Нецільова метаболоміка виявляє молекулярний вплив кетогенної дієти на здорові та пухлинні моделі мишей на ксенотрансплантаті

Девід Ліча

1 Біоаналітичні дослідницькі лабораторії, Департамент біологічних наук та кластер раку, Зальцбург, Зальцбурзький університет, Hellbrunnerstraße 34, 5020 Зальцбург, Австрія

Сільвія Відалі

2 Дослідницька програма з рецепторної біохімії та метаболізму пухлин, Департамент педіатрії, Медичний університет Парацельса, 5020, Зальцбург, Австрія

Сепіде Амінзаде-Гохарі

Олівер Алка

3 Прикладна біоінформатика, Кафедра комп'ютерних наук, Тюбінгенський університет, 72076 Тюбінген, Німеччина

Леандр Брайткройц

Олівер Кольбахер

3 Прикладна біоінформатика, Кафедра комп'ютерних наук, Тюбінгенський університет, 72076 Тюбінген, Німеччина

4 Інститут біоінформатики та медичної інформатики, Тюбінгенський університет, Пісок 14, 72076 Тюбінген, Німеччина

5 Інститут поступальної біоінформатики, Університетська лікарня Тюбінген, 72076 Тюбінген, Німеччина

6 Біомолекулярні взаємодії, Інститут біології розвитку Макса Планка, Макс-Планк-Рінг 5, 72076 Тюбінген, Німеччина

Роланд Дж. Рейшль

Рене Г.Фейхтінгер

Барбара Кофлер

Крістіан Г. Губер

Пов’язані дані

Анотація

1. Вступ

Ракові клітини, що виявляють добре відомий «ефект Варбурга», сильно залежать від глюкози як джерела енергії і часто виявляють низьке, але функціональне окисне фосфорилювання (OXPHOS). Навіть у присутності кисню вони керують своїм енергозабезпеченням головним чином за допомогою аеробного гліколізу, де піруват окислюється до лактату, а не подається в цикл лимонної кислоти [15]. Цілеспрямовані дослідження метаболоміки вже показали, що KD призводить до підвищеного рівня кетонових тіл у плазмі, що походить від β-окислення жирних кислот [16]. Під час голодування або під час КД ацетоацетат та β-гідроксибутират, переважні продукти кетогенезу, повинні замінювати глюкозу як основне джерело енергії. Після перетворення в ацетил-КоА вони вводяться в цикл лимонної кислоти, де генерується НАДН, щоб стимулювати вироблення АТФ за допомогою окисного фосфорилювання, яке відбувається у внутрішній мітохондріальній мембрані. Що стосується раку, то пухлинні клітини повинні сильно стискатися у виробництві енергії завдяки поєднанню мінімального рівня вуглеводів та великого поглинання жиру, тоді як нормальні клітини забезпечуються енергією через кетонові тіла [10,17].

Окрім індукції утворення кетонового тіла [10] та змін метаболізму амінокислот [16], глобальний вплив КД на метаболом широко невідомий, особливо щодо росту пухлини. Тому ми тут реалізуємо ксенотрансплантати пухлин людини як ракові моделі для вивчення ефекту КД у поєднанні з класичною хіміотерапією. Для того, щоб охопити якнайширший діапазон метаболічних характеристик, ми досліджували біологічні ефекти терапії шляхом нецільового ВЕРХ-МС-метаболомічного аналізу, використовуючи чотири різні та ортогональні комбінації хроматографічної селективності та мас-спектрометричної іонізації. Використовуючи оцінку статистичних даних для виявлення суттєво регульованих метаболітів, ми прагнули виявити біологічні мережі та шляхи, що беруть участь у адаптації до КД у поєднанні з хіміотерапією. У цьому курсі можуть бути виявлені додаткові фактори, індуковані KD, що призводять до порушення проліферації пухлини, крім запропонованої індукції зниженого рівня глюкози в крові.

