Estrés oxidativo y cáncer

Estrés oxidativo y cáncer: una visión general Venus Sosaa, Teresa Molinéa, Rosa Somozaa, Rosanna Paciuccib, Hiroshi Kondohc, Matilde E. LLeonarta, * un grupo de oncología y patología molecular, Departamento de Anatomía Patológica, Institut de Recerca, Hospital Vall d'Hebron, Passeig Vall d'Hebron 119-129, 08035 Barcelona, EspañabUnitat de Recerca Biomédica, Instituto de Investigación Hospital Vall d'Hebron, Passeig Vall d'Hebron 119-129, 08035 Barcelona, Spainc. Departamento de Medicina Gástrica, Escuela de Graduados de Medicina, Universidad de Kyoto, 54 Kawahara-cho, Schogoin, Sakyo-ku, Kyoto 606-8507, Japón

Abstracto

Las especies reactivas, que incluyen principalmente especies de oxígeno reactivo (ROS), son productos generados como consecuencia de reacciones metabólicas en las mitocondrias de células eucariotas. En las células normales, se requieren concentraciones de bajo nivel de estos compuestos para la transducción de señales antes de su eliminación. Sin embargo, las células cancerosas, que exhiben un metabolismo acelerado, exigen altas concentraciones de ROS para mantener su alta tasa de proliferación. Las diferentes formas de desarrollar la resistencia a ROS incluyen la ejecución de rutas alternativas, que pueden evitar grandes cantidades de acumulación de ROS sin comprometer la demanda de energía requerida por las células cancerosas. Los ejemplos de estos procesos incluyen la guía de la ruta glucolítica en la vía de la pentosa fosfato (PPP) y / o la generación de lactato en lugar de emplear la respiración aeróbica en la mitocondria. Es importante destacar que los niveles de ROS se pueden usar como un termostato para monitorear el daño que las células pueden soportar. Las implicaciones para la regulación de ROS son altamente significativas para la terapia de cáncer debido a que las drogas de uso común de radio y quimioterapia influyen en el resultado del tumor a través de la modulación de ROS. Además, el descubrimiento de biomarcadores novedosos que puedan predecir la respuesta clínica a las terapias prooxidantes es un desafío crucial a superar para permitir la personalización de las terapias de canceración.

Introducción

La respiración aeróbica genera energía en las células eucarióticas de las mitocondrias, y como resultado de este metabolismo oxidativo, se producen varios compuestos. La mayoría de estos compuestos son beneficiosos; sin embargo, menos del 5% de ellos pueden ser tóxicos para la célula si aumenta su concentración. Estos compuestos normalmente de baja concentración que se derivan del metabolismo oxidativo son necesarios para ciertos eventos subcelulares, incluyendo la transducción de señales, la activación enzimática, la expresión génica, la formación de enlaces disulfuro durante el plegamiento de nuevas proteínas en el retículo endoplasmático y el control del actividad de la caspasa que se activa durante el mecanismo apoptótico. Las fuentes de estrés oxidativo interno incluyen peroxisomas y enzimas desintoxicantes de complejos de P450, xantina oxidasa y dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADPH) oxidasa, que incluyen el Nox. familia. La mayoría de estas enzimas actúan en la mitocondria, que es la principal fuente de estrés oxidativo. Las fuentes externas de estrés oxidativo incluyen radiación UV, compuestos químicos (p. Ej., Ambientales contaminantes, tabaquismo y alcohol) y ejercicio. Las especies reactivas pueden clasificarse en cuatro grupos según el átomo principal involucrado: ROS, especies de nitrógeno reactivo (RNS), especies de sulfuro reactivas (RSS) y especies de cloruro reactivo (RCS) (Bannister, 2007). De todos los compuestos derivados del metabolismo oxidativo, ROSare el más abundante producido. Sus vidas medias varían de unos pocos nanosegundos a horas, dependiendo de la estabilidad de la molécula. ROS incluye anión superóxido (O2-), peróxido de hidrógeno (H2O2), radical hidroxilo (OH-), oxígeno singlete (1O2) y ozono (O3) (Simic et al., 1989). ROS y RNS se producen durante procesos metabólicos intracelulares, como la cadena de transporte de electrones. El RNS más abundante es el óxido nítrico (NO-), que puede reaccionar con ciertos ROS, incluido el anión peroxinitrito y ONOO-, que se produce por la interacción entre el anión superóxido y el óxido nítrico; el óxido nítrico se convierte más tarde en ácido peroxinitroso y finalmente en un radical hidroxilo y anión nitrito (NO2 -). El daño que estas ROS pueden causar a la célula no solo depende de su concentración intracelular sino también del equilibrio entre las ERO y las endógenas. especies antioxidantes. Cuando se pierde el equilibrio pro-oxidante / antioxidante, se genera estrés oxidativo, alterando y dañando muchas moléculas intracelulares, incluyendo ADN, ARN, lípidos y proteínas (Veskoukiset al., 2012). Estas especies reactivas causan mellas en el ADN y funciones defectuosas en el mecanismo de reparación del ADN. La oxidación del ADN por parte de las especies reactivas genera 8-hidroxi-2-desoxiguanosina, que es un producto que puede generar mutaciones en el ADN en un proceso que mejora el envejecimiento y la carcinogénesis (Matsui et al., 2000). Además, la membrana celular es rica en lípidos poliinsaturados que son susceptibles a la oxidación por especies reactivas. Las especies reactivas liberan reacciones de lipidación -peroxidación y consecuentemente aumentan la permeabilidad de la membrana celular, lo que podría conducir a la muerte celular (Halliwell y Chirico, 1993). Las proteínas son las más afectadas por un entorno celular con una alta concentración de especies reactivas. Las proteínas sufren de la generación y acumulación de grupos carbonilo (es decir, aldehídos y cetonas) y grupos tiol (-SH) que pueden convertirse en radicales reactivos al azufre (Levine, 2002). Debido a esta modificación inducida por la oxidación, hay una alteración en la estructura de la proteína y, en consecuencia, cambios o pérdida de la función de la proteína. Los antioxidantes naturales son los mecanismos de defensa de la célula que pueden salvar a las especies reactivas y pueden clasificarse en diferentes grupos según su propiedades: antioxidantes endógenos, antioxidantes naturales y antioxidantes sintéticos. Los antioxidantes endógenos incluyen glutatión, ácido alfa lipoico, coenzima Q, ferritina, ácido úrico, bilirrubina, metalotioneína, l-carnitina, melatonina, enzima superóxido dismutasa (SOD), catalasa (CAT), glutatiónperoxidasas (GPX), tiorredoxinas (TRX) y peroxirredoxinas (PRXs). Los PRX son una familia ubicua de enzimas antioxidantes (PRX I-VI) que también controlan los niveles de peróxido inducidos por citoquinas y median la señal de transducción en células de mamíferos. Por ejemplo, el barrido de PRX III asciende al 90% de H2O2, y el PRX V se comporta más eficazmente como un scav-enger de peroxinitrito. Los antioxidantes naturales coexisten en un delicado equilibrio con los aportes oxidativos. Otros antioxidantes pueden obtenerse de la dieta, como el ácido ascórbico (vitamina C), tocoferol (Vita-min E), -caroteno (vitamina A), ácido lipoico, ácido úrico, glutatión y metabolitos de polifenol. Los ejemplos de antioxidantes sintéticos incluyen N-acetilcisteína (NAC), hierro, piruvato, selenio, hidroxitolueno butilado, hidroxianisol butilado y galato de propilo (Yoshida et al., 2003). El estrés oxidativo es importante desde el punto de vista biomédico porque es relacionados con una amplia variedad de enfermedades humanas, como enfermedades neurodegenerativas (por ejemplo, Alzheimer, Parkinson y esclerosis lateral amiotrófica), enfermedades inflamatorias (por ejemplo, artritis reumatoide), enfermedades cardiovasculares (por ejemplo, distrofia muscular), alergias, disfunciones del sistema inmunitario, diabetes, envejecimiento y cáncer. Por ejemplo, las células inflamatorias liberan mediadores químicos de la inflamación, particularmente ROS, en el tejido inflamado, que también afecta a las células normales. Cuando se trata de un proceso crónico, los niveles extremadamente altos saturan los mecanismos de defensa celular (es decir, antioxidantes) y las moléculas intracelulares se dañan gravemente, afectando a las células vecinas. Los mecanismos y vías implicados en el estrés oxidativo se conservan en las células de mamíferos. ROS puede promover muchos aspectos del desarrollo y progresión del tumor, que pueden clasificarse en los siguientes procesos biológicos: (a) proliferación celular (p. Ej., Activación de cinasa 1/2 regulada extracelularmente (ERK1 / 2) y activación de RTK independiente del ligando), (b ) evasión de apoptosis o anoikis (p. ej., Src, NF-B y fosfatidilinositol-3 quinasa (PI3K) / activación de Akt), (c) invasión tisular y metástasis (p. ej., secreción de metaloproteinasa (MMP) en la matriz extracelular (ECM) ), Met sobreexpresión, y la interacción Rho-Rac), y (d) angiogénesis (por ejemplo, liberación del factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y angiopoyetina). Respecto a la proliferación celular, el estrés oxidativo afecta varias vías bioquímicas ( del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) a