Гладене и рак: молекулярни механизми и клинично приложение

Алесио Ненсиони, Ирен Кафа, Салваторе Кортелино намлява Валтер Д. Лонго

Резюме | Уязвимостта на раковите клетки към недостиг на хранителни вещества и тяхната зависимост от специфични метаболити са нововъзникващи отличителни белези на рака. Диетите на гладно или имитиращи гладуване (FMDs) водят до широки промени в растежните фактори и нивата на метаболитите, създавайки среда, която може да намали способността на раковите клетки да се адаптират и оцеляват и по този начин да подобрят ефектите от терапиите за рак. В допълнение, гладуването или FMD повишават резистентността към химиотерапия в нормалните, но не и раковите клетки и насърчават регенерацията в нормалните тъкани, което може да помогне за предотвратяване на вредни и потенциално животозастрашаващи странични ефекти от лечението. Докато гладуването трудно се понася от пациентите, както животинските, така и клиничните проучвания показват, че циклите на нискокалорични шап са осъществими и като цяло безопасни. Няколко клинични проучвания, оценяващи ефекта на гладуване или шап върху нежеланите събития, свързани с лечението, и върху резултатите от ефикасността са в ход. Ние предлагаме комбинацията от шап с химиотерапия, имунотерапия или други лечения да представлява потенциално обещаваща стратегия за повишаване на ефикасността на лечението, предотвратяване на придобиване на резистентност и намаляване на страничните ефекти.

Факторите, свързани с храненето и начина на живот, са ключови детерминанти на риска от развитие на рак, като някои видове рак са по-зависими от хранителните навици, отколкото други1 9. В съответствие с това понятие, затлъстяването се оценява на 14% до 20% от цялата смъртност, свързана с рак в Съединените щати. щати7 , което води до насоки за хранене и физическа активност за намаляване на риска от развитие рак6. Освен това, като се има предвид възникващата склонност на раковите клетки, но не и на нормалните тъкани, да не се подчиняват на сигналите срещу растежа (поради онкогенни мутации)10 и тяхната неспособност да се адаптират правилно към условията на гладуване11,12, нараства интересът към възможността, че някои диети с ограничени калории също могат да станат неразделна част от превенцията на рака и, може би, от лечението на рак като средство за повишаване на ефикасността и поносимостта на противоракови агенти11 13.

Въпреки че през последното десетилетие станахме свидетели на безпрецедентни промени и забележителен напредък в лечението на рака14,15, остава съществена нужда от по-ефективни и вероятно, лечебни подходи за тумори но също, и също толкова важно, за стратегии за намаляване на страничните ефекти от лечението на рак15,16. Въпросът за нежеланите събития, свързани с лечението (TEAEs) е едно от ключовите препятствия в медицинската онкология15,16. Всъщност много пациенти с рак изпитват остри и/или дългосрочни странични ефекти от лечението на рак, което може да изисква хоспитализация и агресивно лечение (като антибиотици, хемопоетичен растежни фактори намлява кръвопреливания) и влияят дълбоко на качеството им на живот (напр. индуцирана от химиотерапия периферна невропатия)16. По този начин ефективни стратегии за смекчаване на токсичността са оправдани и се очаква да имат голямо медицинско, обществено и икономическо въздействие15,16.

Гладуването принуждава здравите клетки да влязат в бавно делене и силно защитен режим, който ги предпазва от токсични обиди, получени от противоракови лекарства, като същевременно сенсибилизира различни видове ракови клетки към тези терапевтични средства11,12,17. Това откритие предполага, че една единствена диетична интервенция може потенциално да помогне за справяне с различни и еднакво важни аспекти на терапията на рака.

В тази статия на Становището обсъждаме биологичната обосновка за използването на диети на гладно или имитиращи гладуване (FMDs) за притъпяване на TEAE, но също и за предотвратяване и лечение на рак. Ние също така илюстрираме предупрежденията на този експериментален подход18,19 и публикуваните и текущи клинични проучвания, в които гладуването или FMD са били прилагани при пациенти с рак.

Системен и клетъчен отговор на гладуване

Гладуването води до промени в активността на много метаболитни пътища, свързани с преминаването към режим, способен да генерира енергия и метаболити, използвайки въглеродни източници, освободени предимно от мастната тъкан и отчасти от мускулите. Промените в нивата на циркулиращите хормони и метаболити се превръщат в намаляване на клетъчното делене и метаболитна активност на нормални клетки и в крайна сметка да ги предпази от химиотерапевтични инсулти11,12. Раковите клетки, като не се подчиняват на заповедите срещу растежа, продиктувани от тези условия на глад, могат да имат обратен отговор на нормалните клетки и следователно да станат чувствителни към химиотерапия и други терапии за рак.

Системен отговор на гладуване

Отговорът на гладуването е организиран отчасти от циркулиращите нива на глюкоза, инсулин, глюкагон, растежен хормон (GH), IGF1, глюкокортикоиди намлява адреналин. По време на начална фаза след абсорбция, която обикновено продължава 6 часа, нивата на инсулин започват да падат и нивата на глюкагон се повишават, насърчавайки разграждането на запасите от чернодробен гликоген (които се изчерпват след приблизително 24 часа) и последващото освобождаване на глюкоза за енергия.

Глюкагонът и ниските нива на инсулин също стимулират разграждането на триглицеридите (които най-вече се съхраняват в мастната тъкан) до глицерол и свободни мастни киселини. По време на гладуване повечето тъкани използват мастни киселини за енергия, докато мозъкът разчита на глюкоза и кетонни тела, произведени от хепатоцити (кетонните тела могат да се произвеждат от ацетил-КоА, генериран от α-окислението на мастни киселини или от кетогенни аминокиселини). В кетогенната фаза на гладуване, кетонните тела достигат концентрации в милимоларния диапазон, обикновено започвайки след 2 дни от началото на гладуването. Заедно с глицерол и аминокиселини, извлечени от мазнини, кетонните тела захранват глюконеогенезата, която поддържа нивата на глюкоза при концентрация от приблизително 3 mM (4 mg на dl), която се използва най-вече от мозъка.

