Функционирование каждой живой клетки человека сопряжено и зависит от наличия энергии для обеспечения процессов жизнедеятельности, таких как рост, дифференцировка, поддержание целостной структуры, реагирование на внутри- и внеклеточные факторы. Процессы энергообеспечения организма представляют собой совокупность сложных биохимических реакций, в результате которых пищевые компоненты трансформируются в молекулу аденозинтрифосфата (АТФ) — главного источника энергии живых клеток. Для сохранения стабильности внутренней среды клетки и обеспечения эффективной работы органов и тканей в организме требуется адекватный контроль за протеканием всех метаболических этапов энергообмена. Перепрограммирование путей синтеза АТФ лежит в основе клеточной дисфункции, повреждения тканей и нарушения системного гомеостаза, что является краеугольным камнем в патогенезе широкого спектра заболеваний, включая эндокринную патологию [1]. При нарушении функции щитовидной железы, сахарном диабете, гиперкортицизме нарушение процессов энергетического обмена в каждой клетке становится ключевым звеном патогенеза заболевания на клеточном уровне [2]. При онкологической патологии также происходит изменение метаболизма опухолевых клеток, которое часто используется в том числе для функциональных методов визуализации [1]. Вместе с тем остаются открытыми множество вопросов относительно изменений энергетического обмена в клетках: механизмы преобразования энергии, регуляторные сигналы, межклеточное взаимодействие при передаче сигналов. Понимание патологических изменений энергообмена в клетках открывает новые стратегические направления для разработки таргетной диагностики, прогнозирования течения болезни и персонализированных терапевтических вмешательств, нацеленных на коррекцию метаболических путей. В данном обзоре мы акцентируем внимание на изменении метаболического статуса клеток в опухолевой ткани, в том числе при нейроэндокринных образованиях.

Биоэнергетический аппарат клетки представлен гликолитическим путем в цитоплазме и митохондриальным компартментом (включает цикл трикарбоновых кислот или «цикл Кребса» и окислительное фосфорилирование), конечным продуктом которых является обеспечение клетки аденозин-5’-трифосфатом (АТФ) [3].

В ходе гликолиза («glykys» + «lysis» = «разделение сладкого»), также известного как путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса в честь его первооткрывателей, в клетке происходит образование пирувата или пировиноградной кислоты, что обеспечивает клетку 2 молекулами АТФ [4].

Выделяют несколько важных аспектов гликолитического пути получения энергии: обратимость и возможность реакций идти в противоположном направлении (например, глюконеогенез), взаимосвязь гликолиза с пентозофосфатным путем, липогенезом, синтезом нуклеотидов и гликогенезом; ввиду быстроты реакции гликолиза данный путь эффективен для клеток с высокой скоростью пролиферации или клеток, подвергаемых экстремальным нагрузкам [3].

Кроме того, гликолиз используется в качестве основного способа выработки АТФ в условиях недостатка кислорода или в клетках, не имеющих в своем составе митохондрий, — в эритроцитах [1].

В случае аэробных условий конечный продукт гликолиза преобразуется в ацетил-коэнзим А с помощью пируватдегидрогеназы, что активирует цикл трикарбоновых кислот с образованием 2 молекул АТФ, после чего запускается процесс окислительного фосфорилирования с образованием 34 молекул АТФ. Конечным результатом окисления 1 молекулы глюкозы является синтез 38 молекул АТФ (рис. 1) [4].

В качестве субстрата для выработки энергии митохондрии в процессе цикла Кребса и окислительного фосфорилирования могут использовать глюкозу, глутамин, жирные кислоты, а также аминокислоты [4].

При завершении цикла жизнедеятельности процесс апоптоза клетки также является энергозатратным (расщепление ДНК, сжатие цитоплазмы), для чего клетка активирует гликолитический путь получения энергии, а митохондрии в свою очередь участвуют в регуляции апоптоза [1]. В отдельных ситуациях клетки используют альтернативный путь получения энергии — аутофагию (расщепление белков, органелл и других крупных молекул при помощи лизосом) [1].

В анаэробных условиях происходит преобразование пирувата в лактат с помощью лактатдегидрогеназы [4]. Однако лактат выступает в роли энергетического метаболита, а не является конечным продуктом жизнедеятельности клетки, что впервые проявилось в цикле Кори и стало прорывом в 1929 г. Позже было обнаружено, что лактат перерабатывается и накапливается в виде гликогена в печени, мышцах, почках и головном мозге [5]. В ряде случаев возможно превращение глюкозы в лактат и в аэробных условиях, так называемый «аэробный гликолиз», или «эффект Варбурга» [4]. Еще в 1923 г. Отто Варбург обнаружил, что многие типы раковых клеток постоянно используют гликолитическую ферментацию независимо от концентрации кислорода: то есть клетки вырабатывают АТФ в основном посредством окислительного фосфорилирования в аэробных условиях и переключаются на гликолитическое брожение при гипоксии [3]. При этом в высокодифференцированных клетках этот процесс составляет около 1%, а в быстрорастущих низкодифференцированных клетках — 20% [3].

