводили на анализаторе «КонеЛаб 20/20i» (Финляндия). Содержание С-пептида, иммунореактивного инсулина оценивали методом иммунохемилюминисцен-ции на анализаторе «Liaison» (Италия). Анализ уровня микроэлементов осуществляли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на спектрометре iСАР6300Duo (Thermo Scientific, США). Статистическую обработку полученных результа- тов проводили с помощью пакета программ BIOSTAT. При оценке массива данных биохимических показателей пациентов со злокачественными опухолями эпителиальных тканей по критерию Шапиро-Уилка нормальность распределения не была подтверждена, поэтому для оценки значимости различий с данными контрольной группы использовали методы непараметрической статистики: тесты Манна-Уитни и Колмогорова-Смирнова. Для анализа корреляционной связи данных двух выборок применяли корреляцию по Спирмену.

Результаты и выводы

При злокачественных новообразованиях эпителиальных тканей уже на начальных стадиях (I–III) выявлено статистически значимое повышение уровня глюкозы в крови в среднем на 16%. Однако на терминальных стадиях значимых различий по данному показателю не наблюдалось (табл. 1).

Концентрация глюкозы крови в исследуемой группе пациентов находилась на верхней границе нормы или превышала ее, что обусловило статистически достоверную взаимосвязь (r=0,513) опухолевого процесса с уровнем этого углевода.

Поскольку концентрация гликилированно-го гемоглобина отражает содержание глюкозы в крови в течение последних двух-трех месяцев, то соответственно повышение уровня данного показателя при I, II, III стадиях злокачественных новообразований подтверждает наличие нарушения углеводного обмена. Выявленные значимые корреляции наличия канцерогенеза с содержанием гликилированного гемоглобина (r=0,425) также свидетельствуют о связи нарушений углеводного обмена с малигнизацией клеток.

Однако на IV стадии злокачественных новообразований эпителиальных тканей происходит снижение уровней и глюкозы и гли-килированного гемоглобина в крови, что проявляется отсутствием значимых различий по данным параметрам с практически здоровыми людьми (табл. 1).

Опухолевые клетки обладают измененным метаболизмом, характеризующимся прежде всего увеличением транспорта глюкозы [9]. Такая активация процессов переноса глюкозы может

Литий как фактор сопряжения нарушений минерального и углеводного гомеостаза при злокачественных новообразованиях эпителиальных тканей

Таблица 1. Параметры углеводного обмена в плазме крови при злокачественных новообразованиях эпителиальных тканей

Исследованные группы		Глюкоза, мМ/л	Гликилированный гемоглобин,%	С-пептид, нг/мл	Иммунореактивный инсулин, мМед/мл
Практически здоровые люди (контрольная группа)		4,82±0,06	4,98±0,09	2,24±0,20	9,31±0,71
о Ю о s о о О	I стадия	5,56±0,22* ■ p=0,0001 ▲p=0,0006	5,49±0,28* ■ p=0,043 ▲ p=0,035	2,13±0,35 ■ p=0,988 ▲ p=0,688	9,16±1,90 ■ p=0,569 А p=0,8855
	II стадия	5,54±0,21*	5,42±0,24*	2,81±0,38	13,28±2,95
		■ p=0,0015	■ p=0,042	■ p=0,177	■ p=0,0894
		▲ p=0,0001	▲ p=0,038	А p=0,066	А p=0,0105
	III стадия	5,58±0,15*	5,43±0,24*	2,63±0,39	10,00±1,62
		■ p=0,0001	■ p=0,119	■ p=0,549	■ p=0,7431
		▲ p=0,0001	▲p=0,011	А p=0,355	А p=0,3223
	IV стадия	5,31±0,25 ■ p=0,154 ▲ p=0,231	5,25±0,24 ■ p=0,42 ▲ p=0,39	2,20±0,45 ■ p=0,923 А p=0,346	9,68±2,15 ■ p=0,6288 А p=0,539

• ■    — уровень значимости различий по тесту Манна-Уитни

• ▲    — уровень значимости различий по тесту Колмогорова-Смирнова

• * — различия с показателями контрольной группы достоверны (р<0,05)

быть обусловлена в том числе и действием индуцируемого при гипоксии фактора (HIF-1) [10], повышение уровня которого наблюдается вследствие нарушения кровоснабжения ткани опухоли. Индуцибильные HIF приводят к активации потребления глюкозы в раковых клетках за счет активации транскрипции генов транспортеров глюкозы GLUT1 [11]. Для опухолевых клеток характерно преобладание в мембране ГЛЮТ-1 [12], имеющих высокое сродство к глюкозе.

