Nrf2 – sluha dvou pánů

Nrf2 – ochránce buňky

Nrf2 je gen/protein, který reguluje produkci celé řady antioxidačních a protizánětlivých proteinů, které chrání buňku proti oxidačnímu poškození.

Nrf2 se pohybuje kolem buněčného jádra v buněčné cytoplazmě a v pohotovosti ho udržují proteiny KEAP1 a Cullin3.

Když dojde k vystavení buňky zvýšeným hladinám oxidačního stresu, KEAP1 aktivuje Nrf2 a ten se přesune do buněčného jádra, kde se připne k DNA a aktivuje procesy vedoucí k vytvoření ochranného štítu. Toto je pozitivní ve smyslu prevence vzniku rakovin, kdy antioxidační působení může ochránit DNA buňky před vlivem např. karcinogenních látek. Pokud se to děje kontrolovaně (nad přílišnou aktivitou Nrf2 dohlíží KEAP1) a ve zdravé buňce, tak proces brání poškození DNA a vzniku případných mutací.
Ovšem pokud se to stejné děje v rakovinové buňce, tak ji to chrání také a to např. během útoku chemoterapeutických léků (Jaramillo, 2013). To je dvojí role Nrf2: chrání před rakovinou, ale současně pokud dojde k mutaci genu v nádorovém buňce, tak ochrannou aktivitu nádorová buňka zneužije k vlastní ochraně. 

V těle je ve zdravých buňkách Nrf2 nejvíce přítomen v ledvinách, ve svalech, plicích, srdci, játrech a mozku (řazeno od nejvyššího výskytu po nejnižší).

Nrf2-Keap1 mutace v nádorových buňkách

Např. u nemalobuněčného karcinomu plic (NSCLC) je často přítomna mutace genu KEAP1, která vede k jeho nízké aktivitě, což způsobuje, že je Nrf2 pod menší kontrolou a může se ve velkých množstvích hromadit v buněčném jádru, což v nádorové buňce pomáhá vytvořit velmi odolný štít (Singh, 2006; Ohta, 2008).

Jiný případ nastane pokud je v nádorové buňce přítomna mutace Nrf2 genu. V takovém případě jsou v buňce produkovány mutantní Nrf2 proteiny, které jejich regulátoři Keap1 a Cullin3 nejsou schopni rozpoznat a tím pádem regulovat jejich vpouštění z cytoplazmy do buněčného jádra. I v takovém případě dochází ke kumulaci Nrf2 v jádře nádorové buňky a tím ke vzniku ochranného štítu (Shibata, 2008).

  • scénář 1: defektní Keap1 (je jich málo) = velká akumulace Nrf2 v buněčném jádře nádorové buňky
  • scénář 2: mutantní Nrf2 = Keap1 a Cullin3 je nerozpoznají = velká akumulace Nrf2 v buněčném jádře

U obou scénářů vypadá jako logický zásah použít během onkologické léčby inhibitory Nrf2, které by optimálně zabránily kumulaci proteinů v buněčném jádru a připravily tak rakovinu o jednu z možností obrany. Samozřejmě ale ne každá rakovina umí Nrf2 zneužít ve svůj prospěch a ne každý chemoterapeutický lék útočí na DNA nebo pomocí oxidačního stresu. Tedy nasazení inhibitorů je třeba zvážit individuálně podle druhu nádoru a použitých léčiv.

Sulphoraphane jako aktivátor Nrf2 – dilema u rakoviny plic

Sulphoraphane je jedním z nejsilnějších aktivátorů Nrf2, jiné jsou např. kyselina alpha lipoová či resveratrol (Steele, 2013).

Nicméně, je třeba se zeptat zda-li se aktivace proteinu týká pouze zdravých buněk (kde je to přínosné) nebo zda tyto látky mohou způsobit zvýšenou aktivaci Nfr2 jak u zdravých, tak i u nádorových buněk? Ve druhém případě by použití takových látek nemuselo být vhodné během např. chemoterapií.

Bauer, 2013 se domnívá, že aktivní Nfr2 by mohlo mít u brzkých stádií rakovin pro-rakovinové účinky, kdežto u pokročilejších stádií protirakovinové účinky (vychází ze studií na myších).

Rajendra, 2015 si všimnul, že protinádorová aktivita sulphoraphanu u myší (nádor střev) značně poklesla u myší Nrf2 deficitních v porovnání s myšmi WT (wild type). Pokles nádorové masy oproti kontrolní skupině u WT z 62.7 na 26.0 mm3, kdežto Nrf2−/+ skupině z 14.6 jen na 11.7 mm3. Protinádorový účinek sulphoraphanu tak může záviset právě na přítomnosti Nrf2.

Procesy, které jsou spouštěny Nrf2 aktivitou, mohou napomáhat nádoru k růstu (nemalobuněčný karcinom plic; DeNicola, 2015).

