The effect of glycolytic enzyme expression and thyroiditis on the aggressiveness of papillary thyroid carcinoma

Abstract

Background: Glycolytic enzymes have been extensively studied in various cancer types, revealing their aggressive characteristics and roles in tumor progression. However, it remains unclear whether glycolytic enzyme expression and peritumoral enzyme activity correlate with the behavior of papillary thyroid carcinoma (PTC). This study aimed to determine whether the expression of glycolytic enzymes is associated with aggressiveness—such as lymph node metastasis (LNM) and extrathyroidal extension (ETE)—in the presence or absence of chronic lymphocytic thyroiditis (CLT). Methods: The expression of hexokinase 2 (HK2), lactate dehydrogenase A (LDHA), pyruvate kinase isoform M2 (PKM2), glucose transporter 1 (GLUT1), and monocarboxylate transporter 4 (MCT4) was examined in 233 PTC tissue specimens by immunohistochemistry. We evaluated whether the expression of these glycolytic enzymes correlates with LNM, ETE, and recurrence rate, both with and without CLT. Disease-free survival was compared after 1:3 propensity score matching based on by age, sex, tumor size, ETE, multifocality, and cervical LNM. In addition, we analyzed the correlation between glycolytic enzyme mRNA expression and clinicopathological characteristics in PTC using The Cancer Genome Atlas (TCGA). Results: All glycolytic enzymes and transporter proteins were significantly overexpressed in PTC compared with normal tissue. There was a linear correlation among all glycolytic enzymes and transporter proteins, except for HK2. PKM2 expression was most highly correlated with the others. High PKM2 expression was significantly linked to increased recurrence risk in patients without CLT (HR 1.76, 95% confidence interval (CI) 1.01–3.06, p=0.046), but this association was not observed in those with CLT. Univariate and multivariate analyses showed that PKM2 mRNA expression and T staging were significantly correlated with LNM in TCGA data. Conclusion: Overexpression of glycolytic enzymes such as LDHA, PKM2, and GLUT1 is associated with PTC. Interestingly, CLT is associated with greater local invasiveness (gross ETE) yet paradoxically lower recurrence. LDHA expression was lower in the presence of CLT, whereas PKM2 remained consistently associated with a higher recurrence rate in the absence of CLT. Based on TCGA data, PKM2 mRNA expression may serve as a promising biomarker for predicting LNM in PTC. Notably, patients with CLT exhibited better prognostic outcomes, even with elevated PKM2 expression, suggesting a potential protective role of CLT in modulating disease progression. Among the glycolytic enzymes examined, PKM2 may serve as a valuable biomarker for identifying patients at higher risk of recurrence. 배경: Glycolytic enzyme는 다양한 암 유형에서 광범위하게 연구되어 왔으며, 공격적인 특성과 종양 진행에서의 역할이 밝혀졌다. 그러나 glycolytic enzyme 및 peritumoral enzyme의 활성도 간의 연관성이 있는지는 아직 명확하지 않다. 본 연구는 만성 림프구성 갑상선염의 존재 여부에 따라 glycolytic enzyme의 발현이 림프절 전이 및 갑상선 외 침윤과 같은 공격성과 관련이 있는지를 규명하는 것을 목표로 하였다. 방법: 233개의 갑상선 유두암 조직 샘플에서 헥소키나제 2(HK2), 젖산 탈수소효소 A(LDHA), 피루브산키나제 M2 동형(PKM2), 포도당 수송체 1(GLUT1), 단일카복실산 수송체 4(MCT4)의 발현을 면역조직화학법 (Immunohistochemistry) 을 통해 분석하였다. 이러한 glycolytic enzyme의 발현이 림프절 전이, 갑상선 외 침윤, 재발률과 연관이 있는지, 그리고 만성 림프구성 갑상선염의 유무에 따라 차이가 있는지를 평가하였다. 연령, 성별, 종양 크기, 갑상선 외 침윤, 다병소성, 경부 림프절 전이를 기준으로 1:3 성향 점수 매칭(Propensity score matching) 후 무병 생존율을 비교하였다. 또한, The Cancer Genome Atlas (TCGA)를 이용하여 glycolytic enzyme(HK2, LDHA, PKM2)발현과 갑상선 유두암의 임상병리학적 특성 간의 상관관계를 분석하였다. 결과: 정상 조직과 비교했을 때, 모든 glycolytic enzyme 및 transporter protein이 갑상선 유두암에서 비정상적으로 과발현되었다. HK2를 제외한 모든 glycolytic enzyme 및 transporter protein간에는 선형 상관관계가 있었으며, PKM2가 다른 효소들과 가장 높은 상관관계를 보였다. PKM2 과발현은 재발과 유의한 관련이 있었으나(OR 2.049, P = 0.036), 림프절 전이 또는 육안적 갑상선 외 침윤을 증가시키지는 않았다. The Cancer Genome Atlas(TCGA) 데이터를 활용한 단변량 및 다변량 분석에서 PKM2의 mRNA 발현과 T 병기(T staging)가 림프절 전이와 유의한 상관관계를 보였다. 그러나 glycolytic enzyme 발현과 무병 생존율 사이에는 유의한 차이가 없었다. 결론: LDHA, PKM2, GLUT1, MCT4의 과발현은 갑상선 유두암과 관련이 있다. 만성 림프구성 갑상선염은 높은 육안적 갑상선 외 침윤과 유의하게 관련이 있지만, 역설적으로 갑상선암의 낮은 재발률과 연관이 있다. 갑상선염이 있는 경우 LDHA 발현이 낮았으며, PKM2는 갑상선염증 상태와 관계없이 일관되게 재발 증가와 연관이 있었다. 그러나 갑상선염이 있는 갑상선암환자에서는 PKM2 발현이 높더라도 예후가 더 양호한 것으로 나타나, 갑상선염이 질병 경과에 잠재적인 보호 효과를 가질 수 있다. 본 연구에서 분석된 glycolytic enzyme중에 PKM2는 갑상선 유두암의 재발을 예측하는 바이오마커로 활용될 가능성이 있다.