Metabolismo delle Cellule Tumorali: Biochimica e Nuove Prospettive Terapeutiche

Il metabolismo cellulare è l'insieme delle reazioni biochimiche che avvengono all'interno delle cellule. Alcune di queste reazioni permettono di ottenere le molecole e l’energia di cui le cellule hanno bisogno, e ogni reazione può essere accelerata da un enzima. La massima produzione di energia nella cellula si ottiene attraverso processi che hanno luogo nei mitocondri, possibili in presenza di ossigeno.

Rompere e Costruire: Il Metabolismo Cellulare

Per metabolismo cellulare si intende l’insieme delle reazioni biochimiche che avvengono all’interno delle cellule. Le reazioni possono essere facilitate dagli enzimi, particolari proteine che funzionano da catalizzatori, rendendo possibile se non accelerando la reazione in cui sono coinvolti. Gli enzimi legano in maniera altamente specifica uno o più substrati, le molecole coinvolte nella reazione, facilitando così la loro trasformazione nei prodotti della reazione stessa, che sono poi rilasciati dall’enzima. Spesso, perché all’interno delle cellule avvengano le trasformazioni molecolari desiderate da un prodotto iniziale a uno finale, occorrono più fasi, ciascuna delle quali può essere catalizzata da un diverso enzima. In ciascuna di queste fasi, un substrato viene convertito in un prodotto, che a sua volta diventa il substrato per la reazione successiva.

Via metabolica, o in inglese pathway metabolico, è l’espressione utilizzata per indicare un insieme di queste reazioni in sequenza. Le cellule sono in grado di controllare le vie metaboliche a seconda dei propri bisogni e ci riescono anche grazie alla regolazione dell’attività degli enzimi stessi. Sono dette cataboliche quelle vie che permettono la degradazione di molecole complesse. In queste reazioni, le molecole sono trasformate nei loro costituenti (per esempio, dalle proteine si ottengono gli amminoacidi), mentre l’energia viene rilasciata come calore oppure immagazzinata sotto forma di particolari molecole. La sintesi di nuove molecole, le macromolecole, avviene attraverso vie definite anaboliche, che possono partire proprio dai prodotti del catabolismo e che per procedere hanno bisogno di energia. Per far sì che le cellule controllino i propri livelli di metaboliti fondamentali e abbiano a disposizione una quantità sufficiente di energia, le vie cataboliche e anaboliche devono essere in equilibrio.

Più Strade per Obiettivi Comuni

L’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma. Da dove arriva allora l’energia di cui hanno bisogno le cellule? Nel caso di alcuni tipi di batteri, delle alghe e delle piante la “fonte” è rappresentata dal sole. Nel noto processo di fotosintesi, le cellule catturano l’energia solare e la utilizzano per produrre molecole organiche. Altri organismi, come gli esseri umani, funzionano diversamente e ricavano le molecole organiche dall’alimentazione. Attraverso la nutrizione gli esseri umani ottengono l’acqua e i nutrienti, quali carboidrati, grassi, proteine, sali e minerali, che vengono se necessario scomposti in prodotti più piccoli, quindi assorbiti nel circolo ematico e recapitati a tessuti e cellule che ne hanno bisogno.

L’energia è contenuta nei legami chimici delle molecole dei nutrienti e, attraverso diversi processi, viene trasformata in una forma che le cellule possono utilizzare. Rilasciata dalla rottura di tali legami, l’energia viene immagazzinata sotto forma di molecole ad alta energia, come l’ATP (adenosina trifosfato), il trasportatore di energia più abbondante nelle cellule. La respirazione cellulare è un processo mediante il quale le cellule ricavano l’energia dai nutrienti. La degradazione di carboidrati, grassi e proteine converge in una via centrale del metabolismo, il cosiddetto ciclo dell’acido citrico (detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs dal nome del suo scopritore, Hans Krebs). Il ciclo dell’acido citrico avviene all’interno dei mitocondri, le centrali energetiche della cellula. A questo ciclo, da cui si formano anidride carbonica e altre importanti molecole, segue la fosforilazione ossidativa, la fase di massima resa in termini di formazione di molecole di ATP, che vede il coinvolgimento della catena di trasporto degli elettroni ed è resa possibile da diverse proteine situate nella membrana interna dei mitocondri. Nell’insieme questo processo consuma ossigeno e produce anche acqua.

