El cáncer, una enfermedad Redox
Las células cancerosas sufren perturbaciones en el balance energético de electrones, lo cual puede suponer una potencial revolución en las terapias contra el cáncer y en su prevención, dice la Dra. Mae-Wan Ho.
Dos enfoques opuestos en las terapias del cáncer
Estamos perdiendo la guerra contra el cáncer: las terapias dirigidas hacia determinadas mutaciones en los genes específicos del cáncer no funciona y por buenas razones (véase [1] Medicina personalizada contra el cáncer ¿realidad o ficción? SiS 54). No sólo las mutaciones son muy diversas, difieren de unos individuos a otros, sino también dentro del mismo tumor, de unas zonas a otras. Por otro lado, las células cancerosas pronto se hacen resistentes a los nuevos fármacos.
Hay una idea que está ganando terreno: el cáncer no es principalmente una enfermedad genética, sino una respuesta a un estrés crónico epigenético (véase [2] El cáncer, una enfermedad epigenética, SiS 54). La redundancia en diversas vías de señalización significa que se producen diferentes mutaciones adaptativas para permitir a las células sobrevivir y multiplicarse, lo que predispone a una transformación maligna.
Un enfoque para el tratamiento del cáncer es el tanto veces mentado “tratamiento personalizado” que se adaptaría a la cura de los genes dañados. Pero la heterogeneidad genética plantea considerables complicaciones, un obstáculo insuperable [1].
El otro enfoque en el tratamiento del cáncer es el de centrarse en las características más generales de las células cancerosas y los tumores, distintas de las células normales, y este enfoque se está haciendo cada vez más popular. Las células cancerosas tienen un metabolismo energético anormal, lo que ha llevado a algunos investigadores a considerar al cáncer como una enfermedad metabólica [3,4].
Yo prefiero llamar al cáncer una enfermedad redox [Se denomina reacción de reducción-oxidación, óxido-reducción, o simplemente reacción redox, a toda reacción química en la cual existe una transferencia electrónica entre los reactivos, dando lugar a un cambio en los estados de oxidación de los mismos con respecto a los productos. (Wikipedia)] como se explica más adelante, para distinguirla de los habituales “errores metabólicos innatos” que sostenía la hipótesis de “un gen una enzima” de la genética bioquímica [5].
El cáncer una enfermedad mitocondrial
El anormal metabolismo energético de las células cancerosas fue descubierto por el fisiólogo alemán Otto Heinrich Warburg en las década de 1920. Las células normales obtienen energía al descomponer la molécula de glucosa 6-carbono en dos moléculas de piruvato 3-carbono en una serie de reacciones -glucólisis- que no requieren de oxígeno, seguido de otras reacciones de oxidación en la mitocondria que sí precisan de oxígeno.
Las células cancerosas, sin embargo, dependen en gran medida de la glucólisis para obtener energía a pesar de la presencia de una gran cantidad de oxígeno. Este fenómeno – la glucólisis aeróbica, que más tarde recibiría el nombre de “efecto Warburg”- es el que Warburg propone como base de la disfunción mitocondrial y principal causa del cáncer [6].
Como la glucólisis es mucho menos eficaz en extraer energía de la glucosa, las células cancerosas tienen gran voracidad por la glucosa, y así es como los tumores son detectados mediante tomografía por emisión de positrones (PET), que mide la absorción de glucosa por una sustancia radiactiva, la fluorodeoxiglucosa.
La glucólisis aeróbica es una marca típica de la mayoría de los tumores, lo que implica un alta absorción de glucosa con la producción de lactato en presencia de oxígeno. El lactato es un subproducto del piruvato, incluso en aquellas células cancerosas que hacer trabajar a las mitocondrias [3]. La razón por la cual las células cancerosas necesitan la glucólisis es para generar los esqueletos de carbono en la síntesis de proteínas y ácidos nucleicos para así desarrollar una rápida proliferación celular [7], de modo que el bloqueo de la glucólisis inhibiría a las células cancerosas [8] ( aunque también afectaría a las células normales).