Метаболические изменения опухолевых клеток представляют собой трансформацию биохимических путей анаболизма и катаболизма, направленную на поддержание их пролиферации и выживания в условиях специфического микроокружения. Механизмы адаптации или так называемый «метаболический фенотип», обеспечивают раковые клетки необходимым энергетическим и биосинтетическим ресурсом для быстрого роста и метастазирования новообразования, а также влияют на процессы клеточной дифференцировки и взаимодействие с окружающими тканями, что способствует долгосрочной персистенции опухоли [6].

Pavlova N.N. и Thompson C.B. выделили основные характеристики метаболизма опухолевых клеток, объясняющих их выживание: 1) нарушение регуляции поглощения глюкозы и аминокислот; 2) использование промежуточных продуктов гликолиза/цикла трикарбоновых кислот для биосинтеза и производства восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН); 3) использование оппортунистических способов получения питательных веществ (например, аутофагия внутриклеточных белков или целых внутриклеточных структур, таких как рибосомы, митохондрии и части эндоплазматического ретикулума); 4) повышенная потребность в азоте для синтеза макромолекул; 5) сложные взаимодействия между метаболизмом и микроокружением опухоли; 6) изменения в регуляции генов, зависящих от метаболитов; 7) потребность в защите от окислительного стресса; 8) гетерогенность метаболических адаптаций разных типов опухолей [7].

Ключевой патофизиологической характеристикой многих солидных новообразований является развитие гипоксии с уровнем оксигенации на 1–2% ниже, чем в здоровых тканях. Патогенез опухолевой гипоксии связан с тремя основными механизмами: аномальной архитектоникой сосудистой сети, увеличенным расстоянием между клетками и сосудами, ограничивающими диффузию кислорода, и снижением кислородтранспортной функции крови при анемии. Снижение концентрации кислорода в опухолевых клетках активирует сигнальные пути, регулирующие ключевые клеточные процессы: пролиферацию, апоптоз, воспалительный ответ, миграцию, выживаемость и метаболическую адаптацию [8].

Фактор транскрипции HIF1 (Hypoxia-inducible factors — фактор, индуцирующий гипоксию) оказывает ключевое влияние на изменение метаболизма глюкозы при развитии гипоксии. Он индуцирует митохондриальную деградацию посредством BNIP3-зависимой (BCL2/adenovirus E1B 19kDa interacting protein3) аутофагии и подавляет биогенез митохондрий через ингибирование транскрипционного фактора MYC (avian myelocytomatosis viral oncogene homolog — ген, кодирующий ядерный фосфопротеин) [8].

В 1956 г. Варбург предположил, что причиной снижения окислительного фосфорилирования в опухолевых клетках является повреждение митохондрий, однако позже эта теория была опровергнута, поскольку аэробный гликолиз в ряде случаев может встречаться и в нормальных пролиферирующих клетках [9].

Митохондриальная дисфункция характерна лишь для ограниченного числа опухолевых линий. К числу таких нарушений относятся: сниженная экспрессия транспортных белков и ферментов окислительно-восстановительных реакций, укорочение цикла Кребса, уменьшение числа митохондрий, повышенная экспрессия ингибиторов АТФ-синтазы в митохондриях, а также повышенная чувствительность митохондриальной ДНК к оксидативному повреждению [8].

Объяснение выбора опухолевыми клетками именно гликолитического пути синтеза энергии складывается из нескольких факторов [10].

Во-первых, несмотря на низкую продукцию АТФ при помощи гликолиза, скорость выработки АТФ в цитоплазме 100-кратно превышает скорость синтеза в митохондриях, в связи с чем клетка получает АТФ в процессе гликолиза за единицу времени больше, чем при окислительном фосфорилировании [10].

Во-вторых, в ходе гликолиза происходит накопление промежуточных продуктов, которые необходимы для биосинтеза макромолекул, таких как липиды, нуклеиновые кислоты и белки, тем самым поддерживая быстрый рост и пролиферацию опухоли [1].

В-третьих, в условиях активации гликолиза наблюдается редукция синтеза свободных радикалов, что минимизирует повреждение ДНК и других клеточных компонентов, обеспечивая ускользание от апоптотической гибели опухолевых клеток [8].

Немаловажную роль для создания условий функционирования опухолевых клеток играет лактат. Под действием лактатдегидрогеназы A из пирувата образуется молочная кислота, которая при помощи карбоксильного транспортера высвобождается за пределы клетки и модулирует кислотно-щелочной баланс, снижая pH среды опухолевых клеток [11].