mTOR) que involucran proteínas de señalización clave, como factor 2 relacionado con el factor 2 erythroid nuclear (Nrf2), proteína 19 similar al kel (Keap1), Ras, Raf, proteína quinasas activadas por mitógeno (MAPK) tales comoERK1 / 2, MEK, p38, c-Jun N-terminal kinasa (JNK), c-myc, p53 y PKC (Matsuzawa e Ichijo, 2008; Nguyen et al., 2009; Wiemer, 2011). Entre ellos, se considera que Nrf2 es el principal regulador de la respuesta antioxidante, pero otros también son importantes. Por Por ejemplo, p38 actúa como un sensor clave del estrés oxidativo, y su función de detección redox es esencial en el control del desarrollo tumoral (Luo et al., 2011). A diferencia de otras MAPK, p38 suprime la génesis tumoral al bloquear la proliferación o promover la apoptosis. Esta revisión se centra en la relación entre la estrés oxidativo y el cáncer desde el punto de vista molecular y clínico.2. Procesos relacionados con metástasis que influyen en la estrés oxidativo2.1. Transición epitelial-mesenquimal (EMT) Un evento importante que conduce a la metástasis es EMT, que es un proceso abiótico por el cual las células epiteliales sufren alteraciones biológicas y químicas que permiten el desarrollo de un fenotipo mesenquimal más agresivo (Mani et al., 2008). Estos cambios están asociados con un aumento en las proteínas ECM, que proporcionan a las células propiedades migratorias y les permite moverse a otras regiones del cuerpo a través del torrente sanguíneo. Hay varias vías de señalización asociadas a ROS que están implicadas en el proceso EMT. Entre estas vías, las proteínas Smad (activado por factor de crecimiento tumoral (TGF-)), Snail, E-cadherina, -catenina, integrina, metaloproteinasas de matriz (MMP), receptor factor de crecimiento de hepatocitos (HGFR / c-Met), AP1 (activado por Activador de PKC), virus de la eritroblastosis v-ets homólogo de oncogenes E26 1 (Ets-1) y quinasa activada por factores de crecimiento transformantes (TAK1) se activan principalmente de una manera dependiente de ROS (Haorah et al., 2007; Ni et al., 2007 ; Omori et al., 2012). Uno de los primeros estudios que establece una conexión directa entre ROS y EMT se relaciona con la señalización de TGF. La activación de TGF provoca un aumento en los ROS intracelulares en un proceso que está asociado con la fosforilación de Sma2, p38 y ERK1 / 2 (Rhyu et al., 2005). Además, las ROS intracelulares pueden regular la EMT a través de un mecanismo que implica NF-B en estrecha colaboración con el factor 1 inducible por hipoxia (HIF-1) y la ciclooxigenasa-2 (COX-2). El papel de ROS como un mediador crucial de MTE es corroborado por MMP-3 (matriz metaloproteinasa 3 de la matriz), que también se conoce como Stromelysin-1. La enzima MMP-3 es una enzima que participa en la descomposición de la matriz extracelular, que desempeña un papel clave en la metástasis tumoral al degradar el colágeno, la fibronectina y la laminina. Se ha informado que la MMP-3 está regulada en ciertos tumores, como el cáncer de mama, y ​​es un EMTinductor en ratones transgénicos. En ratones, la secreción de MMP-3 está asociada con la regulación positiva de Snail, la pérdida de cadherina E y los eventos de nucleartranslocación de catenina, que, a su vez, dependen de la proteína Rac 1 de unión a GTP pequeña (Rac1b) (Radisky et al., 2005). Rhyu et al., 2005). Además de la MMP-3, otras metaloproteinasas, incluidas la MMP-2 y la MMP-9, desempeñan un papel importante en la estimulación de Rac1b para influir en ROS. La mayoría de estas proteínas son oncogénicas en modelos de ratón, y su sobreexpresión contribuye a la necrosis tumoral humana. Otras rutas celulares implicadas en metástasis también son dirigidas por ROS, como Wnt / TCF (factor de células T), MAPKsignaling mediada por integrinas, proteína cinasa C ( PKC), proteína tirosina fosfatasas y vías de señalización de cinasa 1 activada por p21 (PAK-1) (Almeida et al., 2007; Lee y Esselman, 2002). Por ejemplo, ROS oxida los residuos cisteína en la proteína PKC e inactiva las proteínas tirosinfosfatasas, que son moléculas importantes en la invasión de células tumorales. ROS también regula PAK-1, que está involucrado en la remodelación del citoesqueleto asociado a Rac, que está directamente relacionada con la metástasis y la angiogénesis (Diebold et al., 2010). Proteínas como Snail, TGF-, Twist, Wnt / -catenin y Zinc finger E-box-binding homeobox1 (Zeb), que inducen EMT, también modulan el microambiente tumoral. Rac1b potencia la expresión de la proteína de dedo de ZincSNAI1 (Slug), un inhibidor transcripcional de la E-cadherina que puede facilitar tumorigénesis mediante la activación de la vía de señalización Wnt / -catenina mediada por 3 descohesionada (Esufali et al., 2007). La activación aberrante de la vía Wnt / -catenina promueve la tumorigénesis en varios tipos de cáncer y principalmente tiene efectos en los cánceres de mama y colorrectales (Jeong et al., 2012). En particular, las células madre cancerosas (CSC) son células raras que tienen muchas características en común con el tallo células (SC), incluido un potencial indefinido para la autorrenovación y la diferenciación; por lo tanto, se han propuesto como las células que dirigen la tumorigénesis (Reyaet al., 2001). La evidencia de EMT se ha descrito para los CSC (Chenet al., 2011). Este vínculo entre los marcadores SC / CSC y el fenómeno EMT tiene implicaciones en la terapia del cáncer y la remisión del cáncer en general. La relación entre CSC y ROS se discutirá en otra parte.2.2. Angiogénesis La angiogénesis, que es el proceso de formación de vasos sanguíneos nuevos a partir de vasos preexistentes, es un proceso biológico importante para el crecimiento tumoral y la metástasis (Ushio-Fukai y Nakamura, 2008; Folkman, 1995). Los tumores producen muchos factores proangiogénicos, como el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y su receptor (VEGFR), MMP, angiopoyetina-1, factor de crecimiento de fibroblastos (FGF), interleucina-8 (IL-8), derivados de plaquetas factor de crecimiento (PDGF) y TGF-. Específicamente, el VEGF, que está muy regulado positivamente en cánceres de mosto humano, ha surgido recientemente como la proteína limitante de la velocidad crucial en la regulación de la angiogénesis. Las condiciones hipóxicas, la producción de ROS, los factores de crecimiento y las citoquinas aumentan los niveles de VEGF en muchos tumores humanos (Fei et al., 2009). Las terapias antiangiogénicas se han centrado especialmente en el uso de anticuerpos y inhibidores de tirosina quinasa para bloquear VEGF y VEGFR2 (Carmeliet y Jain, 2000; Folkman, 1995). Otras enzimas generadoras de ROS, como NADPH oxidasas (por ejemplo, Nox: Nox1-5), activan las vías de señalización redox que finalmente llevan a la angiogénesis (Arnold et al., 2001; Tojo et al., 2005). Por ejemplo, Nox1 se sobreexpresa en cánceres de colon y próstata e induce la producción de H2O2, que aumenta los niveles de VEGF, VEGFR y MMP (Lim et al., 2005). Nox4 y Nox5 aumentan en melanoma y cáncer de próstata, respectivamente, y actúan de manera similar a Nox1 (Govindarajan et al., 2007). Las ROS derivadas de estas oxidasas dan como resultado la autofosforilación de VEGFR2, que promueve la inducción de factores de transcripción y genes implicados en la angiogénesis. Estos informes subrayan el importante papel de los ROT en los estados fisiopatológicos implicados en la neovascularización, el desarrollo tumoral y la progresión.2.3. Hipoxia La hipoxia es una afección patológica en la cual las células se ven privadas de un suministro adecuado de oxígeno, a pesar de la perfusión sanguínea adecuada en un tejido. Las células cancerosas tienen altas tasas de proliferación, que a menudo generan un ambiente más hipóxico si no se generan rápidamente nuevos vasos sanguíneos. Para evitar condiciones hipóxicas, las células cancerosas deben reordenar genes proangiogénicos tardíos porque la estimulación de la angiogénesis genera un nuevo suministro de sangre. Bajo normoxia, las proteínas HIF-1 y HIF-2 se ubiquitan a través de una interacción dependiente de oxígeno con la proteína von Hippel-Lindau (pVLH) y se degradan mediante el proteasoma 26S. Sin embargo, bajo condiciones hipóxicas, las proteínas HIF-1 y HIF-2 no están ubiquitinadas, lo que lleva a su acumulación, translocación al núcleo, dimerización con HIF-1 y transactivación de genes diana. Además, en las células cancerosas, las enzimas ROS derivadas de Nox están implicadas en la inducción de la subunidad HIF-1 mediante la activación de los caminos PI3K / Akt / p706K y MEK / ERK (Shi et al., 2005; Skinner et al., 2004). Se ha demostrado que la señalización de MAPK descendente de Ras conduce a la fosforilación de HIF-1 a través de un proceso que estimula su actividad traduccional. Cáncer las células se adaptan a las condiciones hipóxicas, que ocurren en el núcleo de los tumores sólidos, al aumentar el HIF-1 y otros pro-angiogénicos (p. ej., VEGF y eritropoyetina) y los factores de transcripción que intervienen en la supervivencia celular, la invasión y la glucólisis (Liao y Johnson, 2007 Finalmente, los CSC de glioblastoma