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 Praktické aspekty – klinika Faktory ovlivňující vznik a rozvoj nádorů Úloha genů a prostředí ve vývoji nádorů Anand P et al., Pharmaceut Res 2008 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 obezitou 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 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 Karcinogeny aktivují a chemopreventivní látky tlumí transkripční faktor NFκB – hlavní mediátor zánětu Anand P et al., Pharmaceut Res 2008 Faktory životního prostředí a životního stylu Faktory ovlivňující riziko nádorů Osobní i populační riziko je většinou dáno externími faktory 13 Potraviny, výživa a fyzická aktivita v prevenci nádorů 14 Příčiny chronických onemocnění Pŕíčiny úmrtí v USA, 1997* Muži x 103 Ženy x 103 Všechny příčiny 1154 1160 Srdeční choroby 357 370 Rakovina 281 258 Cerebrovaskulární ch. 62.6 97.2 * (Greenlee, 2000) Životní styl jednotlivce je spojen s rizikem vzniku koronárních srdečních chorob, mrtvice, rakoviny nebo diabetes typu II 15 Table 2.7 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Známé a předpokládané příčiny vzniku lidských nádorů 16 Figure 11.2 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Souvislost konzumace tabáku a úmrtí na nádory plic 17 Faktory ovlivňující přeměnu zdravé buňky v nádorovou v průběhu let 18 Životní styl a další faktory ovlivňující riziko vzniku nádorů 19 Typ nádoru Zvýšení rizika Snížení rizika Tlustého střeva a rekta Adenomatózní polypy, zánět střeva, obezita (muži) Fyzická aktivita Prsu Brzká první menstruace, pozdní menopauza, první těhotenství v pozdním věku, vysoký vzrůst, obezita (po menopauze) Fyzická aktivita Plic Kouření, profesní zátěž Fyzická aktivita Žaludku Infekce Helicobacterem pylori Děložního čípku Lidský papillomavirus, kouření Dělohy Expozice estrogenu, obezita Jícnu Kouření, gastro-esophagální reflux (Barrettův jícen) Slinivky břišní Kouření Krve Kouření, profesní zátěž, schistosomální infekc Vaječníků Dlouhodobé užívání orální hormonální antikoncepce Životní styl % z celk. počtu Dieta s vysokým obsahem tuků a smažených jídel a s nízkým 35 obsahem nestravitelné vlákniny, zeleniny a čaje může vést ke vzniku nádorů kolorekta, prsu, slinivky břišní, prostaty, vaječníků a dělohy. Dieta s vysokým obsahem soli a konzervovaných jídel a s nízkým 2-3 obsahem zeleniny a čaje může vést ke vzniku nádoru žaludku. Užívání tabáku může vést ke vzniku nádorů plic, hrtanu, ústní dutiny, 36 močového měchýře, ledvin, slinivky břišní nebo žaludku. Tabák a alkohol mohou způsobit vznik nádorů úst, jícnu nebo slinivky 6 břišní. Užívání alkoholu může vést ke vzniku nádorů jater nebo jícnu. 3 Sluneční záření a genetické faktory mohou způsobit vznik melanomů. 2 Nedostatek pohybu, sedavé zaměstnání a obezita mohou přispívat k výskytu nádorových onemocnění. Podobné faktory životního stylu mohou vést i ke vzniku kardiovaskulárních chorob. 20 Hlavní příčiny úmrtí na nádorová onemocnění v USA, 1999 21 Rady pro snížení rizika vzniku nádorů •Nekuřte •Pravidelně cvičte •Nebuďte sexuálně promiskuitní •Vyvarujte se dlouhému pobytu na přímém slunci •Vyvarujte se rizika hepatitidy B a C 22 Reálné cíle pro snížení mortality na nádorová onemocnění Snížení úmrtnosti zahrnuje zejména změnu životního stylu: •omezení kouření a podporu zdravé výživy a fyzické aktivity 23 Strategie minimalizace rizika vzniku onemocnění •Fyzická aktivita •relaxace, „mír na duši“ •snížení stresu •žádné kouření •správná výživa • zvýšený přísun kalorií (snížený) výdej • vysoký obsah tuků • nerovnováha v lipidovém metabolismu