Молочная кислота потенцирует супрессию врожденного иммунного ответа через ингибирование RIG-I-зависимой (retinoic acid-inducible gene I = ген I, индуцируемый ретиноевой кислотой) продукции интерферона I типа (IFN). Сдвиг pH в кислую сторону в опухолевом микроокружении стимулирует экзоцитоз лизосомальных гидролаз и активирует внутриклеточные сигнальные пути, способствуя инвазии и метастазированию [11].

Усиление процессов аэробного гликолиза в опухолевых клетках приводит к ограничению поступления пирувата в цикл трикарбоновых кислот, в связи с чем активация глутаминолиза пополняет цикл Кребса промежуточными продуктами из глутамина и обеспечивает энергией при анаплерозе (пополнение, возмещение потраченных частей) (рис. 2) [12].

Считавшийся ранее заменимой аминокислотой глутамин был реклассифицирован после открытия Lacey J.M. и др. в 1990 г. Авторы продемонстрировали, что в состояниях катаболизма эндогенный синтез глутамина становится недостаточным для покрытия метаболических потребностей, что послужило основанием для отнесения его к категории условно незаменимых аминокислот [12].

После первоначального наблюдения Eagle и коллег, выявившего исключительно высокую скорость потребления глутамина опухолевыми клетками HeLa (на порядки превышающую таковую для других аминокислот), повышенный метаболизм глутамина стал ассоциироваться с процессами опухолевого роста, инвазии и метастазирования при различных злокачественных новообразованиях, включая рак яичников, молочной железы и поджелудочной железы [12].

После транспорта в клетку глутамин в митохондриях подвергается ферментативному дезаминированию под действием глутаминазы с образованием глутамата. Последующий катаболизм глутамата, опосредованный глутаматдегидрогеназой, приводит к синтезу α-кетоглутарата — ключевого интермедиата цикла трикарбоновых кислот. Инкорпорация α-кетоглутарата в цикл Кребса обеспечивает генерацию восстановленных коферментов (НАДН, ФАДН — флавинадениндинуклеотид восстановленный), которые используются в процессе окислительного фосфорилирования для синтеза АТФ, тем самым удовлетворяя энергетические потребности клетки [10]. Дополнительно аминокислота может выступать в роли сигнальной молекулы, стимулирующей комплекс 1 мишени рапамицина (mTORC1) и способствуя росту опухолевых клеток [11].

Помимо этого, метаболиты глутамина вносят вклад в синтез жирных кислот в раковых клетках с дисфункцией цикла трикарбоновых кислот. Ключевым посредником в этом процессе выступает цитрат, образующийся посредством восстановительного карбоксилирования (присоединение СО2 к предшественнику оксалоацетату с образованием цитрата). Данный механизм предполагает конверсию α-кетоглутарата в цитрат, катализируемую изоцитратдегидрогеназами. Экспериментальные данные свидетельствуют об активности восстановительного карбоксилирования в условиях гипоксии in vitro, а также подтверждают его существенную роль в обеспечении липогенеза в процессе развития злокачественных новообразований in vivo [12].

Важным отличием метаболизма опухолевых клеток является аномальное фосфорилирование жирных кислот. Жирные кислоты являются не только основными компонентами мембран, но и источником энергии, а также могут выполнять роль вторичных посредников передачи сигналов в быстро пролиферирующих опухолевых клетках. Когда потребность клеток в энергии возрастает, жирные кислоты транспортируются в митохондрии для β-окисления, где они преобразуются в ацетил-КоА и впоследствии вступают в цикл трикарбоновых кислот для выработки АТФ [1][10].

Нарушение липидного обмена выступает важным фактором риска развития нейроэндокринных образований, и его регулирование может быть потенциальной терапевтической мишенью.

Tianshun F. и соавт. опубликовали результаты работы по анализу данных 146 пациентов с нефункционирующими нейроэндокринными опухолями гипофиза (NF-PitNET). Согласно клиническим данным и биоинформатическому анализу, гены, связанные с метаболизмом холестерина, могут способствовать обильной инфильтрации иммунных клеток при гормонально-неактивных-PitNET и инвазии кавернозных синусов гормонально-неактивных-PitNET через сигнальный путь mTOR. Данное исследование открывает новые перспективы для изучения патогенеза инвазии кавернозных синусов NF-PitNET [13].

Одним из ярких примеров гетерогенности метаболических адаптаций является предпочтение определенного анаплеротического субстрата для цикла трикарбоновых кислот [9].

В опухолевых клетках может преобладать одна из двух противоположных стратегий: 1) восполнение цикла трикарбоновых кислот происходит за счет α-кетоглутарата, образующегося в результате катаболизма глутамина; 2) пул промежуточного продукта цикла трикарбоновых кислот оксалоацетата пополняется за счет карбоксилирования пирувата в реакции, катализируемой пируват-карбоксилазой [9].