La idea de Warburg cayó en desgracia cuando se empezó a considerar al cáncer como una enfermedad genética causada por mutaciones en genes específicos, los oncogenes [3], y no como una enfermedad metabólica.
Últimamente la idea de que el cáncer es una enfermedad metabólica está ganando terreno nuevamente. Algunos empiezan a decir que “la biología molecular ha vuelto a descubrir la bioquímica [4]”, pero se trata de algo mucho más importante que eso.
El cáncer es una enfermedad de desequilibrio en el balance energético de electrones, y la energía de los electrones es lo que anima la vida celular y de los organismos, como ya descubrió el padre de la bioquímica, Albert Szent-Györgyi, hace tres cuartos de siglo [9].
La vida es una corriente de electrones
En [10] The Rainbow and the Worm, The Physics of Organisms (ISIS publication), publicado por primera vez en 1993, presenté la evidencia teórica y empírica de la naturaleza electrodinámica cuántica de los organismos. Un organismo está energizado por electrones ( y protones) que fluyen a través de una matriz cristalina líquida que se extiende por el interior de la célula. El movimiento de los electrones entre sustancias químicas es una reducción ( aceptación de electrones) o una oxidación ( cuando se ceden electrones). La reducción y la oxidación siempre van juntas, por lo tanto es una reacción redox (reducción-oxidación). Las reacciones redox son el corazón de la transducción de energía en los seres vivos (Transducción: En biología celular, la transducción de señal es el proceso por el que una célula convierte una determinada señal o estímulo exterior, en otra señal o respuesta específica. Wikipedia). Los electrones se mueven de acuerdo al potencial de reducción ( también referido al potencial de reducción-oxidación o potencial redox), la afinidad de una sustancia hacia los electrones. El potencial redox para cada sustancia se compara con la del hidrógeno, que se ha fijado arbitrariamente en 0 en unas condiciones estándar: 25 º C, y atmósfera y 1 M de concentración.
Las sustancias que tienen potencial redox positivo aceptan electrones del hidrógeno, reduciéndose, mientras que las sustancias que tienen un potencial redox negativo ceden electrones al hidrógeno, oxidándose.
Con el fin de comprender la teoría redox sobre el cáncer, es preciso comprender las reacciones metabólicas básicas comunes en los organismos. Para una descripción más detallada del metabolismo energético véase [11] Living Rainbow H2O (ISIS publication), una secuela de Rainbow Worm [10] y una síntesis de la física cuántica y la química del agua como “medio, transporte y mensaje” de la vida.
Metabolismo energético en la célula animal
Todos los animales que respiran aire, incluidos los seres humanos, dependen del oxígeno para extraer energía de los alimentos, según un conjunto de reacciones metabólicas básicas (Fig.1). La glucosa con 6 moléculas de carbono se activa por el ATP y la enzima hexoquinasa, dividiéndose a través de una serie de reacciones glicolíticas, cada una de ellas catalizada por una enzima específica, en dos moléculas de piruvato 3-carbono, que tienen lugar en el citoplasma, y no requiere de la presencia de oxígeno. El metabolismo del piruvato se lleva normalmente a cabo en las mitocondrias, en las que el piruvato es oxidado por la enzima piruvato deshidrogenasa y se convierte en un fragmento de dos carbonos unidos a la coenzima A (acetil CoA), liberándose CO2 y agua. El acetil CoA entra en el ciclo del ácido cítrico, donde finalmente se oxida completamente en moléculas adicionales de CO2 y agua, generando transportadores reducidos de electrones. Los portadores reducidos de electrones trasladan electrones a la cadena de transporte oxidativo (ETC), liberándose energía en forma de ATP ( adenosín trifosfato), la energía universal disponible en las células vivas.
La oxidación del glucosa en dióxido de carbono y agua es el proceso de la respiración, el inverso de la fotosíntesis que realizan las plantas verdes, las algas y las bacterias verdeazuladas. La fotosíntesis capta la energía de la luz para transformar o reducir el dióxido de carbono atmosférico en hidratos de carbono (glucosa) con los electrones y los protones obtenidos por la separación del agua, liberando oxígeno a la atmósfera en el proceso. La regeneración del oxígeno es tan importante como el secuestro de dióxido de carbono, si no más, en lo que refiere a los organismos que necesitan aire para respirar (véase [12] O2 Dropping Faster than CO2 Rising, SiS 44).