Satoh, 2013 považuje aktivátory za přínosné u prevence vzniku rakoviny plic, ale současně se domnívá, že u již existujícího onemocnění, jsou naopak vhodné inhibitory.

Tong, 2015 podrobně diskutuje inhibitory (brutasol, luteolin a trigonelline viz obrázek) a aktivátory a shrnuje téma následovně:

“Aktivace Nrf2 signální cesty přímo narušuje růst nádoru a způsobuje jeho ústup. Na druhou stranu, Nrf2 aktivátory mohou tumoru pomoci si vytvořit rezistenci vůči onkologické léčbě, protože zvýšené hladiny Nrf2 chrání nádorové buňky před zničením.”

Autoři se domnívají, že aktivátory Nrf2 jsou vhodné u brzkých stádií, kdežto inhibitory naopak u pokročilých stádií. To je ale opak toho, co si myslí Bauer (viz výše). V doporučení Nrf2 inhibitorů u pokročilých stádií rakovin se ale shodují se Satoh, 2013.

Data pacientů a jejich hodnoty Nrf2 se pokusil analyzovat Tian, 2016. Došel k závěru, že aktivita Nrf2 signalizace má negativní vliv na dobu přežití pacientů s NSCLC. Např. pacienti podstupující chemoterapii platinovými deriváty měli lepší odezvu na léčbu, pokud měli nižší aktivitu Nrf2. Vysvětlení již bylo zmíněno: Nrf2 spouští mohutnou antioxidační aktivitu a nádorové buňky tuto ochranu mohou aktivovat, pokud se dostanou pod útok chemoterapeutických léků.

  • u některých druhů onkologické léčby bude vhodné nasadit Nrf2 inhibitory, které nádorovým buňkám zamezí možnost aktivovat si silnou antioxidační obranu; logické je to např. u ozařování, které je založeno na produkci volných kyslíkových radikálů (ROS) Zhou, 2013. Tady zablokování Nrf2 dává jasný smysl. Totéž může platit o chemoterapii léky, které pro svůj účinek nějakým způsobem využívají i ROS (např. antracykliny) a léky, jejichž cílem je DNA (např. Cytarabine, 5-FU aj.)

Vlivem léků na cukrovku na Nrf2 se zabýval Wang, 2016. Léky (včetně kyseliny alpha lipoové), které byly podány myším, vedly ke zrychlení metastázování tumorů. Šlo ale jen o malou studii na 9 myších (odkaz).

Mitsuishi, 2012 si všímá úlohy Nrf2 za současné podpory aktivity PI3K-Akt signální dráhy v metabolismu glukózy a glutaminu u nádorových buněk. Toto otevírá cestu úvahám o účinnějšímu přístupu v léčbě, kdy bychom mohli kombinovat Nrf2 inhibitor s inhibitorem PI3K-Akt signální dráhy, či bychom mohli kompenzovat užití látek s širokospektrálním účinkem (které ale současně aktivují Nrf2) spolu s látkami, které zablokují PI3K-Akt. Takové možnosti jsou zmíněny v článku o Halifaxu. Šlo by například o resveratrol, který sice aktivuje Nrf2, ale současně blokuje PI3K-Akt a aktivuje tumor supresor PTEN.

V praxi jde o to, že PTEN kontroluje i aktivitu Nrf2 a dohlíží, aby se nevymknula kontrole. Když rakoviny hacknou Nrf2 gen, vytvoří si jeho mutovanou verzi, která má vypnuté některé bezpečnostní mechanismy. V případě, že je u pacienta neaktivní PTEN, nemá kdo se aktivitě mutovaného genu postavit. Nrf2 by nemusel představovat problém, pokud bychom měli nádorového dozorce PTEN aktivního a připraveného zasáhnout (Rojo, 2014).

Na základě výše uvedeného se nedá vyvodit žádný jednoznačný závěr. Nicméně zdá se, že nezávisle na stádiu nemoci by se u chemoterapie měly nasadit Nrf2 inhibitory. Jestli ano, nebo ne, bude závislé na druhu rakoviny (budou se lišit v Nrf2 aktivitě) a na druhu léků použitých v léčbě.

Ještě jiná logická úvaha by vedla tím směrem, že nádorové buňky začnou produkovat Nrf2 pro svou ochranu ne jen během útoku chemoterapie, ale i pokud je nádor nucen přežívat v prostředí s nízkým přístupem kyslíku – nádorová hypoxie. Taková situace nastane často u nádorů, které jsou agresivní (rostou velmi rychle a tím pádem nestihnou budovat dostatek zásobovacích cév) a nádorů v pokročilých stádiích, které již mají velkou nádorovou masu (a tím pádem nemají dost zdrojů v okolí pro plné zásobování). V těchto případech by blokace produkce Nrf2 mohla nádorům velmi ztížit jejich život v hypoxických oblastech.