Зависимость от конкретного способа получения энергии может указывать на связь между метаболическим характером исходной ткани и возникающими из нее опухолями. Например, опухоли поджелудочной железы и лёгких преимущественно получают АТФ с использованием карбоксилирования пирувата, в то время как колоректальный рак использует глутамин в качестве основного субстрата [9].

Использование селективного воздействия на процессы гликолиза при гликолитическом фенотипе опухоли, влияние на метаболизм глутамина, а также фармакологическое модулирование синтеза жирных кислот становится эффективным способом в терапии онкологических заболеваний.

Перспективной мишенью для действия лекарственных препаратов выступает фермент гликолиза — гексокиназа-2, при блокировании которого наблюдается запуск апоптоза раковых клеток. Такие ингибиторы фермента, как 3-бромпируват, лонидамид, 2-дезоксиглюкоза, способны подавлять гликолиз в опухолевых клетках, дополнительно повышая цитотоксические эффекты противоопухолевых препаратов. Дополнительными точками воздействия являются ферменты лактатдегидрогеназа и пируватдегидрогеназа, воздействуя на которые можно снижать продукцию лактата и пирувата в раковых клетках, влияя на активность их пролиферации [14].

В зависимости от дифференцировки и происхождения опухолевых клеток, а также при наличии секреторной активности гормонов или других медиаторов клеточный метаболизм может принципиально отличаться, что в том числе положено в основу функциональных методов визуализации, в частности основного радиофармпрепарата ¹⁸F-ФДГ (Фтордезоксиглюкоза 18) при позитронно-эмиссионной томографии, совмещенной с компьютерной томографией (ПЭТ-КТ). Принципиально иное изменение обмена энергии происходит в нейроэндокринных опухолях (НЭО), которые нередко обладают способностью секретировать биологически активные соединения.

Нейроэндокринные опухоли (НЭО) представляют гетерогенную группу неоплазий, происходящих из пептидергических нейронов и диффузной нейроэндокринной системы, диссеминированной в различных органах и тканях. Наиболее частая локализация включает респираторный тракт и желудочно-кишечную систему, тогда как реже поражаются надпочечники, тимус и другие органы [15].

Согласно эпидемиологическим данным, до 0,5% всех впервые диагностированных злокачественных новообразований составляют НЭО [16].

По функциональной активности все нейроэндокринные образования разделяют на функционирующие и нефункционирующие [17].

Нефункционирующие НЭО могут длительно существовать бессимптомно, нередко являясь случайной находкой при обследовании по иному заболеванию, поскольку не имеют специфической симптоматики [17].

Примерно 20% НЭО являются функционирующими и обладают способностью к синтезу и секреции определенных вазоактивных пептидов, аминов, гормонов, приводя к появлению яркой клинической симптоматики, что позволяет врачам заподозрить наличие заболевания и провести диагностическую оценку биомаркеров, характерных для синдромального диагноза по результатам клиники [15][17].

Среди неспецифических биомаркеров, характерных как для нефункционирующих, так и для функционирующих НЭО, выделяют: хромогранин А, панкреатический полипептид (НЭО поджелудочной железы), нейронспецифическая енолаза (НЭО легких и тимуса).

Среди специфических маркеров выделяют: серотонин, 5-гидроксииндолуксусная кислота (для карциноидного синдрома), гастрин (для гастриномы), глюкагон (для глюкагономы), инсулин и С-пептид (для инсулиномы) и др. [17].

Алгоритм выбора тактики ведения пациента зависит от типа и распространенности опухоли, а также от градации потенциала злокачественности НЭО по Grade (G1-3). Определение степени злокачественности для НЭО легких, поджелудочной железы и желудочно-кишечного тракта имеет различия в подходах, однако учитывает уровень пролиферативной активности клеток по митотическому индексу, индексу Ki-67 [17].

Высокодифференцированные НЭО составляют приблизительно 80% в структуре нейроэндокринной опухолевой патологии. Данная категория опухолей характеризуется низким пролиферативным потенциалом, более мягким/условно доброкачественным течением, а прогностические исходы варьируют от благоприятных до умеренных в зависимости от стадии заболевания, первичной локализации, уровня митотической активности [15].

К высокодифференцированным НЭО относят: НЭО пищеварительного тракта (митотический индекс для G1<2, Ki-67≤2%, для G2 митотический индекс =2–20, Ki-67=3–20%), НЭО легких и тимуса (типичный карциноид, низкий митотический индекс <2/10РП31 G1; атипичный карциноид, высокий митотический индекс 2–10/10РП3 G2). Также к этой группе можно отнести: карциноиды различного происхождения, опухоли из хромаффинных клеток (феохромоцитома, параганглиома), медуллярный рак щитовидной железы [18].