Глюкокортикоидите и адреналинът също допринасят за насочването на метаболитните адаптации към постене, подпомага поддържането на нивата на кръвната захар и стимулира липолизата20,21. По-специално, въпреки че гладуването може поне временно да повиши нивата на GH (за увеличаване на глюконеогенезата и липолизата и за намаляване на периферното усвояване на глюкоза), гладуването намалява нивата на IGF1. В допълнение, при условия на гладно, биологичната активност на IGF1 се ограничава отчасти от повишаване на нивата на инсулиноподобния растежен фактор, свързващ протеин 1 (IGFBP1), който се свързва с циркулиращия IGF1 и предотвратява взаимодействието му със съответния рецептор на клетъчната повърхност22.

И накрая, гладуването намалява нивата на циркулиращия лептин, хормон, произвеждан предимно от адипоцити, който инхибира глада, като същевременно повишава нивата на адипонектин, който увеличава разграждането на мастни киселини23,24. По този начин, в заключение, отличителните белези на системния отговор на бозайниците към гладуване са ниски нива на глюкоза и инсулин, високи нива на глюкагон и кетонни тела, ниски нива на IGF1 и лептин и високи нива на адипонектин.

Клетъчен отговор на гладуване

Реакцията на здравите клетки към гладуването е еволюционно запазена и осигурява клетъчна защита, а поне в моделните организми е доказано, че увеличава продължителността на живота и здравето12,22,25. IGF31 сигнализация каскадата е ключ сигнализация път, участващ в медиирането на ефектите от гладуването на клетъчно ниво. При нормално хранене консумацията на протеини и повишените нива на аминокиселини повишават нивата на IGF1 и стимулират активността на AKT и mTOR, като по този начин засилват протеиновия синтез. Обратно, по време на гладуване нивата на IGF1 и сигнализирането надолу по веригата намаляват, намалявайки AKT-медиираното инхибиране на транскрипционните фактори на FOXO при бозайници и позволявайки на тези транскрипционни фактори да трансактивират гени, което води до активиране на ензими като хем оксигеназа 1 (HO1), супероксид дисмутаза ( SOD) и каталаза с антиоксидантни действия и защитни ефекти32 34. Високите нива на глюкоза стимулират протеин киназа А (PKA) сигнализация, който регулира негативно главния енергиен сензор AMP-активирана протеин киназа (AMPK)35, което от своя страна предотвратява експресията на транскрипционния фактор на стрес устойчивост на ранен растежен отговор протеин 1 (EGR1) (Msn2 и/или Msn4 в дрожди)26,36 ,XNUMX.

Гладуването и произтичащото от него ограничаване на глюкозата инхибират активността на PKA, повишават активността на AMPK и активират EGR1 и по този начин постигат клетъчно-протективни ефекти, включително тези в миокарда22,25,26. И накрая, гладуването и FMDs (вижте по-долу за техния състав) също имат способността да насърчават регенеративните ефекти (Каре 1) чрез молекулярни механизми, някои от които са замесени в рак, като повишена аутофагия или индукция на активност на сиртуин22,37 49 .

Диетични подходи при ракови шап

Диетичните подходи, базирани на гладуване, които са изследвани по-обстойно в онкологията, както предклинично, така и клинично, включват гладуване на вода (въздържане от всякакви храни и напитки с изключение на вода) и FMDs11,12,17,25,26,50 60 (Таблица 1). Предварителните клинични данни показват, че може да е необходимо гладуване от най-малко 48 часа за постигане на клинично значими ефекти в онкологията, като например предотвратяване на увреждане на ДНК, предизвикано от химиотерапия, на здрави тъкани и подпомагане на поддържането пациент качество на живот по време на химиотерапия52,53,61.

Въпреки това, повечето пациенти отказват или изпитват затруднения да завършат гладуването с вода, а потенциалните рискове от удължения дефицит на калории и микроелементи, свързани с него, са трудни за оправдаване. FMDs са медицински разработени диетични режими с много ниско съдържание на калории (тоест обикновено между 300 и 1,100 kcal на ден), захари и протеини, които пресъздават много от ефектите на гладуването само с вода, но с по-добро спазване на пациентите и намален хранителен риск22,61,62, 3. По време на FMD пациентите обикновено получават неограничени количества вода, малки, стандартизирани порции зеленчукови бульони, супи, сокове, ядки и билкови чайове, както и добавки от микроелементи. В клинично проучване на 5 месечни цикъла на 1-дневна FMD при общо здрави индивиди, диетата се понася добре и намалява телесните мазнини, кръвното налягане и нивата на IGF62. В предишни и текущи онкологични клинични изпитвания, гладуването или FMD обикновено са били прилагани на всеки 3 седмици, например, в комбинация с режими на химиотерапия, като продължителността им е варирала между 4 и 1 дни5 . Важно е, че в това проучване не са докладвани сериозни нежелани събития (ниво G52,53,58,61,63 или по-високо, съгласно Общите терминологични критерии за нежелани събития)68.

Кетогенни диети

Кетогенните диети (КД) са диетични режими, които имат нормално калорично, високо съдържание на мазнини и ниско съдържание на въглехидрати69,70. При класическата KD съотношението между теглото на мазнините и комбинираното тегло на въглехидратите и протеините е 4:1. Трябва да се отбележи, че FMDs също са кетогенни, тъй като имат високо съдържание на мазнини и имат способността да предизвикват значително повишаване (?0.5 mmol на литър) в нивата на циркулиращите кетонни тела. При хората KD може също да намали нивата на IGF1 и инсулин (с повече от 20% от изходните стойности), въпреки че тези ефекти се влияят от нивата и видовете въглехидрати и протеини в диетата71. KD могат да намалят нивата на кръвната захар, но те обикновено остават в нормалните граници (тоест >4.4 mmol на литър)71.

По-специално, KDs могат да бъдат ефективни за предотвратяване на повишаването на глюкозата и инсулина, което обикновено се появява в отговор на PI3K инхибитори, което се предлага да ограничи тяхната ефикасност72. Традиционно KD се използват за лечение на рефрактерна епилепсия, главно при деца69. При миши модели KDs предизвикват противоракови ефекти, особено при глиобластома70,72. Клиничните проучвания показват, че KD вероятно нямат значителна терапевтична активност, когато се използват като единични агенти при пациенти с рак и предполагат, че потенциалните ползи от тези диети трябва да се търсят в комбинация с други подходи, като химиотерапия, лъчетерапия, антиангиогенни лечения, PI86K инхибитори намлява шап 72,73.

