Эффект Варбурга: влияние на онкологию

Это происходит потому, что некоторые раковые клетки имеют очень высокую скорость метаболических процессов, начинают развиваться и расти “как на дрожжах”. В ответе за это - так называемый эффект Варбурга. 

Основы эффекта Варбурга

Отто Варбург – немецкий физиолог и биохимик, который  в 1931 году удостоился присуждения Нобелевской премии за свой вклад в исследование связи кислорода и онкологических процессов. Он выявил, что в условиях дефицита кислорода клетки начинают использовать более примитивные, но более эффективные пути для производства энергии.

В 1920-х годах Варбург провел ряд экспериментов над измерением потребления кислорода клетками в различных условиях. Он обнаружил, что при низком уровне кислорода клетки переходят на процесс брожения, в результате которого окисляется глюкоза, и происходит образование молочной кислоты. Вследствие этого клетки начинают производить меньше АТФ и больше лактата. Это приводит к изменениям в регуляции генной экспрессии, активации определенных сигнальных путей и метаболических изменений в клетке.

Такая цепочка дает клеткам возможность производить энергию даже при недостатке кислорода, в результате чего раковые клетки увеличивают скорость метаболизма в 200 раз по сравнению со здоровыми клетками. 

Открытие эффекта Варбурга имело большое значение для понимания раковых клеток, так как он показал, что опухоли имеют склонность к использованию этого более примитивного пути образования энергии, независимо от наличия кислорода. Это свойство опухолевых клеток, известное как аэробный гликолиз, стало одним из ключевых признаков злокачественных опухолей.

Биохимические аспекты

Эффект Варбурга связан с изменением образа образования АТФ в клетках при наличии кислорода и его отсутствии. Его причины возникновения могут быть объяснены в контексте клеточного метаболизма и изменениях, происходящих в клетках в зависимости от наличия кислорода.

Когда кислород присутствует, клетки используют процесс окислительного фосфорилирования для синтеза большинства своей АТФ. В этом процессе кислород используется для окисления органических соединений, таких как глюкоза, и транспорта электронов в цепочке дыхательной цепи, что приводит к высвобождению энергии, которая затем используется для синтеза АТФ.

Однако в условиях недостатка кислорода, клетки не могут использовать окислительное фосфорилирование, и вместо этого переходят на процесс гликолиза. Он происходит в цитоплазме и включает в себя разложение глюкозы для образования пирувата и АТФ. В условиях анаэробного дыхания пируват, образующийся в результате гликолиза, может дальше претвориться в лактат, а не вводиться в цикл Кребса. 

Этот переход от окислительного фосфорилирования к гликолизу и представляет собой биохимический аспект эффекта Варбурга. 

Причины развития эффекта Варбурга

Несмотря на высокую технологичность и развитость современной медицины, многие аспекты развития онкологических процессов до сих пор остаются неизвестны. Это касается и эффекта Варбурга. Однако некоторые научные исследования связывают появление этого феномена с мутацией в некоторых генах. 

Мутации в гене PIK3CA могут привести к эффекту Варбурга через активацию сигнального пути PI3K/Akt/mTOR, который играет ключевую роль в регуляции метаболизма клеток. Этот путь участвует в стимуляции гликолиза и ингибиции окислительного фосфорилирования, что приводит к усилению процесса гликолиза даже в условиях наличия кислорода (аэробный гликолиз). В результате клетки с мутацией PIK3CA предпочитают гликолиз как основной способ получения энергии, что соответствует одному из основных аспектов эффекта Варбурга.

Мутации в гене KRAS могут приводить к эффекту Варбурга через активацию метаболического пути анаэробного гликолиза. В нормальных условиях клетки используют аэробный метаболизм для производства энергии, но при мутациях в гене KRAS клетки могут переключаться на анаэробный гликолиз, что характерно для эффекта Варбурга. Это позволяет клеткам быстро продуцировать ATФ, что может быть выгодно быстрорастущим опухолям.

Как остановить эффект Варбурга

Существует несколько групп препаратов, которые блокируют расщепление глюкозы в раковых клетках. Эти медикаменты обычно используются в рамках нового подхода к лечению рака.

Одной из групп таких препаратов являются ингибиторы гликолиза. Они работают, блокируя ключевые ферменты, участвующие в процессе гликолиза – гексокиназу и фосфофруктокиназу. Это приводит к уменьшению выработки энергии в раковых клетках, что может замедлить их рост.

Еще одной группой препаратов являются ингибиторы глюкозового транспорта. Они мешают переносу глюкозы в раковые клетки, что ведет к их голоданию и замедлению метаболических процессов.

Также существует исследование препаратов, которые направлены на манипуляцию регуляцией гликолиза путем модуляции экспрессии генов, участвующих в этом процессе.

Эти препараты находятся на стадии исследования и клинических испытаний, и их применение требует дальнейших исследований и подтверждения их эффективности и безопасности. Тем не менее, они представляют интерес для разработки новых методов лечения рака и обладают потенциалом для улучшения прогнозов пациентов с раком.

Онлайн обучение
Anti-Age медицине

Изучайте тонкости антивозрастной медицины из любой точки мира. Для удобства врачей мы создали обучающую онлайн-платформу Anti-Age Expert: Здесь последовательно выкладываются лекции наших образовательных программ, к которым открыт доступ 24/7. Врачи могут изучать материалы необходимое количество раз, задавать вопросы и обсуждать интересные клинические случаи с коллегами в специальных чатах

Узнать подробнее

Краткие выводы

Эффект Варбурга является феноменом, наблюдаемым в онкологии, при котором клетки рака используют процесс гликолиза для получения энергии вместо более эффективного процесса окислительного фосфорилирования. Из-за этого злокачественные клетки потребляют много глюкозы и вырабатывают большие объемы молочной кислоты даже при наличии достаточного количества кислорода. Это приводит к тому, что метаболизм онкогенных клеток увеличивается, соответственно, их рост становится неконтролируемым.

Несмотря на то, что эффект Варбурга еще не до конца понятен и изучен, проделывается большой научный путь к блокировке ключевых ферментов, участвующих в процессе гликолиза. Это позволит ученым по-другому взглянуть на проблему лечения рака и его ранней профилактики.  

Список использованной литературы

1. В. А. Куликов “Метаболизм раковой клетки как терапевтическая мишень”.

2. М. Контратова “Вослед Варбургу — последние достижения в изучении биоэнергетики рака”.

3. Angela M. Otto “Warburg effect(s)—a biographical sketch of Otto Warburg and his impacts on tumor metabolism”.