Faktory ovlivňující vznik a rozvoj nádorů Životní prostředí a životní styl Výživa – složky potravy Lipidové složky výživy – vysoce nenasycené mastné kyseliny (VNMK) VNMK a nádorová onemocnění Molekulární mechanismy působení VNMK Metabolismus VNMK – eikosanoidy Změny lipidů a jejich metabolismu při vývoji nádorů Praktické aspekty – klinika Faktory ovlivňující vznik a rozvoj nádorů Anand P et al., Pharmaceut Res 2008 Úloha genů a prostředí ve vývoji nádorů Geny spojené s rizikem různých typů nádorů Anand P et al., Pharmaceut Res 2008 Typy nádorů spojované s konzumací alkoholu a kouřením Anand P et al., Pharmaceut Res 2008 Různé typy nádorů spojené s infekcí Anand P et al., Pharmaceut Res 2008 Různé typy nádorů spojené s environmentálními karcinogeny Anand P et al., Pharmaceut Res 2008 Různé typy nádorů spojené s obezitou Anand P et al., Pharmaceut Res 2008 Anand P. et al., Pharmaceutical Research 2008 Vznik a rozvoj nádorů genetické faktory + faktory vnějšího prostředí Bioaktivní složky potravy ovlivňují genetické a epigenetické děje spojené se vznikem různých patologických procesů Trujillo E., J Amer Diet Assoc., 106, 2006 ??Podíl výživy stále diskutován??? Ovoce, zelenina, koření a cerealie působící protinádorově Faktory životního prostředí a životního stylu Faktory ovlivňující přeměnu zdravé buňky v nádorovou v průběhu let 12 13 Kouření a nádory plic Potraviny, výživa a fyzická aktivita v prevenci nádorů 14 • Nekuřte • Pravidelně cvičte • Nebuďte sexuálně promiskuitní • Vyvarujte se dlouhému pobytu na přímém slunci • Vyvarujte se rizika hepatitidy B a C 15 Rady pro snížení rizika vzniku nádorů Reálné cíle pro snížení mortality na nádorová onemocnění Snížení úmrtnosti zahrnuje zejména změnu životního stylu: • omezení kouření a podporu zdravé výživy a fyzické aktivity 17 Strategie minimalizace rizika vzniku onemocnění •Fyzická aktivita •relaxace, „mír na duši“ •snížení stresu •žádné kouření •správná výživa 17 • zvýšený přísun kalorií (snížený) výdej • vysoký obsah tuků • nerovnováha v lipidovém metabolismu Negenetické příčiny vzniku kardiovaskulárních a nádorových onemocnění Zvýšení a snížení rizika onemocnění hraje roli v karcinogenezi řadou různých mechanizmů. Je prokázáno, že vysoký příjem kalorií a tvorba tukových zásob je rizikovým faktorem. Příjem, absorpce a metabolismus velkého množství potravy vyžaduje oxidativní metabolismus a produkuje více reaktivních kyslíkových radikálů, které poškozují DNA. Ukázalo se, že příjem tuků může zvyšovat riziko nádorů. Epidemiologické studie předpokládají pozitivní korelaci mezi příjmem tuků a nádory prsu, kolonu a prostaty. Navzdory dlouhé historie studií tuků a nádorů, zůstává řada protikladů. Ukazuje se, že nejen kvantita, ale i kvalita hraje důležitou roli a že se zde uplatňují i tuky rostlinné, zejména esenciální vysoce nenasycené mastné kyseliny (PUFAs) typu n-3, n-6, olivový olej atd. 18 Výživa – složení potravy Relativní procento různých mastných kyselin v potravě a změny v průběhu vývoje lidské populace od lovců sběračů, zemědělskou společnost a společnost po průmyslové revoluci !!! Simopoulos AP, Exp Biol Med 2008 Stover PJ and Caudill MA J Am Diet Assoc 2008 Interakce živin a genomu Nutrigenetika vliv genetických variant na požadavek, utilizaci, toleranci a metabolismus živin vs. Nutrigenomika modulační úloha živin na evoluci genomu, frekvenci mutací, in-utero viabilitu Nutrigenomika zpětně ovlivňuje genetické variace pozorované v různých lidských populacích Genomics + proteomics = cytomics Metabolomics Lipidomics vědecké směry od mapování vnitřního spektra lipidů v biologických systémech k popisu funkce a metabolismu jednotlivých lipidů. Nutrigenomics Pharmacogenomics Transcriptomics 21 „OMICS“ Genetické polymorfismy posouvají rovnováhu mezi příjmem a výdejem energie. Vyšší příjem energie, nízký poměr nenasycené/nasycené tuky, inzulinová resistence, a sedavý životní styl jsou rizikovými faktory vedoucími k obezitě a chronickým onemocněním (srdeční choroby, diabetes a nádory). To je vyvažováno fyzickou aktivitou a dietou bohatou na celá zrna, ovoce, zeleninu, sóju atd., která snižuje riziko těchto chorob. Nerovnováha mezi příjmem a výdejem energie ve vztahu k obezitě a chronickým onemocněním Trujillo E., J Amer Diet Assoc., 106, 2006 Imbalance v lipidovém metabolismu hraje roli u mnoha závažných onemocnění Vysoká hladina cholesterolu je spojena s kardiovaskulárními chorobami, které jsou nejčastější příčinou úmrtí v populaci. Lipidy produkované buňkami imunitního systému jsou zahrnuty v zánětlivých onemocněních jako je revmatoidní artritida, sepse, astma, zánětlivé onemocnění střeva. Změny lipidů hrají úlohu také v neurodegenerativních a psychických onemocněních (Alzheimerova choroba, deprese, hyperaktivita, schizofrenie apod.) Lipidy a jejich metabolismus se uplatňují též při vzniku a rozvoji nádorových onemocněních. Zdraví - výživa – lipidy Lipidové složky