La separación del agua y su posterior reconstrucción es la dinamo redox, el ciclo mágico que crea vida de casi todas las sustancias inanimadas [11].
Las mitocondrias son orgánulos especiales que están ligados a la membrana que sirven como central energética de la célula. La mitocondria tiene una membrana externa que encierra toda la estructura, y una membrana interna muy plegada que encierra la matriz, generando numerosos pliegues o crestas. Entre las dos membranas hay un espacio laberíntico. Cada mitocondria tiene de 5 a 10 moléculas circulares de ADN mitocondrial, que se replican y se heredan independientemente del genoma de la célula.
La membrana externa de la mitocondria está formada por complejos de proteínas que forman canales a través de la membrana, por donde una amplia variedad de moléculas pueden pasar tanto al interior como al exterior de la mitocondria. La membrana interna contiene 5 complejos de proteínas de la cadena oxidativa de transporte de electrones : NADH deshidrogenasa (complejo I); succinato deshidrogenasa (complejo II), citocromo c reductasa (complejo III), citocromo oxidasa (complejo IV) y la ATP sintasa (complejo V).
La matriz de la mitocondria contiene una mezcla de enzimas que catalizan el ciclo del ácido cítrico (también llamado ciclo de Krebs, por el bioquímico británico Hans Krebs que lo descubrió). El ciclo del ácido cítrico produce moléculas NADH que donan electrones ( (nicotinamida adenina dinucleótido reducida, NADH) y FADH2 ( flavin-adenin-dinucleótido reducido) que se alimenta en la cadena de transporte de electrones (ETC). El transporte de electrones bajo el ETC se produce junto con el transporte de protones H+ a través de la membrana interna pasando al espacio entre las membranas, dando como resultado un potencial mitocondrial normalmente negativo (Dym) en la matriz a través de la membrana interna ( dado que los protones están cargados positivamente). Los protones se devuelven a la matriz a través de la ATP-sintasa, resultando de la síntesis de ATP , ADP (adenosín difosfato) y Pi (fosfato inorgánico). Esta fosforilación oxidativa es absolutamente esencial para la vida de todos los animales que respiran aire. La mayor parte del ATP es producido por la fosforilación oxidativa en las mitocondrias. La oxidación completa de la glucosa genera 36 moléculas de ATP, de las cuales 32 son producidas dentro de las mitocondrias y sólo 4 se producen por glucólisis en el citoplasma.
Ciclo de Krebs
Sin embargo, las reacciones glucolíticas son mucho más rápidas. Se estima que con el tiempo que tarda la mitocondria en producir 36 moléculas de glucosa, 10 moléculas de glucosa se convirtieron en lactato, con la generación de 20 moléculas adicionales de ATP, en la célula cancerosa, produciendo un total de 56 moléculas de ATP en comparación con las 36 de una célula normal [13].
Mitocondrias anormales en las células cancerosas
Las células cancerosas no sólo exhiben la glucólisis aeróbica y resistencia a la apoptosis (suicidio celular), un destino al que normalmente debieran ir las células con mitocondrias disfuncionales. Así pues, parece que la glucólisis aeróbica y la apoptosis están ligadas.
Evangelos Michelakis y su equipo de la Universidad de Alberta en Canadá fueron los primeros en señalar que la glucólisis aeróbica y la apoptosis se encuentran en la mitocondria [14]. Demostraron que el corriente dicloroacetato, fácilmente asequible (DCA), tiene un notable potencial terapéutico al reactivar la enzima que permite la oxidación en la mitocondria del piruvato deshidrogenasa ( véase [15] ¿Es el dicloroacetato una cura contra el cáncer? SiS 54), y como resultado se produce el suicidio de las células cancerosas y se redujeron los tumores cultivados en ratas. Veamos los resultados con cierto detalle, ya que son importante para comprender cómo el cáncer es una enfermedad redox.
