Butirat i kolorektalni karcinom

Butirat i kolorektalni karcinom

Dr Ivana Jovičić, gastroenterolog

Klinika za gastroenterohepatologiju, Univerzitetski klinički centar Srbije

Naša creva, a pogotovu debelo crevo, nastanjuju brojni mikroorganizmi, koji su po novijim gledištima sastavni i neodvojivi deo našeg tela, neophodni za normalno funkcionisanje. Ova simbioza nas i naše mikrobiote se naziva holobiont. Smatra se da su ključni metabolički proizvodi naše mikrobiote, a koji nastaju fermentacijom dijetetskih vlakana, masne kiseline kratkih lanaca (SCFA).

U SCFA spadaju: acetat (C2), propionat (C3) i butirat (C4). Butirat nastaje u obilku buterne kiseline. Buterna kiselina se u našem organizmu nalazi u dve izoforme, poznate kao n-buterna kiselina i izo-buterna kiselina. N-buterna kiselina ispoljava molekularne i farmakološke karakteristike i ima je 5 - 8 puta više u fecesu. U našem organizmu buterna kiselina se uglavnom javlja u svom deprotoniranom obliku – odnosno disocira na butirat i H+. Među crevnim mikrobima postoji nekoliko vrsta anaerobnih bakterija, kao što su Faecalibacterium prausnitzii i Roseburia vrste, koje su glavne bakterije koje proizvode butirat1.

SCFA i strukturno srodna ketonska tela (npr. acetoacetat i Db-hidroksibutirat) imaju efekte kod održavanja zdravlja i nastajanja različitih bolesti. Dokazano je da butirat ima ulogu ključnog posrednika interakcije domaćin-mikrobiota. Pored specifičnih receptora na koje deluje (GPR43/FFAR2; GPR41/FFAR3; GPR109a/HCAR2) i transportera (MCT1/SLC16A1; SMCT1/SLC5A8), njegovi efekti su posredovani upotrebom kao izvora energije putem β-oksidacionog puta i kao inhibitor histon deacetilaze (HDAC), promovišući acetilaciju histona i stimulaciju ekspresije gena u ćelijama domaćina.

Šta je butirat?

Smatra se da butirat igra ključnu ulogu u homeostazi epitela debelog creva, tako što ima više regulatornih uloga na tom nivou. Naime, butirat je:

  1. glavni izvor energije za kolonocite;
  2. podstiče rast i proliferaciju normalnih epitelnih ćelija debelog creva;
  3. inhibira kancerogenezu kolona;
  4. inhibira upalu debelog creva i oksidativni stres;
  5. poboljšava funkciju barijere epitela debelog creva;
  6. stimuliše apsorpciju tečnosti i elektrolita;
  7. stimuliše lučenje sluzi i povećava vaskularni protok i pokretljivost;
  8. smanjuje visceralnu percepciju (nelagodnosti u crevima i bol)2.

Dijagnoza: kolorektalni karcinom

Kolorektalni karcinom (KRK) je jedan od najučestalijih tumora kod čoveka i širom sveta po učestaosti novootkrivenih slučajeva, ovaj karcinom je na 3. mestu, a po smrtnosti na 2. mestu. Kod otprilike četvrtine pacijenata prisutne su i metastaze u trenutku dijagostikovanja karcinoma. Zbog visoke učestalosti i smrtnosti značajni napori se ulažu u terapiju i prevenciju ovog oboljenja.