výživy – vysoce nenasycené mastné kyseliny (VNMK) Více, nežli jen zdroj energie!!!! •strukturální a regulační úloha •dopad na fyziologické funkce organizmu •účinky na imunitní systém •regulace proliferace, diferenciace a apoptózy úloha v karcinogenezi (etiologie nádorů tlustého střeva, prostaty, prsu) 24 Lipidy Orešič M. et al. Trends in Biotechnology 2008 Mediátory a modulátory vnitrobun. signalizační sítě Metabolická rovnováha Zásobárna energie Různá biologická úloha lipidů TUKY (lipidy) NEJSOU POUZE ZDROJ ENERGIE !!! Strukturální a regulační úloha s významným dopadem na fyziologické funkce organismu Úloha v patofyziologii - nádory Aktivita proteinů (přenašečů, receptorů) ODPOVĚĎ a CHOVÁNÍ BUNĚK živočišné a rostlinné Mastné kyseliny s krátkým řetězcem – 6-12 C (SCFA) • kys. máselná • kys. propionová nasycené – 12 a více C • kys. palmitová • kys. stearová mononenasycené – 16 a 18 C, 1 dvojná vazba • kys. palmitoolejová • kys. olejová polynenasycené (PUFA) – 18 a více C, 2 a více dvojných vazeb • kys linoleová • kys. alfa-linolenová – esenciální MK 26 Zdroje tuků (Polyunsaturated fatty acids - PUFAs) - mastné kyseliny s 18 a více uhlíky a 2 i více dvojnými vazbami. Tři hlavní skupiny: n-3 (ω-3), n-6 (ω-6) a n-9, podle polohy dvojné vazby nejbližší ke koncovému metylovanému uhlíku. Tyto jsou metabolizovány stejným způsobem alternativními desaturačními a elongačními enzymy. Nomenklatura: Např. kyselina arachidonová - 20:4, n-6 20 - počet uhlíků 4 - počet konjugovaných dvojných vazeb n-6 - poloha první dvojné vazby od metylovaného konce molekuly Téměř všechny dvojné vazby jsou ve víceméně stabilní cis - konfiguraci. 27 Vysoce nenasycené mastné kyseliny - VNMK Struktura výchozích esenciálních mastných kyselin Kys. linoleová (n-6) a alfa-linolenová (n-3) 28 rostl.oleje Řada n-6 a n-3 v záp dietě až 20:1 (1:1) rybí oleje plankton, řasy) Esenciální vícenenasycené mastné kyseliny (VNMK) 18 a více uhlíků 2 a více dvojných vazeb Savci je nedovedou syntetizovat Příjem v potravě Kys. linolová (18:2, ω-6) kyselina arachidonová (AA, 20:4), rostlinné oleje zdroj eikosanoidů (prostaglandiny, leukotrieny) význam u různých nádorů. V experimentálních systémech často podpůrný účinek pro vznik a rozvoj nádorů Kys. alfa-linolenová (18:3, ω-3) kys. eikosapentaenová (20:5) a dokosahexaenová (22:6) z rybích a některých rostl. olejů (pupalka, len, rakytník) V experimentálních systémech často inhibiční účinek pro vznik a rozvoj nádorů Důležitý je poměr n-3: n-6 VNMK!!! Živočichové nedovedou syntetizovat n-3 a n-6 PUFAs de novo ani nedovedou přeměnit jednu sérii v druhou. Tyto esenciální mastné kyseliny musí být obsaženy v potravě podobně jako vitamíny. Jsou životně důležité jako složka všech membrán a permeabilní bariéry pokožky a jako prekursory eikosanoidů a s nimi souvisejících látek, které hrají důležitou regulační úlohu ve tkáních. Zdrojem jsou rostlinné oleje (n-6 PUFA) a rybí olej (n-3 PUFA) Tuky z potravy ovlivňují počátek a rozvoj řady onemocnění včetně nádorových. Existují v zásadně dvě úrovně ovlivnění: • změny složení mastných kyselin (MK) v buněčných membránách • přímá kontrola procesů v jádře na úrovni transkripce genů n-3 a n-6 PUFA jsou metabolicky i funkčně odlišné. Jejich rovnováha je důležitá pro homeostázu a normální vývoj. Efekty jsou pleiotropní. 31 Zatímco proteiny jsou geneticky determinovány, složení buněčné membrány s ohledem na lipidy (a tím i řada buněčných funkcí jako je aktivita membránových enzymů a přenašečů, vazba hormonů, mechanismy signálové transdukce) je z velké části závislé na příjmu z potravy. n-3 a n-6 PUFA mohou účinně a přímo řídit transkripci specifických genů (např. geny kódující lipogenní proteiny, delta desaturázy atd.). Tak může příznivý a nepříznivý účinek tuků na různé choroby zahrnovat kombinaci interaktivních regulačních mechanismů: •akutní, rychlá a přímá regulace exprese genů •dlouhodobá adaptivní modulace složení membrán, která může přímo ovlivnit příjem a přenos signálů hormonů, cytokinů, produkci eikosanoidů apod. Během průmyslové revoluce se drasticky poměr n-6:n-3 PUFA. V tzv. západní dietě je dnes místo 1:1 až 10-25:1. 32 Lipidové složky funfují spolu s cytokiny a hormony jako intra- i intercelulární mediátory a modulátory buněčné signalizační sítě Poměr obsahu n-6 a n-3 esenciálních vysoce nenasycených mastných kyselin (VNMK) ovlivňuje vlastnosti membrán, zejména jejich fluiditu a produkci látek vznikajících hydrolýzou membránových fosfolipidů. Tyto změny pak ovlivňují vazbu cytokinů, aktivitu receptorů i funkci na membránu vázaných signálních molekul (G proteinů, fosfolipáz atd.). 