expresan HIF-2, mientras que HIF-1 se expresa bajo condiciones hipóxicas más severas (Soeda et al., 2009). Estas dos proteínas tienen roles biológicos no redundantes porque regulan genes diana únicos. Es importante destacar que la hipoxia induce la expresión de genes relacionados con las funciones de SC, tales comoSox2 y Oct-4, que definen una firma de verosimilitud (McCord et al., 2009). La relevancia de este tema en el nivel terapéutico proviene del hecho de que los CSC poseen una mayor resistencia a la hipoxia en comparación con otras células cauncerígenas, lo cual es un hecho que puede explicar la mayor radio y quimiorresistencia. La relación entre los oncogenes y los tumores Los genes supresores y el estrés oxidativo Los factores genéticos desempeñan un papel clave en los eventos transformadores que conducen al desarrollo del cáncer. El alto metabolismo de las células cancerígenas está generalmente asociado con un aumento de ROS; sin embargo, tales niveles son menos perjudiciales en las células cancerosas de lo que serían en las células normales. Por ejemplo, aunque el nivel de ROS aumenta en un grado modesto, las células tumorígenas pueden inducir un nuevo equilibrio redox, lo que resulta en la adaptación y proliferación celular. Esta es una característica sorprendente de las células cancerosas que permite la adquisición de resistencia a los inductores de estrés oxidativo en relación con las células normales. La resistencia a la estrés oxidativo es una de las principales ventajas de adaptación que permite que las células cancerígenas aumenten su tasa metabólica y su proliferación, y que eviten el daño radical de los radicales libres. Sin embargo, esta respuesta adaptativa a dosis altas de ROS no es suficiente para explicar la alta tasa metabólica de células cancerosas. Las alteraciones genéticas en los genes que afectan a las células cancerosas pueden modular directa o indirectamente las ROS. Además de la protección provista por enzimas antioxidantes específicas, como SOD, CAT, GPX, TRX y PRX, el regulador maestro de la respuesta antioxidante es el factor de transcripción Nrf2. Nrf2 modula la expresión de cientos de genes, que incluyen no solo las antioxidantenzimas familiares sino también una gran cantidad de genes que controlan varios procesos, incluidas las respuestas inmunitarias e inflamatorias, el modelado de tejidos y la fibrosis, la carcinogénesis y la metástasis (Hybertson et al., 2011). Los niveles de ROS están estrechamente controlados y predominantemente regulados por Nrf2 y su proteína represora Keap1. Además, tratados con fármacos inductores de la oxidación, los ratones que carecen de Nrf2 desarrollan inflamación intestinal más severa que los controles, con aumento de criptas húmedas, sugiriendo una función para Nrf2 en la prevención de la inflamación y la carcinogénesis (Khor et al., 2006). Inicialmente, se pensó que Nrf2 era capaz de regular los niveles de estrés oxidativo al modular la producción de enzimas antioxidantes reguladas por el Elemento de respuesta antioxidante (ARE). Sin embargo, los mecanismos alternativos para la activación de Nrf2 se describieron adicionalmente, y dependen de las rutas de la quinasa, tales como MAPK, PI3K y otras vías (Yu et al., 1999; Kang et al., 2002). De manera importante, las mutaciones somáticas que alteran la interacción Nrf2-Keap1 se identificaron recientemente en pacientes con cáncer (Singh et al., 2006; Kim et al., 2010b). En el cáncer de mama, el gen supresor tumoral cancer de mama 1 (BRCA1) muta en 40-50% de los cáncer de mama hereditario y está ausente o se expresa en niveles bajos en 30-40% de los cánceres de mama esporradicos (Rosen et al. , 2003). BRCA1 es un gen guardián responsable de reparar el ADN, y puede regular al alza varios genes implicados en la respuesta antioxidante controlando la actividad de los factores de transcripción Nrf2 y NfB (Bae et al., 2004; Benezra et al., 2003). Además, Nrf2 induce enzimas citoprotectoras, como GST, GPx y oxidorreductasas, que ayudan a las células para combatir el estrés oxidativo (Banning et al., 2005; Kohle y Bock, 2007). Además de la acción inhibitoria de BRCA1 en la generación de ROS, BRCA1 también reduce los niveles de nitración de proteínas debido a la acumulación de RN en las células, y mejora los procesos de reparación del ADN que finalmente ayudan a hacer frente al estrés oxidativo. En células de cáncer de mama, el factor redox 1 / AP endonucleasa 1 (Ref1 / APE1) también participa en la reducción de la generación de ROS (Seo y Kinsella, 2009). Una de las vías más importantes relacionadas con el estrés oxidativo y el cáncer es la vía Ras (Yagoda et al., 2007). En humanos, la familia de genes Ras consiste en tres pequeñas proteínas G, Ha-, N-y Ki-ras, que participan en la señalización celular (Malumbres y Barbacid, 2003; Yagoda et al., 2007). Importante para su relación con ROS es el hecho de que el mecanismo principal de activación de Ras en tumores implica mutaciones puntuales (es decir, en aminoácidos específicos que dan lugar a cambios en las posiciones 12, 13 y 61). Aproximadamente el 30% de los tumores humanos contienen mutaciones activadoras en la familia Ras de los oncogenes, lo que hace que una proteína sea constitutivamente activa (Bos, 1989). Varios estudios han demostrado que el Ras mutante conduce a un aumento en los niveles de ROS, que causa daño en el ADN y contribuye a la transformación (Maciag et al., 2004; Rai et al., 2011). El modulador RasVal12 regula positivamente el sistema NADPH oxidasaNox4-p22phox, que produce H2O2, en un proceso acompañado por -H2A.X (focos de heterocromatina). En consecuencia, la desactivación de la NADPH oxidasa disminuye la respuesta al daño del ADN inducida por RasVal12. Por lo tanto, la NADPH oxidasa Nox4 es un medidor crítico del daño de ADN inducido por RasVal12 oncogénico (Weyemi et al., 2012). Las células que sobreexpresan Ras oncogénico muestran aumento de la masa mitocondrial y de la acumulación de ROS. Las ROS generadas por la cadena respiratoria en la mitocondria y por las enzimas Nox en el citoplasma son particularmente importantes. De hecho, las proteínas Nox ahora se consideran proteínas oncogénicas y la disfunción mitocondrial está asociada a la tumorigénesis (Graham et al., 2010). Laura disfunción mitocondrial también está acompañada por daño en el ADN, adrop en los niveles de ATP y activación de la proteína quinasa AMPK. La activación constitutiva de las células epiteliales K-rasVal12in no transformadas mutantes conduce a un aumento altamente significativo en los niveles de peróxido y un aumento en la cantidad de rotura de la cadena de ADN en comparación con las células de control. Los peróxidos también pueden ser generados directamente por la COX-2 porque la actividad de la COX-2 se correlaciona con la actividad de K-ras (Wang et al., 2009). Se ha informado que la COX-2, una de las enzimas limitantes de la velocidad en el metabolismo del ácido araquidónico, está implicada en la patogénesis de muchos tumores humanos. Tanto la generación de peróxido como las roturas monocatenarias de ADN se reducen significativamente mediante el pretratamiento con el inhibidor específico de COX-2 SC58125. Por lo tanto, la oncogenicidad dominante del mutante K-rasVal12 puede estar influenciada por varios genes, como COX-2 y / o HIF-1, que es un factor de transcripción que se activa en respuesta a bajas concentraciones de oxígeno y su influencia máxima es sobre el daño del ADN.Por otra parte, la sobreexpresión de proteínas oncogénicas (es decir, Raf, Mos, MEK, Myc, ciclina E y transcriptasa inversa de telomerasa (hTERT)) y el silenciamiento de genes supresores de tumores (es decir, p53, p21CIP1 y fosfatasa y homólogo de tensina (Pten)) puede inducir senescencia aumentando ROS. La pérdida de Pten y la activación de Ras / MAPK cooperan para promover EMT y metástasis que se inician a partir de células progenitoras de prostatas (Mulholland et al., 2012). Las células de glioblastoma deficientes en Pten, con altos niveles de Akt y ROS, experimentan senescencia, y tales niveles altos de ROS son indispensables para el fenotipo observado (Lee et al., 2011). Si bien el papel oncogénico convencional de la hTERT se ha relacionado con su capacidad de proporcionar inmortalización a las células humanas actuando a través de los telómeros, se acumulan pruebas que respaldan la contribución de la actividad de la hTERT no canónica en el cáncer (Indran et al., 2010). Con ese fin, hTERT ha sido implicado en eventos mediados por redox, y se ha demostrado que su expresión afecta el estado redox celular mediante el reclutamiento de mitocondrias, que son una fuente intracelular crítica de ROS. Evidencia adicional que respalda el papel de las mitocondrias en la biología de hTERT proviene de los hallazgos de que hTERT se localiza en la mitocondria y la capacidad de los inhibidores de hTERT para inducir mitopoondrio-dependientepoptosis en células diana (Indran et al., 2010). Desde el punto de vista genético, muchos genes están implicados en la modulación del metabolismo energético y el cáncer . Por ejemplo, p53, uno de