Negenetické příčiny vzniku kardiovaskulárních a nádorových onemocnění 24 Typy studií úlohy různých faktorův etiologii onecmocnění Etiologie – studium původu a příčin nemocí •experimentální studie in vitro – cílené studie na úrovni buněčné a molekulární (buněčné kultury, moderní metody molekulární biologie) •experimentální studie in vivo – cílené studie na laboratorních zvířatech •klinické studie – cílené studie na pacientech i na zdravých jedincích, retrospektivní studie •epidemiologické studie – údaje z vybraných populací, vztahy mezi životním stylem a výskytem onemocnění •migrační studie – důležité pro výzkum podílu dědičných faktorů a faktorů prostředí 25 Výživa – složky potravy Výživa – prevence rakoviny 26 internet http://bestsyndication.com/MAINpages/ special-features/health/cancer.htm osvěta publikace Výživa – složení potravy 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. 27 USA Ostatní Muži Ženy Muži Ženy x 102 x 102 x 102 x 102 Žaludek (sůl) # 7.6 5.4 3970 2300 Kolon (smažená jídla, tuky) 23.1 24.6 2220 2150 Rektum (smaž. jídla, tuky, alkohol) 4.7 3.9 2220 2150 Slinivka bř. (smaž. jídla, tuky) $ 13.7 14.5 900 780 Prs (smaž. jídla, tuky) § 0.4 40.8 - 3140 Děloha (obezita, tuky) - 6.5 - 420 Vaječníky (tuky) - 14 - 1010 Prostata (smaž. jídla, tuky) 31.9 - 1650 Játra (mykotoxiny) || 10 5.3 3060 1210 * Spočítáno a adaptováno podle Greenleeho, 2000 a Parkina et al., 1999. # Také bakterie Helicobacter pylori . $ Také kouření. § V USA především po menopauze. || Také nadměrný příjem etanolu a antigeny hepatitidy. 28 Úmrtí na nádorová onemocnění v souvislosti s výživou, 1997* Rizikové faktory výživy pro hlavní typy nádorů Červené maso Alkohol Zpracované maso Tuk Alkohol Červené maso Opečené maso Alkohol Maso Sůl Nakládané a konzervované jídlo (Červené) maso Tuk Jícen Alkohol Ovoce a zelenina Krve Ovoce a zelenina Jater Alkohol Ovoce a zelenina Vitamín C, vláknina Zelenina, vláknina Folát Zelenina Slinivka břišní Červené maso Ovoce a zelenina Vitamín C Ovoce a zelenina Vitamín C Ovoce, Fyto-estrogeny Děložního čípku Folát, Vitamín A Snižuje riziko Zelenina Vitamín EProstaty Žaludku Plic Ovoce a zelenina Karotenoidy Prsu Tlustého střeva Typ nádoru Pravděpodobně zvyšuje riziko Snižuje riziko Možná zvyšuje riziko 29 Složky potravy ovlivňující genetické a epigenetické děje v organismu 30 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. (Trujillo E., J Amer Diet Assoc., 106, 2006) Nerovnováha mezi příjmem a výdejem energie ve vztahu k obezitě a chronickým onemocněním 31 Trujillo E., J Amer Diet Assoc., 106, 2006 Bioaktivní složky potravy mohou ovlivňovat genetické i epigenetické děje související se vznikem onemocnění 32 Indukce apoptózy složkami diety Khan N. et al, Carcinogenesis 28, 2007 33 Khan N. et al, Carcinogenesis 28, 2007 Apoptóza indukovaná dietetickými faktory indukce signálních drah 34 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 „OMICS“ 35 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 36 Trujillo E., J Amer Diet Assoc., 106, 2006 OMICS, farmakogenomika, nutrigenomika 37 Ovlivnění metylace DNA složkami diety (methionin, folát, cholin) Metylace v promoční oblasti tlumí genovou expresi – snížení proliferace 38Trujillo E., J Amer Diet Assoc., 106, 2006 Rozvoj nádorového onemocnění kolonu (od benigní neoplasie do invazivního maligního stádia) trvá řadu let 39 Faktory ovlivňující vzniku a rozvoj nádorů kolonu 40 41 Lipidové složky výživy – vysoce nenasycené mastné kyseliny (VNMK) 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 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 