Съобщава се, че KD имат невропротективни ефекти в периферните нерви и в хипокампуса87,88. Остава обаче да се установи дали KDs също имат прорегенеративни ефекти, подобни на гладуването или FMDs (Каре 1) и дали KDs също могат да се използват за защита на живи бозайници от токсичността на химиотерапията. По-специално, регенеративните ефекти на гладуването или FMD изглежда се максимизират чрез превключване от режима на реакция на глад, който включва разпадането на клетъчните компоненти и смъртта на много клетки, и периода на повторно хранене, в който клетките и тъканите се подлагат на реконструкция 22. Тъй като KD не принуждават влизането в режим на гладуване, не насърчават голямо разпадане на вътреклетъчните компоненти и тъкани и не включват период на повторно захранване, е малко вероятно те да причинят типа координирана регенерация, наблюдавана по време на повторното хранене на шап.

Ограничение на калориите

Докато хроничното ограничаване на калориите (CR) и диетите с дефицит на специфични аминокиселини са много различни от периодичното гладуване, те споделят с гладуването и шап повече или по-малко селективно ограничение на хранителните вещества и имат противоракови ефекти81,89. CR обикновено включва хронично намаляване с 112% на енергийния прием от стандартния прием на калории, което би позволило на индивида да поддържа нормално тегло20. Той е много ефективен за намаляване на сърдечносъдовите рискови фактори и заболеваемостта от рак при моделни организми, включително примати30.

Въпреки това, CR може да причини странични ефекти, като промени във външния вид, повишена чувствителност към студ, намалена сила, менструални нередности, безплодие, загуба на либидо, остеопороза, по-бавно зарастване на рани, мания за храна, раздразнителност и депресия. При пациенти с рак има сериозни опасения, че това може да влоши недохранването и че неизбежно ще причини прекомерна загуба на чиста телесна маса18,113 116. CR намалява нивата на кръвната захар на гладно, въпреки че те остават в нормалните граници114. При хората хроничният CR не влияе на нивата на IGF1, освен ако не се приложи умерено протеиново ограничение117.

Проучванията показват, че чрез намаляване на сигнализирането на mTORC1 в клетките на Paneth, CR увеличава тяхната функция на стволови клетки и че също така защитава резервните чревни стволови клетки от увреждане на ДНК118,119, но не е известно дали про-регенеративните ефекти в други органи също се предизвикват от CR. По този начин наличните данни предполагат, че гладуването и FMD създават метаболитен, регенеративен и защитен профил, който е различен и вероятно по-мощен от този, предизвикан от KD или CR.

Гладене и шап в терапията: Ефекти върху нивата на хормони и метаболити

Много от промените в нивата на циркулиращите хормони и метаболити, които обикновено се наблюдават в отговор на гладуване, имат способността да упражняват противотуморни ефекти (тоест намалени нива на глюкоза, IGF1, инсулин и лептин и повишени нива на адипонектин)23,120,121 и/ или да осигури защита на здравите тъкани от странични ефекти (тоест, намалени нива на IGF1 и глюкоза). Тъй като кетонните тела могат да инхибират хистон деацетилази (HDACs), индуцираното от гладуване увеличение на кетонните тела може да помогне за забавяне на растежа на тумора и да насърчи диференциацията чрез епигенетични механизми122.

Доказано е обаче, че ацетоацетатът на кетонното тяло ускорява, вместо да намалява, растежа на някои тумори, като меланоми с мутирал BRAF123. Тези промени, за които има най-силни доказателства за роля в благоприятните ефекти на гладуването и шап срещу рак, са намаляването на нивата на IGF1 и глюкозата. На молекулярно ниво гладуването или FMD намаляват вътреклетъчните сигнални каскади, включително IGF1R AKT mTOR S6K и cAMP PKA сигнализиране, повишава аутофагията, помага на нормалните клетки да издържат на стрес и насърчава противораковия имунитет25,29,56,124

Диференциална устойчивост на стрес: Увеличаване на поносимостта към химиотерапия

Някои онкогенни ортолози на дрожди, като Ras и Sch9 (функционален ортолог на S6K на бозайници), са в състояние да намалят устойчивостта на стрес в моделните организми27,28. В допълнение, мутации, които активират IGF1R, RAS, PI3KCA или AKT, или които инактивират PTEN, присъстват в по-голямата част от човешките ракови заболявания10. Заедно това доведе до хипотезата, че гладуването ще причини противоположни ефекти при рак спрямо нормалните клетки по отношение на способността им да издържат на клетъчни стресори, включително химиотерапевтици. С други думи, гладуването може да доведе до диференциал устойчивост на стрес (DSR) между нормалните и раковите клетки.

Според хипотезата на DSR, нормалните клетки реагират на гладуване чрез понижаване на пролиферацията, свързана с рибозомната биогенеза и/или гените за сглобяване, което принуждава клетките да влязат в режим на самоподдържане и ги предпазва от щетите, причинени от химиотерапия, лъчетерапия и други токсични агенти. Обратно, в раковите клетки този режим на самоподдържане се предотвратява чрез онкогенни промени, които причиняват конститутивно инхибиране на пътищата за реакция на стрес12 (Фиг. 1). В съответствие с модела DSR, краткосрочно гладуване или изтриване на протоонкоген хомолози (тоест Sch9 или и двете Sch9 и Ras2) повишава защитата на Saccharomyces cerevisiae срещу оксидативен стрес или химиотерапевтични лекарства до 100 пъти в сравнение с дрождевите клетки, експресиращи конститутивно активния онкоген двойник Ras2val19.

Подобни резултати са получени при клетки от бозайници: излагането на среда с ниско съдържание на глюкоза защитава първичните миши глия клетки срещу токсичност от водороден пероксид или циклофосфамид (прооксидантно химиотерапевтично средство), но не защитава миши, плъхове и човешки ракови клетъчни линии на глиома и невробластома. В съответствие с тези наблюдения, 2-ден гладуването ефективно повишава преживяемостта на мишките, лекувани с висока доза етопозид в сравнение с не гладуващите мишки и увеличава преживяемостта на невробластома носене на алографт мишки в сравнение с мишки, носещи тумори без гладуване12.