Geografske varijacije u incidenci KRK su izražene, kao što to ilustruju podaci SZO. Prema dobijenim podacima stopa incidencije KRK-a je relativno visoka u zapadnim razvijenim zemljama, dok je relativno niska u zemljama u razvoju, kao što su zemlje Azije i Afrike. Jedna studija je dokumentovala značajnu promenu u incidenci KRK nakon promene životnog stila. Konkretno, praćeni su Japanci koji su migrirali na Havaje. Incidencija KRK je bila niska u Japanu, a visoka na Havajima. Nakon što su migrirali na Havaje, njihova incidencija KRK je postala visoka kao kod domorodaca sa Havaja u roku od jedne generacije3. Ovo ide u prilog i shvatanju da je 5% tumora reprezent genetskih faktora, a 95% reprezent životne sredine. Dodatne studije su pokazale da je pojava i razvoj KRK povezan sa smanjenjem dijetetskih vlakana i povećanjem mesne ishrane, kao i da promene u sastavu hrane mogu uticati na rizik od KRK utičući na metabolizam crevnih mikroba 4.

Odnos butirata i kolorektalnog karcinoma

U poređenju sa zdravim ljudima, pacijenti sa KRK imaju značajne promene u sastavu crevne mikrobiote, kao što je povećanje vrsta Fusobacteria, Porphiromonadaceae, Staphilococcaceae, Akkermansia spp. i Methano-bacteriales, a smanjenje vrsta Bifidobacterium, Lactobacillus, Ruminococcus, Faecalibacterium spp, Roseburia i T-reponema. Ove promene predstavljaju specifične promene („mikrobiotski potpis“) - koji može poslužiti u dijagnostici5, a i u korelaciji su sa progresijom KRK6. Sveukupno govoreći, dolazi do smanjenja broja butirat produkujućih bakterija. Pojedine bakterije, kao na primer Fusobacterium, koje imaju negativan uticaj na produkciju butirata7, su u velikom broju prisutne u KRK. Nađeno je da kroz regrutovanje imunih ćelija koje infiltriraju tumor, fuzobakterije stvaraju proinflamatorno mikrookruženje koje je pogodno za progresiju kolorektalne neoplazije8. Postoje i studije koje govore o negativnom uticaju butirata. Tako rezultati jedne od njih ukazuju na uzročnu vezu između prekomernog rasta vrsta Porphiromonas i kolorektalne tumorigeneze koja može biti posledica starenja izazvanog butiratom. Kada su u bakterijama geni za sintezu butirata oštećeni, gubi se protumorogeni efekat.9

Istraživanja su pokazala da je primarni izvor energije crevnog epitela butirat, a ne glukoza, što je postavilo osnovu za savremenu teoriju uzajamnosti između crevne mikrobiote i crevnog epitela10. Procenjuje se da SCFA doprinose 60-70% energetskih potreba epitelnih ćelija debelog creva, odnosnoi 5-15% ukupnih kalorijskih potreba čoveka11. Takođe, treba imati na umu da se više od 95% SCFA proizvodi i apsorbuje u debelom crevu. Povećano preuzimanje glukoze i pojačana glikoliza identifikovani su kao obeležije ćelija raka, sa povišenim nivoima transportera i enzima uključenih u metabolizam glukoze. Ubrzani metabolizam glukoze ćelija raka obezbeđuje dovoljno prekursornih metabolita i energije za održavanje brzog rasta ćelija. Butirat značajno inhibira transport glukoze i glikolizu ćelija raka debelog creva, kroz smanjenje broja membranskog GLUT1 i citoplazmatskog G6PD, koji je regulisan signalnim putem GPR109a-AKT. Pored ovoga, butirat je značajno poboljšao hemoterapijsku efikasnost 5-fluorouracila (5-FU) na maligne transformisane kolonocite, uz smanjenje efikasnosti sinteze DNK12

Mikrobiota creva takođe može da izazove hroničnu upalu, jedan od glavnih faktora rizika za KRK, direktnim napadom na crevnu epitelnu barijeru ili aktiviranjem imunskog odgovora, vezivanjem za Toll-like receptore, što dovodi do sinteze i sekrecije citokina. Ovo je već dokazano na eskperimentalnim modelima miševa (koji su deficijentni za produkciju IL-10)13. Kod ljudi je tipičan primer povećanog rizika za kolorektalni karcinom kod pacijenata sa hroničnom upalom creva kao što su npr. pacijenti sa ulceroznim kolitisom.