33 Interakce s cytokiny a hormony Nádory tlustého střeva Hou TY et al, Annu Rev Nutr 2016 Účinky složek diety – podpora nebo prevence nádorů kolonu Interakce s DNA – mutace-nádory střeva Podpora poškození střeva – hyperproliferace Změny složení střevní mikroflóry podporující transformaci Suprese zánětu Inhibice nádorové migrace a metastáz Prospěšné změny mikrobiomu Suprese angiogeneze Hagland HR and Soreide K, Cancer Letters 2015 Potenciální faktory spojené s obezitou, zánětem a nádory kolonu Faktory ovlivňující zdraví střevních buněk M. R. Redinbo J Mol Biol 2014 STRAVA LÉČIVA ZÁNĚT (chronický) Crohnova choroba Ulcerativní kolitida Kardiovaskulární onemocnění Diabetes VÝŽIVA OBEZITA Játra Žluč VYLUČOVÁNÍ STŘEVO Hou TY et al, Annu Rev Nutr 2016 Různé cesty dodání dietetických bioaktivních složek ke kolonocytům VNMK se dostávají ke kolonocytům a dalším typů buněk krevním řečištěm po digesci a absorpci v tenkém střevě. V kolonu jsou inkorporovány do PL plasmatické membrány. Kurkumin je obtížně biodostupný a je importován do kolonu intaktní – vmezeřuje se mezi PL v membráně Pektin není stravitelný lidskými enzymy, je transportován do kolonu, kde je bakteriemi fermentován na SCFA, zejména butyrát, který je rychle spotřebováván kolonocyty. Siriwardhana N. et al., J Nutr Biochem 2013 VLIV SLOŽEK VÝŽIVY NA FUNKCE TUKOVÉ TKÁNĚ Obezita vede k hypertrofii tukových buněk a zvýšené produkci prozánětlivých faktorů (adipokinů), ovlivňuje imunitní buňky Ochranné faktory Polyfenoly, n-3 nenasycené MK (PUFA), mononenasycené MK (MUFA) a konjugovaná kys. linoleová (CLA) zvyšují lipolýzu, oxidaci MK a zabraňují lipogenezi Ve všech stádiích rozvoje karcinomu se mohou uplatňovat bioaktivní složky potravy ve smyslu stimulace či zástavy progrese jednotlivých stádií Tammarielo AE and Milner JA J Nutr Biochem 21:77, 2010 Vývoj nádoru provázejí změny biochemických a metabolických drah odrážející se ve změnách proliferace, diferenciace a apoptózy buněk. Chemopreventivní látky Využívány na základě znalosti mechanismů Rozvoj nádorů kolonu Multifaktoriální a komplexní etiologie - Genetické změny, životní styl, výživa MASTNÉ KYSELINY S KRÁTKÝM ŘETĚZCEM Anaerobní mikrobiální fermentace VLÁKNINY Fyziologický význam pro zdravou střevní tkáň Psyllium Normální kolonocyty Nádorové buňky kolonu ● zdroj energie → zvýšená proliferace → pokles apoptózy ● snížená proliferace ● indukce diferenciace ● indukce apoptózy ● změny genové exprese inhibitor histondeacetyláz Butyrát sodný Prevence a terapie NÁDORŮ TLUSTÉHO STŘEVA ??? Specifické působení na VLÁKNINA – MK s krátkým řetězcem Předpokládané mechanismy účinku butyrátu ►inhibice histondeacetyláz - acetylace histonů – ovlivnění exprese genů (regulace buněčného cyklu, diferenciace, apoptózy) ► modulace specifických signálních drah (PI3K/Akt, ERK1/2, p38) a transkripčních faktorů (NFkB, PPAR) ► ovlivnění oxidativního metabolismu (zejména oxid/antiox enzymy ► ovlivnění mitochondrií, Bcl-2 rodina, kaspázy ► indukce antimetastatických genů (suprese matrix metaloproteináz, FAK, indukce E-kadherinu) Hagland HR and Soreide K, Cancer Letters 2015 Komplexní interakce mezi délkou života, expozicí danými faktory a důsledky spojenými s rozvojem nádorů kolonu Hledání potenciálních biomarkerů nebo rizikových mediátorů příklad: signální dráha mTOR (Target Of Rapamycin) –spojená s energ. metabolismem Mechanismy působení VNMK mRNA RE proteiny inhibice (NSAID) membránové fosfolipidy jaderné receptory transkripční faktory (NFkB, PPAR, AP-1...) signální kaskáda m. fluidita lipidové rafty PUFA vnitrobuněčné funkce membránové fosfolipidy SIGNÁL (např. cytokiny) sekrece inserce n-6 PUFA LA, AA n-3 PUFA LNA. DHA Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) eikosanoidy LOX COXP450 kyselina arachidonová ROS lipidová peroxidace genová exprese DNA Složky lipidového metabolismu v buněčných signalizacích Mediátory a modulátoryBiofyzikální vlastnosti membrán Lipidový metabolismus Aktivace fosfolipáz Uvolňování a metabolizace AA eikosanoidy Oxidativní metabolismus Transdukce signálů (kinázy, fosfatázy) Aktivace membrán. i vnitrobun. receptorů – tr. faktorů Exprese proteinů Exprese genů - mRNA Změny cytokinetiky interakce ligand-receptor NOS PKC, ERK, p38 PI3K/Akt 45 ● vlastnosti buněčných membrán ● produkce protizánětlivých látek ● oxidativní metabolimus ● přenos buněčných signálů (uvnitř i mezi buňkami) ● metabolismus estrogenů ● metabolismus insulinu ● ovlivnění novotvorby cév (angiogeneze) ● antimetastatické účinky MOŽNÉ MECHANISMY PŮSOBENÍ n-3/n-6 VNMK BUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ ÚROVEŇ VNMK se vestavují do fosfolipidů buněčných membrán, po příslušných podnětech jsou uvolňovány fosfolipázou A2 a metabolizovány za účasti COX a LOX enzymů na různé typy eikosanoidů (prostaglandiny, leukotrieny) Buněčná membrána •provázejí procesy diferenciace a apoptózy savčích buněk •souvisejí do značné míry s modulacemi ve složení, struktuře, symetrii a metabolismu buněčných lipidů. •pozorovány rozdíly u • nádorových a normálních buněk • nádorových buněk senzitivních a rezistentních k cytostatikám 48 Změny biofyzikálních vlastností buněčných membrán Pietzsch J et al., Nature Reviews, October 2004 Základní model