42 Orešič M. et al. Trends in Biotechnology 2008 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) Mediátory a modulátory vnitrobun. signalizační sítě Metabolická rovnováha Zásobárna energie ODPOVĚĎ a CHOVÁNÍ BUNĚK Lipidy 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) 44 Zdroje tuků 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 45 Vysoce nenasycené mastné kyseliny (Polyunsaturated fatty acids - PUFAs) - mastné kyseliny s 2 i více dvojnými vazbami. Tři hlavní skupiny PUFAs: n-3 (omega-3), n-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. 46 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. 47 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. 48 Lipidové složky funfují spolu s cytokiny a hormony jako intra- i intercelulární mediátory a modulátory buněčné signalizační sítě Poměr obsahu ω-6 a ω-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.). 49 Mastná kyselina 50 Nasycené a nenasycené mastné kyseliny Triacylglyceroly Fosfolipidy 51 Struktura fosfolipidů a jejich orientace v buněčné membráně 52 Důležitý je poměr n-3: n-6 VNMK!!! 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 53 Mnohostupňový proces karcinogeneze INICIACE PROMOCE PROGRESE MUTAGENY RADIACE VIRUSY…. GENOTOXICITA NEGENOTOXICKÉ KARCINOGENY PRENEOPLASTICKÉ ZMĚNY INICIOVANÁ BUŇKA NORMÁLNÍ BUŇKA MALIGNÍ NÁDOR METASTÁZY AKTIVACE PROTO-ONKOGENŮ INAKTIVACE NÁDOROVĚ SUPRESOR. GENŮ INAKTIVACE ANTIMETASTAT. GENŮ GENOTOXICKÉ +NEGENOTOXICKÉ FAKTORY DIETA Struktura výchozích esenciálních mastných kyselin linoleové a a-linolenové 55 rostl.oleje rybí oleje plankton, řasy) dlouhé C řeztězce a 2 i více dvojných vazeb ESENCIÁLNÍ VYSOCE NENASYCENÉ MASTNÉ KYSELINY (VNMK) Řada n-6 a n-3 důležitý poměr v záp dietě až 20:1 (1:1) Původ n-3 and n-6 nenasycených mastných kyselin, biosyntéza eikosanoidů z kys. arachidonové a ikosapentaenové 57 58 Účinky dietetické hladiny alfa-linolenové kyseliny na obsah jejích metabolitů v jaterních lipidech 60 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. Prokázány změny ve složení a metabolismu lipidů!!!! • v plazmě nádorových pacientů • v nádorové tkáni a buňkách ve srovnání s nenádorovými Zejména snížení obsahu ω-3 VNMK (DHA) ve srovnání s ω-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. 61 Patologické změny v produkci a funkci cytokinů a eikosanoidů 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 kolonu vykazují: •změny ve spektru a koncentraci VNMK ve srovnání s normální •tkánízvýšenou 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) 62 BougnouxP.etal,CancerEpidemiolBiomarkersPrev15,2006 Analýza hlavních komponent (PCA) mastných kyselin v tukové tkáni ukazující zvýšené riziko nádoru prsu 63 Analýza (array) hladiny mastných kyselin u benigních a maligních nádorů prsu Bougnoux P. et al, Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 15, 2006 64 WAT – white adipose tissue Změny spektra mastných kyselin v tukové tkáni krys po podávání alfa-linolenové a dokosahexaenové kyseliny 65Bougnoux P. et al, Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 15, 2006 Molekulární mechanismy působení VNMK Molekulární mechanismy působení ω-3 VNMK •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 66 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 67 DasUNLipidsinHealthandDisease2008 Schéma metabolizmu esenciálních VNMK a faktorů modulujících tvorbu a účinky jejich metabolitů 68 Rozdílné účinky omega-3 a omega-6 VNMK na genovou expresi nádorových buněk prsu Hammamieh R, Breast Cancer Res Treat 2007, 101:7 Hammamieh R, Breast Cancer Res Treat 2007, 101:7 Klasifikace všech genů pomocí PCA a rozdílná aktivita některých transkripčních faktorů Indukované geny Reprimované geny Narayanan BA et al., Cancer Res 2003 71 Microarray analýza lidské nádorové buněčné slinie kolonu CaCo-2 po působení DHA (48h) Rozdílné účinky omega-3 a omega-6 PUFAs na buňky nádoru kolonu Dupertuis YM et al. Curr Opin Clin Nutr Metab Care 2007, 10:427 Dráhy metabolismu n-6 a n-3 VNMK a jejich účinky v nádorové biologii N-6 a n-3 VNMK soutěží o stejné enzymy (desaturázy a elongázy). 