Способность опухоли интенсивно захватывать глюкозу из крови связывают также с изменением активности трансфераз гексоз: резко активируется гексокиназа II [13]. Благодаря гексокиназе II с высоким сродством к глюкозе, раковая клетка приобретает способность «вылавливать» глюкозу из окружающей среды даже при низкой ее концентрации.

Метаболизм опухолевых клеток характеризуется также повышенной скоростью утилизации глюкозы за счет гликолиза, сопровождающегося ростом образования лактата [14]. Такая активация катаболизма глюкозы может быть обусловлена также наблюдающейся гипоксией опухоли и сопутствующим повыше- нием уровня индуцируемого при гипоксии фактора (HIF –1) [15]. Увеличение экспрессии HIF-1a приводит к повышению экспрессии генов, которые обеспечивают адаптацию клеток к гипоксии, не только стимулируя ангиогенез (гены эритропоэтина и сосудистого эндотелиального фактора роста), но и гликолитических ферментов, таких как гены альдолазы, енолазы, лактатдегидрогеназы [16].

Помимо процессов гликолиза, в опухолевых клетках происходит активация пентозо-фосфатного пути. Преобладающим в раковых клетках фетальным изоферментом данного пути является так называемый транскетолазно-подобный белок, специфичный для опухолевой ткани [17]. В итоге при активации пентозофосфатного пути усиливается синтез рибоз, необходимых для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований. Это служит материалом для репликации ДНК и синтеза РНК при делении злокачественных клеток. Важно отметить, что увеличение активности глюко-зо-6-фосфатдегидрогеназы и транскетолазы совпадает по времени с увеличением соотношения концентраций пентозомонофосфатов

Фундаментальная онкология и экспериментальная медицина

Таблица 2. Содержание макроэлементов в плазме крови больных со злокачественными новообразованиями эпителиальных тканей

Исследованные группы		Na, мМ/мл	K, мМ/мл	Ca, мМ/мл	Cl, мМ/мл	Mg, мМ/мл	P, мМ/мл
Практически здоровые люди (контрольная группа)		142,31±0,75	4,21±0,09	2,21±0,02	103,98±0,35	0,82±0,02	1,10±0,03
о Ю о s о о О	I стадия	137,93±1,67* ■ p=0,037 ▲ p=0,022	4,36±0,16 ■ p=0,576 ▲ p=0,725	2,51±0,20* ■ p=0,107 ▲ p=0,04	101,97±2,09 ■ p=0,6924 А p=0,227	0,89±0,06* ■ p=0,0485 А p=0,0083	1,24±0,03* ■p=0,0111 А p=0,0317
	II стадия	138,00±1,03* ■ p=0,003 ▲ p=0,04	4,28±0,14 ■ p=0,541 ▲ p=0,573	2,38±0,03* ■ p=0,004 А p=0,001	103,14±1,29 ■ p=0,063 А p=0,0681	0,98±0,07* ■ p=0,0125 Аp=0,011	1,22±0,02* ■ p=0,0268 А p=0,603
	III стадия	139,56±0,64* ■ p=0,016 ▲ p=0,065	4,36±0,11 ■ p=0,257 ▲ p=0,492	2,34±0,03* ■ p=0,012 А p=0,039	104,17±3,41 ■ p=0,385 А p=0,5863	1,27±0,08* ■ p=0,0473 А p=0,0317	1,27±0,09* ■ p=0,0331 А p=0,278
	IV стадия	140,12±0,99 ■ p=0,122 ▲ p=0,126	4,38±0,08* ■ p=0,153 ▲ p=0,386	2,49±0,11* ■ p=0,013 А p=0,014	104,20±1,51 ■ p=0,3798 А p=0,1794	1,79±0,50 ■p=0,6111 А p=0,3169	1,79±0,5* ■ p=0,0334 А p=0,1257