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Nei diversi passaggi che portano dalla demolizione dei nutrienti al ciclo di Krebs, ha un ruolo importante una particolare molecola, chiamata acetilcoenzima A. La sua formazione a partire dal glucosio inizia nel citoplasma della cellula con la glicolisi, una via metabolica che non necessita di ossigeno e in cui da una molecola di glucosio si formano due molecole di piruvato, con un guadagno netto di due molecole di ATP, un numero decisamente inferiore rispetto alla fosforilazione ossidativa, e altre molecole. Il piruvato è poi trasportato nei mitocondri e convertito nell’acetilcoenzima A, che entra così nel ciclo di Krebs.

Il Controllo dell’Energia

La trasformazione dell’energia chimica in una forma utile alle cellule viene regolata tramite diverse modalità. Per esempio, le cellule possono rispondere a certi segnali o non possedere alcuni organuli (come i globuli rossi, che non hanno mitocondri). Centrale è la disponibilità di ossigeno. In condizioni di assenza o di bassi livelli di ossigeno, il piruvato prodotto dalla glicolisi potrà avere un diverso destino: invece di entrare nei mitocondri, resterà nel citoplasma dove, grazie al coinvolgimento di un particolare enzima, si produrrà il lattato (o acido lattico). Si noti che, quando le cellule muscolari fanno affidamento sulla glicolisi per la produzione di energia a causa della bassa disponibilità di ossigeno, è proprio l’accumulo di questo prodotto che provoca la caratteristica sensazione di dolore.

Metabolomica: Uno Sguardo Approfondito sui Metaboliti

La metabolomica è lo studio dell’insieme dei metaboliti in un sistema biologico (una cellula, un tessuto o un organismo). I metaboliti non sono altro che molecole coinvolte di norma nei processi biologici e prodotte dalle reazioni cellulari. L’insieme dei metaboliti che si trovano in un sistema biologico in un dato momento è detto metaboloma. Come il proteoma (l’insieme delle proteine espresse in una cellula), anche il metaboloma è dinamico, cioè cambia nel tempo.

Nei sistemi biologici i metaboliti vanno continuamente incontro a cambiamenti, dato che possono essere degradati o trasformati in altri tipi di molecole. Nelle reazioni biochimiche che avvengono nelle cellule, un metabolita può essere allo stesso tempo il prodotto finale di una reazione iniziale e il substrato, o reagente, di una reazione successiva. Le reazioni che avvengono in sequenza nelle cellule sono di solito parte di una via metabolica (in inglese, pathway). Le reazioni metaboliche possono essere fondamentalmente di due tipi: le reazioni cataboliche sono quelle in cui avviene la degradazione di molecole complesse, mentre quelle anaboliche sono invece di sintesi.

In sintesi, la metabolomica è lo studio su larga scala dei metaboliti, ovvero dei prodotti delle reazioni cellulari che si trovano in un sistema biologico. Gli strumenti di analisi più utilizzati sono la spettrometria di massa e la risonanza magnetica nucleare. La ricerca sul cancro rappresenta uno dei campi di applicazione della metabolomica, per esempio per la ricerca di nuovi biomarcatori diagnostici o per individuare bersagli terapeutici.

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Studiare la Metabolomica nel Cancro

Le vie metaboliche cellulari del cancro non sono ancora state del tutto chiarite, anche perché nelle cellule cancerose avviene una profonda riprogrammazione del metabolismo. In condizioni normali le cellule ricavano energia principalmente attraverso processi che coinvolgono i mitocondri, gli speciali organelli cellulari dalla caratteristica forma a fagiolo, nei quali avviene la fosforilazione ossidativa. Tuttavia, le cellule cancerose prediligono un’altra strada per la propria produzione di energia, e cioè la glicolisi aerobica. La glicolisi è infatti un processo che produce energia a partire da molecole di glucosio ed è molto meno efficiente rispetto alla fosforilazione ossidativa mitocondriale. Nelle cellule normali, di solito la glicolisi avviene quando ci si trova in carenza o assenza di ossigeno. Nel cancro, invece, le cellule cancerose preferiscono la glicolisi a prescindere dalla disponibilità di ossigeno. Bisogna inoltre considerare che alcuni cambiamenti nelle cellule cancerose, come quelli che riguardano l’espressione di alcuni geni, possono portare a variazioni del metaboloma.

In generale, negli studi di metabolomica sono possibili due approcci differenti: targeted oppure non targeted, ovvero mirati o non mirati. Lo scopo della metabolomica non targeted è scoprire il più alto numero di composti chimici (e quindi metaboliti) presenti in un campione biologico. L’approccio targeted, invece, viene utilizzato quando si vuole misurare un gruppo di metaboliti o si vuole rispondere a una specifica domanda biochimica. Le tecniche di analisi utilizzate in metabolomica sono soprattutto la spettrometria di massa e la risonanza magnetica nucleare.

