Treatment strategy for hepatocellular carcinoma based on metabolism

Abstract

Hepatocellular carcinoma (HCC) is the sixth most commonly diagnosed cancer and the third leading cause of cancer-related mortality worldwide. Cancer cells alter their metabolic flux through diverse metabolic pathways in order to meet their bioenergetics and biosynthesis requirements. Therefore, 18F-fluorodeoxyglucose (18F-FDG) and 11C-acetate (11C-ACE) positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) was performed in patients with HCC. In this study, HCCs with higher 18F-FDG uptake than the background liver level were classified as a high-glycolytic tumors, whereas HCCs with higher 11C-ACE uptake than the background liver level were classified as low-glycolytic tumors due to lower 18F-FDG uptake. Based on gene expression profiling in patients with HCC, the expression of genes related to the electron transporter chain, fatty-acid synthesis, and the tricarboxylic acid (TCA) cycle were up-regulated in low-glycolytic HCC. Conversely, glucose metabolism, epithelial-mesenchymal transition -, cell migration-, and proliferation- related genes were upregulated in high-glycolytic HCC. In addition, this study compared the expression of solute transporters (SLCs), which play an important role in nutrient transport, in HCC patients with high- and low- 18F-FDG uptake. In low-glycolytic HCCs, both SLC13A5/NaCT (a citrate transporter) and SLC16A1/MCT1 (an acetate transporter) were highly-expressed SLCs, but expression of SLC2A1/GLUT1 was lower. In particular, SLC13A5, which is related to citrate metabolism, seemed to be more important than SLC16A1, related to acetate metabolism, given the prognostic value for predicting better overall survival. Thus, the results from patients with HCC suggest that low-glycolytic HCC was significantly correlated with acetate and citrate metabolism, whereas high-glycolytic HCC was positively correlated with glucose metabolism. Next, we investigated whether these metabolic differences could affect treatment strategy. First, we analyzed 13C-citrate metabolic tracing data in a low-glycolytic HCC cell line (HepG2 cell). 13C-citrate was utilized in various types of biosynthesis leading to its incorporation into amino acids and TCA intermediates in HepG2 cells. In contrast, metabolites related to glycolysis and the pentose phosphate pathway (R(U)5P, AMP, UMP) and the amino acid serine were not synthesized from 13C-citrate, suggesting that citrate was mainly utilized in TCA cycle metabolism. Recent studies revealed that the isocitrate dehydrogenase (IDH) enzyme plays an important role in the TCA cycle. Thus, we investigated a way to suppress citrate metabolism by inhibiting IDH1 activity. HCC with high 18F-FDG uptake was associated with poor vascularization, high rates of glycolysis, and high levels of cellular proliferation by triggering hypoxia in low-glycolytic HCC. Thus, this study focused on hypoxia-induced high glycolytic HCC. In order to investigate the effects of extracellular citrate in glycolytic HCC, HCC cell lines were treated with citrate under hypoxic conditions. We found that citrate treatment significantly reduced HIF1α and hexokinase 2 expression and increased NaCT expression. This was