Mechanismy cytotoxického působení vysokodávkovaného vitaminu C na nádorové buňky

V posledních letech se v odborné literatuře objevují práce, které dokumentují cytotoxické působení milimolárních sérových koncentrací askorbátu (dosažitelných intravenózním podáním vysokých dávek vitaminu C) na buňky maligních nádorů.

Nedávno byly publikovány dvě studie, které se zabývaly mechanismy cytotoxického účinku askorbátu. Studie uveřejněná v roce 2010 dokumentovala cytotoxické působení askorbátu na buňky neuroblastomu a zaměřila se i na některé komponenty mechanismu tohoto účinku*1). V další studii, publikované v roce 2012*2), autoři zkoumali, jakou roli hraje v protinádorové účinnosti vitaminu C přítomnost proteinu p53 v nádorových buňkách*1).

V článcích jsou zároveň shrnuty některé dosud známé poznatky o mechanismu cytotoxického účinku vysokodávkovaného vitaminu C vůči maligním buňkám.

Protinádorové působení askorbátu

Je známo, že vitamin C je pro lidský organismus z řady důvodů nepostradatelnou látkou. Především hraje roli kofaktoru v celé řadě důležitých metabolických reakcí, další velmi významnou rolí vitaminu C (askorbátu) je antioxidační působení, kterým chrání tkáně, respektive buňky (nenádorové) před oxidačním stresem a vytváří podmínky pro jejich fyziologickou funkci.

Méně známý, ale velmi důležitý je další typ účinku vitaminu C – cytotoxické působení askorbátu na nádorové buňky. Na rozdíl od antioxidativního působení na zdravé buňky působí askorbát na maligní buňky prooxidativně. Již v 70. letech 20. století Ewan Cameron a Linus Pauling referovali o výsledcích studie, ve které zkoumali vliv podávání vitaminu C na délku přežití onkologických pacientů v terminálním stadiu*3).

Pacienti, kterým byl podáván vitamin C (v dávce 10 g denně parenterálně a následně 10 g denně perorálně), přežívali déle a s lepší kvalitou života než ti, kteří vitamin nedostávali. Tyto výsledky však nebyly potvrzeny v následujících dvou dvojitě zaslepených placebem kontrolovaných studiích, jež byly provedeny na Mayo Clinic*4, 5) V těchto studiích byl ovšem vitamin C podáván pouze perorálně. Při srovnávacích analýzách uvedených studií se ukázalo, že rozdíly mezi výsledky Camerona/Paulinga a studiemi provedenými na Mayo Clinic byly způsobeny odlišným způsobem podání vitaminu C. Sérové hladiny dosažitelné intravenózním podáním jsou totiž několikanásobně vyšší než hladiny dosažitelné perorální aplikací*6).

Autoři citované studie z roku 20122) uvádějí, že askorbát je důležitý antioxidant, v současné době považovaný za potenciální léčivo využitelné v onkologické terapii. Pro dosažení cytotoxicity nutné pro tento typ účinku je zapotřebí farmakologických hladin askorbátu dosažitelných intravenózní aplikací dostatečných dávek vitaminu C*6, 7). Askorbát ve farmakologické koncentraci selektivně poškozuje buňky některých zhoubných nádorů, ale nikoli normální buňky, což jsou vlastnosti výhodné pro onkologickou terapii*8). Účinnost askorbátu v onkologické klinické praxi je ovlivněna skutečností, že protinádorový účinek askorbátu je u různých buněčných linií rozdílný*7, 9–11). Bylo poukázáno na to, že buněčná smrt způsobená askorbátem může mít různý mechanismus, například apoptózu, nekrózu a zastavení buněčného cyklu*12–14). Tyto mechanismy se mohou u různých typů maligních buněk lišit.

Role peroxidu vodíku, laktátu a ferritinu

Podle současných názorů jsou toxické účinky farmakologických hladin askorbátu na maligní buňky způsobeny prooxidativním působením1). Tento účinek je zprostředkován jevem specifickým pro některé maligní buňky – tvorbou peroxidu vodíku v jejich okolí, následným průnikem peroxidu do buněk a jejich poškozením vzniklým oxidativním stresem. Vytváření peroxidu vodíku je závislé na přítomnosti sloučenin přechodných kovů, například nestabilního dvojmocného železa, ale i na dalších faktorech, většinou produktech samotných maligních buněk.