Prema sadašnjem prihvaćenom mišljenju butirat uopšteno govoreći inhibira nastanak i razvoj KRK. Tako je u različitim ispitivanjima nađeno da butirat:

  1. inhibira proliferaciju tumorskih ćelija;
  2. utiče na ćelijsku diferencijaciju;
  3. inhibira migraciju tumorskih ćelija;
  4. inhibira invazju malignih ćelija;
  5. smanjuje stvaranje metastaza
  6. utiče na metabolizam tumorskih ćelija;
  7. smanjuje dužinu preživljavanja tumorkih ćelija;
  8. pojačava ćelijsku apoptozu;
  9. utiče na lučenje citokina i hemokina;
  10. smanjuje neoangiogenezu;
  11. utiče na reorganizaciju citoskeleta;
  12. povećava osetljivost tumora na hemioterapiju;
  13. pomaže brže zarastanje anastomoza nakon resekcije i
  14. sprečava ponovnu pojavu KRK na mestu anastomose.

Opisan je fenomen „butiratni paradoks“ - suprotan efekat butirata u ćelijama KRK i normalnim kolonocitima.

Kako butirat ostvaruje svoj uticaj?

Butirat svoj uticaj ostvaruje kroz različite mehanizme:

1. Poremećen je Wnt signalni put u većini slučajeva KRK.

Osnovni protein ovog puta je β-katenin, koji je vezan proteinom adenomatozne polipoze koli (APC). Kada Wnt signalni put nije aktivan, β-katenin se fosforiliše pomoću glikogen sintaze kinaze 3β (GSK-3β) i meta je degradacije. Kada se aktivira Wnt signalni put, aktivnost GSK-3 kinaze je potisnuta, a β-katenin se akumulira u jedru i vezuje se za Tcf/Lef (faktor T-ćelija/faktor pojačivača limfocita) kako bi aktivirao transkripciju ciljnih gena. Međutim, u KRK, mutacija u komponentama puta (npr. β-katenin i/ili APC) dovodi do konstitutivne transkripcione aktivacije Wnt ciljnog gena, što na kraju dovodi do neograničenog rasta ćelija14. Butirat izaziva veću aktivnost Wnt i apoptozu u KRK ćelijama, a nivoi Wnt su u korelaciji sa nivoima apoptoze. Analiza bioloških replikata pokazala je da je 1008 gena modulirano butiratom na specifičan način, dok je još 1587 gena nespecifično modulirano. Modulirani geni uključuju članove različitih genskih porodica, koji kontrolišu različite biološke procese kao što su regulacija razvoja, regulacija metabolizma, signalnih puteva posredovanih citokinima i hemokinima, replikacije DNK, ćelijske komponente kao što su faktori citoskeleta, organela i intermedijalnih filamenata, molekularne funkcije kao što je aktivnost aktivatora GTPaze15;

2. p53 je gen supresor tumora koji ima visoku korelaciju sa regresijom tumora, a njegova mutacija se može otkriti u više od 50% slučajeva karcinoma kod ljudi.

p53 deluje preko ciljnih gena (kao što su p21WAF - 1, BAK) i potencijalno potiskuje razvoj tumora. Studija je pokazala da butirat izaziva ekspresiju p21 WAF - 1 i BAK na nivou mRNK. p21 WAF 1 je protein koji inhibira enzim ciklin zavisnu kinazu (CDK), koja je bitan enzim u regulaciji progresije ćelijskog ciklusa. Dejstvo p53 na p21 dovodi do oštećenja DNA i zaustravljanja ćelijskog ciklusa. Tretman butiratom je povećao procenat ćelija u G1 fazi. Kao član porodice BCL2 proteina, BAK funkcioniše kao proapoptotički regulator uključen u širok spektar ćelijskih aktivnosti. Ćelije tretirane buturatom su imale i povećanu stopu apoptoze16;

3. Butirat može delovati preko sistema Neuropilina -1 receptor (NRP-1)/factor Faktor [VM1] rasta vaskularnog endotela (VEGF).