Последващи проучвания установяват, че намалената сигнализация на IGF1 в отговор на гладуване защитава първичната глия и невроните, но не и клетките на глиома и невробластома, от циклофосфамид и от прооксидативни съединения и защитава миши ембрионални фибробласти от доксорубицин29. Мишки с чернодробен дефицит на IGF1 (LID), трансгенни животни с условна делеция на чернодробния Igf1 ген, които показват 70% намаление на циркулиращите нива на IGF80 (нива, подобни на тези, постигнати при 1-часово гладуване при мишки)72, бяха защитени срещу три от четири тествани химиотерапевтични лекарства, включително доксорубицин.

Хистологичните проучвания показват признаци на индуцирана от доксорубицин сърдечна миопатия само при третирани с доксорубицин контролни мишки, но не и при мишки LID. При експерименти с животни, носещи меланом, лекувани с доксорубицин, не се наблюдава разлика по отношение на прогресията на заболяването между контролни и LID мишки, което показва, че раковите клетки не са защитени от химиотерапия чрез намалени нива на IGF1. И все пак, отново, носещи тумори LID мишки показват забележително предимство в оцеляването в сравнение с контролните животни поради способността им да издържат на токсичността на доксорубицин29. По този начин, като цяло, тези резултати потвърждават, че понижаването на IGF1 е ключов механизъм, чрез който гладуването повишава поносимостта на химиотерапията.

Както дексаметазонът, така и инхибиторите на mTOR се използват широко при лечение на рак, било поради тяхната ефикасност като антиеметици и анти-алергетици (тоест кортикостероиди) или за тях противотуморна свойства (тоест кортикостероиди и mTOR инхибитори). Въпреки това, един от основните им и често ограничаващи дозата странични ефекти е хипергликемия. В съответствие с идеята, че повишава глюкозата cAMP PKA сигнализация намалява резистентността към токсичността на химиотерапевтичните лекарства12,26,126, и двете дексаметазон намлява рапамицин повишава токсичността на доксорубицин при миши кардиомиоцити и мишки26. Интересно е, че е възможно да се обърне такава токсичност чрез намаляване на нивата на циркулиращата глюкоза чрез инжекции на гладно или инсулин26.

Тези интервенции намаляват активността на PKA, като същевременно повишават активността на AMPK и по този начин активират EGR1, което показва, че cAMP PKA сигнализирането медиира предизвикания от гладно DSR чрез EGR1 (реф. 26). EGR1 също така насърчава експресията на кардиопротективни пептиди, като предсърдния натриуретичен пептид (ANP) и В-тип натриуретичен пептид (BNP) в сърдечната тъкан, което допринася за резистентността към доксорубицин. Освен това, гладуването и/или FMD могат да предпазят мишките от индуцирана от доксорубицин кардиомиопатия чрез засилване на аутофагията, което може да насърчи клетъчното здраве чрез намаляване на производството на реактивни кислородни видове (ROS) чрез елиминиране на дисфункционални митохондрии и чрез отстраняване на токсични агрегати.

В допълнение към намаляването на индуцирана от химиотерапия токсичност в клетките и увеличаване на преживяемостта на мишки, лекувани с химиотерапия, циклите на гладуване предизвикват регенерация на костния мозък и предотвратяват имуносупресията, причинена от циклофосфамид по PKA-свързан и свързан с IGF1 начин25. По този начин убедителните предклинични резултати показват потенциала на гладуването и FMD да повишат поносимостта на химиотерапията и да избегнат големи странични ефекти. Тъй като първоначалните клинични данни дават допълнителна подкрепа на този потенциал, тези предклинични проучвания изграждат силна обосновка за оценка на шап в рандомизирани клинични проучвания с TEAEs като първична крайна точка.

Диференциална чувствителност към стрес: Увеличаване на смъртта на раковите клетки

Ако се използват самостоятелно, повечето диетични интервенции, включително гладуване и шап, имат ограничен ефект срещу прогресията на рака. Според хипотезата за диференциална стрес-сенсибилизация (DSS), комбинацията от гладуване или шап с второ лечение е много по-обещаваща11,12. Тази хипотеза предвижда, че докато раковите клетки са в състояние да се адаптират към ограничени концентрации на кислород и хранителни вещества, много видове ракови клетки не са в състояние да извършат промени, които биха позволили оцеляване в токсична среда с дефицит на хранителни вещества, генерирана от комбинацията от гладуване и химиотерапия , например. Ранни експерименти при рак на гърдата, меланом намлява глиомни клетки откриват парадоксално увеличение на експресията на гени, свързани с пролиферацията, или на рибозомна биогенеза и гени за сглобяване в отговор на гладуване11,12. Такива промени бяха придружени от неочаквано активиране на AKT и S6K, склонност към генериране на ROS и увреждане на ДНК и сенсибилизация към ДНК-увреждащи лекарства (чрез DSS)11.

Ние считаме такъв неподходящ отговор на раковите клетки към променените състояния, включително намаляването на нивата на IGF1 и глюкозата, причинени от гладуване или шап, като ключов механизъм, лежащ в основата на противотуморна свойства на тези диетични интервенции и тяхната потенциална полезност за разделяне на ефектите от противоракови лечения върху нормални спрямо злокачествени клетки11,12 (Фиг. 1). В съответствие с хипотезата на DSS, периодичните цикли на гладуване или шап са достатъчни, за да забавят растежа на много видове тумор клетки, вариращи от твърди туморни клетъчни линии до клетки на лимфоидна левкемия, в мишката и най-важното, за сенсибилизиране на раковите клетки към химиотерапевтици, лъчетерапия и инхибитори на тирозин киназа (TKIs)11,17,22,25,50,54, 57,59,60,124,127,128.

Чрез намаляване на наличността на глюкоза и увеличаване на ?-окислението на мастни киселини, гладуването или FMD могат също да насърчат преминаването от аеробна гликолиза (ефект на Warburg) към митохондриално окислително фосфорилиране в раковите клетки, което е необходимо за поддържане на растежа на раковите клетки в най-бедната на хранителни вещества среда50 (фиг. 2). Това превключване води до повишено производство на ROS11 в резултат на повишена митохондриална респираторна активност и може също да включва намаляване на клетъчния редокс потенциал поради намаления синтез на глутатион от гликолизата и пътя на пентозофосфата50. Комбинираният ефект от увеличаването на ROS и намалената антиоксидантна защита повишава оксидативния стрес в раковите клетки и усилва активността на химиотерапевтиците. По-специално, тъй като високата гликолитична активност, демонстрирана от производството на високо лактат, е предсказваща агресивността и метастатичната склонност при няколко вида рак129, анти-Warburg ефектите на гладуването или FMD имат потенциала да бъдат особено ефективни срещу агресивни и метастатични ракови заболявания.