Dicloroacetato de sodio
El vínculo entre la glucólisis y la apoptosis es evidente, ya que muchas enzimas glucolíticas también regulan la apoptosis, mientras que varias oncoproteínas inducen la expresión de las enzimas glucolíticas. Esta red de causalidad circular es lo que cabía esperar como consecuencia del genoma fluido ( véase [16] Living with the Fluid Genome (ISIS publication), lo que también hace que a menudo las intervenciones terapéuticas basadas en dianas moleculares sean ineficaces, y tengan muchos efectos secundarios.
La proteína Akt, por ejemplo, que estimula la glucólisis e induce resistencia a la apoptosis, también activa la hexoquinasa, una enzima que cataliza el primer paso, irreversible, de la glucólisis, en el que la glucosa es fosforilada por el ATP originando la glucosa-6-fosfato. La proteína Akt induce el desplazamiento de la hexoquinasa – que se encuentra habitualmente en el citoplasma- a la membrana mitocondrial a través de su mediador, el glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK3). En la membrana mitocondrial, la hexoquinasa se une al canal aniónico dependiente de la tensión (VDAC), que juega un papel importante en los poros mitocondriales de tránsito al controlar la permeabilidad de la mitocondria para pequeñas moléculas hidrófilas. La inhibición de GSK3 en las células cancerosas es, supuestamente, la causa de que la hexoquinasa se desvincule del VDAC, por lo que la mitocondria se vuelve permeable a las moléculas pequeñas, lo que induce la apoptosis y el aumento de la sensibilidad a la quimioterapia.
Esto sugirió al equipo de Michelakis “que tal vez el fenotipo metabólico del cáncer se deba a una remodelación de la mitocondria, que suprime (o perturba) la fosforilación oxidativa, aumenta la glucólisis y detiene la apoptosis”.
De acuerdo con esta hipótesis, en la observación de las células cancerosas se observa un potencial de la membrana mitocondrial más hiperpolarizado ( más negativo en comparación con el exterior) [17]. (Véase recuadro 1 )
En las células cancerosas también es relativamente deficiente el voltaje en la membrana celular del canal K+ (Kv) ( los canales de K+ sólo se abrirán si el potencial eléctrico está por encima de un determinado umbral). La deficiencia en el canal K+ es conocida por suprimir la apoptosis en varios tipos de células, incluyendo las cancerosas.
Las células cancerosas tienen mitocondrias hiperpolarizadas
La hiperpolarización ( más negativo de lo normal) del potencial eléctrico mitocondrial se ha vinculado a las transformaciones malignas, desde la década de 1980. Las células tumorales se caracterizan por una gran heterogeneidad, y dentro de una población de células tumorales hay subpoblaciones con diferencias estables en el potencial eléctrico mitocondrial que sobreviven a la clonación celular. Las células con alto potencial mitocondrial tienen normalmente una sensibilidad reducida a los agentes quimioprotectores y un aumento de la secreción de VEGF ( factor de crecimiento vascular endotelial, promoviendo el crecimiento de los vasos sanguíneos) en los tumores metastásicos, pero no en los no metastásicos, en correlación con el potencial invasivo [17].
Sin embargo, los mecanismos implicados en la generación y mantenimiento de diferencias en el potencial eléctrico mitocondrial no están claros, pudiendo reflejar alteraciones en la composición de las membranas mitocondriales, modulaciones en la expresión de los genes mitocondriales apuntando a genes del núcleo o enriquecimiento de una población mitocondrial en particular.
Efectos posteriores al tratamiento con dicloroacetato de sodio
El tratamiento con dicloroacetato disminuyó el potencial mitocondrial hiperpolarizado a niveles normales, acompañado de una disminución en el crecimiento de células tumorales in vitro e in vivo, según se informó [15].