Luteolin jako blokátor Nrf2

Z doplňků, které blokují produkci proteinů, je nejdostupnější luteolin (Hong, 2014; Cho, 2015; Zhao, 2011). Pozitivem luteolinu je, že je taktéž silným inhibitorem HDAC (Attoub, 2011). Kromě luteolinu může být dostupným ještě i ginsenoside (Kim, 2011). Těžko dostupný zřejmě bude brusatol (Olayanju, 2015). Dalším zkoumaným inhibitorem je piperlongumin.

Další zajímavou možností je využít benefitů sulphoraphanu, ale s tím, že odstraníme možná teoretická rizika a to tak, že budeme užívat jak sulphoraphane, tak luteolin. Je zajímavé, že např. v brokolici jsou obě látky obsaženy současně.

Významným zdrojem luteolinu jsou kromě brokolice ještě i capsicum frutescens (druh chilli papričky) a celer. V menším množství cibule, tymián, petržel, pepermint a rozmarýn.

Bude potřeba nasazení látek ovlivňující Nrf2 hodnotit u každé konkrétní rakoviny zvlášť, neboť rakoviny se od sebe značně odlišují a stejně tak se odlišuje vliv Nrf2 na ně. Značně se také liší způsoby jakými jednotlivé látky ovlivňují Nrf2 a míra do jaké je ovlivňují (existuje 9 kategorií látek, které se liší dle způsobu vlivu na Nrf2). A látky mají velmi mnoho různých účinků. Tady bude třeba provést risk/reward analýzu a pečlivě zvážit možné přínosy vs možná rizika.

  • budeme schopni identifikovat rakoviny, které bychom mohli označit jako Nrf2-závislé?

Rakovina plic

U adenokarcinomu s aktivní EGFR mutací se ukázalo, že při léčbě TKI dosahují lepších výsledků pacienti s negativní Nrf2 (Zhu, 2014). Vysoké hladiny proteinů v nádorových buňkách mohou snížit citlivost buněk k léčbě.

Kromě použití inhibitoru Nrf2 je vhodným doplňkem i genistein, který vykazuje synergii s TKI (Gadgeel, 2009; s erlotinibem Sarkar, 2006).

U chemoterapie cisplatinou je inhibice také vhodná (Xia, 2015; u mutace p53 Tung, 2015).

Také KRAS mutace (u 20-30% NSCLC) vede k nadregulaci Nrf2 (Tao, 2014) a inhibice proteinu vedla u myší k menší rezistenci vůči cisplatině, delšímu přežití a menší nádorové mase.

Kolorektální karcinom

Evans, 2015 zkoumali vliv modifikace Nrf2 na účinnost léku irinotecan. Zjistili, že použití aktivátoru Nrf2 významně snížilo cytotoxicitu irinotecanu vůči nádorovým buňkám (z čehož lze vyvodit, že nádorová buňka si zde pomocí proteinů vytváří štít). Naopak, zablokování aktivity Nrf2 zvýšilo citlivost nádorových buněk vůči léku. Šlo o pokus ve zkumavce, který naznačuje, že modifikace aktivity proteinu může mít významný vliv na účinnost léčby irinotecanem.

Rakovina prsu

Onodera, 2013 nachází u 44% vzorků vyšší hladiny proteinu.

Loignon, 2009 ale nachází nízké hladiny (vysoké Cul3/nízké Nrf2) u více než poloviny vzorků, které zkoumali. Všímá si, že vzorec vysoké Cul3 a nízké Nrf2 se dá spojit s chemosenzitivou, naopak pokud se u nádorových buněk potlačila aktivita Cul3, staly se vysoce rezistentní vůči paclitaxelu a doxorubicinu. Zjištění naznačuje, že u rakoviny prsu jsou pozitivní nízké hladiny Nrf2.
Vysoké hladiny Cullin3 jsou zřejmě spojené také s menším rizikem metastáz, neboť podporují aktivitu protimetastázového supresoru BRMS1 (Kim, 2011).

Kang, 2014 si všímá, že vyšší aktivita Nrf2 je u rakovin prsu s pozitivní HER2 mutací.

RON je tyrozin kináz receptor, který podporuje růst rakovin. Thangasamy, 2011 zjistil, že Nrf2 je negativní regulátor RON a stabilizuje Nrf2. Ve zdravé prsní tkáni zjistil vysoké hladiny Nrf2 a nízké hladiny RON. V nádorové tkání naopak nízké hladiny proteinu a vysoké hladiny RON. Thangasamy ve studii považuje sulphoraphane za látku, která tímto způsobem přináší benefity.