fluidní mozaikovité struktury buněčné membrány malé oblasti proteinů a lipidů v membráně s unikátním složením lipidů, bohaté na cholesterol a sfingolipidy. Tyto struktury jsou funkčně zahrnuty v kompartmentalizaci, modulaci a integraci buněčných signálů a tak modulují důležité procesy jako buněčný růst, přežití a adhezi. VNMK jsou základní složkou lipidových raftů a předpokládá se, že např. DHA může částečně působit zvýšením fázové separace lipidů v membráně. Strukturální integrita LR a caveolae jsou základní pro příjem VNMK. Caveolin-1 a FAT/CD36 jsou vázány v LR 49 Lipidové membránové mikrodomény - rafty Lipidové rafty – atomový skenovací mikroskop Lodish, Molecular Cell Biology, 5th ed. 2004 Bjeloribi-Djefaflia S, Oncogenesis 2016 Lipidové rafty jako platforma pro buněčné signálování MK vázány na albumin v séru Přenos přes membránu difúzí nebo pomocí specifických transportních proteinů (FATPs). Vazba na specifické vazebné proteiny (FABP), přenos na Ascl proteiny katalyzující reakci konvertující volné MK na jejich CoA deriváty. Marszalek JR and Lodish HF, Annual Rev Cell Dev Biol 2005 Transport MK do buňky Různé modely: • Jednoduchá difúze • CD36 (88kDa) a FABPpm (plasma membrane-associated fatty acid-binding protein (43kDa) vážou MK na povrchu, zvyšují lokální konc. a usnadňují tak difúzi • aktivní transport pomocí CD36 • Uvnitř buněk se MK vážou na cytoplasmatické vazebné proteiny (FABPc) před vstupem do metabolických či signálních drah • Malá část MK je transportována FABP a rychle aktivována membránovými acyl-CoA synthetázami (ACS1) a tvoří estery acyl-CoA . • MK s dlouhým řetězcem > C22) jsou transportovány preferenčně a přímo konvertovány na estery acyl-CoA s velmi dlouhým řetězcem Transport MK přes cytoplasmatickou membránu Schwenk RW Prostagl Leuk Ess Fatty A 2010 54 Koncentrace mastných kyselin za fyziologických podmínek Kvantitativní srovnání přítomnosti albuminu v mimobuněčném prostoru, fatty-acid binding proteins (FABPc) v cytoplasmě a koncentrace mastných kyselin za fyziologických podmínek. Albumin (3-6 vazebných míst pro MK) a FABPc (9 typů) vytvářejí prostředí pro extrémně nízké konc. MK s dlouhým řetězcem. Schwenk RW Prostagl Leuk Ess Fatty A 2010 Protein v plasmatické (mitochondriální?) membráně CD36 – multifunkční adhezní receptor pro trombospodin a colagen a scavenger receptor pro LDL exprimovaný na plateletech, monocytech ale i jiných typech buněk. Nově prokázána funkce při transportu VNMK i jeho přítomnost v buňkách gastrointestinálního traktu (Lobo MVT et al., J Histochem Cytochem 2001, Campbell SE et al, J Biol Chem 2004, Drover VA, J Clin Invest 2005) 55 Translokáza mastných kyselin - FAT/CD36 (fatty acid translocase) Martin S. and Parton RG, Nature Rev 7, 2006 Tvorba LDs v endoplasmatickém retikulu Při nadbytku MK se syntetizují neutrální lipidy v membráně endopl. retikula (ER). Zralé LD se odštěpují z ER membrány a tvoří samostatné organely ohraničené monovrstvou fosfolipidů a spojené se specifickými proteiny. Rodina PAT proteinů (perilipin, ADRP, TIP-47). vznik „lipid droplets, lipid bodies“ •akumulace lipidových kapének (lipid droplets, LD) v cytoplazmě buněk (působení lipidových látek, indukce diferenciace a apoptózy ) •obsahují neutrální lipidy (obvykle triacylglyceroly nebo estery cholesterolu), obklopeny monovrstvou fosfolipidů za normálních podmínek - zásobárna energie a cholesterolu •důležité pro udržení homeostázy lipidů, pro lipidový metabolismus a signálování •souvislost s regulací procesů diferenciace a apoptózy není zcela objasněna •citlivé vitální barvení lipidových kapének •fluorescenční barvivo Nile Red (flow cytometrie)nebo BODIPY 493/503 (fluoresc. mikroskopie) 57 Akumulace lipidů v cytoplazmě Funkce LD a důležité proteiny s nimi spojené Bozza P et al., BBA 1794:540, 2009 Akumulace LD v cytoplasmě buněk kolonu po přidání kyseliny arachidonové (AA) Moreira LS, Biochim Biophys Acta 2009 59 Kolokalizace LD s cPLA2 a uvolňování AA u kolonových buněk po působení kyseliny olejové 60Moreira LS, Biochim Biophys Acta 2009 Metabolismus VNMK eikosanoidy 61 Metabolizace n-6 a n-3 VNMK N-6 a n-3 VNMK soutěží o stejné enzymy (desaturázy a elongázy). 20C VNMK (DGLA, AA, EPA, DHA) jsou prekursory pro tvorbu různých typů eikosanoidů (prostaglandiny, leukotrieny, tromboxany) – soutěž o stejné enzymy (cyklooxygenázy, lipoxygenázy) Enzym účastnící se lipidového metabolismu, důležitý pro řadu buněčných procesů. Tři skupiny: •sekretovaná PLA2 (sPLA2), •na vápníku nezávislá PLA2 (iPLA2), •na vápníku závislá cytosolová PLA2 (cPLA2). Kromě úlohy v buněčném signálování souvisejí PLA2 s různými patologickými stavy, včetně zánětu, tkáňové reparace a nádorů. U řady nádorů jsou hladiny sPLA2 a cPLA2 zvýšeny. PLA2 jsou také cílem protinádorové terapie 63 Fosfolipáza A2 64 Laye JP and Gill JH, Drug Discovery Today 2003 PLA2 odštěpuje VNMK z sn-2 pozice fosfolipidů v membráně Uvolňování VNMK z