Ve studii z roku 2010*1) byl zkoumán vliv dvou produktů tohoto typu – ferritinu (látky obsahující nestabilní dvojmocné železo, umožňující syntézu peroxidu vodíku) a laktátu – na cytotoxické působení askorbátu na buňky neuroblastomu (buněčné linie Kelly a SK-N-SH). Maligní buňky byly v tomto směru srovnávány se zdravými buňkami – fibroblasty. Je známo, že hladiny laktátu a ferritinu jsou v okolí buněk některých maligních tumorů, například neuroblastomu, zvýšeny, laktát jako produkt aerobní glykolýzy a ferritin jako tumorový marker vytvářený v maligních buňkách a uvolňovaný v signifikantním množství do jejich okolí. Aerobní glykolýza je charakteristickým procesem, který probíhá v mnoha typech maligních buněk.

Výsledky ukázaly, že askorbát ve farmakologické koncentraci a peroxid vodíku představují faktory cytotoxické pro maligní buňky, nikoli však pro buňky zdravé. Podle autorů kyselá reakce způsobená zvýšenou hladinou laktátu a přítomnost železa ve formě ferritinu v okolí maligních buněk umožňuje tvorbu peroxidu vodíku a jím způsobenou selektivní cytotoxicitu askorbátu vůči maligním buňkám.

Tyto buňky jsou navíc citlivé vůči peroxidu vodíku díky nefunkčnosti, respektive nepřítomnosti ochranného antioxidativního systému, například enzymu katalázy, superoxiddismutázy a systému glutathion (GSH)/glutathionreduktáza. Snížená aktivita tohoto systému je charakteristická pro některé maligní buňky. Autoři uvádějí, že pro citlivost maligních buněk na askorbát jsou důležité různé faktory, mezi něž patří produkce a uvolňování ferritinu a dále vysoká aktivita nitrobuněčné aerobní glykolýzy, jejímž produktem je laktát. Celý proces je popsán v legendě k obr. 1.

Pro cytotoxický účinek askorbátu na nádorové buňky je rozhodující vznik peroxidu vodíku, který difuzí přestupuje do senzitivní maligní buňky, způsobuje v ní depleci ATP a následně buněčnou smrt. K depleci ATP může dojít třemi mechanismy:

1. Poškození DNA způsobené peroxidem vodíku aktivuje enzym PARP, jehož působením dochází ke katabolismu NAD. Tím ubývá substrátu pro vznik NADH a následnou syntézu ATP.
2. Peroxid vodíku je katabolizován souběžně probíhající oxidací redukované formy glutathionu (GSH) na GSSG. Ke zpětné redukci na GSH se spotřebovává NADPH, který vzniká v pentózovém cyklu z glukózy. Glukóza spotřebovaná v tomto cyklu nemůže být zdrojem pro produkci NADPH, což opět vede ke snížení tvorby ATP, tedy k vyčerpání energetických zásob buňky.
3. Peroxid vodíku může poškozovat přímo mitochondrie, zvláště ATP-syntázu, což opět vede ke snížení syntézy ATP.

Snížená tolerance maligních buněk k oxidativnímu stresu souvisí také s vysokou intenzitou aerobní glykolýzy v těchto buňkách. Pokud jde o cytotoxicitu askorbátu, jsou důležité dva aspekty. Především je to vysoká produkce laktátu, která vede ke snížení pH v okolí těchto buněk. Kyselé prostředí způsobuje uvolňování reaktivního dvojmocného železa. Druhým významným aspektem je fakt, že v buňkách se zvýšenou intenzitou aerobní glykolýzy je snížená produkce vlastních reaktivních sloučenin kyslíku, a proto tyto buňky mají i méně aktivní obranný antioxidační systém. Z tohoto důvodu jsou nadměrně citlivé vůči oxidativnímu stresu, který může vést až k apoptóze.