Yu, 2015 hodnotí přítomnost proteinu v jádru nádorových buněk u nádorů prsu jako pozitivní prognostický faktor a spojuje ho s přítomnosti BCRP proteinu.

Interakci BRCA1 s Nrf2 zkoumá Gorrini, 2013.

Syu, 2016 v pokusu ve zkumavce zjistil, že v situaci nádorové hypoxie (malé okysličení) nádorová buňka produkuje velké množství proteinu, aby se vypořádala s nepříznivými podmínkami. Zablokování Nrf2 za téhle situace vedlo ke zvýšení účinnosti cisplatiny.

Role proteinu u rakoviny prsu je nejasná a vykazuje velké odlišnosti dle podtypů nádoru. Je zajímavé, že např. Chen, 2014 zjistil u kurkuminu, že potlačuje životaschopnost nádorových buněk tím, že posiluje aktivitu Nrf2, což vede k regulaci Fen1 proteinu, který ovlivňuje schopnost nádorové buňky se množit a růst.

Rakoviny trávícího traktu

Kawasaki, 2015 zkoumali hodnoty u 175 pacientů. Zjistili, že velikost hodnot korelovala s velikostí tumorů, přítomností metastáz apod. Pacienti s Nrf2 aktivním statusem měli horší celkové přežití než pacienti ve skupině s neaktivním statusem. Nádory pacientů v Nrf2+ skupině byly také častěji rezistentní vůči léčbě chemoterapií 5-FU.

To naznačuje, že během chemoterapie by mohly být u těchto rakovin prospěšné přidat Nrf2 inhibitory (Esa, 2014; oxaliplatina Qu, 2014, Chian, 2014; Qiang, 2014; Krifa, 2014).

Adenokarcinom slinivky

Protein je nadprodukován v nádorových buňkách, oproti zdravým (Lister, 2011)

Melanom

Hintsala, 2016 vyšší exprese proteinu v pigmentových buňkách koreluje s kratším přežitím.

Inhibitory a induktory Nrf2

Inhibitory

Aktivátory

  • sulphoraphane
  • pterostilben (link; nicméně možná působí i nepřímo inhibičně Benlloch, 2016). Pterostilben je látka velmi podobná resveratrolu, ale nevyskytuje se ve víně. Je silnějším aktivátorem Nrf2 než resveratrol.
  • kyselina alpha lipoová (Lii, 2010). Nasazení kyselina alpha lipoové během chemoterapie je vždy třeba pečlivě zvážit, neboť jde o silný antioxidant. Často pacienta ochrání před nežádoucími vedlejšími účinky léčby, nicméně někdy to může být na úkor účinnosti léčby.
  • withaferin A (Kensler)

 

Návrh léčebné strategie pro na Nrf2 závislé rakoviny před a během chemoterapií

  • nasadit před a během onkologické léčby Nrf2 inhibitory (luteolin aj.)
  • blokovat signální dráhu PI3K-Akt (Huang, 2013)
  • aktivovat tumor supresor PTEN, který je schopen zamezit aktivitě mutovaného Nrf2 (resveratrol, honokiol)
  • aktivovat tumor supresor e-cadherin (Kim, 2011). Aktivní e-cadherin zabraňuje kumulaci Nrf2 v buněčném jádru a tím zamezí nádorové buňce vytvářet si skrze mutovaný gen antioxidační štít, který ji chrání před účinkem léků. Produkci e-cadherinu stimuluje např. magnolol, látka z magnólie (Kang, 2012) a enoxolon z lékořice (Hagiwara, 2015)

Chemorezistence versus chemosenzitivizace

Téma je ale ještě složitější. Některé aktivátory mohou zvyšovat citlivost nádorových buněk vůči chemoterapii, jiné ji mohou snižovat. Nelze tedy říct, že stimulace bude vždy vést ke zvýšené odolnosti nádorových buněk vůči léčbě.
Např. Foygel, 2015 zjistil, že u nádorových buněk trojitě negativní rakoviny prsu MDA-MB231 použití EGCG zvýšilo citlivost nádorových buněk vůči cisplatině, kdežto užití pterostilbenu naopak nádorových buňkám proti cisplatině pomohlo. I v pokusu na myších byly nádory menší při použiti cisplaty+EGCG vs pouze cisplatiny. Látky totiž mívají často více různých účinků a ve hře je mnoho různých proměnných.

Závěr lze vyvodit takový, že výběr doplňků musí být ušit na míru podle zvolené onkologické léčby a dle typu a charakteristik konkrétní rakoviny.

Další informace

  • Funes, 2014 objevuje jiný paradox. U některých rakovin v určité situaci nízké hladiny Nrf2 korelují s horším přežitím (pokus na myších; melanom, ledviny, prostata)
  • Kim, 2016 analýza tématu

Publikováno: 2.6.2016
Datum poslední aktualizace:
Autor: Patrik Schoupal