fosfolipidů Prozánětlivé cytokiny indukují expresi sPLA2. Aktivační faktory uvolňují sPLA2 ze sekrečních granul do ECM. Za přítomnosti Ca2+ sPLA2 hydrolyzuje membránové fosfolipidy sousedních buněk. Uvolnění AA a následná tvorba eikosanoidů indukuje zánět. Laye JP and Gill JH, Drug Discovery Today 2003 sPLA2 v zánětlivé odpovědi Brglez V. et al Biochimie 2014 Různé mechanismy působení sPLA2 v karcinogenezi Prozánětlivé cytokiny indukují expresi cPLA2. Následuje fosforylace zprostředkovaná MAP kinázami. Ca2+ způsobuje translokaci cPLA2 z cytosolu do perinukleární membrány, kde je také její substrát a enzymy nutné k tvorbě eikosanoidů. Aktivovaná cPLA2 lyzuje membránové fosfolipidy a uvolňuje AA, která je metabolizovaná COX a LOX. Laye JP and Gill JH, Drug Discovery Today 2003 Aktivace cPLA2 Model konstitutivní overexprese cPLA2 a COX-2 u nádorových buněk Laye JP and Gill JH, Drug Discovery Today 2003 PŘEHLED LIPIDOVÝCH MEDIÁTORŮ INKORPORACE A UVOLŇOVÁNÍ VNMK Z MEMBRÁNOVÝCH FOSFOLIPIDŮ ► odráží složení a obsah VNMK v dietě ► n-6 a n-3 VNMK soutěží o stejné pozice ve fosfolipidech ► soutěží o stejné metabolizující enzymy Lysofosfolipidy Důležité signální molekuly Syntéza eikosanoidů a jejich vazba na receptory spřažené s G proteiny COX-2 i 5-LPO stimulují buněčnou proliferaci, inhibují apoptózu a indukují neoangiogenezi Romano M and Claria J., FASEB J 17, 2003:1986-1995 Cyklooxygenázové dráhy kyselina arachidonová COX-1 COX-2 •endotoxin •cytokiny •mitogeny glukokortikoidy selektivní inhibitory COX-2 (coxiby – nimesulid, celecoxib) •žaludek •střevo •ledviny •krevní destičky konstitutivní indukovatelná aktivace inhibice 72 místa zánětu: •makrofágy •synoviální buňky neselektivní inhibitory COX-1 i COX-2 (NSAIDs – ibuprofen,indometacin, aspirin) COX-2 je nadměrně exprimována u 40-90% kolorektálních adenomů a u 90% adenokarcinomů 73Renehan A.G. Et al., Colorectal Disease 4, 2002:76-89 74 Zvýšená exprese COX-2 u nádorů Zvýšená exprese COX-2 u řady buněčných typů – makrofágy, fibroblasty, osteoblasty, endoteliální b. – podporuje růst nádoru řadou mechanismů: PGs závislé na COX-2 stimulují •vnitrobuněčné receptory (intrakrinní mechanismus), •PG receptory (autokrinní mechanismus) a •PG receptory jiných buněk endoteliální b. – proangiogenní efekty (parakrinní mechanismus) Komunikace mezi různými typy buněk se zvýšenou expresí COX-2 podporuje karcinogenezi Gasparini G. Et al. The Lancet 4, 2003:605-615 Pidgeon GP et al Cancer Metastasis Rev, 503, 2007 Úloha lipoxygenáz (LOX) v rozvoji nádorů Rovnováha v produkci různých isoforem LOX (pro- i protinádorově působících) a jejich biologická aktivita rozhoduje o vývoji nádorů. Pidgeon GP et al Cancer Metastasis Rev, 503, 2007 Metabolismus LOX podporuje průchod buněk buněčným cyklem 12- a 15-LOX a jejich metabolity podporují průchod nádorových buněk buněčným cyklem. Jejich inhibice způsobuje zástavu buněčnou cyklu následovanou obvykle apoptózou. Hlavní molekulární cíle COX-2 a NSAIDs •Řada nádorů má změněný metabolismus VNMK a produkuje zvýšené množství jejich metabolitů – zejména z n-6 typu. •Úroveň exprese jednotlivých typů enzymů (COX1, COX2, 5-, 12- 15LOX, FLAP, P450) se liší podle typu a histologického stupně nádoru •Mitogenní a viabilitní faktory (EGF, HGF atd.) a prozánětlivé cytokiny (TNF-a, IL-1) indukují uvolňování AA a tvorbu eikosanoidů, které slouží jako přenašeče nebo modulátory signálů regulujících proliferaci a apoptózu •Nesteroidní antiflogistika (NSAID - aspirin, sulindac, indometacin, ibuprofen , piroxicam) inhibují aktivitu COX a mají preventivní a terapeutické účinky na rozvoj nádorů, zejména kolonu. Využití selektivních inhibitorů COX2 (inducibilní) - coxiby 79 Účinky inhibice cyklooxygenáz a lipoxygenáz na nádorové buněčné populace • NSAID - snižují proliferaci a indukují apoptózu mechanizmy závislými i nezásvislými na aktivitě COX • Účinky mohou být přímé nebo nepřímé - zprotředkované např. změnami aktivity imunitního systému (liší se účinky v systémech in vitro a in vivo) • Inhibitory LOX (NDGA, esculetin, MK-886) inhibují proliferaci a indukují apoptózu řady nádorových línií • Produkty 5-LOX fungují jako „second messengers“ řady růstových a viabilitních faktorů • Produkty 12-LOX se uplatňují v procesu invaze a tvorby metastáz - ovlivnění exprese proteáz, adhezívních molekul využití inhibitorů 80 PG a LT zprostředkovávají interakci mezi nádorovými buňkami a buňkami imunitního systému Wang D, DuBois RN, Nature Rev Cancer 2010 Wang D, DuBois RN, Nature Rev Cancer 2010 Model prozánětlivých PG a LT v podpoře nádorové progrese Indukce proliferace, přežívání, migrace a invaze nádorových epiteliálních buněk Wang D, DuBois RN, Nature Rev Cancer 2010 PGE2 a LTB4 podporují progresi nádoru Účinky a molekulární mechanismy působení n-3 VNMK Dumas JF, Seminars in Cancer Biology 2017 Předpokládané protizánětlivé a protinádorové účinky n-3 VNMK zahrnují • změny vlastností