Низкодифференцированные нейроэндокринные образования включают градацию G3 с Ki-67>20% или с числом митозов >20 в 10 полях зрения. Низкодифференцированные НЭО в свою очередь характеризуются агрессивным течением, выраженной ядерной атипией, мультифокальными некрозами и высокой частотой метастазирования. К G3 относят мелко- и крупноклеточный нейроэндокринный рак легких [18].

В последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к улучшению показателей общей выживаемости пациентов с нейроэндокринными новообразованиями. Тем не менее у 12–21% пациентов на момент диагностики заболевания имеются метастазы, что актуализирует необходимость идентификации новых высокоспецифичных биомаркеров, способных обеспечить своевременную диагностику и повышение эффективности радикального лечения [15].

НЭО имеют специфические характеристики, затрудняющие их диагностику с использованием стандартных методов: при НЭО клетки используют преимущественно глутаминолиз в митохондриях вместо гликолиза, в связи с чем не происходит захват ¹⁸F-ФДГ во время проведения исследования ПЭТ-КТ. Высокодифференцированные НЭО имеют низкую гликолитическую активность (незначительное усиление эффекта Варбурга). Клетки активно используют альтернативные субстраты получения энергии (глутамин, жирные кислоты), а также могут иметь слабую экспрессию транспортеров глюкозы GLUT1 и GLUT3 [9].

Таким образом, метаболическая адаптация опухолевых клеток представляет собой сложный процесс в виде переключения между способами синтеза энергии, обеспечивающий адаптивное выживание раковых клеток, что требует применения персонализированных методов диагностики с учетом изменения энергообмена клеток.

С целью выявления аномального клеточного метаболизма перспективным направлением становится оценка промежуточных продуктов энергообмена, в частности глюкозы, лактата, НАДН, глутамата и АТФ, непосредственно участвующих в процессах гликолиза и окислительного фосфорилирования [1].

Основные существующие лабораторно-инструментальные способы определения энергообмена в клетках перечислены в таблице 1.

Биохимический анализ в рамках лабораторной диагностики биологических жидкостей (крови, мочи, слюны) используется для определения следующих метаболитов: глюкоза, липиды, лактат, пируват, лактатдегидрогеназа, GLUT. Часть этих технологий используется для рутинной диагностики заболеваний, которые неизбежно приводят к нарушению обмена энергии, в частности при сахарном диабете, а также при различных видах органной недостаточности [1].

Наиболее активно изменения метаболизма клеток используются для функциональных методов визуализации опухолевых клеток или нарушений метаболизма. Функциональная визуализация позволяет неинвазивно охарактеризовать метаболический статус и гетерогенность опухоли на основе анализа интенсивности поглощения радиофармпрепаратов, а также обеспечить более точную прогностическую стратификацию [19].

Стратегия разработки радиофармпрепаратов (РФП) для диагностики НЭО основывалась на трех основных биологических мишенях: сверхэкспрессия опухолеспецифичных мембранных рецепторов, активный транспорт предшественников аминов клетками новообразования и усиленный гликолитический метаболизм в опухолевых клетках [19].

Позитронно-эмиссионная томография с ⁶⁸Ga-меченными аналогами соматостатина, в настоящее время представляют собой перспективное направление в диагностике нейроэндокринных опухолей. Благодаря фармакологическим характеристикам радиофармпрепаратов и техническим преимуществам метода ПЭТ-КТ, включающим высокое пространственное разрешение и чувствительность детекции, стало возможным визуализировать очаги малого размера, а также образования с умеренной плотностью рецепторов соматостатина. Данное обстоятельство существенно повышает чувствительность и диагностическую точность метода [19].

На сегодняшний день пациентам с НЭО для оценки рецепторного статуса и уточнения распространенности процесса (особенно при высокодифференцированных и умереннодифференццированных НЭО) рекомендуется проводить ПЭТ-КТ с Ga-DOTA-TOC, DOTA-NOC, DOTA-TATE, что также позволяет определиться с возможностью терапии аналогами соматостатина или таргетной радионуклидной терапии [17]. В практике врачи используют данные радиофармпрепараты для топической диагностики опухолей, продуцирующих соматолиберин, АКТГ-эктопированного синдрома, а также для мезенхимальных опухолей, продуцирующих фактор-роста фибробластов 23 [20][21].

