Митохондрии и теория рака варбурга - рак: эксперименты и гипотезы
Митохондрии, силовые установки клетки, — краеугольный камень старейшей биохимической теории рака, которая усматривает предпосылку для злокачественного роста в повреждении клеточного дыхания и в «аэробном гликолизе». В 1923 г. Отто Варбург открыл процесс гликолиза в опухолях- в 1955 г. он сформулировал свою теорию на основании ряда наблюдений и гипотез.
Производство энергии и дыхательная цепь
Так называемая дыхательная цепь локализуется в митохондриях. Она состоит из нескольких ферментов, последовательно «сжигающих» с кислородом водород из питательных веществ. Для наших целей достаточно представить эту дыхательную цепь в виде «черного ящика», в который вводятся 02 и Н2 (в форме восстановленного кофермента НАДН) и который выдает в значительных количествах энергию (АТФ) и воду.
Гликолиз
При распаде глюкозы до пировиноградной кислоты АТФ вырабатывается непосредственно, то есть без участия дыхательной цепи. (Для ознакомления с деталями рекомендуем читателю заглянуть в учебник биохимии.) Производство АТФ в этой системе по сравнению с высоким выходом АТФ в результате окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи незначительно, зато выработка этого незначительного количества АТФ обеспечивается даже в отсутствие кислорода.
Но и здесь есть свои проблемы: распад каждой молекулы глюкозы до пировиноградной кислоты требует восстановления двух молекул НАД до НАДН. Однако запас НАД
в клетке ограничен, поэтому распад глюкозы в конечном итоге прекращается. Катаболизм глюкозы может продолжаться лишь при соответствующем окислении НАДН.
Такая регенерация НАД возможна в результате лактатдегидрогеназной реакции — ферментативного превращения пировиноградной кислоты в молочную:
На каждую образующуюся молекулу молочной кислоты приходится одна молекула НАД, что обеспечивает превращение еще одной половины молекулы глюкозы. Путь от глюкозы до молочной кислоты называют лактатным гликолизом- таким образом, в энергию без участия кислорода может быть превращено столько глюкозы, сколько потребуется. Правда, гликолиз — плохая замена дыхания. При гликолизе вырабатывается лишь 52 ккал/моль глюкозы (2 моля АТФ), а при дыхании 686 ккал/моль (38 молей АТФ).
Манометрический метод измерения интенсивности дыхания и гликолиза по Варбургу
Как известно, в процессе дыхания поглощается кислород. Если сосуд, содержащий клетки (суспензии клеток, срезы ткани), соединить с манометром, то можно непосредственно получить данные относительно поглощения кислорода. Варбург ввел понятие дыхательного коэффициента Qo2—количества кислорода в кубических миллиметрах, поглощенного 1 мг ткани (сухой вес) при насыщении кислородом при 38° С в течение 1 ч.
Манометрический метод Варбург применил и для измерения концентрации образующейся молочной кислоты. При образовании 1 моля молочной кислоты высвобождается 1 моль С02 из бикарбонатного буфера, и выделение углекислоты измеряется манометрически. Здесь также был предложен коэффициент (Qмn2 или Qмо2), определяющий количество углекислоты в кубических миллиметрах, высвобождающееся в 1 мг ткани в течение 1 ч. Индексы N2 или 02 указывают на условия, в которых проводились измерения,— в атмосфере азота (анаэробно) или кислорода (аэробно).
Гликолиз в раковых клетках
Высокий уровень гликолиза в асцитных клетках впервые был отмечен в 1952 г. в лаборатории Варбурга (Берлин — Далем)- впоследствии этому было найдено неоднократное подтверждение в других исследованиях. Но еще в 1923 г. Варбург, анализируя поглощение кислорода и образование молочной кислоты в срезах солидных опухолей, обнаружил, что они поглощают меньше кислорода и образуют больше молочной кислоты, чем срезы нормальной ткани.
По-видимому, процесс дыхания в раковых клетках нарушен. Означает ли это, что повреждения в дыхательной цепи ведут к развитию опухоли?
Канцерогены нарушают дыхание
Нарушения дыхания, ведущие к развитию опухоли, обусловлены двумя жесткими критериями:
- Повреждения должны быть необратимыми, поскольку, однажды наступив, они передаются всем последующим поколениям клеток.
- Вместе с тем эти повреждения не должны быть смертельными для клетки. Не следует ожидать, что все дыхательные яды канцерогенны.