El potencial mitocondrial en tres líneas celulares de cáncer humano, 549 (cáncer de pulmón de células no pequeñas); M059K (glioblastoma) y MCF-7 (cáncer de mama), se comparó con el de líneas de células humanas sanas, no cancerosas, células epiteliales pequeñas de las vías respiratorias (SAEC), fibroblastos y células del músculo liso de la arteria pulmonar (PASMC). Todas las líneas de células cancerosas estaban significativamente más polarizadas, con un mayor potencial mitocondrial, en comparación las células normales, medido por el aumento de la fluorescencia del colorante tetrametil rodamina éster metílico TMRM. La inyección a los tres tipos de células cancerosas de dicloroacetato invirtió la hiperpolarización y se mantuvo en el nivel de las células normales después de 48 horas. Pero las células normales no se vieron también afectadas. Los efectos del dicloroacetato sobre el potencial eléctrico mitocondrial se produce rápidamente, en 5 a 10 minutos, dependiendo de la dosis.
La disminución del potencial eléctrico de las mitocondrias inducido por el dicloroacetato fue limitado por un inhibidor de la VDAC ( canal aniónico dependiente de la tensión), lo cual indica que el transporte fuera de las mitocondrias es importante para la respuesta del dicloroacetato. Resulta consiste con esta hipótesis que el dicloroacetato provocó un flujo de factores pro-apoptósicos de la mitocondria, así como un aumento de la producción de especies reactivas del oxígeno (véase más abajo). En las células 549 no tratadas, el citocromo c y el factor de inducción de la apoptosis (AIF) se limita a las mitocondrias. Pero en las células tratadas con dicloroacetato, estaba presente el citocromo en el citoplasma y el AIF (factor de inducción de la apoptosis) se transloca al núcleo, ambos son indicadores de apoptosis.
Por otra parte, el dicloroacetato provoca una mayor oxidación de la glucosa, en un 23%, y de forma concomitante suprime la glucólisis y la oxidación de los ácidos grasos en las células A549. Después de 48 horas de tratamiento con dicloroacetato, el nivel extracelular de lactato se redujo, mientras que el pH aumentó en las células A549 en comparación con las células no tratadas.
Especies reactivas del oxígeno de las mitocondrias y dicloroacetato
Las especies reactivas del oxígeno (ROS) son pequeñas moléculas que contienen oxígeno, siendo más reactivas que el oxígeno molecular común. ROS se producen en la mitocondria como intermediarios en el transporte de electrones [18]
Las mitocondrias son la principal fuente de ROS (especies reactivas al oxígeno)
En el proceso de la fosforilación oxidativa, el oxígeno reduce un electrón a la vez en cada secuencia, de oxígeno superóxido a peróxido de hidrógreno, de aquí al radical hidroxilo y finalmente
agua:
O2 → O2-· → H2O2 → ·OH → H2O
Todos los pasos, excepto el primero y el último presentan un electrón no apareado, y son muy reactivos, en lo que se refiere a las especies reactivas del electrón (ROS). Por lo tanto, la fosforilación oxidativa, inevitablemente, genera ROS como productos intermedios, siendo consideradas las mitocondrias como la principal fuente de ROS, siendo de todas ellas la más importante el anión superóxido, O2-·. Es el precursor de todas las especies de ROS, e in vivo se produce tanto por la acción de las enzimas, como la NADPH oxidasa y la xantina oxidasa, y no por la acción de las enzimas cuando un electrón se transfiere directamente a O2. El anión superóxido adquiere un protón para convertirse en un radical hidroperoxilo ((H O2-·), seguido de una rápida ordenación (dismutación), ya sea espontáneamente o por medio de una reacción catalizada por el superóxido dismutasa (SOD) para producir peróxido de hidrógeno H2O2. El peróxido de hidrógeno es relativamente estable y permeable a la membrana, por lo que se puede difundir dentro de la célula para ser eliminado por los sistemas antioxidantes de la células o en las mitocondrias, tales como la catalasa, glutatión peroxidasa y peroxidasa tiorredoxina.