Role proteinu p53

Podle řady studií askorbát ve farmakologických koncentracích může v nádorových buňkách působit jako faktor poškozující DNA a jako prooxidativní faktor*12, 15, 16). Autoři studie z roku 20121) vycházeli z tohoto předpokladu a ověřovali tezi, že protein p53 – transkripční faktor reagující na poškození DNA a regulující oxidativní stres v buňce – se významně podílí na cytotoxicitě askorbátu. Protein p53 řídí transkripci genů podílejících se na blokování buněčného cyklu (dělení buněk), buněčného stárnutí a apoptózy*17). Bylo prokázáno, že jednou z funkcí p53 je stimulace procesů působících oxidativní stres*18). Hladina p53 je za fyziologických okolností regulována působením MDM2 – molekuly, která snižuje množství p53 v buňce. Gen kódující protein p53 (TP 53) v buňkách téměř poloviny všech lidských maligních nádorů je zmutovaný. Proto se různé maligní buňky vyznačují odlišnou expresí proteinu p53.

Právě z tohoto zjištění (rozdílná exprese proteinu 53 v různých typech maligních buněk) vycházeli autoři citované studie*2), ve které byl porovnáván cytotoxický účinek askorbátu na nádorové buňky obsahující protein p53 (buněčné linie HCT116+/+, MCF7, HeLa, A549) a buňky s chybějícím p53 (HCT116–/–, SKOV3, H1299). Výsledky ukázaly, že buňky exprimující p53 zanikaly působením srovnatelné koncentrace askorbátu ve výrazně větší míře než buňky neobsahující tento protein a dále že přítomnost p53 v nádorových buňkách zvyšuje nitrobuněčný oxidativní stres (i bez podání antioxidantu).

Askorbát rovněž zajišťuje ochranu p53 tím, že podporuje degradaci MDM2, tj. molekuly, která snižuje množství p53 v buňce. Tato zjištění in vitro byla potvrzena i v následné animální studii, ve které se ukázalo, že tumory exprimující p53 jsou citlivější na cytotoxické působení askorbátu než tumory neexprimující p53. Byla porovnávána reakce na vysokodávkovaný askorbát u nádorů odvozených z izogenních buněk HCT 116 p53+/+ a p53–/–. Objem tumorů z buněk exprimujících p53 se výrazně zmenšil, po 9denním podávání vitaminu C odpovídal průměrně 64,4 % objemu tumoru v kontrolní skupině. U nádorů, jejichž buňky neexprimovaly p53, byl objem jen o něco menší než u kontrolní skupiny (94 %).

Další studie

Byly publikovány i další studie na lidských či zvířecích nádorových buňkách, které ukázaly, že vitamin C potlačuje množení buněk některých maligních tumorů (např. adenokarcinomu žaludku*19), karcinomu pankreatu, ovaria, prostaty, dělohy, plic*20)) a usmrcuje je. U buněk animálního karcinomu prostaty vitamin C snížil hmotu tumoru i počet a velikost metastáz21). V preklinických modelech bylo prokázáno, že vitamin C zesiluje účinek některých standardně používaných cytostatik, například doxorubicinu, cisplatiny a paklitaxelu u buněčných linií lidského karcinomu mammy*22) nebo gemcitabinu u karcinomu pankreatu*23). V další studii*24) byl zkoumán vliv vysokých dávek vitaminu C na buňky různých lidských maligních tumorů (karcinomu tlustého střeva, ovaria, prostaty a prsu). Askorbát zvyšoval senzitivitu buněk vůči působení docetaxelu, epirubicinu, irinotekanu a 5-fluorouracilu.

V několika studiích bylo prokázáno, že vysokodávkovaná infuzní terapie vitaminem C, podávaná jako součást adjuvantní a paliativní protinádorové terapie, zvyšuje kvalitu života nemocných. Například ve studii, ve které byl 39 onkologicky nemocným v terminálním stadiu podáván vitamin C ve vysoké dávce, se signifikantně zlepšily parametry kvality života a zmírnily se nežádoucí účinky léčby*25). Obdobné výsledky přinesla jiná studie, do které byly zařazeny pacientky s karcinomem mammy. Přidání vysokodávkovaného vitaminu C ke standardní léčbě vedlo k významnému zmírnění projevů onemocnění a nežádoucích účinků léčby, například nauzey, nechutenství, únavy, deprese či hemoragické diatézy*26).