Однако диагностическая интерпретация ПЭТ-исследования с аналогами соматостатина сопряжена с рядом диагностических препятствий. К наиболее распространенным из них относится гипердиагностика нейроэндокринных опухолей при выявлении физиологического захвата РФП в области головки поджелудочной железы и крючковидного отростка. Кроме того, очаговое накопление в структурах селезеночной ткани (добавочная селезенка, интрапанкреатическая селезенка, спленоз) может быть ошибочно расценено как метастатическое поражение. Ложноположительные результаты также возникают при интерпретации слабого или умеренного воспалительного накопления, например в лимфоузлах или суставах на фоне остеоартрита, как проявлений метастатического поражения. Для верификации находок необходима обязательная корреляция с анатомическими изображениями, полученными при КТ или МРТ в рамках гибридного исследования, что в большинстве случаев позволяет установить верный диагноз. Окончательная оценка также требует проведения дифференциального диагноза с другими соматостатин-позитивными новообразованиями, такими как менингиома, опухоли нервного гребня и почечно-клеточная карцинома [19].

Радиофармпрепарат ¹⁸F-FDOPA (18F-фтор-дигидроксифенилаланин) также находит успешное применение в оценке функциональной активности и визуализации НЭО. Его механизм действия основан на натрий-независимом транспорте в клетку с последующей декарбоксилированием до ¹⁸F-дофамина, который накапливается в нейросекреторных гранулах [22].

Чувствительность ¹⁸F-FDOPA ПЭТ/КТ является ограниченной (до 25%) для высокозлокачественных НЭО, а также для опухолей, происходящих из передних и задних отделов кишечника. В то же время метод демонстрирует высокую диагностическую эффективность в отношении низкозлокачественных НЭО подвздошной кишки, что объясняется повышенной активностью декарбоксилазы ароматических L-аминокислот — ключевого фермента в биосинтезе серотонина в данных опухолях. В этой подгруппе пациентов ¹⁸F-FDOPA ПЭТ/КТ представляет ценность для точной локализации первичного очага, определения стадии заболевания, а также в выявлении метастатического поражения органов [23][24].

Ограничения применения РФП ¹⁸F-FDOPA связаны с интенсивным физиологическим накоплением препарата в экзокринной паренхиме поджелудочной железы, в связи с чем требуется дополнительная предмедикация карбидопой — периферическим ингибитором декарбоксилазы ароматических L-аминокислот [19].

В рамках эндокринологии использование ¹⁸F-FDOPA ПЭТ/КТ зарекомендовало себя для диагностики медуллярного рака щитовидной железы, параганглиомы, феохромоцитомы, нейроэндокринных образований [17].

Учитывая наличие высокого уровня поглощения глюкозы и гликолиза в раковых клетках, в клинической практике широко с целью топической диагностики используется технология позитронно-эмиссионной томографии с ¹⁸фтор-2-дезокси-D-глюкозой (¹⁸F-ФДГ) в качестве диагностического способа выявления опухолей, определения их активности и определения прогноза заболевания [11]. Принцип метода основан на том, что после транспорта в клетку посредством глюкозных транспортеров (преимущественно типов 1 и 3) ¹⁸F-ФДГ подвергается фосфорилированию под действием гексокиназы. В отличие от глюкозы, образовавшийся ¹⁸F-ФДГ-6-фосфат не метаболизируется, а накапливается внутри клетки, что позволяет проводить его детекцию [19].

¹⁸F-ФДГ ПЭТ/КТ признана методом выбора для визуализации низкодифференцированных НЭО (G3), а также высокоагрессивных опухолей градации G2. Клиническая целесообразность ее применения при новообразованиях G1 и низкоагрессивных опухолях G2 остается предметом дискуссий. При хорошо дифференцированных НЭО G2 пороговым значением индекса пролиферативной активности Ki-67 для целесообразности проведения исследования часто считается уровень ≥10% [25][26].

Интенсивное накопление ¹⁸F-ФДГ ассоциировано с агрессивным фенотипом опухоли и является предиктором неблагоприятного исхода, что подтверждает корреляцию между повышенным уровнем гликолиза и худшим прогнозом заболевания [19].

Однако глюкоза служит основным энергетическим субстратом для многих тканей, поэтому активность ¹⁸F-ФДГ может наблюдаться как в физиологических, так и в доброкачественных состояниях (ткани головного мозга, мочевыделительная система, печень и селезенка, нейтрофилы и активированные макрофаги, в очаге инфекции или воспаления активно накапливают ФДГ). Кроме того, не все опухоли поглощают ФДГ (головной мозг, предстательная железа, нейроэндокринные опухоли) [27].

Согласно данным современных клинических рекомендаций, ПЭТ-КТ с ¹⁸F-ФДГ рекомендуется использовать в качестве метода неспецифической метаболической визуализации при подозрении на низкодифференцированные НЭО или при отсутствии более специфических радиофармпрепаратов. Успешное применение метода описано для диагностики феохромоцитомы, параганглиомы, нейробластомы [17].

Таким образом, выбор способа функциональной визуализации может зависеть от клинической картины заболевания, от предположительного места нахождения опухоли, степени злокачественности и доступности радиофармпрепаратов.