Освен промяна в метаболизма, гладуването или FMD предизвикват други промени, които могат да насърчат DSS в раковите клетки на панкреаса. Гладуването повишава нивата на експресия на уравновесен нуклеозиден транспортер 1 (ENT1), транспортерът на гемцитабин през плазмената мембрана, което води до подобрена активност на това лекарство128. В клетките на рак на гърдата гладуването причинява SUMO2-медиирана и/или SUMO3-медиирана модификация на REV1, ДНК полимераза и p53-свързващ протеин127. Тази модификация намалява способността на REV1 да инхибира р53, което води до повишена р53-медиирана транскрипция на проапоптотични гени и в крайна сметка до смърт на ракови клетки (Фиг. 2). Гладуването също така увеличава способността на често прилаганите TKI да спрат растежа и/или смъртта на раковите клетки чрез засилване на инхибирането на сигнализацията на MAPK и по този начин блокиране на генната експресия, зависима от транскрипционния фактор на E2F, но също и чрез намаляване на усвояването на глюкоза17,54.

И накрая, гладуването може да регулира нагоре рецептора на лептин и надолу по веригата сигнализация чрез протеина PR/SET домейн 1 (PRDM1) и по този начин инхибира инициирането и обръща прогресията на В-клетъчната и Т-клетъчната остра лимфобластна левкемия (ALL), но не и на остър миелоид левкемия (AML)55. Интересно е, че независимо проучване показа, че прекурсорите на В-клетките проявяват състояние на хронично ограничение на глюкоза и енергийни доставки, наложени от транскрипционните фактори PAX5 и IKZF1 (реф. 130). Доказано е, че мутациите в гените, кодиращи тези два протеина, които присъстват в повече от 80% от случаите на пре-В клетъчно ALL, повишават усвояването на глюкозата и нивата на АТФ. Въпреки това, възстановяването на PAX5 и IKZF1 в preB-ALL клетки доведе до енергийна криза и клетъчна смърт. Взети заедно с предишното проучване, тази работа показва, че ALL може да са чувствителни към хранителните и енергийни ограничения, наложени от гладуването, което вероятно представлява добър клиничен кандидат за тестване на ефикасността на гладуване или FMD.

По-специално, вероятно е много видове ракови клетки, включително AML29, да придобият резистентност чрез заобикаляне на метаболитните промени, наложени от гладуване или FMD, възможност, която допълнително се увеличава от метаболитната хетерогенност, която характеризира много видове рак129. По този начин основна цел в близко бъдеще ще бъде да се идентифицират видовете рак, които са най-податливи на тези диетични режими с помощта на биомаркери. От друга страна, когато се комбинират със стандартни терапии, гладуването или FMD рядко водят до придобиване на резистентност при ракови миши модели, а резистентността към гладуване, комбинирана с химиотерапия, също е необичайна в проучвания in vitro, подчертавайки важността на идентифицирането на терапии, които, когато се комбинира с FMDs, води до мощни токсични ефекти срещу ракови клетки с минимална токсичност за нормалните клетки и тъкани11,17,50,55 57,59,124.

Повишаване на противотуморния имунитет чрез гладуване или FMD

Последните данни показват, че гладуването или FMD сами по себе си и в по-голяма степен, когато се комбинират с химиотерапия, предизвикват разширяване на лимфоидните прогенитори и насърчават тумор имунна атака чрез различни механизми25,56,60,124. FMD намалява експресията на HO1, протеин, който осигурява защита срещу окислително увреждане и апоптоза, в раковите клетки in vivo, но повишава експресията на HO1 в нормалните клетки124,131. Понижаването на HO1 в раковите клетки медиира индуцирана от шап химиосенсибилизация чрез увеличаване на CD8+ тумор-инфилтрираща лимфоцитно-зависима цитотоксичност, което може да бъде улеснено от понижаването на регулирането на регулаторните Т клетки124 (Фиг. 2). Друго проучване, което потвърждава способността на гладуването или FMDs и CR миметиците да подобрят противораковия имунен надзор, предполага, че противораковите ефекти на гладуването или FMDs могат да се прилагат за ракови заболявания, компетентни за аутофагия, но не и с дефицит на автофагия56. И накрая, неотдавнашно проучване на алтернативно дневно гладуване в продължение на 2 седмици в модел на рак на дебелото черво при мишка показа, че чрез активиране на аутофагията в раковите клетки, гладуването намалява експресията на CD73 и следователно намалява производството на имуносупресивен аденозин от раковите клетки60. В крайна сметка е показано, че регулирането на CD73 чрез гладуване предотвратява изместването на макрофагите към М2 имуносупресивен фенотип (Фиг. 2). Въз основа на тези проучвания е привлекателно да се спекулира, че FMDs могат да бъдат особено полезни вместо или в комбинация с инхибитори на имунната контролна точка132, ваксини срещу рак или други лекарства, които предизвикват противотуморна имунитет, включително някои конвенционални химиотерапевтици133.