Závěr

Vitamin C je v současné době podle řady autorů považován za léčivo potenciálně využitelné v onkologické terapii*2). Pro dosažení cytotoxického účinku na některé druhy maligních buněk je zapotřebí farmakologických hladin askorbátu, které lze zajistit intravenózní aplikací dostatečných dávek vitaminu C (nelze jich dosáhnout perorální aplikací)*4, 5). Askorbát ve farmakologické koncentraci selektivně poškozuje buňky zhoubných nádorů, ale nikoli normální buňky, což jsou vlastnosti mimořádně výhodné pro onkologickou terapii*6).

Protinádorový účinek askorbátu je u různých buněčných linií rozdílný. Jak ukázaly citované studie, tyto rozdíly v účinku závisí na řadě vlastností těchto buněk, například schopnosti produkovat laktát, ferritin1) a exprimovat protein p532). Nicméně bez ohledu na tyto rozdíly a také na současnou míru pokročilosti evidence based medicine na poli onkologické, potažmo farmakologické evidence všech možných účinků vitaminu C je pro onkologickou praxi zajímavý poměr benefit/risk, respektive účinnost/bezpečnost.

V případě vitaminu C se jedná o účinnou látku fyziologickou, která je kofaktorem řady biochemických reakcí, má antioxidační kapacitu a na imunitní systém působí imunomodulačně. Protože je rozpustná ve vodě, její podávání i ve vyšších dávkách (s výjimkou pacientů majících v anamnéze renální insuficienci) je vysoce bezpečné, nelze s ní organismus poškodit, a proto je její široké využití v onkologické praxi žádoucí, a to spolu se základní onkologickou terapií i v době remise či rekonvalescence po této léčbě.

Literatura:

1. Deubzer B, Mayer F, Kuci 7 et al.: H2O2-mediated cytotoxicity of pharmacologic ascorbate concentrations to neuroblastoma cells: potential role of lactate and ferritin. Cell Physiol Biochem 2010; 25: 767–774.
2. Kim J, Lee SD, Chang B et al.: Enhanced antitumor activity of vitamin C via p53 in cancer cells. Free Radical Biol Med 2012; 53: 1607–1615.
3. Cameron E, Pauling L: Supplemental ascorbate in the supportive treatment of cancer: reevaluation of prolongation of survival times in terminal human cancer. Proc Natl Acad Sci USA 1978; 75: 4538–4542.
4. Creagan ET, Moertel CG, O’Fallon JR et al.: Failure of high-dose vitamin C (ascorbic acid) therapy to benefit patients with advanced cancer. A controlled trial. N Engl J Med 1979; 301: 687–690.
5. Moertel CG, Fleming TR, Creagan ET et al.: High-dose vitamin C versus placebo in the treatment of patients with advanced cancer who have had no prior chemotherapy. A randomized double-blind comparison. N Engl J Med 1985; 312: 137–141.
6. Padayatty SJ, Sun H, Wang Y et al.: Vitamin C pharmacokinetics: implications for oral and intravenous use. Ann Intern Med 2004; 140: 533–537.
7. Verrax J, Calderon PB: Pharmacologic concentrations of ascorbate are achieved by parenteral administration and exhibit antitumoral effects. Free Radic Biol Med 2009; 47: 32–40.
8. Chen Q, Espey MG, Sun AY et al.: Ascorbate in pharmacologic concentrations selectively generates ascorbate radical and hydrogen peroxide in extracellular fluid in vivo. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104: 8749–8754.
9. Chen Q, Espey MG, Sun AY et al.: Pharmacologic doses of ascorbate act as a pro-oxidant and decrease growth of aggressive tumor xenograft in mice. Proc Natl Acad Sci USA 2008; 105: 11105–11109.
10. Prasad KN: Modulation of the effects of tumor therapeutic agents by vitamin C. Life Sci 1980; 27: 275–280.
11. DeLaurenzi V, Melino G, Savini I et al.: Cell death by oxidative stress and ascorbic acid regeneration in human neuroectodermal cell lines. Eur J Cancer 1995; 31A: 463–466.
12. Chen Q, Espey MG, Krishna MC et al.: Pharmacologic ascorbic acid concentrations selectively kill cancer cells: action as a pro-drug to deliver hydrogen peroxide to tissues. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: 13604–13609.
13. Naidu KA, Fang Q, Cheng JQ et al.: P53 enhances ascorbyl stearate-induced G2/M arrest of human ovarian cancer cells. Anticancer Res 2007; 6B: 3927–3934.
14. Takemura Y, Satoh M, Satoh K et al.: High dose of ascorbic acid induces cell death in mesothelioma cells. Biochem Biophys Res Commun 2010; 394: 249–253.
15. Cheung FW, Che CT, Sakagami H et al.: Sodium 5,6-benzylidene-L-ascorbate induces oxidative stress, autophagy, and growth arrest in human colon cancer HT-29 cells. J Cell Biochem 2010; 111: 412–424.
16. Riviere J, Ravanat JL,Wagner JR: Ascorbate and H2O2-induced oxidative DNA damage in Jurkat cells. Free Radic Biol Med 2006; 40: 2071–2079.
17. Elledge RM, Lee WH: Life and death by p53. Bioessays 1995; 17: 923–930.
18. Velez JM, Miriyala S, Nithipongvanitch R et al.: P53 regulates oxidative stress-mediated retrograde signaling: a novel mechanism for chemotherapy-induced cardiac injury. PLoS One 2011; 6: e18005.
19. Zhang ZW, Abdullahi M, Farthing MJ: Effect of physiological concentrations of vitamin C on gastric cancer cells and Helicobacter pylori. Gut 2002; 50: 165–169.
20. Chen P, Stone J, Sullivan G et al.: Anticancer effect of pharmacologic ascorbate and its interaction with supplementary parenteral glutathione in preclinical cancer models. Free Radic Biol Med 2011; 51: 681–687.
21. Pollard HB, Levine MA, Eidelman O et al.: Pharmacological ascorbic acid suppresses syngeneic tumor growth and metastases in hormone-refractory prostate cancer. In Vivo 2010; 24: 249–255.
22. Kurbacher CM, Wagner U, Kolster B et al.: Ascorbic acid (vitamin C) improves the antineoplastic activity of doxorubicin, cisplatin, and paclitaxel in human breast carcinoma cells in vitro. Cancer Lett 1996; 103: 183–189.
23. Espey MG, Chen P, Chalmers B et al.: Pharmacologic ascorbate synergizes with gemcitabine in preclinical models of pancreatic cancer. Free Radic Biol Med 2011; 50: 1610–1619.
24. Frömberg A, Gutsch D, Schulze D et al.: Ascorbate exerts anti-proliferative effects through cell cycle inhibition and sensitizes tumor cells towards cytostatic drugs. Cancer Chemother Pharmacol 2011; 67: 1157–1166.
25. Yeom CH, Jung GC, Song KJ: Changes of terminal cancer patients’ health-related quality of life after high dose vitamin C administration. J Korean Med Sci 2007; 22: 7–11.
26. Vollbracht C, Schneider B, Leendert V et al.: Intravenous vitamin C administration of vitamin C improves quality of life in breast cancer patients during chemo-/radiotherapy and aftercare: results of a retrospective, multicentre, epidemiological cohort study in Germany. In Vivo 2011; 25: 983–990.

Zpracování dané problematiky je součástí edukačních aktivit podpořených v rámci projektu Popularizace zdraví – Po. Zdrav.

Zdroj:  https://zdravi.e15.cz/clanek/mlada-fronta-zdravotnicke-noviny-zdn/mechanismy-cytotoxickeho-pusobeni-vysokodavkovaneho-vitaminu-c-na-nadorove-bunky-470032