Формулу дыхательный яд = канцероген следует читать справа налево: все канцерогены нарушают процесс дыхания. Нитрозамины вписываются в эту формулу, да и классические канцерогенные углеводороды не являются исключением. Дыхание нарушается также в результате рентгеновского облучения: «Очевидно, что канцерогенез, вызванный рентгеновским облучением, есть не что иное, как нарушение дыхания в связи с устранением (гибелью) дышащих митохондрий» (эта цитата, как и все последующие в этой главе, взята из работ-. Варбурга).
Однако простые повреждения дыхания еще не вызывают рак: «Если нарушения дыхания должны вызывать рак, то такие нарушения, как уже упоминавшиеся, должны быть необратимыми». Варбург предложил изящное решение этой проблемы: необходимо лишь допустить, что митохондрии являются независимыми микроорганизмами, воспроизводство которых не зависит от ядра. Другими словами, митохондрия может возникать лишь из другой митохондрии. Это означает, что клетка, из которой «выбиты» митохондрии, не может образовывать новых митохондрий. Разумеется, сказанное распространяется и на дочерние клетки.
Omne Granum е Grano
Предположения о самостоятельном размножении «дыхательных гранул» высказывались давно. На основе чисто морфологических соображений (митохондрии — это изолированные частицы со сложной структурой) делался вывод о том, что митохондрии и в самом деле можно рассматривать как симбионты.
Убедительное подтверждение этой мысли найдено совсем недавно. Как оказалось, в митохондриях имеется собственная ДНК, и поэтому они могут самостоятельно осуществлять процесс транскрипции (синтез РНК).
Путь к опухолевой клетке: отбор клеток, способных к гликолизу
«Даже если дыхание в соматических клетках подверглось необратимым нарушениям, раковая клетка еще не возникла, поскольку для ее образования требуется не только необратимое повреждение дыхания, но и усиление гликолиза, причем такое, которое энергетически компенсировало бы потери в дыхании. Каким же образом осуществляется такое усиление гликолиза?»
Если скармливать крысам ДАБ или диэтилнитрозамин, то после длительного скрытого периода наблюдается усиление гликолиза в печени до уровня, характерного для опухолей.
Движущей силой этого процесса является дефицит энергии, возникающий в результате нарушения дыхания и вынуждающий клетку каким-то образом восполнять потери в энергии, вызванные нарушением дыхания. И клетки (как популяция) выполняют это требование путем отбора, в ходе которого на вооружение берется гликолиз нормальных соматических клеток. Клетки, в которых гликолиз недостаточно интенсивен, погибают, а клетки с более интенсивным гликолизом выживают. Такой отбор продолжается до тех пор, пока нарушения дыхания не будут полностью компенсированы энергетическим усилением гликолиза. Лишь тогда можно считать, что из нормальной клетки возникла клетка раковая. Кроме того, приняв эту гипотезу, мы начинаем понимать, почему усиление гликолиза происходит медленно и почему оно возможно лишь после многократных делений клетки.
«Неполноценность» энергии гликолиза
«Почему — и это наш последний вопрос — соматические клетки становятся дедифференцированными, как только их дыхательная энергия заменяется энергией гликолиза»? В результате гликолиза, так же как и в результате дыхания, вырабатывается АТФ, а АТФ всегда остается АТФ.
Варбург поддерживает свой тезис о неполноценности энергии гликолиза двумя аргументами — историческим и морфологическим.
Из геологии мы знаем, что еще до появления кислорода в атмосфере на Земле существовали какие-то формы жизни. Это были низкодифференцированные одноклеточные организмы, жившие без кислорода, но способные к гликолизу. И лишь когда в атмосфере появился свободный кислород — а произошло это около 800 миллионов лет назад, — почти внезапно началось бурное развитие жизни и образовались царства растений и животных. Следовательно, evolution creatrice —результат деятельности кислорода, точнее, кислородного дыхания. Обратный путь дедифференцировки высокоразвитых соматических клеток сегодня наиболее ярко проявляется в процессе возникновения рака.
Прй канцерогенезе клетка как бы возвращается к примитивным формам роста.
В дополнение к исторической аналогии Варбург поясняет «неполноценность» энергии гликолиза следующими рассуждениями: дыхательная цепь локализуется в митохондриях, а гликолитические ферменты — в цитоплазме. Таким образом, АТФ, возникающая в процессе дыхания, синтезируется в органелле и, следовательно, согласно Варбургу, обладает большей «структурностью», чем АТФ, синтезированная в процессе гликолиза. «Это все равно, что облучить две фотопластинки одинаковым количеством света, но в одном случае — света рассеянного, а в другом — упорядоченного. На одной пластинке образуется диффузное почернение, на другой — рисунок». Как говорят философы, порядок может возникнуть лишь из порядка.