Противоракови диети при миши модели

Като цяло, резултатите от предклиничните проучвания на гладуване или FMDs в модели на рак при животни, включително модели за метастатичен рак (Таблица 2), показват, че периодичното гладуване или FMDs постигат плейотропни противоракови ефекти и потенцират активността на химиотерапевтиците и TKI, като същевременно упражняват защитни и регенеративни ефекти в множество органи22,25. Постигането на същите ефекти без гладуване и/или шап би изисквало първо идентифициране и след това употребата на множество ефективни, скъпи и често токсични лекарства и вероятно няма да има предимството да предизвика здрава клетъчна защита. Трябва да се отбележи, че в поне две проучвания гладуването, комбинирано с химиотерапия, се оказа единствената интервенция, способна да постигне или пълна регресия на тумора, или дългосрочно оцеляване при постоянна част от лекуваните животни11,59

Хроничните KD също показват a тумор ефект на забавяне на растежа, когато се използва като монотерапия, особено при мишки модели на рак на мозъка77,78,80 82,84,134. Глиомите при мишки, поддържани на хронична KD, имат намалена експресия на маркера за хипоксия карбоанхидраза 9 и на индуцируемия от хипоксия фактор 1?, намалено активиране на ядрен фактор-?B и намалена експресия на съдов маркер (тоест, рецептор на съдов ендотелен растежен фактор 2, матрична металопротеиназа 2 и виментин)86. При вътречерепен миши модел на глиома, мишки, хранени с KD, показват повишено тумор-реактивен вродени и адаптивни имунни отговори, които са основно медиирани от CD8+ Т клетки79. Доказано е, че KD подобряват активността на карбоплатин, циклофосфамид и лъчетерапия при глиома, рак на белия дроб намлява невробластомни миши модели73 75,135. В допълнение, скорошно проучване показва, че KD може да бъде много полезен в комбинация с PI3K инхибитори72. Чрез блокиране на инсулина сигнализация, тези агенти насърчават разграждането на гликогена в черния дроб и предотвратяват усвояването на глюкоза в скелетните мускули, което води до преходни хипергликемия и до компенсаторно освобождаване на инсулин от панкреаса (феномен, известен като „инсулинова обратна връзка”). На свой ред това повишаване на в нивата на инсулин, които могат да бъдат продължителни, особено при пациенти с инсулинова резистентност, реактивира PI3K mTOR сигнализация in тумори, като по този начин силно ограничава ползата от PI3K инхибиторите. Доказано е, че KD е много ефективен за предотвратяване на обратна връзка с инсулин в отговор на тези лекарства и за значително подобряване на тяхната противоракова активност при мишката. И накрая, според проучване в модел на кахексия, индуцирана от миши тумори (MAC16 тумори), KD могат да помогнат за предотвратяване загубата на мазнини и обезмаслена телесна маса при пациенти с рак85.

CR намалява туморогенезата при генетични миши модели на рак, миши модели със спонтанна туморогенеза и канцерогенно индуцирани ракови мишки модели, както и при маймуни91,92,97,98,101,102,104 106,108,109,136 138. Обратно, проучване установи, че CR от средна възраст действително увеличава честотата на неоплазмите на плазмените клетки при C57Bl/6 мишки139. Въпреки това, в същото проучване, CR също удължава максималната продължителност на живота с приблизително 15%, а наблюдаваното увеличение на заболеваемостта от рак се дължи на увеличената продължителност на живота на мишките, подложени на CR, възрастта, на която носещи тумори мишки, подложени на CR, умират и процентът на носещи тумори мишки, подложени на CR, които умират. По този начин авторите стигат до заключението, че CR вероятно забавя промоцията и/или прогресията на съществуващите лимфоидни ракови заболявания. Мета-анализ, сравняващ хроничния CR с интермитентния CR по отношение на способността им да предотвратяват рак при гризачи, заключи, че интермитентният CR е по-ефективен при генетично модифицирани миши модели, но е по-малко ефективен при химически индуцирани модели на плъхове90. Показано е, че CR забавя тумор растеж и/или за удължаване на преживяемостта на мишките при различни модели на ракови мишки, включително рак на яйчниците и панкреаса140,94 и невробластом81.

Важно е, че CR подобри активността на противораково лечение в няколко модела на рак, включително активността на антиIGF1R антитяло (ганитумаб) срещу рак на простатата141, циклофосфамид срещу клетки на невробластома135 и инхибиране на аутофагията в ксенотрансплантатите на HRAS-G12V, трансформирани безсмъртни клетки на бебето, епидемична мишка. Въпреки това, CR или KD в комбинация с противоракови терапии изглежда са по-малко ефективни от гладуването. Проучване при мишки установи, че за разлика от самото гладуване, само CR не е в състояние да намали растежа на подкожно растящи GL100 миши глиоми и че отново, за разлика от краткосрочното гладуване, CR не повишава активността на цисплатина срещу подкожната 26T4 гърда тумори1. В същото проучване гладуването също се оказа значително по-ефективно от CR и KD за повишаване на поносимостта на доксорубицин51. Въпреки че гладуването или FMD, CR и KD вероятно действат и модулират припокриването сигнализация пътища, гладуване или шап вероятно засягат такива механизми по по-драстичен начин по време на интензивна остра фаза с максимална продължителност от няколко дни.

Фазата на повторно захранване може тогава благоприятства възстановяването на хомеостазата на целия организъм, но също така активира и ободрява механизмите, които могат да насърчат разпознаването и отстраняването на тумор и регенерират здравите клетки. CR и KD са хронични интервенции, които са в състояние само умерено да потиснат пътя на чувствителността на хранителните вещества, вероятно без достигане на определени прагове, необходими за подобряване на ефектите на противораковите лекарства, като същевременно налагат голямо бреме и често прогресивна загуба на тегло. CR и KD като хронични диетични режими при пациенти с рак са трудни за прилагане и вероятно носят рискове за здравето. CR вероятно ще доведе до тежка загуба на чиста телесна маса и намаляване на стероидните хормони и вероятно имунната функция142. Хроничните KD също са свързани с подобни, но по-малко тежки странични ефекти143. По този начин, периодичното гладуване и циклите на шап с продължителност по-малко от 5 дни, прилагани заедно със стандартните терапии, имат висок потенциал за подобряване на лечението на рак, като същевременно намаляват неговите странични ефекти. По-специално, ще бъде важно да се проучи ефектът от комбинацията от периодични FMDs, хронични KDs намлява стандартни терапии, особено за лечение на агресивни ракови заболявания като глиома.

Гладене и шап в превенцията на рака

Епидемиологични проучвания и проучвания при животни, включително маймуни108,109,144, и хора подкрепят схващането, че хроничният CR и периодичното гладуване и/или шап могат да имат превантивни ефекти при хората. Независимо от това, CR трудно може да се приложи в общата популация поради проблеми със спазването и възможни странични ефекти115. По този начин, докато основани на доказателства препоръки за храни, които трябва да се предпочитат (или да се избягват), както и препоръки за начина на живот за намаляване на риска от рак се утвърждават6,8,9,15, целта сега е да се идентифицират и евентуално да се стандартизират добре поносимите, периодични диетични режими с ниски или никакви странични ефекти и оценяват тяхната ефикасност за превенция на рак в клинични проучвания.