Importanza della Metabolomica

Come accade anche per le altre scienze “omiche”, la metabolomica trova la sua applicazione in diversi campi, uno dei quali è la ricerca di biomarcatori di malattie. I fluidi corporei, per esempio l’urina, la bile o il sangue, contengono diversi metaboliti che possono offrire informazioni importanti sul funzionamento degli organi in cui sono prodotti. Per esempio, se un metabolita è presente in un campione patologico ma non nel campione sano, potrebbe essere la “spia” (o il biomarcatore) di una specifica malattia. Le alterazioni delle vie metaboliche possono anche essere utilizzate per comprendere la progressione di una malattia o per individuare specifici bersagli molecolari utili allo sviluppo di nuove terapie.

Le cellule tumorali possono innescare una via biochimica alternativa, finora sconosciuta, che ne accelera il metabolismo e porta contemporaneamente all'accumulo di sottoprodotti utili alla generazione di nuove cellule cancerose. A stabilirlo è stata una ricerca condotta da biologi del MIT e della Harvard University che ne danno notizia in un articolo pubblicato su Science. Il metabolismo del glucosio avviene normalmente in due stadi, il primo dei quali, la glicolisi, è l'unico realizzato dalle cellule tumorali, e su di esso si è focalizzato il nuovo studio. La glicolisi è usualmente considerata un processo lineare in nove passi che converte una molecola di glucosio in due molecole di piruvato, un composto organico con tre molecole di carbonio. Normalmente il piruvato va ad alimentare la seconda fase del metabolismo del glucosio.

"Si dava per certo che questo fosse il modo in cui opera il metabolismo del glucosio. Ma il nostro studio ha mostrato che esiste un'altra modalità secondo cui può operare, e proprio questa sembra in atto nelle cellule che proliferano", ha osservato Matthew Vander Heiden, che ha coordinato lo studio. Era noto che le cellule tumorali rimpiazzano un enzima metabolico chiave, la piruvato chinasi, con un altro. Entrambe le versioni di questo enzima, chiamate PKM1 e PKM2, partecipano agli ultimi passi della glicolisi, in particolare alla trasformazione di un composto detto PEP nel prodotto finale piruvato. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto che PEP è coinvolto in un meccanismo di feedback finora sconosciuto che bypassa il passo finale della glicolisi: nelle cellule tumorali la PKM2 non è molto attiva e ciò porta all'accumulo di PEP. Questo eccesso di PEP attiva a sua volta un altro enzima, detto PGAM, che catalizza un precedente passo della glicolisi, con un'ulteriore produzione di PEP, secondo un meccanismo di retroazione positiva per cui quanto più PEP la cellula possiede, tanto più ne produce.

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Il punto cruciale è che in questo processo la cellula genera grandi quantità di un altro composto che si forma durante un passo intermedio della catena di reazioni. Vander Heiden ritiene che questo composto, il 3-fosfoglicerato, venga dirottato in cammini di sintesi alternativi, come quello per la produzione di DNA, che può andare a far parte di nuove cellule tumorali. I risultati fanno ipotizzare che farmaci che attivino PKM2 potrebbero essere utili nelle terapie oncologiche: un'elevata attivazione di PKM2 bloccherebbe questo cammino metabolico alternativo, rallentando la produzione del materiale necessario alle nuove cellule tumorali.

Strategie Terapeutiche e Metabolismo Tumorale

Così, è strettamente necessaria una strategia terapeutica efficace diretta alle vie specifiche o correlate del carcinoma epatocellulare. Nei tumori, uno dei fenotipi esibiti più importanti è l'up-regolazione della principale via di produzione di energia, la glicolisi. Infatti, mentre le cellule normali del fegato si affidano alla glucochinasi ( esochinasi di tipo IV ) per catalizzare il primo passo della glicolisi, le cellule di carcinoma epatocellulare up-regolano decisamente l'espressione di un’isoforma diversa, in particolare esochinasi di tipo II ( HK II ), mentre sostanzialmente down-regolano la glucochinasi . Questo è il motivo per cui il metabolismo tumorale è stato giustamente descritto come il tallone d'Achille del cancro, indicandolo come un possibile bersaglio terapeutico.