Hay desacuerdo en cuanto a si normalmente las mitocondrias funcionales exportan ROS [18,19]. Creo que es posible que sólo se produzcan ROS como resultado de la disminución en el transporte de electrones, dando lugar a productos intermedios parcialmente oxidados, porque para eso precisamente están las especies reactivas del oxígeno. El dicloroacetato aumentó la producción de peróxido de hidrógeno ROS ( H2O2) en función de la dosis, desde un 25 % en una concentración 0.05 mM DCA hasta un 35 % en concentraciones de 0.5 mM DCA [14]. Este aumento fue inhibido por la rotenona, lo que sugiere la participación del complejo I de la cadena de transporte de electrones, invirtiendo presumiblemente el transporte de electrones, debido a la acumulación de NADH, otra señal de que el ETC (cadena de transporte de electrones) no funciona normalmente en las células cancerosas. De acuerdo con esta hipótesis, en las mitocondrias aisladas y expuestas al dicloroacetato, se observó un aumento en los niveles de NADH en la mitocondria [19].
Una complicación es que las ROS a niveles inferiores, característica del estrés crónico y la inflamación, es un “segundo mensajero” para la proliferación celular – una predisposición a una transformación maligna-, lo que apoya la idea de que el cáncer es una enfermedad epigenética [2]. Sin embargo, las evidencias que vinculan las ROS mitocondriales, presumiblemente en concentraciones más altas, con la apoptosis son igual de fuertes.
El principal ROS producido en la mitocondria es el H2O2 ( ver recuadro 2). Si no se elimina por el sistema antioxidante de la célula, se puede transformar adicionalmente en radicales hidroxilo (·OH) en presencia de iones metálicos. ·OH es altamente reactivo y dañino [18]. Una amplia gama de daños mitocondriales inducidos por las ROS han sido descritos, tanto en proteínas, lípidos y ADN mitocondrial. Estos daños pueden provocar una catástrofe energética.
Como ha sido descrito por el equipo de Michelakis [14], el principal objetivo de las ROS dentro de la mitocondria es establecer poros de permeabilidad, siendo altamente conductivos en presencia de las ROS, permitiendo que las pequeñas moléculas puedan pasar en ambas direcciones. Pequeñas cantidades de soluto se vierten en la matriz mitocondrial a lo largo de sus gradientes electroquímicos ( desde altas a bajas concentraciones), disipando el potencial electroquímico e induciendo la inflamación de la matriz mitocondrial, produciéndose con el tiempo la ruptura de la membrana externa, liberándose el citocromo c y el factor inductor de la apoptosis (AIF) en el citoplasma, produciendo apoptosis. Las células utilizan una forma especial de autofagia, mitofagia [18], para eliminar selectivamente las mitocondrias defectuosas. El aumento del colágeno ROS lleva a una pérdida del potencial de la membrana mitocondrial, que es un disparador de la mitofagia. Cuando muchos mitocondrias son eliminadas por mitofagia, la apoptosis continúa
El dicloroacetato y cambios electroquímicos
El aumento en la producción de H2O2 en las células cancerosas expuestas al dicloroacetato tiene relación con la activación de los canales de K+ (Kv) en la membrana celular. Michelakis y su equipo mostraron que el tratamiento con dicloroacetato aumenta la corriente de K+ hacia el exterior de forma significativa en todas las células cancerosas, pero no en las células normales [15]. Este aumento de K+ hacia el exterior, acompañado por un incremento en la expresión del canal K+ kv1,5, conduce a la hiperpolarización de la membrana plasmática ( cada vez más negativa), siendo bloqueada por la catalasa intracelular, que descompone el H2O2, y por la rotenona, que inhibe el complejo I que produce H2O2.
Al mismo tiempo, el dicloroacetato disminuye el Ca+ intracelular por inhibición del voltaje en los canales de iones Ca 2+, por lo que las células tratadas con dicloroacetato tenían menor cantidad de Ca 2+ intracelular en comparación con las células no tratadas, la disminución que se produce al cabo de 5 minutos se mantuvo después de 48 de la administración de dicloroacetato. Los efectos sobre los iones Ca 2+ fueron inhibidos por la rotenona e imitado por el H2O2, entre otros.