mediated via HIF1α degradation by the mouse double minute 2 (MDM2) homolog, leading to reduced proliferation and viability. Therefore, we suggest that citrate treatment can be utilized as a therapeutic strategy in hypoxia-induced high-glycolytic HCC by affecting HIF1α expression and protein level stability via the PTEN-AKT-MDM2 pathway. In addition, the glycolytic pathway was downregulated, according to isotope tracing metabolomics, whereas the TCA cycle was upregulated. Furthermore, the citrate-treated group showed smaller tumors with decreased hypoxia and proliferation compared to the vehicle-treated group in HepG2-xenograft models. Overall, low-glycolytic HCC is positively correlated with citrate uptake, but negatively correlated with glucose uptake. Reduced citrate utilization caused by inhibition of IDH1 expression affects tumor growth in low glycolytic HCC. However, extracellular citrate treatment in high-glycolytic HCC decreased tumor aggression via HIF1α degradation. 간세포암종(HCC)은 전 세계적으로 여섯 번째로 가장 흔히 진단되는 암이며, 암 관련 사망의 세번째 주요 원인 입니다. 암 세포는 생물 에너지 및 생합성 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 대사 경로를 통해 대사 플럭스를 변경합니다. 따라서, 18F-fluorodeoxyglucose(18F-FDG)와 11C-acetate(11C-ACE) 양전자 방출 단층촬영/컴퓨터단층촬영 (PET/CT)을 간세포암종 환자에서 시행하였습니다. 본 연구에서 배경 간 수준보다 18F-FDG 흡수가 높은 간세포암종은 고 당분해성 종양으로 분류한 반면, 배경 간 수준보다 11C-ACE 흡수가 높은 간세포암종은 낮은 18F-FDG 흡수로 인해 저 당분해성 종양으로 분류했습니다. 간 세포암종 환자의 유전자 발현 프로파일링에 기초하여 저 당분해성 간세포암종에서 전자전달계, 지방산 합성 및 트리카르복실산 (TCA) 회로와 관련된 유전자의 발현이 상향 조절 되었습니다. 반대로 포도당 대사, 상피-중간엽 전이, 세포 이동 및 증식 관련 유전자는 고 당분해성 간세포암종에서 상향 조절 되었습니다. 또한, 본 연구에서는 18F-FDG 흡수율이 높은 간 세포암종 환자와 낮은 18F-FDG 섭취율을 보이는 간세포암종 환자에서 영양분 수송에 중요한 역할을 하는 용질 수송체(SLC)의 발현을 비교하였습니다. 저당분해성 간세포암종에서 구연산 수송체 (SLC13A5/NaCT)와 아세테이트 수송체 (SLC16A1/MCT1) 모두 SLC가 높게 발현되었지만, 포도당 수송체 (SLC2A1/GLUT1)의 발현은 더 낮았습니다. 특히, 구연산 대사와 관련된 구연산 수송체는 아세테이트 대사와 관련된 아세테이트 수송체보다 더 나은 전체 생존을 예측하는 예후적 가치를 고려할 때, 더 중요한 것으로 보여졌습니다. 이는, 간 세포암종 환자의 결과는 저당분해성 간세포암종은 아세테이트 및 구연산 대사와 유의한 상관관계가 있는 반면, 고당분해성 간세포암종은 포도당 대사와 양의 상관관계가 있음을 시사한다. 다음으로, 우리는 이러한 대사적 차이가 치료 전략에 영향을 미칠 수 있는지 여부를 조사했습니다. 먼저, 저당분해성 HCC 세포주(HepG2 세포)에서 13Ccitrate 대사 추적 데이터를 분석했습니다. 13C-citrate는 HepG2 세포에서 아미노산 및 TCA 중간 체에 통합되는 다양한 유형의 생합성에 활용되었습니다. 대조적으로 해당 작용 및 오 탄당 인산 경로 (R(U)5P) 및 아미노산 세린과 관련된 대사 산물은 13C-citrate으로부터 합성되지 않았으며, 이는 구연산이 주로 TCA 회로 대사에 활용되었음을 시사합니다. 최근 연구에서는 isocitrate-dehydrogenase (IDH) 효소가 TCA 회로에서 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 IDH1 활성을 억제하여 구연산 대사를 억제하는 방법을 조사했습니다. 18F-FDG 흡수가 높은 간세포암종은 낮은 당분해성을 가진 간세포암종에서 저산소증을 유발하여 혈관 형성 불량, 해당과정의 높은 비율, 높은 수준의 세포 증식과 관련이 있었습니다. 따라서, 본 연구는 저산소증에 의해 유도된 고당분해성 간세포암종에 초점을 맞추었습니다. 당분해성 HCC에서 세포 외 구연산의 효과를 조사하기 위해, HCC 세포주를 저 산소 조건에서 구연산을 처리하였습니다. 우리는 구연산 처리가 HIF1α 및 HK2 발현을 유의하게 감소시키고, 구연산 수송체 발현을 증가시킨다는 것을 발견했습니다. 이것은 마우스 MDM2 (double minute 2)동족체에 의한 HIF1α 분해를 통해 매개되어 증식과 생존 능력이 감소했습니다. 따라서 PTEN-AKTMDM2 경로를 통해 HIF1α 발현 및 단백질 수준 안정성에 영향을 미침으로써 저산소증에 의해 유발된 고 당분해성 간세포암종에서 구연산 처리가 치료전략으로 활용 될 수 있음을 제안합니다. 또한, 동위원소 추적 대사체학에 따르면, 해당 경로는 하향 조절이 된 반면 TCA 회로는 상향 조절 되었습니다. 또한, 구연산을 처리한 군은 HepG2-이종이식 모델에서 비히클 처리 군에 비해 저산소증 및 증식이 감소된 더 작은 크기의 종양을 보였습니다. 전반적으로 저 당분해성 간세포암종은 구연산 섭취와 양의 상관관계가 있지만 포도당 섭취와는 음의 상관관계가 있습니다. IDH1 발현 억제로 인한 구연산 이용 감소는 해당 작용이 낮은 간암세포종에서 종양 성장에 영향을 미칩니다. 그러나 고당분해성 간세포암종에서는 세포 외 구연산 처리가 HIF1α 분해를 통한 종양 공격성을 감소시켰습니다.