L'aggiunta dell’alogeno bromina all'acido monocarbossilico, piruvato, si traduce in proprietà alchilanti del composto. Come risultato, 3-BrPA si lega al suo bersaglio formando un legame chimico irreversibile. Ulteriori indagini con 3-BrPA radiomarcato hanno identificato l'enzima glicolitico, GAPDH, come l'obiettivo primario intracellulare di questo agente. Come risultato, la somministrazione intra-arteriosa di 3-BrPA è stata testata in vari modelli animali di cancro al fegato. A differenza di altri agenti alchilanti, 3-BrPA ha dimostrato un’elevata specificità nell’obiettivo molecolare, rafforzando i suoi effetti antitumorali attraverso la promozione dell’esaurimento di energia, la rottura dell'equilibrio redox e l'induzione dello stress intracellulare in modo simultaneo.

Di conseguenza, rivolgersi a questo percorso con mezzi terapeutici è estremamente interessante. Un nuovo agente, 3-BrPA, che inibisce specificamente la via glicolitica nei tumori ha già mostrato risultati promettenti in diversi modelli animali di cancro al fegato e potrebbe avere un effetto significativo sulla sopravvivenza dei pazienti con tumore al fegato.

Il Ruolo della Proteina p53 Mutata e la Rigidità del Tessuto Tumorale

Rigidità e durezza del tessuto tumorale, insieme ad alterazioni del metabolismo, sono formidabili alleati del cancro e fanno da stimolo all’accumulo di uno dei principali fattori tumorali, la proteina p53 mutata. Le mutazioni, però, a volte non bastano. Da questo apparente dilemma hanno preso il via le ricerche condotte dal gruppo di ricerca di Giannino Del Sal, professore di Biologia Applicata dell’Università di Trieste e capo dell’Unità di Oncologia Molecolare del Laboratorio Nazionale CIB all’Area Science Park di Trieste. Lo studio, pubblicato oggi online dalla rivista scientifica internazionale Nature Cell Biology, ha permesso di svelare un aspetto cruciale e inedito di p53 e dei tumori: particolari condizioni fisiche del tessuto tumorale, come la durezza, la rigidità e la forte tensione che spesso caratterizzano i tumori più aggressivi, stabilizzano e stimolano l’attività della p53 mutata all’interno delle cellule maligne.

Le cellule tumorali, infatti, reagiscono a questo genere di anomalie meccaniche attivando una catena di segnali biochimici all’interno della cellula che potenziano la p53 mutata, bloccando il sistema responsabile della sua distruzione. Nel cancro questo funzionamento equilibrato è stravolto. La comunicazione tra cellule, malate e sane, non segue le regole; circolano segnali non programmati e non regolati; le proprietà fisiche dell’ambiente circostante cambiano e l‘organizzazione strutturale si fa più rigida.

La ricerca in questo ambito, finora, si è concentrata prevalentemente sulla comprensione dei segnali chimici che, dall’esterno e dall’interno della cellula tumorale, determinano i comportamenti maligni più aggressivi. «I tumori sono organi malati in cui sono alterati non solo i geni, le proteine e una varietà di processi cellulari, ma dove è anche sconvolta l’organizzazione strutturale del tessuto» spiega Del Sal. «Anche solo attraverso la palpazione, in molti tumori, è possibile percepire cambiamenti nella consistenza del tessuto e indurimenti. A causa della crescita della massa tumorale, infatti, all’interno del tessuto malato si generano deformazioni, zone di compressione e tensioni. Tutto questo può favorire ancor di più lo sviluppo e la progressione della malattia.

Il lavoro di Del Sal e collaboratori ha affrontato proprio queste domande fondamentali e ha trovato un legame tra le anomalie meccaniche dei tessuti malati e l’aberrazione genetica più frequentemente riscontrata nei tumori, quella che porta alla produzione della proteina p53 mutata. Ma non solo. «Aspetto importante del nuovo meccanismo tumorale che abbiamo messo in luce» precisa Del Sal «è che la proteina p53 mutata dà origine a un circuito che si auto-rinforza. «Lo scenario è complesso» spiega lo scienziato «e siamo riusciti a metterlo a fuoco solo grazie all’integrazione di diverse analisi. Abbiamo effettuato indagini di diversa natura, dalle vie molecolari attive all’interno della cellula maligna, allo stato fisico dei tessuti tumorali; inoltre abbiamo misurato l l’espressione dei geni, la rigidità e la composizione della cellula tumorale e dell’ambiente circostante. Abbiamo effettuato lo screening di centinaia di composti chimici per trovare nuove molecole capaci di far scomparire la proteina p53 mutata dalle cellule tumorali e abbiamo analizzato, da un punto di vista biochimico, l’effetto delle molecole più promettenti sui complessi di proteine coinvolti nella degradazione della p53 mutata. Tre queste molecole c’erano anche le statine, i farmaci utilizzati contro l’ipercolesterolemia.