Както беше обсъдено по-рано, циклите на FMD причиняват понижаване на IGF1 и глюкозата и повишаване на IGFBP1 и кетонни тела, които са промени, подобни на тези, причинени от самото гладуване и са биомаркери на реакцията на гладно22. Когато C57Bl/6 мишки (които спонтанно се развиват тумори, предимно лимфоми, с напредване на възрастта) са били хранени с такава FMD в продължение на 4 дни два пъти месечно, започвайки на средна възраст и диета ad libitum в периода между циклите на FMD, честотата на неоплазмите е намалена от приблизително 70% при мишки в контролата диета до приблизително 40% при мишки в групата на шап (общо намаление с 43%)22. В допълнение, FMD отложи с над 3 месеца появата на смъртни случаи, свързани с неоплазма, и броят на животните с множество анормални лезии е повече от три пъти по-висок в контролната група, отколкото при мишките FMD, което показва, че много тумори при FMD мишките са по-малко агресивни или доброкачествени.

Предишно проучване на алтернативно гладуване, което е проведено при мишки на средна възраст за общо 4 месеца, също установи, че гладуването намалява честотата на лимфома, като я довежда от 33% (за контролни мишки) до 0% (при гладуващи животни)145, въпреки че поради кратката продължителност на изследването не е известно дали този режим на гладуване предотвратява или просто забавя тумор начало. Освен това, алтернативното гладуване налага 15 дни на месец пълно гладуване само с вода, докато в описания по-горе експеримент за шап мишките са поставени на диета, която осигурява ограничено количество храна само за 8 дни на месец. При хора е показано, че 3 цикъла на 5-дневна FMD веднъж месечно намаляват абдоминалното затлъстяване и маркерите на възпаление, както и нивата на IGF1 и глюкозата при субекти с повишени нива на тези маркери62, което показва, че периодичната употреба на FMD може потенциално да доведе до превантивни ефекти за свързани със затлъстяването или възпаления, но също и други видове рак при хора, както е доказано при мишки22.

Следователно, обещаващите резултати от предклинични проучвания, комбинирани с клиничните данни за ефекта на шап върху рисковите фактори за свързани със стареенето заболявания, включително рак62, подкрепят бъдещи рандомизирани проучвания на шап като възможно ефективно средство за предотвратяване на рак, както и други свързани със стареенето хронични състояния при хора.

Клинична приложимост в онкологията

Към днешна дата са публикувани четири проучвания за осъществимост на гладуване и шап при пациенти, подложени на химиотерапия52,53,58,61. В серия от случаи от 10 пациенти, диагностицирани с различни видове рак, включително рак на гърдата, простатата, яйчниците, матката, белия дроб и рак на хранопровода, които доброволно гладуват до 140 часа преди и/или до 56 часа след химиотерапията, не са причинени сериозни странични ефекти самото гладуване, освен глад и замаяност, са докладвани58. Тези пациенти (шест), които са били подложени на химиотерапия с и без гладуване, съобщават за значително намаляване на умората, слабостта и стомашно-чревните нежелани събития по време на гладуване. В допълнение, при тези пациенти, при които прогресията на рака може да бъде оценена, гладуването не предотвратява предизвикано от химиотерапия намаляване на туморния обем или на туморните маркери. В друго проучване 13 жени с HER2 (известен също като ERBB2) отрицателен, стадий II/III рак на гърдата, получаващи неоадювантна химиотерапия с таксотер, адриамицин и циклофосфамид (TAC), бяха рандомизирани на бърза (само вода) 24 часа преди и след началото на химиотерапията или на хранене според стандартните насоки52.

Краткосрочното гладуване се понася добре и намалява спада на средния брой еритроцити и тромбоцити 7 дни след химиотерапията. Интересно е, че в това проучване нивата на ?-H2AX (маркер за увреждане на ДНК) се повишават 30 минути след химиотерапия в левкоцити от пациенти, които не са гладували, но не и при пациенти, които са гладували. При повишаване на дозата на гладуване при пациенти, подложени на химиотерапия на базата на платина, 20 пациенти (които са лекувани основно за рак на уротелия, яйчниците или гърдата) бяха рандомизирани да гладуват за 24, 48 или 72 часа (разделени на 48 часа преди химиотерапията и 24 часа след химиотерапията )53. Критериите за осъществимост (дефинирани като три или повече от шест субекта във всяка кохорта, консумиращи?200 kcal на ден по време на бързия период без излишна токсичност) бяха изпълнени. Токсичности, свързани с гладуване винаги са били класни 2 или по-долу, като най-честите са умора, главоболие намлява световъртеж. Както в предишното проучване, намалено увреждане на ДНК (както е открито чрез кометен анализ) в левкоцитите от субекти, които са гладували най-малко 48 часа (в сравнение с субекти, които гладуват само 24 часа) също може да бъде открито в това малко проучване. Освен това е документирана и незначителна тенденция към по-малко неутропения от степен 3 или 4 при пациенти, които са гладували 48 и 72 часа, спрямо тези, които са гладували само 24 часа.

Съвсем наскоро беше проведено рандомизирано кръстосано клинично проучване, оценяващо ефектите на шап върху качеството на живот и страничните ефекти от химиотерапията при общо 34 пациенти с рак на гърдата или яйчниците61. FMD се състоеше от дневно калориен прием от <400 kcal, предимно от сокове и бульони, започващ 36-48 часа преди началото на химиотерапията и продължаващ до 24 часа след края на химиотерапията. В това проучване шап предотвратява индуцираното от химиотерапия намаляване на качеството на живот и също така намалява умората. Отново не са докладвани сериозни нежелани реакции от шап. Няколко други клинични проучвания на шап в комбинация с химиотерапия или с други видове активни лечения в момента се провеждат в американски и европейски болници, предимно при пациенти, които са диагностицирани с рак на гърдата или простатата63,65. Това са или еднораменни клинични проучвания за оценка на безопасността и приложимостта на FMD или рандомизирани клинични проучвания, фокусирани върху ефекта на FMD върху токсичността на химиотерапията или върху качеството на живот на пациентите по време на самата химиотерапия. Като цяло тези проучвания вече са включили над 68 пациенти и се очаква първите им резултати да станат достъпни през 300 г.