• ■    — уровень значимости различий по тесту Манна-Уитни

• ▲    — уровень значимости различий по тесту Колмогорова-Смирнова

* — различия с показателями контрольной группы достоверны (р<0,05)

к гексозомонофосфатам во время поздней G1 и S фаз, что позволяет предположить потенциальную роль пентозофосфатов в регуляции пролиферации [18]. Это позволяет сделать вывод о нарушениях углеводного обмена как об одном из возможных пусковых механизмов канцерогенеза.

Статистически значимых отличий по уровням С-пептида и иммунореактивного инсулина в крови онкологических больных выявлено не было, хотя и наблюдалась тенденция к их повышению по сравнению с контрольной группой (табл. 1). Такие результаты могут быть связаны с повреждением механизма трансдукции инсулинового сигнала, а также нарушением его метаболизма. Формирование инсу-линорезистентности может быть результатом нарушения функционирования рецепторов к инсулину, одной из возможных причин которого может быть окислительная модификация данного белка под действием активирующегося свободнорадикального окисления. Развитие бластоматозного процесса сопровождается повышением уровня супероксидного анион-ра-дикала и других активных форм кислорода, развитием в организме состояния окислительного стресса [19].

При анализе содержания макроэлементов уже на начальных стадиях канцерогенеза обнаружено статистически значимое снижение уровня Na в плазме крови. Однако при терминальных стадиях уровень натрия в крови значимо от практически здоровых людей не отличается (табл. 2).

Концентрации K и Сl имеет тенденцию к повышению у онкологических больных, но различия этих показателей статистически не значимы. По сравнению с показателями практически здоровых людей при злокачественных новообразованиях значимо повышается содержание Ca, Р, Mg (табл. 2).

Анализ уровня микроэлементов в плазме крови онкологических больных показал значимое снижение концентрации Cu (в среднем на 25%), Li (в 2,5–5 раз), рост содержания Sr (до 90%) (табл. 3).

Особый интерес представляют выявленные изменения концентрации Li. Литий оказывает множественные эффекты на жизнедеятельность клеток организма, опосредуя свое

Литий как фактор сопряжения нарушений минерального и углеводного гомеостаза при злокачественных новообразованиях эпителиальных тканей

Таблица 3. Содержание микроэлементов в плазме крови больных со злокачественными новообразованиями эпителиальных тканей

Исследованные группы		Fe, мкг/мл	Cu, мкг/мл	Zn, мкг/мл	Li, мкг/мл	Ba, мкг/мл	Sr, мкг/мл
Практически здоровые люди (контрольная группа)		1,24±0,04	1,36±0,08	0,88±0,09	0,005±0,0011	0,007±0,003	0,043±0,008
о кО S о о о	I стадия	1,95±0,19* ■ p=0,028 А p=0,035	1,02±0,07* ■ p=0,031 А p=0,038	0,74±0,14 ■ p=0,534 А p=0,191	0,002±0,0006* ■ p=0,001 А p=0,028	0,006±0,001 ■ p=0,998 А p=0,821	0,074±0,014* ■ p=0,041 А p=0,056
	II стадия	1,69±0,06* ■ p=0,007 Аp=0,011	1,06±0,08* ■ p=0,036 А p=0,049	0,49±0,05* ■ p=0,016 А p=0,041	0,002±0,0006* ■ p=0,026 А p=0,038	0,012±0,003 ■ p=0,081 А p=0,319	0,082±0,017* ■ p=0,001 А p=0,013
	III стадия	1,28±0,18 ■ p=0,513 А p=0,319	1,10±0,10* ■ p=0,049 А p=0,037	0,51±0,11* ■ p=0,034 А p=0,048	0,002±0,0007* ■ p=0,018 А p=0,041	0,005±0,002 ■ p=0,827 А p=0,976	0,061±0,03 ■ p=0,156 А p=0,423
	IV стадия	1,31±0,12 ■ p=0,909 А p=0,703	1,25±0,09 ■ p=0,139 А p=0,827	0,47±0,09* ■ p=0,023 p=0,038	0,001±0,0007* ■ p=0,004 А p=0,032	0,009±0,002 ■ p=0,494 А p=0,998	0,079±0,01* ■ p=0,029 А p=0,017