NPR-1 je receptor za VEGF, koji je ključni regulator angiogeneze. Rast tumora i metastaze u velikoj meri zavise od angiogeneze, koja je početna faza formiranja novih krvnih sudova. Više studija je otkrilo da butirat, kao HDAC inhibitor, može da smanji ekspresiju VEGF-a i da inhibira tumorsku angiogenezu. Vezivanjem VEGF-a za neuropilin-1 (NRP-1) dodatno se promoviše migracija i preživljavanje ćelija KRK. Kliničke studije pokazuju da KRK sa visokom ekspresijom NRP-1 ima veću incidencu metastaza, povećan indeks proliferacije i smanjen broj apoptotičkih ćelija karcinoma u odnosu na KRK sa niskom ekspresijom NRP-1. Ovo sugeriše da NRP-1 može zaštititi KRK ćelije od apoptoze. Smanjenje ekspresije NRP-1 može koristiti za povećanje osetljivosti tumorskih ćelija na hemoterapiju;

4. Butirat deluje na povećanu produkciju Endokana.

Endokan sulfat je proteoglikan i igra važnu ulogu u inflamaciji, angiogenezi i formiranju metastaza tumorskih ćelija. Ekspresija endokana u tkivima KRK bila je niža nego u kontrolnim tkivima, a ekspresija endokana bila je u obrnutoj korelaciji sa stepenom maligniteta. On deluje inhibicijom signalnog puta mitogen aktivirane protein kinaze (MAPK/ERK2). MAPK/ERK2 je lanac proteina u ćeliji kojim se prenosi signal sa receptora na površini ćelije do DNK u ćelijskom jedru. Delujući preko ovog mehanizma, butirat može inhibirati proliferaciju ćelija KRK, formiranje klonova i migraciju ćelija KRK;

5. Butirat deluje i preko Akt1 (transformišući faktor Ak soja miševa).

Jedna studija je sprovedena in vitro na ćelijskim linijama kolorektalnog karcinoma (HCT116, HT29, LOVO i HCT8). U ovoj studiji su istraživači našli da pretretman ćelija sa butiratom značajno inhibira motilitet ovih ćelija. Ovaj efekat je posledica deaktivacije Akt1 i ERK1/2 signalinga. Akt1 je serin/treonin protein kinaza koje učestvuju u mnogim ćelijskim procesima kao što su ćelijska adhezija, progresija ćelijskog ciklusa, migracija, preživljavanje, proliferacija, diferencijacija, metabolizam. Signal preko ovih kinaza je esencijalan za motilitet ćelija tako što reorganizuje citoskelet, spajanje miozina i modulaciju aktina. Treba reći da Akt kinase učestvuju i u angiogenezi fosforilacijom brojih substrata u odgovoru na stimulaciju faktorima rasta (EGF, IGF). Butirat svoj efekat postiže delujući preko HDAC 3 - enzima koji reguliše gensku ekspresiju17;

6. Sposobnost butirata da inhibira KRK ćelije je takođe povezana sa njegovom regulacijom na nivou mikroRNK (miRNA), kao što su familija miR-106b i familija miR-17-92, ili MiR -203.

MiRNA su male i nekodirajuće RNK koje regulišu zaustavljanje ćelijskog ciklusa, ćelijsku apoptozu, proliferaciju i diferencijaciju, invaziju i formiranje metastaza.18 Identifikovano je više od 1000 miRNA, a mnoge od njih imaju stotine ciljnih gena. Genetske ili epigenetske modifikacije utiču na ekspresiju miRNA. Štaviše, poremećaj ekspresije miRNA je uključen u proces tumorogeneze kroz regulisanje ekspresije protoonkogena i gena supresije tumora Drugi naziv za gene supresije tumora je anti-onkogeni. Tako na primer MiR-92a je prekomerno izražena kod pacijenata sa KRK i povezana je sa metastazama tumora i lošom prognozom. Dalja istraživanja su otkrila da butirat dobijen iz mikroba inhibira onkogenu miR-92a regulacijom ekspresije c-Mic;