20C VNMK (DGLA, AA, EPA) jsou prekursory pro tvorbu různých typů eikosanoidů (prostaglandiny, leukotrieny, tromboxany) – soutěž o stejné enzymy (cyklooxygenázy, lipoxygenázy) 73 Roynette C.E. , Clinical Nutrition 23, 2004:139-151 n-3 PUFA funkce transkripčních faktorů hladiny intracelulárního Ca funkce protein kináz např. PKC interakce ligand - receptor funkce tyrosin kináz, fosfatáz fluidita membrán složení mastných kyselin v membránových fosfolipidech molekuly membránových fosfolipidů třídy membránových fosfolipidů 74 steroidní hormony molekuly fosfatidové kyseliny funkce G-proteinu funkce fosfolipáz A2, C, D PUFA molekuly DAGIP3 další signální systémy např. přes cAMP, cGMP funkce proteinových fosfatáz resolvins Potenciální mechanismy podpůrných a supresivních účinků n-6 a n-3 VNMK v karcinogenezi Místa působení n-3 VNMK při snižování karcinogeneze kolonu 76 Roynette C.E. , Clinical Nutrition 23, 2004:139-151 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 77 Struktura fosfolipidů a jejich orientace v buněčné membráně 78 Distribuce různých typů fosfolipidů ve vnitřní a vnější vrstvě membrány 79 Změny biofyzikálních vlastností buněčných membrán •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 80 Pietzsch J et al., Nature Reviews, October 2004 Základní model fluidní mozaikovité struktury buněčné membrány 81 Surette ME, CMAJ 2008 Omega-3 VNMK jsou inkorporovány do fosfolipidové dvojvrstvy buněčných membrán. Mohou modulovat aktivitu membránových proteinů, expresi genů a proteinů a fungují jako zásobárna bioaktivních lipidových mediátorů. 82 Lipidové membránové mikrodomény - rafty 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 83 Lipidové rafty a caveolae v plazmatické membráně modifikují aktivaci membránových receptorů a signálních proteinů 84 Lipidové rafty – atomový skenovací mikroskop Lodish, Molecular Cell Biology, 5th ed. 2004 85 Co jsou to lipidové rafty? Pietzsch J et al., Nature Reviews, 2004 86 Modulace lipidů (DHA)– lipidové rafty – modulace signálů TNFR 87 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 88 Transport MK přes cytoplasmatickou membránu 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 Schwenk RW Prostagl Leuk Ess Fatty A 2010 89 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 90 Translokáza mastných kyselin - FAT/CD36 (fatty acid translocase) 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) 91 Akumulace lipidů v cytoplazmě 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) 92 Listenberger LL and Brown DA, Current Biology 2008, 18:R237 TVORBA LDs V CYTOPLAZMĚ Martin S. and Parton RG, Nature Rev 7, 2006 Tvorba (LDs) v endoplasmatickém retikulu Po přidání mastných kyselin 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). 