El dicloroacetato está pensado para disminuir el Ca 2+ intracelular y aumentar la expresión de Kv1.5 inhibiendo el NFAT ( factor nuclear de linfocitos T activados). NFAT se sabe que inhibe la apoptosis y la expresión del canal Kv1.5 en las células del miocardio, y el equipo encontró que esto también se producía en las células cancerosas. El aumento del Ca 2+ intracelular activa la calceneurina, que desfoforila el NFAT, lo que permite que se trasladen al núcleo donde regula la transcripción de genes. La activación del canal Kv 1.5 inducida por el dicloroacetato conduce a la hiperpolarización de la membrana celular, inhibiendo la tensión en los canales Ca 2+, bloqueando por tanto el aumento intracelular de iones Ca 2+ y la inhibición del NFAT ( factor nuclear de linfocitos T activados).
El dicloroacetato y la apoptosis
Michelakis y sus colegas encontraron que el dicloroacetato produjo un aumento de la expresión de anexina, activación de la caspasa 3 y 9 y aproximadamente un incremento 6 veces mayor en los núcleos de TUNEL positivo en las células A549. TUNEL ( Terminal Transferase dUTP Nick End Labeling) es un método para detección de la fragmentación del ADN, el sello distintivo de la apoptosis, mediante el estudio de los extremos fragmentados de los ácidos nucleicos.
El dicloroacetato elimina las células que se reproducen mediante la inducción de la apoptosis y por la disminución de los niveles intracelulares de Ca 2+. También disminuye la proliferación celular, medida por la incorporación de BrdU (bromodesoxiuridina), y la expresión del antígeno de proliferación celular (PCNA). Además, el dicloroacetato disminuyó la expresión de survivina, un indicador mitótico.
El dicloroacetato induce la apoptosis de las células cancerosas por dos vías: una, en la mitocondria, donde la despolarización activa la apoptosis dependiente de la mitocondria; la otra, en la membrana celular, donde la regulación positiva de los canales Kv1.5 disminuye los iones K+, por la activación de las caspasas. El componente mitocondrial se cree que es más importante, ya que los otros factores y manipulaciones para liberar los componentes citoplasmáticos de apoptosis no se tradujeron en una apoptosis inducida por el dicloroacetato.
Estos hallazgos, además de demostrar la capacidad del dicloroacetato para reducir el tamaño de los injertos tumorales humanos en los ratones y de los glioblastomas en los seres humanos [16], son compatibles con la hipótesis de Warburg: que el cáncer es una enfermedad que implica un mal funcionamiento mitocondrial, pero quizás no en su forma original, tal como pensaba Warburg, de que las mitocondrias quedaban totalmente inactivas.
Desequilibrio redox en las células cancerosas
No se ha prestado mucha atención al estado electrónico de la célula o de sus orgánulos hasta hace muy poco tiempo, cuando estuvieron disponibles los colorante sensibles al voltaje. Esto hizo más fácil medir el potencial eléctrico de las células y orgánulos. Como resultado, los investigadores descubrieron que el potencial eléctrico de la célula determina sus estados vitales, la dividión celular y la formación de patrones de diferenciación, la regeneración y el cáncer ( véase [20] Membrane Potential Rules, SiS 52). Esto está plenamente de acuerdo con la naturaleza electro-dinámica cuántica de la vida [10, 11].
En realidad, es algo conocido desde la década de 1950 midiendo el potencial de la membrana celular, con microelectrodos, potencial que varía a lo largo del ciclo celular [21]. Los tipos de células con muy alto potencial de reposo, como las células musculares y las neuronas muestran poca o ninguna tendencia a dividirse, mientras que una disminución en el potencial de membrana se traduce en una transformación maligna. En la década de 1970, Clarence D. Cone Jr. indujo la síntesis de ADN y la mitosis en las neuronas totalmente diferenciadas del sistema nervioso central, utilizando una variedad de agentes que despolarizaban la membrana celular ( haciéndola menos negativa) [22]. En la década de 1990, las mediciones eléctricas de los potenciales en diferentes partes de la piel sobre tumores malignos de la mama dieron unas lecturas electropositivas, que se correlacionan con una mayor despolarización en el potencial de la membrana de las células cancerosas y los tejidos en comparación con las células normales o las células no cancerosas [23].