7. Metastaze tumora ili ponovna pojava su česte na mestima resekcije KRK.

Nađena je povećana ekspresija Placentalno-specifičnog proteina 8 (PLAC8) kod pacijenata u kasnoj fazi KRK i kod ponovnog javljanja KRK. Na mišijem modelu je pokazano da ova preterana ekspresija može povećati rast ćelija i migraciju – pa je zaključeno da PLAC 8 ima tumorogeni i invazivni efekat na KRKNaučnici su našli da butirat nishodno reguliše PLAC 8 ekspresiju i indukuje apoptozu ćelija koje preterano eksprimuju PLAC 8 i tako mogu smanjiti formiranje KRK. Ekspresija PLAC8 gena i proteina, disbioza crevne mikrobiote, a naročito broj butirat produkujućih organizama može biti indikator KRK progresije19

Pored gore navedenih, postoje i drugi mehanizmi kojim butirati povoljno deluju kod karcinoma kolona. 666 različito eksprimiranih mRNK, kao i brojne Inc RNA i ceRNA, su uključeni u inhibiciju KRK od strane Na-Butirata. Produkti ovih mRNA (uz dodatnu regulaciju od strane IncRNA i ceRNA) formiraju kompleksnu mrežu protein – protein interakcija 20. Bolje razumevanje mehanizama delovanja butirata, može značajno uticati na prevenciju i razvoj novih modaliteta lečenja KRK.