Недостаток кислорода в опухолевой ткани
В условиях недостатка кислорода раковые клетки имеют существенное преимущество перед нормальными клетками: им помогает выжить гликолиз, в то время как нормальные клетки без кислорода погибнут.
Правда, совсем без кислорода опухолевые клетки расти не могут, но в них парциальное давление кислорода обычно ниже уровня, необходимого для нормальных клеток. Низкий уровень давления кислорода в опухоли можно продемонстрировать на примере простого эксперимента. Если мышам инъецировать возбудители столбняка, мыши не заболеют. Анаэробные возбудители столбняка способны размножаться лишь в условиях кислородного голодания, а в тканях мыши давление кислорода для этого недостаточно низко. Однако, если этих же возбудителей инъецировать мышам, у которых имеются опухоли, животные заболеют, поскольку в опухоли микробы находят среду с низким содержанием кислорода. Этот эксперимент доказывает не только то, что опухолевые клетки могут расти анаэробно, но и то, что в опухолях они действительно растут анаэробно (Мальмгрен).
Эффект «микроб — опухоль» может быть использован и в лечебных целях (Мёзе): если опухоль хозяина обработать подходящими анаэробами, то размножающиеся бактерии осядут в опухоли и избирательно разрушат опухолевую ткань. Опухоли начнут размягчаться и в конце концов распадутся.
Две фазы развития опухоли
Варбург суммировал свою респираторную теорию рака в следующих, не допускающих возражений фразах:
Процесс возникновения раковых клеток из нормальных соматических клеток состоит из двух фаз. Подобно тому как заболевание чумой обусловлено совокупностью, казалось бы, не связанных друг с другом факторов (жарой, наличием насекомых и крыс), но вызывается одной лишь причиной — бациллой чумы, возникновение рака связано с целым рядом факторов. Этот процесс вызывают каменноугольная смола и облучение, мышьяк и низкое парциальное давление кислорода в клетках, уретан и песок. Но непосредственной причиной, к которой ведут все прочие перечисленные факторы, является необратимое нарушение дыхания клеток.
За этим следует вторая фаза развития рака — длительная борьба поврежденной клетки за существование, борьба, в которой часть клеток погибает из-за нехватки энергии, в то время как другой части удается восполнить потери энергии клеточного дыхания за счет энергии гликолиза. Из-за морфологической неполноценности энергии гликолиза высокоразвитые соматические клетки превращаются в дедифференцированные, беспорядочно растущие клетки — клетки раковой опухоли.
Профилактика рака путем интенсификации дыхания
Из теории Варбурга непосредственно следует, что интенсификация клеточного дыхания должна затруднять развитие опухоли. Имеется удивительный тому пример.
В Скандинавии обнаружили форму рака гортани и пищевода, которая на своих ранних стадиях (так называемый синдром Пламмера — Винсона) может легко диагностироваться. Если таким больным вводить в пищу коферменты дыхательных ферментов (никотинамид, флавин и соли железа), то эта предраковая стадия может быть полностью излечена. Следовательно, эту форму рака можно предотвратить, и в настоящее время разрабатываются меры к полному устранению этого заболевания путем добавления в пищу нужных веществ. В данном случае, по-видимому, профилактика не представит проблем, поскольку передозировка упомянутых коферментов не ведет к осложнениям.
Помимо такой профилактики рака по Варбургу, начинают разрабатывать и метод лечения рака по Варбургу (подробнее см. стр. 258 и след.) с использованием гликолиза.
Не все опухоли проявляют эффект Варбурга
Если гликолиз является истинной причиной возникновения раковой клетки и ее основным признаком, то, казалось бы, все опухоли должны обладать этим свойством. Однако в 1958 г. были открыты первые опухоли без аэробного гликолиза (Айзенберг, Поттер). Это были гепатомы с минимальным отклонением, трансплантируемые опухоли печени, которые лишь незначительно отличаются от здоровой печени. Как оказалось, между скоростью роста такой гепатомы и интенсивностью гликолиза существует зависимость: быстро растущие опухоли вырабатывали молочную кислоту в ощутимых количествах, в то время как медленно растущие опухоли проявляли лишь слабую склонность к гликолизу или вовсе были к нему не способны.