94 Po dodání mastných kyselin jsou neutrální lipidy syntetizovány v endoplasmatickém retikulu (ER), kde se tvoří a odlučují LD tvořící nezávislé organely ohraničené monovrstvou fosfolipidů a napojených specifických proteinů. Zásobárna energie a zdroj signálních molekul. Martin S. and Parton RG Nature Reviews 2006 Lipid droplets (LD) 95 Funkce LD a důležité proteiny s nimi spojené Bozza P et al., BBA 1794:540, 2009 96 Akumulace LD v cytoplasmě buněk kolonu po přidání kyseliny arachidonové (AA) Moreira LS, Biochim Biophys Acta 2009 98 Kolokalizace LD s cPLA2 a uvolňování AA u kolonových buněk po působení kyseliny olejové Moreira LS, Biochim Biophys Acta 2009 99 Menendez JA and Lupu R Nature Rev 2007, 7:763 Během karcinogeneze se vyvíjí tzv. lipogenní charakter buněk 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) 100 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, 7:763 101 Menendez JA et al Drug News Pespect 18, 2005 Ovlivnění exprese a aktivity FASN Zvýšení exprese a aktivity FAS 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. 102 Děje na mitochondriích a oxidativní metabolismus •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) 103 Hulbert AJ Comp Biochem Physiol 2006 Souvislost mezi složením membrány a délkou života 104 Souvislost mezi peroxidačním indexem fosfolipidů v jaterních mitochondriích a v kosterním svalstvu a max. délkou života savců a ptáků • Zvýšená polynenasycenost membránové dvojvrstvy (zejména následkem obsahu DHA) – změněné fyzikální vlastnosti, zvýšená molekulární aktivita membránových proteinů, zvýšení metabolické aktivity buněk, tkání a celého organismu • Zvýšená peroxidace a oxidativní stres • „Membrane pacemaker“ teorie stárnutí 105 Hulbert AJ Comp Biochem Physiol 2006 Kardiolipin (Difosfatidyl glycerol, glycerolfosfolipid) Hlavní součást membrán mitochondrií • 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 106 Metabolismus VNMK eikosanoidy 107 VNMK kovalentní modifikace ligand aktivita transkripčních faktorů genová transkripce 108 Fosfolipáza A2 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 109 Přenos signálu R PLCAC G R G PKC PLA2 ATP cAMP PI IP3 DAG R G … receptor … G-protein arachidonic acid (AA) prostaglandins (PG) leukotrienes 110 111 Laye JP and Gill JH, Drug Discovery Today 2003 sPLA2 v zánětlivé odpovědi 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. 112 Laye JP and Gill JH, Drug Discovery Today 2003 113 Brglez V. et al Biochimie 2014 Různé mechanismy působení sPLA2 v karcinogenezi Aktivace cPLA2 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. 114 Laye JP and Gill JH, Drug Discovery Today 2003 Model konstitutivní overexprese cPLA2 a COX-2 u nádorových buněk 115 Laye JP and Gill JH, Drug Discovery Today 2003 Biosyntéza a metabolizmus VNMK d-5(6)-d – desaturázy, ELG – elongázy Russo GL, Biochemical Pharmacology 2009 Syntéza eikosanoidů a jejich vazba na receptory spřažené s G proteiny Metabolismus kyseliny arachidonové 118 Cyklooxygenázové dráhy kyselina arachidonová COX-1 COX-2 •endotoxin •cytokiny •mitogeny glukokortikoidy selektivní inhibitor COX-2 (coxiby)•žaludek •střevo •ledviny •krevní destičky konstitutivní indukovatelná aktivace inhibice 119 místa zánětu: •makrofágy •synoviální buňky 120 Sinicrope FA, Molecular Carcinogenesis 2006 Izoformy COX, jejich funkce a možnosti jejich inhibice Regulace exprese COX-2 v nádorech Sinicrope FA, Molecular Carcinogenesis 2006 Základní mechanismy působení PPARs a účinky na expresi genů http://www.biocarta.com/pathfiles/m_pparPathway.asp Pidgeon GP et al Cancer Metastasis Rev, 503, 2007 ÚLOHA LIPOXYGENÁZ (LOX) V ROZVOJI NÁDORU Rovnováha v produkci různých isoforem LOX (pro- i protinádorově působících) a jejich biologická aktivita rozhoduje o vývoji nádorů. 