los genes mutados más frecuentemente en cánceres humanos, modula el equilibrio entre la glucólisis y la utilización de la cadena respiratoria en la mitocondria. Un importante mediador de este efecto es el homólogo 2 deficiente en citocromo oxidasa (SCO2), cuya expresión es crítica para regular el complejo COX, la principal fuente de utilización de oxígeno en células eucariotas (Matoba et al., 2006). La síntesis reducida de SCO2 puede causar baja respiración y alta tasas glycolytic. Las suirtinas son una clase de proteínas que poseen la actividad de la histona deacety-lase y están implicadas en el envejecimiento, la regulación transcripcional, la apoptosis, la resistencia al estrés, la eficiencia energética y el estado de alerta en situaciones de bajas calorías. Las sirtuinas son desacetilasas dependientes de NAD, cuya actividad enzimática está regulada por la proporción de NAD a NADH. Los altos niveles de NAD activan las sirtuinas, mientras que los niveles elevados de NADH los inhiben. De las tres sirtuinas mitocondriales, Sirt3 es la más estudiada, y se ha relacionado con la longevidad en humanos, actuando como una proteína supresora del tumor (Kim et al., 2010a). Kim y sus colegas demostraron que con la expresión de un solo oncogen, como Mycor Ras en Sirt3 (- / -) fibroblastos embrionarios murinos (MEF), la célula inhibió el aumento de la glucólisis, disminuyó la fosforilación oxidativa y aumentó las ROS. Además, la ausencia de Sirt3 aumenta la tumorigénesis en las células cancerosas de una manera dependiente de ROS (Bellet al., 2011). Este proceso está acompañado por la activación genética HIF-1 en condiciones hipóxicas. Para identificar nuevos genes implicados en la tumorogénesis, nuestro grupo ha realizado cribados genómicos funcionales utilizando la administración retroviral de bibliotecas de ADNc. Por estos medios, encontramos que la proteína 17 asociada a la membrana no glicosilada (MAP17) se asoció con la malignidad tumoral debido a su capacidad para promover la producción de ROS. De hecho, demostramos que el tratamiento antioxidante es útil para disminuir las propiedades tumorigénicas que estas células adquirieron (Guijarro et al., 2007). Otro gen identificado fue la fosfoglicerato mutasa 1 (PGM), que codifica una enzima involucrada en la glucólisis y se encontró independientemente que estaba relacionada con los RL (Kondoh et al., 2005; Guijarro et al., 2007). También se descubrió que la acción de PGM disminuía los niveles de ROS al estimular significativamente la inmortalización de las células murinas, lo que aumentaba la glicólisis (Kondoh et al., 2005). »se gAdemás, los defectos hereditarios en los genes de reparación de ADN se correlacionan con el aumento del estrés oxidativo y el envejecimiento prematuro (Barzilai et al., 2002). Este es el caso de la deficiencia de ATM en pacientes con ataxia telangiectasia, que es un envejecimiento relacionado con la enfermedad y el cáncer. Desentrañar el estado de los genes supresores de oncogenes y tumores relacionados con la modulación de ROS en pacientes con cáncer promete ser beneficioso en el desarrollo de terapias exitosas.4. Factores ambientales En las últimas décadas, nuestra visión de la malignidad se ha ampliado considerablemente en relación con la contribución de los factores ambientales y el microambiente tumoral al desarrollo del cáncer. Las hormonas, como los estrógenos, son importantes en el desarrollo y la progresión del cáncer de mama humano porque pueden se transforma en el metabolito cancerígeno 4-hidroxiestradiol (4-OHE2 y 2-OHE2) por el citocromo P450 1B1 (Shao et al., 2008). Ambos metabolitos se pueden oxidar aún más en una quinona reactiva que puede reaccionar con ADN. Los compuestos 4-OHE2 y 2-OHE2 y sus derivados de quinona pueden generar estrés oxidativo (Cavalieri et al., 2006). Los tumores dependientes de hormonas (por ejemplo, estrógenos, andrógenos y progesterona) afectan la proliferación celular a través de sus interacciones ligando-receptor, y su expresión es crucial para determinar una terapia específica (Allred et al., 2012). La acción ejercida por el estrógeno y sus catabolitos son procesos esenciales en la carcinogénesis inbreast. En su concentración fisiológica, los estradiolis pueden disminuir la enzima CAT y aumentar las actividades GPX en las células epiteliales de la mama. La tiorredoxina y la tiorredoxina reductasa canalizan los niveles de peróxido de hidrógeno y la actividad estrogénica en células de cáncer de mama que responden a estrógenos (Hayashi et al., 1997). Oxidativestress ha demostrado participar en la modificación estructural de los receptores de estrógeno y progesterona, alterando la evolución clínica de pacientes con cáncer de mama con respuesta endocrina (Yauand Benz, 2008). Los residuos de cisteína del factor de transcripción de dedo de cinc Sp1 y el receptor de estrógeno (ESR1) son altamente propensos a ser oxidados por ROS, perdiendo sus propiedades estructurales y funcionales, incluyendo su actividad de unión al ADN. Por ejemplo, esta falla se ha observado en 30-35% de los cánceres de mama ER-positivos, y se encontró que está relacionada con una pérdida del receptor de progesterona. Los factores de transcripción de dedos de zinc son necesarios para la estimulación estrogénica de ciertos genes, como la receptor de progesterona (PGR) y Bcl-2, y la estimulación con estrógenos es inhibida por estrés oxidativo. Este hecho representaría un problema para la intervención terapéutica porque los tumores dependientes de hormonas tienen la ventaja de ser tratados por una molécula análoga que bloquea la señalización del receptor del ligando, que regula negativamente la cascada proliferativa. Respecto al microambiente tumoral, es importante considerar que las células cancerosas son rodeado por otros tipos de células que facilitan el crecimiento tumoral. Los microambientes tumorales consisten en células estromales (p. Ej., Miofibroblastos y / o fibroblastos asociados al cáncer (CAF)), células vasculares (p. Ej., Eritrocitos) y células inmunitarias (p. Ej., Linfocitos, células destructoras naturales, células presentadoras de antígenos y macrófagos asociados al cáncer (CAM)). Se ha demostrado que los CAF contribuir al crecimiento tumoral y afectar la supervivencia del cáncer al (i) contribuir a la vasculatura secretando VEGF y angiopoyetina, (ii) generar factores antiapoptóticos, (iii) promover la motilidad celular y la metástasis mediante la secreción de quimioquinas (p. ej., CCL2 , CCL5) y MMP, y (iv) bloqueando la respuesta inmune a través de la secreción de IL-6, IL-10 y TGF- (Kayamori et al., 2010; Tsuyada et al., 2012) (Fig. 1). La importancia de CAFs en la mediación de paracrinesignaling proviene del hecho de que los medios condicionados de fibroblastos estromales que son deficientes para el gen Caveolin (Cav-1), un regulador de señalización del receptor de citoquina negativo, promueven la EMT, induciendo una apariencia mesenquimal en fibroblastos humanos asociados al cáncer de mama (Sotgia et al., 2009). Otras células en el entorno del microen tumor pueden actuar de forma independiente o sinérgica con los CAF, incluidas las CAM y / o los fibroblastos senescentes. Es sorprendente que las proteínas producidas por células senescentes puedan tener efectos opuestos si actúan como factores autocrinos o paracrinos (figura 1). Además, las células senescentes secretan citoquinas proinflamatorias y proteasas que inducen células cancerosas para promover la agresividad tumoral. En este contexto, las células cancerosas se vuelven "parasitarias": las ROS producidas en las células cancerosas se liberan en el microambiente tumoral y son detectadas por fibroblastos adyacentes, iniciando el inicio del estrés oxidativo estromal, autofagia y mitofagia debido a la activación de factores clave de transcripción, tales como HIF-1 y NF-B, que contribuyen a la angiogénesis (Toullec et al., 2010). Además, las células cancerosas pueden usar los nutrientes de los fibroblastos estromales autofágicos para alimentar el metabolismo mitocondrial oxidativo para generar grandes cantidades de ATP y protegerse de la apoptosis. Al mismo tiempo, las células cancerosas pueden establecer una fuerte defensa antioxidante al sobreexpresar proteínas, como PRX, o al someterse a la glicolisis inducida por TP-53 (TIGAR). En este modelo, las células cancerosas liberadas en el entorno tumormic inducen la muerte de las células sanas y finalmente se benefician de los metabolitos descartados de estas células, que son capturadas por las células cancerígenas y utilizadas para mantener su propia proliferación a un ritmo elevado. La glucólisis frente a la fosforilación oxidativa: la bioenergética cancerígena La glucólisis es la vía metabólica inicial de la respiración celular, y consiste en una serie de reacciones que dan como resultado la conversión de glucosa en ácido pirúvico con la producción concomitante de energía (Bar-Even et al. 2012). Después de la glucólisis, hay dos ramas de la ruta, dependiendo de si la célula elige someterse a la respiración aeróbica o anaeróbica. En condiciones deficientes, en