buněčných membrán (fluidita, lipidové rafty) • suprese biosyntézy eikosanoidů odvozených od AA – změna imunitní odpovědi a modulace zánětu, proliferace, apoptózy, tvorby metastáz a angiogeneze •ovlivnění signálové transdukce, aktivity transkripčních faktorů (NFκB, PPARγ) a genové exprese – změny metabolismu, buněčného růstu a diferenciace •změny metabolismu estrogenů – redukce estrogeny stimulovaného růstu •zvýšená nebo snížená produkce volných radikálů (kyslíku, dusíku) •mechanismy zahrnující citlivost k insulinu Molekulární mechanismy působení n-3 VNMK Serhan CN and Chiang N, Br J Pharmacol 2008 Resolviny a neuroprotektiny 87 Nové lipidové mediátory odvozené od n-3 VNMK Produkce a struktura mediátorů odvozených od DHA D resolviny D Neuroprotektiny Serhan CN and Chiang N, Br J Pharmacol 2008 Produkce a struktura mediátorů odvozených od EPA 89Serhan CN and Chiang N, Br J Pharmacol 2008 Hammamieh R, Breast Cancer Res Treat 2007, 101:7 Rozdílné účinky omega-3 a omega-6 VNMK na genovou expresi nádorových buněk prsu •VNMK fyzicky interagují s mitochondriální membránou, mění její permeabilitu otevíráním MTP (membrane permeability pores) a snižují tak membránový potenciál. •DHA je přednostně inkorporována do kardiolipinu, fosfolipidu vnitřní mitoch. membrány. To souvisí se stupněm nenasycenosti, indukcí oxidativního stresu, uvolněním cytochromu c a apoptózou. •VNMK modulují hladinu proteinů rodiny Bcl-2 (Bid, Bcl-2), které intereagují s lipidy mit. membrány. •Zvýšené množství VNMK vyvolává oxidativní stres (produkce ROS, NOS a lipidová peroxidace) 91 Děje na mitochondriích a oxidativní metabolismus Surette ME, CMAJ 2008 Sorice M et al. FEBSLetters 2009 Změny lipidových mikrodomén (rafty a caveolae) po inkorporaci specifických VNMK ovlivňují aktivitu membránových přenašečů a receptorů i vazbu proteinů k buněčné membráně - Vliv na přenos signálů DHA se inkorporuje specificky do kardiolipinu v mitochondriích, změny oxidace, propustnosti mit. membrány, uvolňování cyt c, indukce apoptózy (vazba kasp 8, tBid a oligomerizace Bak/Bax) Atomic force microscopy Inkorporace n-3 VNMK do buněčných membrán ovlivňuje strukturu i funkci Kardiolipin (Difosfatidyl glycerol, glycerolfosfolipid) • sn-1 – SFAs – LA, OA • sn-2 – PUFAs – DHA – přednostně se vestavuje do kardiolipinu – mění nenasycenost mit. membrány a oxidativní metabolismus. • Souvislost s aktivitou cytochrom c oxidázy a uvolňováním cytochromu c • Význam pro apoptózu 93 Hlavní součást membrán mitochondrií Hou TY et al, Annu Rev Nutr 2016 Možné chemopreventivní mechanismy bioaktivních dietetických molekul - Aktivace TF regulujících chemoprev. geny - Inhibice TF podporujících onkogenezi - Účinky na miRNA - Ovlivnění posttranslační modifikace histonů D’Errico I and Moschetta A Mol Cell Life Sci 2008 Exprese jaderných receptorů během vývoje nádorů kolonu TP53 – tumor protein 53 SMAD2 – Small mothers against decapentaplegic homolog 2 95 Mastné kyseliny a jejich metabolity fungují jako aktivátory PPARs Michalik L et al., Nature Rev Cancer 2004 Voutsadakis IA, J Cancer Res Clin Oncol 2007, 133:917 Důležité signální dráhy a molekuly indukované či inhibované PPARγ PPARγ indukuje fosfatázu PTEN vedoucí k inhibici kinázy Akt. Akt má antiapoptické účinky (inhibice kaspázy-9). PPARγ způsobuje zástavu bun. cyklu represí cyklinu D, indukcí p18, p21, p27 a interakcí s Rb. PPARγ rovněž potlačuje beta-katenin a COX-2 podporující karcinogenezi kolonu. Indukované geny Reprimované geny Narayanan BA et al., Cancer Res 2003 Microarray analýza lidské nádorové buněčné slinie kolonu CaCo-2 po působení DHA (48h) Změny lipidů a jejich metabolismu při vývoji nádorů Hanahan D and Weinberg RA Cell 2011, 144:646 Další znaky nádorů Schopnost modifikovat nebo reprogramovat buněčný metabolismus k podpoře proliferace Uniknutí z imunologického dohledu Genetická nestabilita (mutabilita) a zánět podporují nádorovou progresi Syntéza a příjem mastných kyselin Rӧhrig F and Schultze A, Nature Reviews Cancer 2016 Bjeloribi-Djefaflia S, Oncogenesis 2016 Hlavní změny metabolických drah lipidů u nádorových buněk Santos CR, Schultze A., FEBS J 2012 Celotělový lipidový metabolismus a nádory Santos CR, Schultze A, FEBS J 2012 Různé aspekty vývoje nádorů podporované lipidy Syntéza mastných kyselin u nádorů – vývoj poznatků Rӧhrig F and Schultze A, Nature Reviews Cancer 2016 Huang F and Freter C, Int J Mol Sci 2015 Dráhy regulace lipidového metabolismu různými signály Huang F and Freter C, Int J Mol Sci 2015 Metabolismus sfingolipidů Baenke F et al, Disease Models&Mechanisms 2013 Úloha lipidů v nádorovém mikroprostředí Bjeloribi-Djefaflia S, Oncogenesis 2016 Schema výměny lipidů mezi nádorovými buňkami a různými typy buněk v nádorovém mikroprostředí Menendez JA and Lupu R Nature Rev 2007, 7:763 Během karcinogeneze se vyvíjí tzv. lipogenní charakter buněk 110 Zvýšená endogenní syntéza mastných kyselin a snížená citlivost k nutričním