Другим направлением функциональных исследований, которые основаны на оценке метаболических параметров тканей является метаболическое профилирование или метаболомика. Метаболомика предполагает комплексную детекцию низкомолекулярных соединений, формирует новое направление в биомедицинских исследованиях, обеспечивающее интеграцию данных о генетических, эпигенетических и фенотипических характеристиках новообразований [28].

В области метаболомики наиболее часто используются методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и масс-спектрометрии (МС).

Современные методические подходы включают применение высокоразрешающей ядерно-магнитно-резонансной-спектроскопии с вращением под углом (ЯМР-спектроскопии), позволяющей проводить ex vivo анализ нативных тканевых образцов. Ключевыми преимуществами технологии являются: минимальная потребность в пробоподготовке, высокая степень воспроизводимости, экономическая эффективность, а также доступ к аннотированным базам метаболитов [28][29]. Однако методика требует более высоких концентраций метаболитов, что сказывается на ее чувствительности [1].

Пространственная метаболомика, использующая метод масс-спектрометрической визуализации, позволяет достигать субклеточного разрешения (до 2 мкм), обеспечивая детальную характеристику пространственного распределения метаболитов в тканях. Однако применение данного подхода ограничено исследованиями ex vivo, а технические сложности, связанные с криостатной нарезкой липофильных и минерализованных тканей (жировой и костной), могут снижать точность и воспроизводимость анализа [1].

В пилотном проспективном исследовании Kinross et al. в 2013 г. впервые был применен метод ЯМР-спектроскопии для анализа метаболомного профиля мочи у когорты из 28 пациентов с гастроэнтеропанкреатическими нейроэндокринными опухолями (ГЭП-НЭО), включая исключительно серозно-интрамуральные новообразования. Результаты исследования идентифицировали потенциальные биомаркеры опухолевого процесса [30].

Последующие работы продемонстрировали гетерогенность метаболических фенотипов ГЭП-НЭО, ассоциированную с первичной локализацией (тонкая кишка, поджелудочная железа) и функциональным статусом опухоли. Позднее углубленный анализ 46 образцов тканей НЭО тонкой кишки методами ЯМР-спектроскопии выявил специфические метаболомные изменения, отражающие активацию сложных метаболических путей, потенциально определяющих опухолевую прогрессию и клинические исходы. Характерными метаболическими особенностями солидных НЭО с агрессивным течением являлись: снижение концентраций глюкозы, серина и глицина на фоне повышенного уровня холинсодержащих соединений, таурина, лактата и аланина. Данный профиль отражает адаптацию энергетического метаболизма опухолевых клеток к условиям микроокружения и повышенным биосинтетическим потребностям [28].

Выявление специфического метаболомного профиля опухолевых образований потенциально может использоваться в качестве прогностического биомаркера для корректной стратификации пациентов и выбора подхода к лечению.

Salvia и соавт. опубликовали результаты метаболического профиля пациентов с нейроэндокринными опухолями (НЭО) (77 пациентов с внепанкреатическими НЭО G1-2 и 68 человек контрольной группы). Авторы провели анализ образцов плазмы крови пациентов при помощи газовой хроматографии — масс-спектрометрии (ГХ-МС), капиллярного электрофореза — масс-спектрометрии (КЭ-МС), жидкостной хроматографии — масс-спектрометрии (ЖХ-МС). Было выявлено 34 метаболита, достоверно влияющих на выживаемость пациентов, при этом 10 из них связаны с циклом трикарбоновых кислот. В исследовании были зафиксированы более высокие уровни глутамина, глюкозы и жирных кислот, которые ассоциировались с меньшей выживаемостью пациентов. Также были выявлены усиленные пути метаболизма альфа-линоленовой и линолевой кислот, порфирина, метионина и триптофана [31].

Метаболомика на основе газовой хроматографии и масс-спектрометрии (ГХ-МС) идеально подходит для идентификации и количественного определения низкомолекулярных метаболитов (<650 Да), в том числе малых кислот, спиртов, гидроксикислот, аминокислот, сахаров, жирных кислот, стеролов, катехоламинов, лекарственных препаратов и токсинов. Но часто для того, чтобы сделать эти соединения достаточно летучими для газовой хроматографии, используется химическая дериватизации экстрактов метаболитов, что делает процесс очень сложным и непрактичным для клинических лабораторий [32].

В свою очередь высокоэффективная жидкостная хроматография, обладая преимуществами в виде высокой пропускной способности, специфичности и чувствительности, становится все более популярной для анализа метаболитов энергообмена (лактата, пирувата, НАДН, аминокислот, лактатдегидрогеназы) в биологических образцах, таких как слюна, плазма и моча [1].