las que el oxígeno (O2) es abundante y para el mantenimiento a largo plazo, las células sanas eligen la respiración aeróbica. En la respiración aeróbica, que tiene lugar en el citoplasma y las mitocondrias, se utilizan oxígeno y glucosa para generar trifosfato de adenosina. Se liberan moléculas (ATP) y dióxido de carbono (CO2) y se absorbe O2. Por el contrario, en la respiración anaeróbica, que se produce solo en el citoplasma, 2 moléculas de ATP se sintetizan en la cadena de transporte de electrones, utilizando moléculas inorgánicas distintas de O2; CO2 liberado, pero O2 no es necesario (Fig. 2). Aunque la glucólisis anaeróbica es energéticamente menos eficiente, la generación de ATP en este proceso es más rápida que en la glucólisis aeróbica asociada con el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) (o Krebscycle). La glucólisis anaeróbica genera lactato, y debido a los bajos niveles de energía producidos (es decir, ATP), solo se producen bajos niveles de ROS, lo que resulta en beneficios celulares. Por el contrario, si bien el metabolismo aeróbico permite la producción eficiente de energía, también se generan altos niveles de ROS, que dañan los componentes celulares clave. En principio, uno podría esperar que, dependiendo de la concentración de O2 en el microambiente, las células puedan elegir una vía o la otra. Sin embargo, las células cancerígenas en particular eligen la forma más conveniente para aumentar la proliferación, que está determinada por su solo confiere protección contra el daño oxidativo, pero este alto flujo gly-colytic se traduce en una vida más larga evitando la senescencia inducida por ROS, mientras que la inhibición de la glucólisis desencadena la senescencia severa (Kondoh et al., 2005). El efecto de Warburg también provoca acidosis local, que requiere que los tumores desarrollen selectivamente la resistencia al ácido (Gatenby y Gillies, 2004). Según la hipótesis de células cancerígenas "parasitarias", esta acidosis puede afectar de manera dramática a los CAF, pero no a las células cancerosas, porque estas células están preparadas para manejar la acidosis e hipoxia. Otro ejemplo del efecto de Warburg y el daño oxidativo son fibroblastos deficientes para la poliadenilación citoplasmática proteína de unión a elemento (CPEB), que tiene menos mitocondrias en comparación con las células de tipo salvaje, pero tiene una alta tasa de glicocolía (Burns y Richter, 2008). Además, en las células nulas p53, la respiración aeróbica se reduce y la glucólisis se eleva. Algunos genes corriente abajo cuya expresión está regulada por p53, incluido SCO2, TIGAR o el gen 3 inducible por p53 (PIG3), pueden ser responsables de los cambios relacionados con el metabolismo energético (Matoba et al., 2006; Won et al., 2012; Kotsinas et al., 2012). Explicaciones alternativas para el efecto Warburg en tumores incluyen una optimización del uso de glucosa, la presencia de un metabolito escaso en el microambiente tumoral o un deterioro en la función mitocondrial. En general, esta alta tasa glucolítica es una ventaja para la selección darwiniana de tumores in vivo; por lo tanto, los fármacos inhibidores glucolíticos pueden proporcionar un beneficio para la terapia del cáncer (Gatenby y Gillies, 2004). En contraste, la fosforilación oxidativa mitocondrial (OXPHOS), la principal fuente de energía en organismos aeróbicos, es un proceso mediante el cual la glucosa u otras moléculas (es decir, glutamina , glicina, alanina, glutamato, prolina y, alternativamente, ácidos grasos, cuerpos cetónicos, ácidos carboxílicos de cadena corta, propionato, acetato y butirato) se oxidan a CO2 y H2O (Fig. 2). Los electrones de NADH o FADH2, que se producen en la glucólisis, la acidoxidación grasa y el ciclo del ácido cítrico, se transfieren a transportadores electrónicos O2by ubicados en la membrana interna mitocondrial, lo que lleva al bombeo de protones fuera de la matriz mitocondrial. La consecuente distribución de protones desequilibrada crea un gradiente de pH y un potencial eléctrico transmembrana que genera una fuerza motriz de protones. La ATP sintasa produce ATP cuando los protones vuelven a la matriz mitocondrial (Berg, 2002). El metabolismo energético mitocondrial, que es necesario para producir ROS, se ve alterado en muchas células cancerosas debido a que las mutaciones del ADN mitocondrial existen en las células tumorales. Sorprendentemente, las mutaciones del ADN mitocondrial promueven la tumorigénesis mediante alteraciones en la generación de ROS, que en última instancia influye en la respuesta apoptótica (Park et al., 2009). Se ha descrito una gran variedad de diferentes firmas bioenergéticas cancerígenas en células tumorigénicas. Algunas teorías sugieren que el glucólisis y OXPHOS cooperan en las células cancerosas para proporcionar a estas células la energía necesaria (Smolkova et al., 2010). Los estudios de células cancerígenas revelaron que OXPHOS mitocondrial contribuyó al 79% de la energía requerida; este porcentaje disminuyó a 30% en condiciones hipóxicas (Guppy et al., 2002; Hervouet et al., 2008). Una tasa alta de glucolítica, que está asociada con un patrón de crecimiento tumoral rápido, conduce a una mayor malignidad de células tumorales, y OXPHOS es la opción alternativa para condiciones de glucosa limitadas. Varios genes oncogenéticos / supresores de tumores que participan en la proliferación participan en la estimulación del metabolismo glucolítico, que incluye HIF-1, Ras, c-myc, Src y p53. Los cambios en el microambiente tumoral provocan que algunos de estos genes realcen OXPHOS. El gen c-myc puede provocar la glicólisis aeróbica y / u OXPHOS, dependiendo del microambiente de las células tumorales, aumentando la expresión de los genes glucolíticos o activando la oxidación mitocondrial. de glutamina (Wise et al., 2008; Gao et al., 2009). OXPHOS también puede ser necesario para la activación de ciertas proteínas supresoras tumorales, como Bax y Bak, para controlar la apoptosis (Tomiyama et al., 2006). La transformación H-RasV12 / E1A causa inicialmente un aumento en Se han descrito varios microARN relacionados con ROS (Favaroet al., 2010). miR-210, que se sobreexpresa en los carcinomas de mama y hepa-tocelulares (HCC), se asocia con invasión y resultado clínico poco satisfactorio (Rothe et al., 2011). miR-210 es fuertemente inducido en condiciones de hipoxia y media en el proceso de metástasis (Ying et al., 2011). Entre los ARNm diana identificados para miR-210 se encuentran la proteína de membrana vacuola1 (VMP1) y la proteína de armazón de hierro y azufre (ISCU), que es necesaria para la formación de cúmulos de sulfuro de hierro y cofactores para enzimas involucradas en el ciclo de TCA, transporte de electrones y metabolismo del hierro Sorprendentemente, ISCU también está conectado a HIF-1. Por lo tanto, miR-210 ayuda a las células cancerosas a adaptarse a condiciones hipóxicas mediante la regulación de la función mitocondrial y la generación de ROS en situaciones en las que la supervivencia celular mejorada y la glucólisis favorecen la proliferación.miR-128a se regula negativamente en meduloblastoma, el tumor cerebral más maligno en niños, con un progno-sis (Venkataraman et al., 2010). la reexpresión de microRNA-128a es capaz de inhibir la proliferación de meduloblastoma al inhibir el oncogén Bmi-1, lo que a su vez conduce a un aumento en la expresión de p16INF4A y la modulación indirecta de la actividad de E2F1 (Jacobs et al., 1999; Molofsky et al. 2005). La regulación a la baja de Bmi-1 por microRNA-128a altera el equilibrio redox al aumentar las células tumorales ROSin y promover la senescencia celular. A su vez, la expresión de Bmi-1re revierte la generación de superóxido y los efectos fenotípicos y genéticos previamente observados. Dos miembros de la familia microRNA-200, miR-141 y miR-200a, se dirigen a p38, que es uno de los principales sensores de estrés oxidativo (Mateescu et al., 2011). La inactivación de p38 se asocia con la acumulación de ROS y la posterior estimulación de las defensas antioxi-dantes. Los carcinomas de ovario humano primario de alto grado, las neoplasias malignas ginecológicas más letales, sobreexpresan el microRNAmiR-200a. La sobreexpresión concomitante de miR-200a y la regulación negativa de p38 sensibiliza las células de cáncer de ovario a los inhibidores de ROS quimioterapéuticos. Por lo tanto, la acumulación de miembros de la familia de microARN-200 se asocia con una estrategia terapéutica alentadora, en la que los tumores pueden tratarse con fármacos inductores de ROS y cirugía maxilofacial (Hu et al., 2009). Por el contrario, los tumores de ovario con cantidades menores de miR-200a y sin efectos de p38 deben tratarse por métodos alternativos que aún no se han dilucidado7. SC / CSC Las propiedades de inmortalización de SC son un tema de debate. Nosotros y otros hemos demostrado que las SC son más células primarias de glicoliticán y poseen oxígeno mitocondrial reducido. consumo, que protege estas células del estrés oxidativo (Diehn et al., 2009; Funes et al., 2007; Iyer et al., 1998; Kondohet al., 2005) .La