Remodelamiento metabólico en células de cáncer de mama: rol de la bioenergética mitocondrial en la proliferación celular y en el diseño de compuestos con potencial acción anti-tumoral

Abstract

El cáncer de mama es el cáncer más frecuentemente diagnosticado y la principal causa de muerte en mujeres en el mundo. Este cáncer es una enfermedad heterogénea compuesta por varios sub-tipos biológicamente distintos, en los cuales la participación del metabolismo en la proliferación celular permanecen pobremente entendido. Además, las células tumorales exhiben una alta capacidad de remodelar su metabolismo frente a cambios en la disponibilidad de sustratos o algún estrés metabólico, siendo una respuesta adaptativa que promueve la sobrevida celular. Sin embargo, la participación del metabolismo mitocondrial en la proliferación y la inducción de un remodelamiento metabólico mediante la inhibición farmacológica de la cadena transportadora de electrones (CTE) para obtener efectos anti-proliferativos permanecen escasamente explorados en células de cáncer de mama. Los resultados sugieren que las líneas celulares de cáncer de mama, comparadas con las células no-tumorales, presentan diferencias en el metabolismo mitocondrial, exhibiendo reducida capacidad de reserva y funcionando su CTE en su máxima velocidad. Además, las células de cáncer de mama exhiben diferentes dependencias sobre la disponibilidad de glucosa y glutamina para mantener la proliferación y frente a la privación de glucosa, pueden remodelar la organización bioenergética hacia el metabolismo mitocondrial. De forma interesante, estos datos sugieren que el funcionamiento de la CTE en células tumorales podría ser esencial para funciones celulares y que su bloqueo podría tener efectos anti-tumorales selectivos. A partir de una serie de compuestos con estructura química de tipo quinona/hidroquinona, se identificó un compuesto (Cpd.7) con efecto anti-proliferativo selectivo hacia células de cáncer de mama murinas y humanas. Cpd. 7 fue identificado como un inhibidor no-competitivo de la actividad del complejo I, con un sitio de unión putativo en el brazo hidrofóbico cercano al sitio de unión de ubiquinona. Este compuesto inhibió la respiración mitocondrial dependiente del complejo I, disminuyó la razón NAD+/NADH, produjo despolarización mitocondrial, afectando solo a tiempos tempranos los niveles de ATP. En células tumorales, Cpd. 7 produjo un selectivo remodelamiento metabólico hacia un fenotipo glicolítico dependiente de AMPK, siendo un mecanismo de sobrevida. De forma interesante, la disponibilidad de sustratos y la flexibilidad metabólica exhibida por células tumorales son factores que determinan el efecto de Cpd. 7, variando entre un efecto citotóxico o anti-proliferativo. Cpd. 7 afecta selectivamente la proliferación de células de cáncer de mama, induciendo detención del ciclo celular y senescencia. Este efecto es debido los cambios en la razón NAD+/NADH producida por la inhibición de la respiración mitocondrial, alterando la síntesis de amino ácidos (especialmente aspartato), los cuales son requeridos como precursores para la síntesis de nucleótidos durante la proliferación. En conclusión, en este trabajo se demuestra que la inhibición de la CTE a nivel del complejo I por pequeñas moléculas produce efectos anti-proliferativos, los cuales son mediados por la inducción de un selectivo remodelamiento metabólico en células de cáncer de mama

Breast cancer is the most frequently diagnosed cancer and the leading cause of death from cancer in women worldwide. This cancer is a heterogeneous disease comprised of several biologically distinct sub-types, in which the participation of the metabolism in the proliferation remain poorly understood. In addition, cancer cells exhibit a high capacity to remodel the metabolism in response to changes in the substrate availability or some metabolic stress, being an adaptive response that promote the cell survival. However, the participation of mitochondrial metabolism in the proliferation and the induction of a metabolic remodeling though the pharmacologic inhibition of the electron transport chain (ETC) to obtain anti-proliferative effect remains scarcely explored in breast cancer cells. Results suggest that the cell lines of breast cancer, compared to the non-tumoral cells, show differences in the mitochondrial metabolism, exhibiting reduced spare capacity and a high ETC activity. Moreover, breast cancer cells exhibit different dependence on glucose and glutamine availabilities to maintain the proliferation and under glucose deprivation, they can remodel the bioenergetic organization toward the mitochondrial metabolism. Interestingly, these data suggest that the ETC function in breast cancer cells may be essential for cellular functions and blocking may have selective anti-cancer effects. From a series of new compounds with chemical structure with quinone/hydroquinone scaffold, it was identified a compound (Cpd.7) with selective anti-proliferative effect toward murine and human breast cancer cells. Cpd. 7 was identified as a non-competitive inhibitor of complex I activity with a putative binding site in the hydrophobic arm next the binding site of ubiquinone. This compound inhibited the Complex I-dependent mitochondrial respiration, decreased the NAD+/NADH ratio, induced mitochondrial deporalization, affecting the ATP levels only at short time of exposition. In cancer cells, Cpd. 7 induced a selective metabolic remodeling toward a AMPK-dependent glycolytic phenotype, being a survival mechanism. Interestingly, the substrate availability and metabolic flexibility exhibited by breast cancer cells are determinants of the anti-cancer effect of Cpd.7, ranging from cytotoxic and anti-proliferative effects. Cpd. 7 selectively affects the proliferation of breast cancer cells, inducing cell cycle arrest and senescence. This effect occurs due changes in the NAD+/NADH ratio produced by the inhibition of the mitochondrial respiration, altering the amino acid synthesis (especially aspartate), which are required as precursors in the nucleotide synthesis during the proliferation. In conclusion, this work shows that the inhibition of ETC function at complex I level by small molecules produces anti-proliferative effects, which are mediated by the induction of a selective metabolic remodeling in breast cancer cells