2. Результати та обговорення

2.1. Вивчати дизайн

Для того, щоб дослідити вплив KD на ріст пухлини в поєднанні з цитостатичною терапією, аналізували метаболоми плазми крові на моделі раку молочної залози людини на мишах. Хоча було б цікаво локально досліджувати метаболіти в пухлинній тканині, це має свої обмеження, оскільки пухлинна тканина часто є неоднорідною, і мікровірумент, що складається з асоційованих з пухлиною макрофагів (TAM), пухлинно-асоційованих фібробластів (TAF) та судинної системи, також внести свій внесок у дані. Таким чином, такі дані можуть відображати не тільки зміни в клітинах пухлини як такі. З іншого боку, корисність метаболоміки плазми/сироватки для виявлення біомаркерів у дослідженнях раку була неодноразово доведена [32]. У світлі нині встановленої методології, ми вважаємо, що проведений аналіз зразків плазми є найкращим вибором для демонстрації системних змін, спричинених ад'ювантом KD, і, таким чином, може розглядатися як доказ принципу.

Зразки МТХ витягували з плазми анестезованих мишей. Усі тварини, які несли ксенотрансплантати пухлини, отримували хіміотерапію циклофосфамідом (CPA). Аналізували зразки плазми здорових проти пухлинних мишей, які отримували або кетогенні, або звичайні дієти. Оскільки попереднє дослідження показало, що комбінація довголанцюгових тригліцеридів (LCT) та середньоланцюгових тригліцеридів (MCT8) справляє найпотужніший ефект на пригнічення росту пухлини [19], ми вирішили використовувати дієту LCT-MCT8 при лікуванні експерименти. Здорові миші, які не отримували ні хіміотерапії, ні КД, служили негативним контролем (рис. 1а).

Загальні (a) та обчислювальний робочий процес (b), що подається для вивчення метаболоміки. CPA — циклофосфамід; LCT-MCT8 - тригліцеридна тригліцеридна/тригліцеридна середньоланцюгова дієта. Докладніше про обчислювальний робочий процес див. У розділі Матеріали та методи.

2.2. Вплив кетогенної дієти на мишей, що несуть пухлину MDA-MB-468

Дієта LCT-MCT8 (співвідношення жир: вуглеводи + білок = 8: 1; LCT, збагачена 25% 8-вуглецевими МСТ; Додаткова таблиця S2) та лікування циклофосфамідом (CPA) 30 мг/кг/день значно зменшили обсяг пухлини при MDA- Ксенотрансплантати MB-468, які несли мишей вже після перших 20 днів лікування, порівняно з мишами, які отримували CPA та контрольну (CTRL) дієту (додатковий малюнок S1a). KD переносився добре, після початкової незначної втрати ваги, завдяки адаптації до різних смакових якостей та смакових якостей нових дієт, маса тіла мишей стабілізувалась і залишалася досить постійною протягом усього експерименту (додатковий малюнок S1b).

Дієта LCT-MCT8 суттєво підвищила концентрацію кетонових тіл крові у мишей вже після п’яти днів лікування (для мишей, що несуть рак молочної залози, див. Додатковий малюнок S1c; для здорових мишей див. Додатковий малюнок S1d у [42]). На відміну від цього, середній рівень глюкози в крові не виявив будь-яких специфічних дієтичних змін і залишався в основному незмінним до закінчення експерименту через 80 днів (додатковий малюнок S1d).

2.3. Результати нецільового аналізу метаболомів

рак молочної залози; b циклофосфамід; c тригліцериди з довгими ланцюгами/тригліцериди із середньою ланцюгом; d контроль дієти.

2.4. Регульовані метаболіти при лікуванні КД

Кругові діаграми (a,b) та відповідні ділянки вулканів (c,d), що демонструє суттєво регульовані особливості, викликані раком молочної залози при хіміотерапії у мишей, які отримують контрольну дієту (a,c) та кетогенна дієта (КД) (b,d), відповідно. Ділянки вулканів показують від’ємне значення log p (лінійні моделі для даних мікрочипів (LIMMA) з подальшою корекцією Бенджаміні – Хохберга) щодо коефіцієнтів log2 норм, викликаних раком молочної залози при хіміотерапії. Сині крапки представляють собою регульовані вниз, червоні крапки вгору, а сірі крапки - нерегульовані функції з порогом значущості 0,05 (зелена лінія). Вертикальні чорні лінії позначають співвідношення log2 -0,25 і 0,25. Зелені кола позначають виявлені метаболіти.