importancia de las CSC en oncología molecular es el resultado del hecho de que son responsables de la recaída tumoral, ya que son más resistentes a los tratamientos de quimioterapia y radioterapia que las células cancerosas (es decir, no CSC). Los CSC están presentes en la mayoría de los tumores sólidos y no sólidos, que incluyen leucemia, cerebro, cabeza y cuello, cáncer de mama y colon, entre otros (Al-Hajj et al., 2003; Lapidot et al., 1994; O'Brien et al. , 2007; Piccirillo et al., 2006; Prince et al., 2007; Ricci-Vitiani et al., 2007; Wulf et al., 2001). A diferencia de las células cancerosas diferenciadas, los CSC generalmente mantienen bajos niveles de ROS, exhibiendo patrones redox similares a sus correspondientes células silvestres de tipo salvaje (Figura 3). Se han sugerido varias propiedades para el mantenimiento de los niveles bajos de ROS que se encuentran en los CSC, que parecen ocurrir a través de una combinación de mecanismos que pueden ser únicos para un tumor determinado. Estas propiedades incluyen: (a) la expresión de moléculas captadoras de ROS, (b) respuestas de reparación de ADN más eficientes, (c) promoción de la glucólisis, (d) promoción de la autofagia y (e) regulación positiva de FoxOproteína (Diehn et al., 2009 Piao et al., 2012). Algunos de estos mecanismos se derivan de la actividad transformadora de ciertos oncogenes que están inesperadamente ligados a una capacidad para mantener los niveles intracelulares elevados de glutatión reducido (GSH), el principal tampón redox. Debido a que el mantenimiento de GSH depende en gran parte del metabolismo de la glucosa a través del ciclo de PPP, esto puede explicar parcialmente la preferencia por CSC en el metabolismo glucolítico y en el microambiente hipóxico. Por ejemplo, los CSC gastrointestinales humanos muestran una capacidad mejorada para la síntesis de GSH y la defensa frente a ROS por un transportador de intercambio de cistina y glutamato (Ishimoto et al., 2011). Alternativamente, los bajos niveles de ROS de ciertos subconjuntos de poblaciones de SC (es decir, no CSC) pueden representar un reflejo de su estado de inactividad in vivo. Curiosamente, CD13, un marcador de células madre de HCC, tiene una capa protectora en la regulación de los niveles de ROS para evitar daños en el ADN controlando la angiogénesis, apoptosis y metástasis (Mishima et al., 2002; Kimet al., 2012). La EMT que ocurre como resultado de la activación de TGF- se asocia con la supervivencia de CD13 + CSC y la reducción de ROS en el hígado. Una posible explicación para la supervivencia de las CDC + CDC hepáticas después del tratamiento quimioterapéutico es la alta expresión de la aminopeptidasa N, una enzima captadora de ROS (Kim et al., 2012). El análisis inmunohistoquímico reveló la presencia de la expresión concomitante de CD13 y N -proteínas de cadherina en células tumorales que sobrevivieron a la quimioterapia. En consecuencia, la represión de CD13 genera apoptosis e inhibe la capacidad de autorrenovación de las CSC (Kim et al., 2012). Al regular al alza la capacidad antioxidante de las células (en la mayoría de los casos, al aumentar GSH o FoxO), los CSC acoplan el fenotipo redox SC con la resistencia a la radiación. En estas circunstancias, se espera que respondan a una terapia CSC específica en combinación con el tratamiento prooxidante. Es importante destacar que el agotamiento farmacológico de los secuestradores de RC en CSC disminuye notablemente su clonogenicidad y resultados en la radiosensibilización (Diehn et al., 2009). La pérdida del gen FoxO3 causa síndrome mieloproliferativo debido al aumento de la acumulación de ROS en progenitores hematopoyéticos, lo que lleva a la activación de la vía de señalización Akt / mTOR (Yalcin et al., 2010). En general, el hecho de que los SC tengan niveles elevados de glucólisis y bajo consumo de oxígeno mitocondrial sugiere que estas características están indudablemente relacionadas con sus propiedades de inmortalización (Kondohet al., 2007b). Esto explicaría, al menos en parte, los niveles más altos de CSC de resistencia a ROS y radio y quimiorresistencia. Los mecanismos de supervivencia asociados a la modulación deltabolítico utilizados por SCs son posiblemente imitados por células sanas para inmortalizarse y transformarse.8. Cómo la terapia podría apuntar al mecanismo de estrés oxidativo Está claro que el estrés oxidativo juega un papel en el desarrollo de patologías asociadas a la edad, incluido el cáncer (Sohal y Weindruch, 1996). Es importante destacar que la terapia contra el cáncer está muy asociada con la producción de ROS debido a que la mayoría de los fármacos citotóxicos bloquean la replicación del ADN, causando daño en el ADN. Por ejemplo, la sobreexpresión de los genes supresores de tumores en combinación con la radiación, que se sabe que reanuda un programa apoptótico, provoca la muerte celular masiva, un proceso que está bloqueado por las moléculas secuestradoras de ROS (Yacoub et al., 2004) .8.1. Antioxidantes Los antioxidantes constituyen el mecanismo celular de defensa contra las consecuencias de altas concentraciones de especies reactivas (principalmente ROS) (Oh et al., 2008). Existe evidencia de que estas moléculas previenen la tumorogénesis y aumentan la duración de la vida (Kovacicand Jacintho, 2001). Además de su función protectora como agentes preventivos contra el desarrollo del cáncer, existe evidencia de que la administración de suplementos de antioxidantes durante la quimioterapia tiene potencial para reducir las toxicidades que limitan la dosis en pacientes con cáncer (Blocket al., 2008). El tratamiento con antioxidantes (particularmente polifenoles) es efectivo para combatir las células tumorales (Borrelli et al., 2011; Dhar et al., 2011). Cuando se pierde el equilibrio natural entre los agentes antioxidantes y anti-oxidantes, los niveles altos de ROS evitan la función antioxidante y pueden ser necesarios antioxidantes suplementarios para la fortificación contra el cáncer inducido por ROS. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la concentración de antioxidante sintético suministrada es crucial para una respuesta celular correcta; una alta concentración podría causar un efecto opuesto y actuar como un pro-oxidante. Inicialmente, se demostró que la sobreexpresión de los genes que codifican para las enzimas antioxidantes fue efectiva en la terapia del cáncer. Por ejemplo, se descubrió que la sobreexpresión de SOD2 suprime el fenotipo maligno de células de melanoma humano (Church et al., 1993). Además, varios activadores de Nrf2 constituyen terapias potenciales para el estrés oxidativo, la inflamación y la quimioprevención. En un modelo de carcinogénesis cutánea en ratón de dos etapas, se descubrió que una dieta suplementada con Protandim (suplemento de patente que consiste en varios activadores Nrf2 naturales de dosis baja) reduce significativamente la incidencia de tumores cutáneos (Liuet al., 2009). El aumento del comportamiento de células malignas inducido por varios oncogenes se asocia con un aumento en la producción de ROS, y el tratamiento de tales células malignas con antioxidantes da como resultado una reducción en las propiedades tumorigénicas (Guijarro et al. 2007). Además, el estado de ciertos genes oncogenes / supresores de tumores también es importante para determinar su efectividad (Zhaoet al., 2006). Los antioxidantes sintéticos basados ​​en metales con ligandos biológicamente activos son moléculas potenciales de absorción de ROS, y el equilibrio redox se restablece en las células dañadas. Sin embargo, se necesita más investigación para establecer un diseño óptimo de estos compuestos. La combinación de un ion metálico y una ligan orgánica redox activa parece ser un enfoque prometedor para crear un antioxidante sintético efectivo. La titulación cuidadosamente controlada de la cantidad de antioxidantes catalíticos administrados para tratar algunos cánceres podría facilitar la eliminación de ROS, restablecer el equilibrio redox en las células tumorales y reducir su ventaja de crecimiento.8.2. Terapia prooxidante Dado el papel de los antioxidantes en la prevención y el tratamiento del cáncer, de alguna manera parece contradictorio que una terapia prooxidante, que se basa en la generación de radicales de oxígeno, pueda usarse para la aniquilación del cáncer. Aunque el estrés oxidativo causado por la acumulación de ROS promueve el crecimiento tumoral, también puede aumentar la sensibilidad al tratamiento. Esta puede ser la razón del éxito limitado de las terapias antioxidantes en los ensayos clínicos (Appierto et al., 2009; Mateescu et al., 2011). Sin embargo, sigue siendo un desafío clasificar los tipos de tumores que pueden beneficiarse de la terapia pro-oxidante en función de sus propiedades intrínsecas. El primer intento de emplear agentes pro-oxidantes in vivo, tales como agentes antitumorales, fue informado por Nathan y Cohn, que utilizaron glucosa oxidasa como precursor de H2O2 y obtuvieron una disminución significativa en el crecimiento tumoral (Nathanand Cohn, 1981). Debido a que las células pueden