zásahům FASN – fatty acid synthase (syntáza mastných kyselin) pod transkripční kontrolou SREBP1c (sterol regulatory element-binding protein) Modulace traskripčního faktoru SREBP1c (sterol regulatory element - binding protein) Souvislost s regulací FASN u normálních a nádorových buněk. Hormonální a nutriční regulace FASN napojena částečně na PI3K/Akt a ERK1/2 signálovou transdukci regulující expresi a maturaci SREBP. U nádorových buněk hyperaktivace této dráhy v důsledku onkogenní deregulace (nadprodukce růst. faktorů, hyperaktivace receptorů, nebo ztráta funkce negativních regulátorů (např. PTEN) způsobí konstitutivní expresi či maturaci SREBP a transkripci FASN. Menendez JA and Lupu R Nature Rev 2007, 7:763111 Menendez JA et al Drug News Pespect 18, 2005 Ovlivnění exprese a aktivity FASN Zvýšení exprese a aktivity FASN během buněčné transformace, spojitost s působením a signálními drahami epidermálního růstového faktoru -EGF Zvýšená exprese a aktivace receptoru Her-2/neu a aktivace PI3K/Akt a MAPK signálních drah u nádorů prsu. 112 Prokázány změny ve složení a metabolismu lipidů!!!! • v plazmě nádorových pacientů • v nádorové tkáni a buňkách ve srovnání s nenádorovými Zejména snížení obsahu n-3 VNMK (DHA) ve srovnání s n-6 (kys. linolová a arachidonová) Integrovaný pohled na komplexní lipidové interakce, které určují výsledný tzv. LIPIDOM – lipidový profil jednotlivce. S protekcí určitých typů nádorů (např. prsu) spojen složený indikátor kombinující zvýšené mononenasycené MK a nízký poměr omega6/omega3. Tento lipidom by se mohl stát templátem pro detekci rizika nádorů prsu ve vztahu k dietě. 113 Změny lipidů v rozvoji nádorů přispívají k rozvoji nádorových onemocnění zejména ovlivněním imunitního systému a buněčné kinetiky Metabolismus a obrat fosfolipidů v membránách i oxidativní metabolismus nádorových buněk se zásadně liší od buněk nenádorových. Nádorové buňky často vykazují: • změny ve spektru a koncentraci VNMK ve srovnání s normální tkání • zvýšenou periferní utilizaci VNMK z potravy • změny v oxidativním metabolismu a antioxidační ochranězvýšenou aktivitu enzymů metabolismu kys. arachidonové (COX2, 12-LPO...) a produkci eikosanoidů • sníženou citlivost k endogenním inhibitorům růstu (TGF-1), induktorům apoptózy (TNF, FasL, TRAIL) a diferenciace (butyrát) 114 Patologické změny v produkci a funkci cytokinů a eikosanoidů BougnouxP.etal,CancerEpidemiolBiomarkersPrev15,2006 Analýza hlavních komponent (PCA) mastných kyselin v tukové tkáni ukazující zvýšené riziko nádoru prsu Analýza (array) hladiny mastných kyselin u benigních a maligních nádorů prsu Bougnoux P. et al, Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 15, 2006 Praktické aspekty Klinika PRAKTICKÉ VYUŽITÍ POZNATKŮ O PŮSOBENÍ MASTNÝCH KYSELIN Nejedná se o farmaka, ale součást stravy, je možné použít poměrně vysoké dávky VYUŽITÍ : DIETETICKÁ DOPORUČENÍ Zdraví a prevence chorob Funkční potraviny Potraviny pro zvláštní lékařské účely TERAPEUTICKÉ VYUŽITÍ – nutriční farmakologie Výživa „šitá na míru“ Nosiče léků Kombinovaná terapie Pomocná (adjuvantní) terapie Parenterální a enterální výživa (optimalizace složení lipidových emulzí) VNMK a nádorová onemocnění Prevence Epidemiologické studie – snížená incidence nádorů (kolonu) v populacích konzumujících velké množství ω-3 VNMK z mořské stravy Experimentální studie ● ω-3 VNMK inhibují karcinogenyindukovanou karcinogenezi ● redukují růst transplantovaných nádorů u laboratorních zvířat ● snižují proliferaci a indukují apoptózu u nádorových buněk kolonu in vitro. Klinické studie – EPA a DHA inhibují proliferaci epiteliálních buněk kolonu u pacientů s adenomy a vysokým rizikem nádorového onemocnění Terapie Při chirurgických zákrocích předoperační perorální nebo pooperační enterální či parenterální dieta s ω-3 VNMK zlepšuje postoperační zánětlivou a imunitní odpověď a snižuje infekci. Dieta s ω-3 VNMK zlepšuje nádorovou kachexii a kvalitu života Kombinace se standartní terapií (chemoterapie, záření) ● dieta s ω-3 VNMK netoxický způsob zvýšení účinků terapie ● samotné použití ω-3 VNMK užitečný přístup, jestliže je vyloučena toxická standartní terapie. ● Nádorové onemocnění prsu, kolonu a rekta, prostaty, slinivky břišní… ● NA ZÁKLADĚ POZNÁNÍ MECHANISMŮ PŮSOBENÍ !!! ● Prevence: obohacení stravy ● Terapie: podpora imunity protizánětlivé účinky celkové zlepšení stavu organismu (antikachektické účinky) posílení účinků chemoterapeutik – kombinovaná terapie umožňující snížení dávky VYUŽITÍ N-3 VNMK V PREVENCI A TERAPII ● kardiovaskulární onemocnění ● diabetes ● vývoj plodu a novorozence ● poznávací funkce a chování (hyperaktivita, autismus) ● neurodegenerativní a psychická onemocnění (Alzheimerova choroba, deprese, schizofrenie atd.) ● nádorová onemocnění VÝZNAM STRAVY OBOHACENÉ N-3 VNMK Směsi přírodních olejů (sojový –LCT, kokosový – MCT), emulgované fosfolipidy (vaječný lecitin, sojové fosfolipidy), izotonizační