Предизвикателства в клиниката

Изследването на периодично гладуване или на шап в онкологията не е лишено от опасения, особено във връзка с възможността този тип диетичен режим да предизвика недохранване, саркопения, намлява кахексия при предразположени или слаби пациенти (например пациенти, които развиват анорексия в резултат на химиотерапия)18,19. Въпреки това, не са докладвани случаи на тежка (над степен 3) загуба на тегло или на недохранване в клиничните проучвания на гладуване в комбинация с химиотерапия, публикувани към момента, а тези пациенти, които са имали загуба на тегло по време на гладуване, обикновено са възстановили теглото си преди последващ цикъл без забележима вреда. Въпреки това препоръчваме периодичните оценки на анорексия и хранителния статус, използващи подходи на златен стандарт18,19,146, да бъдат неразделна част от тези проучвания и всяко последващо хранително увреждане при пациенти, подложени на гладуване и/или шап, да бъде бързо коригирано.

Заключения

Периодичното гладуване или FMD постоянно показват мощни противоракови ефекти при модели на рак при мишки, включително способността да се потенцира химиорадиотерапията и TKI и да се задейства противораков имунитет. Циклите на шап са по-осъществими от хроничните диетични режими, тъй като позволяват на пациентите да консумират храна редовно по време на шап, да поддържат нормална диета между циклите и не водят до тежка загуба на тегло и евентуално вредни ефекти върху имунната и ендокринната система. По-специално, като самостоятелни терапии, периодичното гладуване или циклите на FMD вероятно биха показали ограничена ефикасност срещу установени тумори. Всъщност при мишки гладуването или шапата влияят върху прогресията на редица видове рак подобно на химиотерапията, но сами по себе си те рядко съответстват на ефекта, получен в комбинация с лекарства за рак, което може да доведе до оцеляване без рак11,59. По този начин, ние предлагаме комбинацията от периодични цикли на шап със стандартни лечения да притежава най-висок потенциал за насърчаване на оцеляването без рак при пациенти, както е предложено от миши модели11,59 (Фиг. 3).

Тази комбинация може да бъде особено мощна поради няколко причини: първо, лекарствата за рак и други терапии могат да бъдат ефективни, но част от пациентите не реагират, защото раковите клетки приемат алтернативни метаболитни стратегии, водещи до оцеляване. Тези алтернативни метаболитни режими са много по-трудни за поддържане при условия на гладуване или шап поради дефицитите или промените в глюкозата, някои аминокиселини, хормони и растежни фактори, както и в други неизвестни пътища, водещи до клетъчна смърт. Второ, гладуването или FMD могат да предотвратят или намалят придобиването на резистентност. Трето, гладуването или FMD защитават нормалните клетки и органи от страничните ефекти, причинени от голямо разнообразие от лекарства за рак. Въз основа на предклинични и клинични доказателства за приложимост, безопасност и ефикасност (при намаляване на IGF1, висцерална мазнина намлява сърдечно-съдови рискови фактори), шапите също изглеждат като жизнеспособен диетичен подход, който трябва да бъде изследван при превенцията на рака. Важно бъдещо предизвикателство ще бъде да ги идентифицираме тумори които са най-добрите кандидати да се възползват от гладуване или шап. Дори при видове рак, които очевидно са по-слабо реагиращи на гладуване или шап, все още е възможно да се идентифицират механизмите на резистентност и да се намеси с лекарства, способни да върнат тази резистентност. Обратно, трябва да се внимава с други видове диети, особено ако са с високо съдържание на калории, тъй като те могат да доведат до обостряне, а не инхибиране растеж на някои видове рак. Например, KD се увеличава растеж на модел на меланом с мутирал BRAF при мишки123, а също така се съобщава, че ускорява прогресията на заболяването при миши AML модел72.

Освен това е важно да се прилагат шап с разбиране на механизмите на действие, тъй като ефикасността им ако се прилага неправилно може да доведе до негативни ефекти. Например, когато плъховете са били гладувани и третирани с мощен канцероген преди повторно хранене, това е довело до нарастване на анормални огнища в черния дроб, дебелото черво намлява ректума в сравнение с плъхове без гладуване151,152. Въпреки че механизмите, включени в този ефект, не са разбрани и тези огнища може да не са довели до тумори, тези проучвания предполагат, че минимален период от 24-48 часа между химиотерапевтичното лечение и връщането към нормалната диета е важен, за да се избегне комбинирането на сигналите за повторно израстване, присъстващи по време на повторното хранене след гладуване с високи нива на токсични лекарства като химиотерапия. Клиничните проучвания на гладно или FMD при пациенти, подложени на химиотерапия, подкрепят неговата приложимост и цялостна безопасност52,53,58,61. В малко по размер рандомизирано проучване, което включва 34 пациенти, FMD помага на пациентите да поддържат качеството си на живот по време на химиотерапия и намаляват умората61. В допълнение, предварителните данни предполагат потенциала за намаляване на гладуването или шап индуцирана химиотерапия Увреждане на ДНК в здрави клетки при пациенти52,53.

Текущите клинични проучвания на шап при пациенти с рак63,65 ще дадат по-солидни отговори дали предписването на периодични шап в комбинация с конвенционални противоракови средства помага за подобряване на поносимостта и активността на последните. Важно е да се има предвид, че FMD няма да бъдат ефективни за намаляване на страничните ефекти от лечението на рак при всички пациенти и няма да работят за подобряване на ефикасността на всички терапии, но имат голям потенциал да направят това поне за част и евентуално за голяма част от пациентите и лекарства. Немощни или недохранени пациенти или пациенти с риск от недохранване не трябва да бъдат включени в клинични проучвания на гладуване или шап, а хранителният статус на пациентите и анорексията трябва да бъдат внимателно наблюдавани по време на клиничните изпитвания. Подходящ прием на протеини, есенциални мастни киселини, витамини намлява минерали, комбинирани, където е възможно, с лека и/или умерена физическа активност, насочена към увеличаване на мускулите маса трябва да се прилага между циклите на гладно или шап, за да могат пациентите да поддържат здрава чиста телесна маса18,19. Този мултимодален диетичен подход ще увеличи максимално ползите от гладуване или шап, като в същото време ще предпази пациентите от недохранване.

Литература:

• 

• 

• 

•