Фиг. 29.
Позднее Бёрк произвел измерения на таких опухолях с минимальным отклонением от нормы. Его результаты представлены на графике фиг. 29. В начале кривой (гликолиз печени равен 1) указаны медленно растущие гепатомы с очень слабым гликолизом. Как показывает кривая, интенсивность гликолиза очень низка, но нельзя утверждать, что он вовсе отсутствует.
«Нулевая точка» является объектом споров: у различных авторов Q2 для печени колеблется от 1,0 до 0,6. Таким образом, величина гликолиза 1,2 для медленно растущей гепатомы Морриса, по-видимому, лишь чуть выше нормы.
Но противоречия на этом не кончаются: если клетки поддерживать в условиях кислородного голодания 48—72 ч, то интенсивность дыхания в них резко снижается. Если таким клеткам позволить расти затем в обычных условиях, интенсивность дыхания в них восстанавливается. Поскольку низкое давление кислорода характеризует большинство опухолей, опухолевые клетки дышат не столь интенсивно- они, собственно, и не страдают от недостатка кислорода.
И действительно, во многих опухолевых клетках наблюдается «истинное» нарушение дыхания- такие клетки содержат меньше митохондрий и характеризуются пони-
женной интенсивностью дыхания и усиленным гликолизом даже после продолжительного пребывания на воздухе. Однако до сих пор не ясно, находятся ли дыхание и гликолиз в обратной зависимости друг от друга.
Для решения этого вопроса Пауль использовал систему клеток, трансформированных вирусом полиомы. Оказалось, что трансформированные клетки действительно вырабатывают больше молочной кислоты, хотя одновременно поглощают столько же кислорода, сколько и трансформированные клетки. Следовательно, они не представляют собой исключения из правила гликолиза в опухолевых клетках, но вместе с тем показывают, что нарушение дыхания необязательно для всех опухолевых клеток.
Что же касается клеток, трансформированных вирусом полиомы, то они напоминают эмбриональные клетки: в них также не нарушено дыхание и в то же время наблюдается интенсивный гликолиз. Однако в регенерирующей печени гликолиз отсутствует. Это значит, что рост сам по себе еще не означает автоматического усиления гликолиза. Почему опухолевые клетки, обладающие интенсивным гликолизом, проявляют автономный рост, а рост эмбриональных клеток поддается регуляции, остается пока невыясненным.
Интенсивность гликолиза коррелирует со скоростью роста опухоли
На серии гепатом Морриса удалось показать, что в медленно растущих опухолях гликолиз протекает слабо, между тем как быстро растущие опухоли обладают значительно более интенсивным гликолизом. Соответственно дыхание в них нарушено, а число митохондрий снижено.
Бёрк получил аналогичные данные на опухолевых клетках in vitro. Он сравнивал две линии опухолевых клеток, которые произошли из одной и той же клетки, но в которых после многократных пассажей была достигнута разная степень злокачественности. В менее злокачественной линии гликолиз был минимальным, в то время как более злокачественная линия обнаружила высокую интенсивность гликолиза.
В недавних исследованиях дыхательных и гликолитических ферментов нормальной печени и опухолей Вайнхауз обнаружил, что высоко дифференцированные гепатомы с минимальным отклонением имеют такой же набор изоферментов, как и нормальные клетки взрослой печени, и тем не менее проявляют высокую злокачественность и убивают хозяина.
Однако даже в тех случаях, когда интенсивность гликолиза и скорость роста коррелируют друг с другом, это еще не значит, что гликолиз — единственный и, возможно, решающий фактор, определяющий скорость патологического роста. Почему бы гликолизу не быть следствием неопластической трансформации, а не ее причиной? На вопрос о том, являются ли нарушения дыхания и гликолиза действительно первичными факторами в канцерогенезе, Варбург отвечал, что он не представляет себе что-либо более первичное, чем дыхание и гликолиз. Между тем эксперименты Вайнхауза почти доказывают что нарушения дыхания — следствие, а не причина образования опухоли.
Заключение
Нарушение дыхания и усиление гликолиза во многих опухолевых клетках составляют суть теории возникновения рака по Варбургу. Рак, по-видимому, не что иное, как возвращение к примитивным способам существования «истинных» одноклеточных организмов.
Даже если не все опухоли способны к гликолизу, все же темп роста опухоли находится в прямом соотношении с интенсивностью гликолиза.