123 Signální dráhy aktivované 12(S)-HETE 12(S)-HETE se váže na receptory spojené s G-proteiny. Aktivace receptoru spouští vnitrobuněčné signální dráhy, např. ERK, PI3K/Akt, IP3/DAG zprostředkující funkční odpově´d zahrnutou v progresi nádoru. Pidgeon GP et al Cancer Metastasis Rev, 503, 2007 124 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. 125 Wang D, DuBois RN, Nature Rev Cancer 2010 Model prozánětlivých PG a LT v podpoře nádorové progrese PGE2 a LTB4 podporují progresi nádoru indukcí proliferace, přežívání, migrace a invaze nádorových epiteliálních buněk Wang D, DuBois RN, Nature Rev Cancer 2010 PG a LT zprostředkovávají interakci mezi nádorovými buňkami a buňkami imunitního systému Wang D, DuBois RN, Nature Rev Cancer 2010 Furstenberger G. et al., Int J Cancer 119, 2006 Účinky nesteroidních protizánětlivých látek - NSAIDs Tlumí pronádorové a imunosupresívní působení COX-2 a PGE2 129 Hlavní molekulární cíle COX-2 a NSAIDs 130 Účinky omega-3 nenasycených mastných kyselin na růst nádoru COX-2 a i-NOS jsou klíčové molekuly podporující rozvoj nádorů a blokující protinádorovou aktivitu 131Stehr SN and Heller AR, Clinica Chimica Acta 2006 Serhan CN and Chiang N, Br J Pharmacol 2008 Nové lipidové mediátory odvozené od omega-3 PUFAs Resolviny aeuroprotektiny 132 133 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 134 Serhan CN and Chiang N, Br J Pharmacol 2008 proteiny lipidy vitamíny minerály infekce zánět neoplazie produkce a uvolňováni cytokinů výživový status PG LT atd. lipidové mediátory imunitní odpověď odpověď akutní fáze biologická funkce cytokinů horečka anorexie změněný metabolismus Praktické aspekty - klinika Vzájemné vztahy mezi výživou a infekčními a zánětlivými chorobami zprostředkovanými cytokiny 135 podle Meydani SN Nutrition 1996:8 Klinické symptomy vznikající u pacientů v průběhu nádorového onemocnění 136 Roynette C.E. , Clinical Nutrition 23, 2004:139-151 Praktické aspekty poznatků o působení mastných kyselin Nejedná se o farmaka, součást stravy, poměrně vysoké dávky (0,5-2g) VYUŽITÍ : DIETETICKÁ DOPORUČENÍ Zdraví a prevence chorob Středomořská dieta Funkční potraviny Potraviny pro zvláštní lékařské účely TERAPEUTICKÉ VYUŽITÍ – nutriční farmakologie Imunomodulace, antikachektické účinky, kombinovaná terapie, adjuvantní terapie, „disease specific nutrition“, nosiče léků PARENTERÁLNÍ A ENTERÁLNÍ VÝŽIVA optimalizace složení lipidových emulzí Obsah mastných kyselin v tucích obilovin a luštěnin 138 Obsah mastných kyselin v rostlinných olejích 139 Účinky inhibice cyklooxygenáz a lipoxygenáz na nádorové buněčné populace •Řada nádorů má změněný metabolismus VNMK a produkuje zvýšené množství jejich metabolitů •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 140 • 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 141 Klinika Složení a využití lipidových emulzí 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“ 142 Význam složení tuků v parenterální výživě pacientů 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. 1.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. 143 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. 144 Biosyntéza lipidů 145 F Baenke Disease Models & mechanisms 2013:1353 Lipidy podporují různé aspekty vývoje nádorů 146 CR Santos and A Schulze FEBS J 2012:2610 Lipidový metabolismus v organismu a nádory 147 CR Santos and A Schulze FEBS J 2012:2610 148 CR Santos and A Schulze FEBS J 2012:2610 Regulace lipidového metabolismu onkogenními signálními drahami Úloha lipidů v nádorovém mikroprostředí 149 F Baenke Disease Models & mechanisms 2013:1353 Vše, co chcete vědět o lipidech http://www.cyberlipid.org/ 150 Výukovou pomůcku zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http://is.muni.cz/stech/ 151