desarrollar respuestas adaptativas a RDS al aumentar principalmente las enzimas de desintoxicación, la investigación de radicales libres se ha centrado en el tratamiento de enfermedades con captadores de radicales que ayudan a hacer frente a los niveles elevados de ROS (Benhar et al., 2002; Nathan et al., 1981). Actualmente, existe un enfoque principal en terapias contra el cáncer que aumentan las ROS para alcanzar un umbral que es incompatible con la viabilidad celular, incluso para una célula altamente tumorigénica (Figura 3). Dentro de este contexto, será necesario definir con precisión los niveles de ROS en un tumor en particular y explorar su capacidad para pasar de la glucólisis aeróbica a OXPHOS, considerando que sería posible manipularla para obtener una muerte celular eficiente en términos de terapia. Ejemplos de los medicamentos que inducen ROS incluyen trióxido de arsénico, N- (4-hidroxifenil) retinamida (HPR) y ditiofeno (NSC656240). Además, ciertos agentes quimioterapéuticos de uso común inducen ROS. El fármaco anticancerígeno 5-fluorouracilo (5-FU) interfiere con la replicación del ADN y, en consecuencia, con la inhibición de la división celular, que son efectos que están altamente asociados con células tumorales. Datos recientes in vitro e in vivo de estudios en animales y tratamiento en pacientes han sugerido que la citotoxicidad inducida por los fármacos quimioterapéuticos 5-FU y oxaliplatino está relacionada con una mayor formación de ROS (Afzal et al., 2012). Uno de los temas más interesantes con respecto al pro-oxidante la terapia es sus efectos en CSC. Por ejemplo, las células CD13 + reducen el daño del ADN inducido por ROS después del estrés genotóxico por quimio-radiación, una característica que protege a estas células de la apoptosis. En modelos de xenoinjertos de ratón, la combinación de un inhibidor de CD13 y 5-FU redujo drásticamente el volumen tumoral en comparación con cualquiera de los agentes solo (Haraguchiet al., 2010). Por lo tanto, la combinación de un inhibidor de receptor de superficie CSC con terapia inductora de ROS (es decir, quimio o radioterapia) puede mejorar el tratamiento de tumores agresivos, como el cáncer hepático, al erradicar con precisión el tipo de célula que alimenta permanentemente la masa tumoral (es decir, , CSC). En este contexto, Venkataraman et al. (2010) imaginaron un escenario en el que miR-128a se puede utilizar para producir ROS en SC meduloblastoma para que sean más radiosensibles. El paclitaxel, un fármaco inhibidor mitótico, estabiliza los microtúbulos, y como resultado, interfiere con la descomposición normal de los microtúbulos durante la división celular. Paclitaxel también promueve la generación de ROS (es decir, O2-y H2O2) potenciando la actividad de la NADPHoxidasa Nox y ralentizando el crecimiento tumoral (Alexandre et al., 2007; Ramanathan et al., 2005). En las células de cáncer de mama, este tratamiento provocó la translocación de Rac1, una proteína reguladora positiva de Nox. Se ha establecido que las ROS generadas por paclitaxel se acumulan principalmente fuera de las células, mientras que las ROS intracelulares permanecen inalteradas. Esta acumulación fuera de las células provoca daño letal a las células cancerígenas que no han sido expuestas al paclitaxel (Alexandre et al., 2007). Este inesperado efecto de espectador citotóxico también ocurre con otros agentes dirigidos a microtúbulos, como vincristina y taxotere, pero no con 5-FU o doxorrubicina. Este hecho representa una nueva base sobre la cual mejorar el uso clínico de agentes quimioterapéuticos que no solo consideran las células tumorales sino que también afectan a las células vecinas. En la mayoría de los casos, la terapia combinada parece ser efectiva para el tratamiento del cáncer. Por ejemplo, se ha demostrado que los efectos anticancerígenos de la radiación ionizante combinados con el trióxido de arsénico aumentan la eficacia terapéutica en comparación con los tratamientos individuales en células de cáncer de próstata humano. El tratamiento combinado exhibe una generación de ROS mejorada en comparación con cada tratamiento solo, provocando autofagia y apoptosis al inhibir las vías de señalización de Akt / mTOR (Chiu et al., 2012). En contraste, un gen de particular importancia, gen-7 / interleuquina de diferenciación de melanoma -24 (mda-7 / IL-24), induce selectivamente la supresión del crecimiento y la apoptosis en un amplio espectro de cánceres humanos sin provocar efectos deletéreos aparentes en células normales. Una excepción a la acción de este gen es en el cáncer de páncreas, debido a la falta de la capacidad de convertir ARNm de mda-7 / IL-24 en proteína. Lebedeva et al. (Lebedeva et al., 2005) demostraron que las células pancreáticas, independientemente del estado del gen K-ras, expresan simultáneamente la proteína mda-7 / IL-24 y sufren apoptosis tratadas con inductores de ROS, lo que demuestra que la tumorogénesis se suprimió eficazmente in vivo e in vitro. La especificidad de esta acción está documentada como la capacidad de los inhibidores de ROS para bloquear este efecto asesino. Este ejemplo representa un enfoque combinatorio prometedor para los tumores pancreáticos, que son excepcionalmente agresivos y no tienen una terapia efectiva a largo plazo. Recientemente, se ha descrito una pequeña molécula llamada piperlongumina, que mata selectivamente las células cancerosas. Piperlonguminepotentially inhibe el crecimiento de tumores de mama malignos espontáneamente formados y sus metástasis asociadas en ratones al aumentar los niveles de ROS y la apoptosis. De manera importante, la piperlongumina tiene poco efecto sobre las células normales primarias que se dividen rápida o lentamente (Rajet al., 2011), lo que representa una clara ventaja de este compuesto para fines terapéuticos. Fucoidan, un compuesto enzimático, digerido, de bajo peso molecular que se extrae del mar marrón y tiene propiedades antitumorales, activa una vía caspaseapoptótica independiente y está implicada en la inhibición de la angiogénesis (Liu et al., 2012). Dicha vía implica la fosforilación de JNK, p38 y ERK1 / 2 en diversas células cancerosas activando las MAP quinasas mediadas por ROS y la regulación de la apoptosis mitocondrial mediada por la familia de la proteína bcl-2 (Zhang et al., 2011). Aunque este compuesto no se ha probado en pacientes, parece ser eficaz en las células de cáncer de pulmón, cáncer de mama, colon y leucemia (Jin et al., 2010). En general, una mayor comprensión de las proteínas supresoras oncogénicas / tumorales que están respectivamente sobreexpresados ​​o silenciados en tumores humanos y su relación con ROS permitiría la clasificación de los tipos de tumores que son susceptibles de una erradicación mediante la terapia pro-oxidante.8.3. Inhibición de la glucólisis Una primera opción para inhibir la glucólisis sería el uso de análogos de glucosa no hidrolizables que impiden que las glicolíticas iniciales avancen hasta la cascada final de degradación metabólica (por ejemplo, más allá de la etapa de fosforilación mediada por hexoquinasa). Hemos demostrado previamente que el tratamiento con el análogo de glucosa-2-desoxiglucosa en SC puede disminuir considerablemente su potencial proliferativo y sus propiedades de inmortalización (Kondohet al., 2007b). La desoxiglucosa y otros dos inhibidores de la hexoki-nasa (HK), la lonidamida y el 3-bromopiruvato (3-BrPa) se han probado con éxito en ensayos preclínicos de tumores malignos (Koet al., 2001; Oudard et al., 1995). Es importante destacar que 3-BrPa representa una terapia alternativa para el cáncer de hígado y otros tipos de cáncer con tasas de supervivencia pobres (Geschwind et al., 2002). En la misma línea de evidencia, dirigirse al flujo de salida de lactato es otra vía para inhibir la vía glucolítica y provocar la muerte celular. Esto se ha realizado uti-lizando la molécula pequeña del ácido alfa ciano-4-hidroxicinámico (ACCA) (Colen et al., 2006). En este caso, los tumores dirigidos aumentan la sensibilidad si se administra terapia combinada, por ejemplo, la adición de radioterapia (Colen et al., 2006). Bielielle (BZL101), un fármaco oral actualmente en pruebas clínicas humanas para el cáncer de mama avanzado (Chen et al., 2012; Perezet al., 2010), ha demostrado ser eficiente en la inhibición no solo de la glucólisis sino también de la fosforilación oxidativa. Bezielle se deriva de Scutellaria barbata, una planta con propiedades anticancerígenas. Este fármaco tiene efectos citotóxicos selectivos in vitro en células cancerosas e in vivo en carcinomas renales, hepatocelulares y de próstata (Cha et al., 2004; Marconett et al., 2010; Yin et al., 2004). La selectividad de Bezielle depende de la generación de grandes cantidades de ROS en las células tumorales, lo que provoca daño en el ADN e hiperactivación de PARP, que principalmente se dirige a las mitocondrias. Esta hiperactivación de PARP provoca una muerte celular apoptótica masiva (Zong et al., 2004). La hiperactivación de PARP en células cancerígenas reduce en gran medida el suministro celular de NAD + y