Reference

  1. Duncan SH, Barcenilla A, Stewart CS, Pryde SE, Flint HJ. Acetate utilization and butyryl coenzyme A (CoA): acetate-CoA transferase in butyrate-producing bacteria from the human large intestine. Applied and Environmental Microbiology. 2002; 68: 5186-90.
  2. Goncalves P and Martel F. Regulation of colonic epithelial butyrate transport: Focus on colorectal cancer. Porto Biomedical Journal. 2016;1(3):83–91.
  3. Le Marchand L, Kolonel LN. [Cancer in Japanese migrants to Hawaii:interaction between genes and environment]. Revue d'epidemiologie et de sante publique. 1992; 40: 425-30.
  4. Aune D, Chan DS, Lau R, Vieira R, Greenwood DC, Kampman E, et al. Dietary fibre, whole grains, and risk of colorectal cancer: systematic review and dose-response meta-analysis of prospective studies. BMJ (Clinical research ed). 2011; 343: d6617.
  5. Wu N, Yang X, Zhang R, Li J, Xiao X, Hu Y, Chen Y, Yang F, Lu N, Wang Z, Luan C, Liu Y, Wang B, Xiang C, Wang Y, Zhao F, Gao GF, Wang S, Li L, Zhang H, Zhu B. Dysbiosis signature of fecal microbiota in colorectal cancer patients. Microb Ecol. 2013 Aug;66(2):462-70. doi: 10.1007/s00248-013-0245-9. Epub 2013 Jun 4. PMID: 23733170.
  6. Mira-Pascual L, Cabrera-Rubio R, Ocon S, Costales P, Parra A, Suarez A, et al.Microbial mucosal colonic shifts associated with the development of colorectal cancer reveal the presence of different bacterial and archaeal biomarkers.Journal of Gastroenterology. 2015; 50: 167-79.
  7. Hertel J, Heinken A, Martinelli F, Thiele I. Integration of constraint-based modeling with fecal metabolomics reveals large deleterious effects of Fusobacterium spp. on community butyrate production. Gut Microbes. 2021 Jan-Dec;13(1):1-23. doi: 10.1080/19490976.2021.1915673. PMID: 34057024; PMCID: PMC8168482.
  8. Kostic AD, Chun E, Robertson L, Glickman JN, Gallini CA, Michaud M, Clancy TE, Chung DC, Lochhead P, Hold GL, El-Omar EM, Brenner D, Fuchs CS, Meyerson M, Garrett WS. Fusobacterium nucleatum potentiates intestinal tumorigenesis and modulates the tumor-immune microenvironment. Cell Host Microbe. 2013 Aug 14;14(2):207-15. doi: 10.1016/j.chom.2013.07.007. PMID: 23954159; PMCID: PMC3772512.
  9. Okumura, S., Konishi, Y., Narukawa, M. et al. Gut bacteria identified in colorectal cancer patients promote tumourigenesis via butyrate secretion. Nature communications 12, 5674 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25965-x.
  10. Roediger WE. Utilization of nutrients by isolated epithelial cells of the rat colon. Gastroenterology. 1982; 83: 424-9.
  11. Brahe LK, Astrup A, Larsen LH. Is butyrate the link between diet, intestinal microbiota and obesity‐related metabolic diseases? Obesity Reviews 2013;14: 950–9.
  12. Geng HW, Yin FY, Zhang ZF, Gong X, Yang Y. Butyrate Suppresses Glucose metabolism of Colorectal Cancer Cells via GPR109a-AKT Signaling Pathway and Enhances Chemotherapy. Front Mol Biosci. 2021 Mar 29;8:634874. doi: 10.3389/fmolb.2021.634874. PMID: 33855046; PMCID: PMC8039130.
  13. Arthur JC, Perez-Chanona E, Mühlbauer M, Tomkovich S, Uronis JM, Fan TJ, Campbell BJ, Abujamel T, Dogan B, Rogers AB, Rhodes JM, Stintzi A, Simpson KW, Hansen JJ, Keku TO, Fodor AA, Jobin C. Intestinal inflammation targets cancer-inducing activity of the microbiota. Science. 2012 Oct 5;338(6103):120-3. doi: 10.1126/science.1224820. Epub 2012 Aug 16. PMID: 22903521; PMCID: PMC364530.
  14. Bienz M, Clevers H. Linking colorectal cancer to Wnt signaling. Cell. 2000; 103:311
  15. Lazarova DL, Chiaro C, Bordonaro M. Butyrate induced changes in Wnt-signaling specific gene expression in colorectal cancer cells. BMC Research Notes. 2014; 7: 226.
  16. Liu CX, Zhang SZ, Zhang XW, Huang LH, Tie-Jun LI, Zhang J, et al. Sodium butyrate induces apoptosis and regulates p53 target genes in HT-29 colorectal cancer cells. Chinese Journal of Cancer Biotherapy. 2006; 13: 185-90.
  17. Qingran Li, Chujie Ding, Tuo Meng, Wenjie Lu, Wenyue Liu, Haiping Hao, Lijuan Cao.Butyrate suppresses motility of colorectal cancer cells via deactivating Akt/ERK signaling in histone deacetylase dependent manner. Journal of Pharmacological Sciences. 2017; 135: 148 -155.
  18. Schickel R, Boyerinas B, Park SM, Peter ME. MicroRNAs: key players in the immune system, differentiation, tumorigenesis and cell death. Oncogene.2008; 27: 5959-74.
  19. Chi-Cheng Huang, Ming-Hung Shen, Shao-Kuan Chen, Shung-Haur Yang, Chih-Yi Liu, Jiun-Wen Guo, Kang-Wei Chang, Chi-Jung Huang. Gut butyrate-producing organisms correlate to Placenta Specific 8 protein: Importance to colorectal cancer progression. Journal of Advanced Research. 2020: 22; 7–20.
  20. Yang Xi, Zhuang Jing, Wu Wei, Zhang Chun, Qi Quan, Zhou Qing, Xu Jiamin and Han Shuwen. Inhibitory effect of sodium butyrate on colorectal cancer cells and construction of the related molecular network. BMC Cancer (2021) 21:127 https: //doi.org/10.1186/s12885-021-07845-1.