• ■    — уровень значимости различий по тесту Манна-Уитни

• ▲    — уровень значимости различий по тесту Колмогорова-Смирнова

• * — различия с показателями контрольной группы достоверны (р<0,05)

влияние путем регулирования систем вторичных посредников и через различные сигнальные пути [20]. Литий влияет на ряд элементов систем мессенджеров: G-белки, протеинкина-зы, аденилатциклазы, инозитолтрифосфат, 3р киназу гликогенсинтазы [21] (рис.1).

По данным Suganthi M. с соавторами [23], в зависимости от концентрации литий может оказывать прямопротивоположное действие на апоптоз и пролиферацию клеток. Известно влияние солей лития на Wnt/р катенин сигнальный путь и также через изменение активности 3р киназы гликоген синтазы на активность белков, не входящих в состав пути Wnt, например опухолевого супрессора р53 [7].

Однако малигнизированные клетки более чувствительны к TRAIL-индуцированному апоптозу (рис.2) [24]. TRAIL (tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand) — цитокин семейства факторов некроза опухоли связывается с рецепторами клеточной смерти DR4 и DR5. При связывании лигандов они активируют каспазу-8, образуя индуцирующий смерть сигнальный комплекс, содержащий рецепторы, адаптер FADD (Fas-associated protein with death domain) и профермент каспазы-8 [25]. Активированная каспаза-8 высвобождается в цитоплазму и там инициирует протеазный каскад, активирующий эффекторные каспазы — в частности каспазу-3 [26]. Каспаза –3 инактиирует белок-ингибитор нуклеазы CAD (caspase-activated deoxyribonuclease), вызывая фрагментацию ДНК. Каспаза-8, кроме того, расщепляет цитозольный белок Bid, после чего он, превращаясь в активный белок tBid, активирует путем частичного расщепления другой проапоптозный белок — Вах. Тот, взаимодействуя с митохондриальным белком порином, образует во внешней мембране канал, по которому выходит цитохром с [27]. Цитохром с формирует комплекс с цитозольными белками Apaf-1, Smac/DIABLO и прокаспазой-9, приводя к образованию активной каспазы-9. Она в свою очередь активирует прокаспазы-3 и –7 [28].

В исследованиях Yan Lan с соавторми [29] была показана повышенная экспрессия рецепторов клеточной смерти, сопровождающаяся активацией каскада каспаз под действием солей лития.

Фундаментальная онкология и экспериментальная медицина

Рис.1. Механизм действия лития (модифицировано по Gould T. D. с соавторами, 2002 [22])

Li индуцирует

Рис.2. Схема влияния лития на TRAIL-индуцированный апоптоз малигнизированных клеток

Литий как фактор сопряжения нарушений минерального и углеводного гомеостаза при злокачественных новообразованиях эпителиальных тканей

Таким образом, обнаруженное в нашем исследовании снижение концентрации лития в плазме крови в несколько раз уже на начальных стадиях злокачественных новообразований может являться одним из патогенетических механизмов канцерогенеза. При недостатке данного микроэлемента возможна такая ситуация, при которой под действием ДНК-повре-ждающих агентов (активных форм кислорода или ионизирующей радиации) не будет развиваться апоптоз клетки с нарушенной ДНК по причине нарушения активности TRAIL-инду-цированного апоптоза. Принимая во внимание тот факт, что литий может модулировать активность ДНК-полимеразы [23], становится ясным, что недостаток данного микроэлемента

особенно в условиях активации свободнорадикального окисления может стать пусковым механизмом для малигнизации клеток.

С другой стороны, именно литий может оказаться тем сопрягающим элементом между процессами канцерогенеза и выявленным нарушением углеводного обмена, о чем свидетельствует способность этого металла опосредовано ингибировать высвобождение инсулина при повышении концентрации глюкозы [30].

Таким образом, нарушение минерального гомеостаза является значимым звеном в дезинтеграции метаболических процессов при канцерогенезе.