ATP, que se necesitan para la PARilación de varias proteínas implicadas en el mecanismo de reparación de ADN, la regulación de la transcripción y la progresión del ciclo celular (Rouleau et al., 2010). Una posible causa para la inhibición de la glucólisis observada en tumores tratados con Bezielle podría ser la concentración limitada de NAD + citosólico (Alano et al., 2010). Importante, la pequeña cantidad de daño en el ADN que causa Bezielle en las células normales se restablece mediante la reparación del ADN La sobreexpresión de la enzima glucolítica piruvato quinasa M2 (PKM2) promueve procesos anabólicos y confiere una ventaja selectiva a las células cancerosas, lo que les permite mantener una respuesta antioxidante que alarga la supervivencia de las células cancerígenas bajo estrés oxidativo intenso (Anastasiou et al., 2011). Se ha informado que los altos niveles de ROS que se producen en las células de cáncer de pulmón humano reprimen PKM2 a través de la oxidación de la cisteína 358 y, en consecuencia, la glucosa se dirige al ciclo de PPP. En estas circunstancias, la célula es capaz de desintoxicarROS (Anastasiou et al., 2011). Sin embargo, las células de cáncer de pulmón en PKM2 endógeno se reemplazan por Cys358 a Ser358. Los mutantes resistentes a la oxidación muestran una mayor sensibilidad al estrés oxidativo y la formación de tumores alterados en un modelo de xenoinjerto (Anastasiouet al., 2011). Un posible enfoque terapéutico es el uso de pequeñas moléculas activadoras de PKM2 que pueden interferir con el metabolismo de las células tumorales, ya que la inactivación de PKM2 en última instancia aumenta la sensibilidad de ROS. Estos resultados, que han sido probados en modelos de ratón, son prometedores para el diseño de terapias futuras en pacientes con cáncer. Estudios en líneas celulares que son defectuosos para enzimas mitocondriales han demostrado que la actividad de fosforilación oxidativa define la tasa de utilización de glucosa por glucólisis aeróbica (Sánchez-Arago y otros, 2010). Es importante destacar que la abducción de la respiración mitocondrial conduce a una disminución del potencial de señalización de ROS en una respuesta ineficiente al tratamiento con 5-FU. Por el contrario, una vía de glucólisis abrogada en las mismas células con mitocondrias intactas da como resultado una respuesta más eficiente a 5-FU. Con el transcurso de los años, se ha descubierto que la inhibición glicolítica per se no ha sido una estrategia quimioterapéutica eficaz, debido en parte a la toxicidad sistémica de los fármacos antiglycolytic. Sin embargo, el tratamiento combinado que implica la inhibición de la glucólisis y la función mitocondrial pueden ayudar a superar este problema. Algunos ejemplos incluyen el objetivo de las mitocondrias los medicamentos Mito-Q y Mito-CP, que, en combinación con 2-desoxi-d-glucosa, son más efectivos que la inhibición de la glucólisis sola (Chenget al., 2012) .A lo largo de las mismas líneas de evidencia, esos medicamentos, que son igualmente efectivos para la glucólisis y la inhibición de OXPHOS, son más eficientes que los que actúan a través de un solo proceso. Por ejemplo, 3-BrPA inhibe la producción de ATP celular debido a sus efectos sobre la glucólisis y OXPHOS. Actúa sobre varias enzimas celulares involucradas en la glucólisis, como GAPDH y PGK, e inhibe las enzimas respiratorias mitocondriales, incluida la succinato deshidrogenasa (SDH). Los resultados combinados de 3-BrPA son responsables de una disminución en la viabilidad y la muerte apoptótica de las células de HCC. Estos efectos, que están vinculados a fugas de protones, pueden reflejar la permeabilidad en los poros de transición de la membrana mitocondrial, que ocurre antes de los procesos apoptóticos. Estudios anteriores han demostrado que la curcumina, el ácido betulínico (BA), los fármacos triterpenoides anticancerígenos sintéticos y el ácido tolfenámico son capaz de reducir bcl2, survivina, receptor factor de crecimiento de hepatocitos (c-Met), receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR), ciclina D1, VEGF y sus receptores VEGFR1 y VEGFR2 en varios tipos de células cancerosas. El BA es un triterpenoide de origen natural y es un inhibidor selectivo del melanoma humano, los tumores de cerebro malignos y las células de la leucemia humana, pero aparentemente es ineficaz en los tumores epiteliales. El mecanismo BA funciona principalmente inhibiendo la poisomerasa, un proceso que se acompaña de activación de caspasa, alteraciones de la membrana mitocondrial y fragmentación del ADN, por lo que BA pertenece a una clase de fármacos dirigidos a mitocondrias (Liet al., 2010). Recientemente, se ha sugerido que BA actúa reprimiendo los factores de transcripción de proteína de especificidad (Sp) Sp1, Sp3 y Sp4, que se sobreexpresan en células cancerosas pero están subexpresadas en tejidos normales. En las células de cáncer de colon, el mecanismo de la expresión de la proteína Sp inducida por BA se debe a la inducción de ROS, a la represión de miR-27a mediada por ROS y a la inducción del Sp repressorgene ZBTB10 (Chintharlapalli et al., 2011). Otra droga , 2 - ((2,3-bis (nitrooxi) propil) disulfanil) benzoato de etilo (GT-094), es una nueva quimera de fármacos que exhibe propiedades antiinflamatorias no-roidales, restos de óxido nítrico y adisulfuro farmacóforo que posee actividad quimiopreventiva contra el cáncer (Pathi et al., 2011). Se descubrió que GT-094 inhibe la proliferación celular e induce la apoptosis (es decir, la escisión de PARP dependiente de caspasa) en líneas celulares de cáncer de colon RKO y SW480, además de disminuir el potencial de membrana mitocondrial y potenciar la producción de ROS. Estas respuestas se revierten con el tratamiento con antioxidantes (glutationa) (Pathi et al., 2011). Se ha comprobado que GT-094 actúa regulando negativamente los genes asociados con el crecimiento celular (es decir, ciclina D1, c-Met, EGFR, bcl-2 y survivina) y la angiogénesis, junto con algunos reguladores de estos genes, incluidos Sp1, Sp3 y Sp4. que se ha encontrado que se sobreexpresa en diferentes células cancerosas. GT-094 es capaz de controlar la expresión de estos factores de transcripción al reprimir miR-27a e inducir ZBTB10 (represor Sp). La depresión de los factores de transcripción mencionados anteriormente es revertida por un glutatión antioxidante, lo que sugiere que la actividad antitumoral de GT-094 en células de cáncer de colon se debe parcialmente a la activación del eje ROS-miR-27a (Pathi et al., 2011). 9. Conclusiones Hay mucha evidencia de que las células normales se ven afectadas por las células cancerosas circundantes, lo que ayuda a las células cancerosas a crecer, invadir y hacer metástasis. Sorprendentemente, las células cancerosas pueden reprogramar su metabolismo adaptándolo a los cambios microambientales. La investigación en bioenergética del cáncer ha adquirido una mejor comprensión de la forma en que se regula el metabolismo energético durante la oncogénesis. En comparación con las células normales, las células tumorales presentan cambios metabólicos importantes. Las células tumorales muestran un aumento en la glucosa absorción debido a una glucólisis mejorada y una mayor producción de lactato. Por lo tanto, en tumores sólidos, el efecto Warburg podría ser el resultado de un mecanismo adaptativo que, en combinación con la angiogénesis, permite a las células superar el estrés hipóxico. Además, el efecto de Warburg confiere protección de ROS para las células cancerosas en comparación con las células normales. En tumores altamente glucolíticos, una estrategia terapéutica potencial consistiría en inhibir la glucólisis para obtener un efecto final sobre la reactivación del metabolismo oxidativo mitocondrial y, en última instancia, un aumento de los niveles de ROS. Sin embargo, no todos los tumores exhiben glucólisis aumentada. Algunos tumores prefieren potenciar OXPHOS, particularmente bajo concentraciones bajas de glucosa en las cuales la glucólisis sería menos eficiente. En estos casos, los agentes miméticos / de restricción de energía prometen representar una elección terapéutica superior para reducir el crecimiento tumoral humano. La evidencia acumulada muestra que los niveles de ROS en las células tumorales son clave para la determinación de una terapia específica. Existe una necesidad urgente de establecer biomarcadores (es decir, oncogenes, genes supresores de tumores emicroARN) que predigan la respuesta de una terapia prooxidante para definir la mejor opción para la erradicación del cáncer para cada paciente de cáncer. La asociación de CSC y la resistencia a la terapia requiere un replanteamiento crítico de la eficacia de la terapia pro-oxidante en los CSC. Debido a que los bajos niveles de ROS parecen ser críticos para mantener SCfunction, la inducción específica de ROS en CSC debería hacer que estas células sean sensibles a la terapia. Reconocimiento El trabajo en el laboratorio de los autores es respaldado por HealthyMinistry (Proyecto FIS PI09 / 02193 a M.E.LL).

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