Последние достижения показали, что проблемы, связанные с мониторингом метаболизма живых клеток, можно решить в рамках молекулярной диагностики с помощью генетически кодируемых флуоресцентных датчиков, которые связываются с определенными метаболитами, такими как АТФ, и реагируют на них или окисленный и восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ(Н)). Эти сенсоры образуют собственные флуорофоры in vivo, как правило, способны избирательно воздействовать на клетки или субклеточные органеллы и обеспечивают точный пространственно-временной мониторинг метаболитов [33]. Zhao и коллеги разработали серию сверхчувствительных, логометрических, генетически закодированных индикаторов лактата, получивших название FiLa (флуоресцентные индикаторы лактата) [1]. В своей работе авторы при помощи датчиков FiLa продемонстрировали накопление лактата в значительной степени в митохондриях и указали, что лактат является ключевым звеном, реагирующим на различные метаболические процессы [33]. Исходно авторы применили технологию для быстрой диагностики сахарного диабета, однако данная технология позволяет определять концентрации не только лактата, но и GLUT, НАДН и НАД, АТФ и имеет перспективы использования и для диагностики опухолевого процесса.

Для регистрации физико-химические процессов, а именно теплового потока, используется метод калориметрии. Этапы диагностики состоят из улавливания теплового потока специальным датчиком, преобразования его в электрический сигнал с последующим анализом [34]. Важнейшим преимуществом изотермической калориметрии выступает возможность количественной оценки термодинамических и кинетических характеристик в режиме реального времени. Такой динамический мониторинг обеспечивает непрерывное наблюдение за метаболической активностью, позволяя регистрировать даже незначительные ее изменения на различных стадиях канцерогенеза или в ответ на применение терапевтических вмешательств [34].

Универсальность технологии открывает широкую область применения метода: анализ кинетических параметров ферментативных реакций, изучение специфичности молекулярных взаимодействий «белок-лиганд», оценки характеристик связывания биологически активных соединений при изучении влияния лекарственного препарата на опухолевые клетки, мониторинг термодинамики фазовых превращений и процессов самоорганизации макромолекул [34].

Несмотря на свои преимущества, изотермическая калориметрия обладает рядом существенных ограничений при изучении метаболизма злокачественных новообразований. К числу основных недостатков метода относятся: низкая пропускная способность при анализе опухолевых клеток, присутствие неспецифических артефактов в многоканальных системах, а также относительно низкая скорость измерений, не всегда соответствующая динамике метаболических процессов в раковых клетках. Дополнительным фактором, ограничивающим применение метода, остается недостаточная изученность точных кинетических параметров теплового потока, характерных для метаболизма злокачественных клеток [34].

На сегодняшний день калориметрия нашла свое применение для оценки уровня следующих метаболитов: лактат, пируват, НАДН и НАД, аминокислоты, лактатдегидрогеназа [1].

Таким образом, все методы оценки метаболизма имеют свои ограничения по чувствительности и специфичности, остаются достаточно трудоемкими, а также имеют ограничения по возможности искажения результатов и влиянию на интерпретацию вследствие пересечения различных типов клеток и метаболических путей [1]. Вместе с тем, развитие и внедрение этих методов представляется наиболее точными трансляционными технологиями будущей медицины, позволяющими оценивать нарушения метаболизма на клеточном уровне и открывающим новые перспективы как в диагностике, так и возможно в лечении.

Регуляция процессов энергетического метаболизма представляет собой фундаментальный элемент обеспечения физиологического функционирования клеточных популяций. В условиях онкологического процесса ключевыми проявлениями метаболического перепрограммирования являются интенсификация аэробного гликолиза (эффекта Варбурга), активация глутаминолиза и метаболизма жирных кислот, а также рекрутирование механизмов аутофагии для обеспечения энергетических и пластических потребностей опухолевой клетки. Существующие особенности метаболизма в нейроэндокринных опухолях, такие как преобладание глутаминолиза в митохондриях вместо гликолиза, выступают препятствием для использования стандартных методов топической диагностики. Многообещающим направлением выступает оценка промежуточных продуктов метаболизма гликолиза и окислительного фосфорилирования при помощи ядерной магнитно-резонансной спектроскопии, масс-спектрометрии и исследовании метаболического профиля. Несмотря на существующий методологический арсенал для оценки состояния энергообмена, в настоящее время отсутствует унифицированный подход, обладающий высокой чувствительностью и специфичностью в отношении мониторинга отдельных этапов синтеза аденозинтрифосфата, что актуализирует необходимость разработок по комбинации этих методов в особенности для диагностики и мониторинга опухолей с плохой анатомической визуализацией, а также целого ряда заболеваний, характеризующихся нарушением метаболизма.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках гранта РНФ №24-15-00283.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с содержанием настоящей статьи.

Участие авторов. Все авторы одобрили финальную версию статьи перед публикацией, выразили согласие нести ответственность за все аспекты работы, подразумевающую надлежащее изучение и решение вопросов, связанных с точностью или добросовестностью любой части работы.