Da lì ci siamo concentrati sulla via di sintesi del colesterolo, la stessa via metabolica che la proteina p53 mutata è in grado di attivare. Proprio alcuni prodotti intermedi di questa via si sono rivelati fondamentali per la stabilità della proteina p53 mutata e per la risposta della cellula tumorale alle condizioni fisiche dell’ambiente che la circonda. È noto da tempo che i tumori hanno ritmi metabolici aumentati rispetto ai tessuti normali e che questo rappresenta un vantaggio cruciale per la loro sopravvivenza. Il legame tra alterazioni metaboliche nella via del colesterolo e rigidità dei tumori, però, era un legame fino a oggi sconosciuto e la sua scoperta apre nuove prospettive terapeutiche.

Gli scienziati coordinati da Del Sal hanno, infatti, dimostrato in cellule isolate e animali di laboratorio che, agendo su questo aspetto del metabolismo della cellula tumorale, si riesce a colpire e destabilizzare la p53 mutata, a ristabilire le proprietà meccaniche del tessuto e a fermare il tumore. Con questo traguardo Del Sal chiude un importante programma di ricerca in Oncologia Molecolare Clinica sostenuto da AIRC con le donazioni del 5 per mille e dedicato a uno dei sottotipi più aggressivi di tumore al seno, i tumori triplo-negativi. «Conoscere a fondo la malattia è fondamentale per combatterla. Grazie ad AIRC io e il gruppo di scienziati e oncologi italiani che ho coordinato nell’ambito del programma abbiamo fatto moltissimi progressi nella comprensione di questa patologia, che ogni anno nel mondo colpisce milioni di persone. Non solo. Siamo riusciti a far arrivare al paziente parte di ciò che abbiamo imparato.

Caratteristiche delle Cellule Tumorali

Le cellule tumorali, indipendentemente dal tipo e dalla complessità, possiedono dieci tratti ben precisi che le accomunano. Quali sono? E come fanno le cellule tumorali ad acquisirle?

• Proliferazione indipendente dei segnali di crescita
• Insensibilità ai fattori che bloccano la crescita cellulare
• Evitare la morte cellulare programmata
• Proliferare in maniera illimitata
• Promuovere l'angiogenesi
• Promuovere la migrazione e l'invasione dei tessuti
• Sfuggire al sistema immunitario
• Infiammazione
• Instabilità genomica

La biochimica del metabolismo e la bioenergetica studiano i processi chimici che avvengono nelle cellule per produrre e utilizzare energia. Il metabolismo comprende un insieme di reazioni biochimiche che trasformano i nutrienti in energia e molecole fondamentali per la vita. La bioenergetica si focalizza sui meccanismi con cui le cellule generano e immagazzinano energia, principalmente attraverso la fosforilazione ossidativa mitocondriale e la produzione di ATP. L’attività di ricerca del nostro gruppo è focalizzata sullo studio dei processi metabolici e bioenergetici cellulari allo scopo di comprenderne meglio i meccanismi molecolari e per tradurre queste conoscenze in applicazioni cliniche per la salute umana.

1. I processi metabolici e bioenergetici sono altamente regolati per garantire l’equilibrio energetico e la risposta alle variazioni ambientali. Una migliore comprensione di questi processi è cruciale per comprendere le basi molecolari di malattie metaboliche, invecchiamento, patologie neurodegenerative ed oncologiche.
2. Le molecole bioattive di origine vegetale possono modulare processi biologici chiave quali metabolismo, bioenergetica, infiammazione e stress ossidativo, rappresentando quindi un settore di crescente interesse per la medicina e la nutraceutica. La conoscenza delle basi molecolari della loro funzione è importante per la prevenzione e il trattamento di diverse patologie.
3. Le specie reattive non sono solo sottoprodotti dannosi del metabolismo ma possono agire come messaggeri intracellulari in vari processi biologici. La segnalazione redox e l’omeostasi cellulare sono strettamente interconnesse e giocano un ruolo fondamentale nella regolazione del metabolismo, della bioenergetica e della sopravvivenza cellulare.

Tabella: Tecniche di Analisi Metabolomica e Loro Applicazioni

Tecnica di Analisi	Descrizione	Applicazioni
Spettrometria di Massa	Misura il rapporto massa/carica degli ioni per identificare e quantificare i metaboliti.	Identificazione di biomarcatori, analisi di vie metaboliche, screening di farmaci.
Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)	Utilizza le proprietà magnetiche dei nuclei atomici per identificare e quantificare i metaboliti.	Analisi strutturale dei metaboliti, studi metabolici complessi, diagnostica.

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