přísada (glycerol) Tukové částice podobné chilomikronům Parenterální výživa – emulze součást tzv. „all-in-one“ vaků Funkce - zdroj energie a esenciálních MK Enterální a orální výživa Na základě nových poznatků o regulační úloze lipidů využití jako farmaka Nutriční farmakologie Výživa cílená na určité onemocnění – „Disease-specific nutrition“ 122 Složení a využití lipidových emulzí LCT - “long chain” triglyceridy - z rostlinných olejů s vysokým obsahem VNMK (důležitý poměr n-3 : n-6) - regulační funkce, mohou zyšovat nebo snižovat např. produkci TNF (kachektin) - prozámětlivý cytokin spojený s kachexií MCT - “medium chain” triglyceridy - nasycené MK (6-12 uhlíků) zdroj energie, působí proti supresi imunitních a fagocytárních funkcí u silně stresovaných pacientů. Složení lipidových výživ ovlivňuje spektrum lipidů v plasmě i v buněčných membránách, přičemž metabolismus a obrat fosfolipidů v membránách transformovaných-nádorových buněk se zásadně liší od buněk netransformovaných-nenádorových. 123 Význam složení tuků v parenterální výživě pacientů 2. Změny ve složení fosfolipidů membrán mění její vlastnosti (fluiditu, produkci volných reaktivních radikálů a biologicky aktivních metabolitů - eikosanoidů), což se dále odráží ve schopnosti příjmu a přenosu signálů důležitých regulačních molekul s následnými účinky na důležité biologické procesy jako jsou buněčný růst, diferenciace a apoptóza a dále funkce buněk imunitního systému 3. VNMK a jejich metabolity mohou být důležitými regulátory genové exprese. Předpokládá se, že tyto látky jsou schopny ovlivňovat aktivitu transkripčních faktorů, které se pak váží na klíčové elementy spojené se specifickými geny. 4. Změny membrán a růstových vlastnosti nádorových buněk po působení VNMK mohou modulovat jejich citlivost k různým terapeutickým zásahům. 5. Inhibitory metabolismu AA, tj. produkce eikosanoidů, k nimž patří i řada běžně v klinice využívaných NSAID, mohou významným způsobem modulovat zmíněné procesy. Vše, co chcete vědět o lipidech http://www.cyberlipid.org/ Kontrolní otázky k tématu Jaké hlavní složky se podílejí na vzniku a rozvoji nádorových onemocnění? Jaké faktory vnějšího prostředí se podstatně podílejí na vzniku a rozvoji nádorových onemocnění? Co rozumíte pod pojmem biologicky aktivní složky výživy - příklady? Jak se vyvíjelo složení potravy zejména s ohledem na tuky v průběhu vývoje lidské společnosti? Jaká je různá biologická úloha lipidů? Které děje na buněčné úrovni mohou ovlivňovat? Které typy lipidů jsou významné s ohledem na nádorová onemocnění? Jak může obezita ovlivnit funkce tukové tkáně? Proč jsou některé nenasycené MK esenciální, vyjmenujte základní typy. Které důležité faktory ovlivňují zdraví střevních buněk a jaké změny mohou přispívat k rozvoji nádorů ? Proč je důležitá dostatečná konzumace vlákniny ve stravě? Které jsou hlavní mechanizmy působení VNMK na buněčné a molekulární úrovni? Jak se dostávají VNMK do buněk? Kde v buňkách nacházíme VNMK jak jsou využívány? Jakým způsobem mohou VNMK ovlivňovat vlastnosti biomembrán? Jaký význam mají lipidové membránové mikrodomény - rafty? Jaké je jejich složení a čím je ovlivňováno? Co jsou to lipidové droplety a jaký je jejich význam pro fyziologii buňky? Jaká je funkce fosfolipáz A2 a jakým způsobem fungují v patologii zánětu a nádorů? Jaké metabolity vznikají z jednotlivých typů VNMK? Srovnejte působení metabolitů vznikajících z n-6 vs. n-3 VNMK vzhledem k rozvoji nádorového onemocnění. Popište uvolňování a metabolismus kyseliny arachidonové v buňkách. Které metabolity AA a jakým způsobem se uplatňují v rozvoji nádorů? Jaký je význam interakce specifických cytokinů a eikosanoidů v rozvoji nádorů? Jakým způsobem mohou prostřednictvím cytokinů a eikosanoidů interagovat buňky v nádorovém mikroprostředí? Které látky nazýváme nesteroidní antiflogistika a k čemu jsou využívány? Jaké jsou hlavní známé mechanizmy působení n-3 VNMK na buněčné a molekulární úrovni? Která VNMK je zvláště významná z hlediska funkce mitochondrií a proč? Jakým způsobem ovlivňují n-3 VNMK metabolizmus kyseliny arachidonové? Jaké transkripční faktory jsou důležité v souvislosti s působením VNMK a proč? Jaké změny v lipidech a jejich metabolizmu byly pozorovány u nádorových buněk ve srovnání s normálními buňkami? Jaké aspekty vývoje nádorů mohou být podporovány lipidy? Co rozumíš pod pojmem lipidom a lipidomika? Co znamená lipogenní charakter nádorových buněk a které molekuly jsou s touto vlastností spojeny? Jak je regulována exprese syntázy MK (FASN)? K čemu nádorové buňky potřebují zvýšenou syntézu lipidů? Co znamená nutriční farmakologie? Jak jsou poznatky o VNMK využívány v klinice? Které složky s ohledem na lipidy by dle vašeho názoru měla obsahovat výživa onkologických pacientů? Jak byste koncipovali studii (např. na hlodavcích) na důkaz pozitivního či negativního působení určitého typu lipidů na vznik a rozvoj nádoru?