El otro signo de desequilibrio redox conocido en las células cancerosas es el de la hiperpolarización en las mitocondrias ( ver recuadro 1).
Se han realizado pruebas adicionales por medición directa de los estados redox. Los pares redox de la célula son NADH / NAD + (nicotinamida adenina dinucleótido), NADPH / NADP + (nicotinamida adenina dinucleótido) y GSH/GSSG (glutatión). La proporción en la reducción a formas oxidadas refleja el estado redox de la célula. Por ejemplo, bajo condiciones no sometidas a estrés en un cultivo de astrocitos ( células cerebrales que controlan el flujo sanguíneo a las neuronas), el par NADH / NAD + es predominante en el estado oxidado que acepta electrones producidos durante la glucólisis en la reacción del gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) (ver figura 1). En contraste, el par redox NADPH / NADP + se mantiene en un estado más reducido para proporcionar electrones a la biosíntesis reductora, mientras que la concentración de GSH supera por mucho a la de GSSG, para realizar una labor de antioxidación eficaz. Estas relaciones de los pares redox en los astrocitos son similares a los reportados en el cerebro [24] y están íntimamente ligados con el metabolismo y funcionamiento celular.
La tiorredoxina – una clase de pequeñas proteínas redox presentes en todos los organismos, que actúan como antioxidantes con funciones de señalización redox – se cree que integran el estado general redox de la célula y son esenciales para la vida en los mamíferos [25]. Los investigadores de la Escuela de Medicina y Salud pública de la Universidad de Wisconsin, en Madison, Estados Unidos, examinaron los niveles de proteínas y cambios redox de la tiorredoxina 1 (Trx1) en células de cultivo humanas [26] y en tejidos de la próstata. Se encontró una cantidad cuatro veces mayor de la proteína Trx 1 en el núcleo de las células cancerosas en comparación con los controles llevados a cabo en células normales, lo cual se correlaciona con la progresión del cáncer. La proteína también se incrementó alrededor de 2 veces en el citoplasma. A pesar del aumento de los niveles de proteína, las formas oxidadas de Trx 1 nuclear fueron mayores en las líneas de células cancerosas de próstata en comparación con sus contrapartes benignas, lo que sugiere que el desequilibrio nuclear redox se produjo de forma selectiva en las células cancerosas.
Trx1 tiene una función específica en la modulación de señalización redox, con distintas agrupaciones nucleares y citoplasmáticas, cada una realizando diferentes funciones. En el núcleo, Trx1 interactúa con ciertos factores de transcripción para regular su enlace al ADN; estos incluyen la p53 (respuesta de apoptosis ), factor nuclear κB (NF-κB, participa en la respuesta inflamatoria) y como factor nuclear 2 (Nrf2, participa en la respuesta antioxidante). En el citoplasma, Trx1 puede regular la apoptosis mediante la señal de regulación de las quinasas. Trx 1 también se conoce porque se puede trasladar desde el citoplasma hasta el núcleo en respuesta a un estrés oxidativo. La oxidación selectiva de Trx 1 puede ocurrir y se ha detectado tanto en el núcleo como en el citoplasma en respuesta a los cambios celulares redox. Un aumento de la expresión de la proteína Trx 1 se ha detectado en tejidos cancerosos y líneas de células cancerosas, y un aumento en la expresión de Trx 1 se ha asociado con un mayor grado de desarrollo del tumor e implica la resistencia de las células tumorales a ciertas quimioterapias y agentes generadores de ROS.
Para concluir
Surge la evidencia de que las células cancerosas se oxidan más de lo normal; no tienen suficientes electrones. Esto es consistente con otros indicios de que el cáncer es una enfermedad redox, un estado de desequilibrio de electrones. La prevención y una terapia racional debiera comenzar por aquí.
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