Role for metformin in anti-cancer therapy

Abstract
Cancer is one of the leading causes of death around the world. Its treatment is increasingly complex and expensive. Because of this, there are few commonly used drugs that have shown activity on tumor growth. Among this, Metformin has shown its effectiveness both in vitro and in vivo. This is partly due to the activation of AMPK causing a depletion of ATP as well as the blocking of a primordial signaling pathway for cell survival called PI3K/Akt /mTOR. These effects directly influence other pathways such as Hedghog, Notch, Wnt, the expression of drug resistance genes (MDR-1) or the expression of antiapoptotic proteins such as Survivin. Finally, these findings have allowed the search for new indications such as resistance to antituberculosis drugs or even the reduction of thrombotic drugs. Due to its safety, this old drug is an accessible option as a coadjuvant for the treatment of cancer, especially in developing countries.

Key words
metformin, drug therapy combination, adenosine triphosphate, atp-binding cassette transporters, apoptosis, breast neoplasms

Artículo completo
Introducción

El cáncer es una de las principales causas de muerte en todo el mundo, solo en el 2012 se estimó un total de 14.1 millones de casos nuevos y cobró 8.2 millones de muertes directas.¹ Las principales localizaciones son la mama (1.67 millones), pulmón (1.82 millones) y colon (1.36 millones).^1,2 En América Latina y el Caribe su incidencia está en aumento (se estima un crecimiento del 66% para 2030), las principales localizaciones son la próstata y la mama, para hombres y mujeres, respectivamente, pero al analizar los países con un menor desarrollo económico tanto el cáncer de estómago como el cervicouterino son los más prevalentes.³ Otro de los grandes problemas de la región es el económico, ya que limita el acceso no solo a nuevas herramientas diagnósticas sino a nuevos tratamientos. Por ejemplo, en México se estima que para 2020 se contará con 216 679 casos nuevos, que generarían un costo indirecto de alrededor de 20.15 billones de pesos mexicanos.⁴ Esto no es exclusivo de la región ya que, por ejemplo, en países como Irlanda, el costo de las muertes prematuras asociadas con el cáncer se estima en alrededor de 509.5 millones de euros (0.3% del producto interno bruto).⁵ En Europa, al analizar tanto por género como por tipo de cáncer, un paciente varón cuesta el doble que una paciente femenina (€ 49 vs. € 26 billones), siendo el melanoma y el Linfoma Hodgkin los que generan un mayor costo por muerte prematura (€ 312 798 y € 306 628 respectivamente).⁶

Dichos costos se han incrementado debido en gran medida a las nuevas estrategias terapéuticas basadas en las terapias biológicas. Desde la introducción del primer anticuerpo monoclonal, el rituximab (anti-CD20), para el tratamiento del linfoma no Hodgkin, cada vez más se cuenta con nuevos anticuerpos monoclonales, tanto únicos (p. ej.: daratumumab), biespecíficos (p. ej.: blinatumumab) o que puedan modificar incluso la respuesta inmunitaria en contra del tumor (p. ej.: nivolumab).^7-11

Desafortunadamente, debido a su alto costo, la mayor parte de estas nuevas estrategias no están disponibles o lo están solo en algunos ensayos clínicos. Debido a esto, diversos investigadores han explorado otra estrategia basada en el descubrimiento de nuevos efectos terapéuticos de fármacos de uso común. Entre los más destacados se encuentran drogas como la claritromicina, las estatinas o el ácido acetilsalicílico,^12-14 y otras conocidas como ersatzdroges o drogas falsas, cuya finalidad principal es la reducción de la resistencia mediada principalmente por bombas de flujo dependientes de ATP.¹⁵

Desde hace más de una década, la metformina se ha destacado sobre todos los demás fármacos debido a sus efectos benéficos más allá del control glucémico, que abarcan desde la prevención de la preeclampsia y la trombosis, hasta coadyuvante en el tratamiento del cáncer o inclusive de manera preventiva en poblaciones de riesgo como lo son los pacientes diabéticos.^16-18


Mecanismos de oncogénesis

Considerar el cáncer como una enfermedad aislada es posiblemente un error, ya que para la transformación de un tejido benigno en neoplásico se requieren diversos , entre los cuales se encuentran las señales de proliferación celular, resistencia a la apoptosis, replicación celular ilimitada independiente de un estímulo, angiogénesis y finalmente metástasis.¹⁹ En general, todos los tumores comparten estos mecanismos, pero de manera particular cada uno expresa uno u otro en mayor medida. En el año 2000, Hanahan y Weinberg describieron de manera práctica dichos mecanismos, lo que permitió clasificar biológicamente cada uno de los tumores.^20-22 Posteriormente, a través de los años, se han adicionado nuevos mecanismos de oncogénesis hasta considerar el papel no solo de la célula tumoral sino del microambiente, la evasión de la respuesta inmunitaria o la reprogramación celular.^23-24 Este nuevo enfoque es de gran relevancia ya que cada vez más se conoce que el microambiente contribuye a la resistencia a los diferentes fármacos, en especial en los estratos más profundos del tumor debido a la acidemia generada por escaso flujo sanguíneo (fenómeno de Warburg).^25-26 Los principales mecanismos implicados de oncogénesis se describen en la Figura 1.






La energía es la clave: asociación de la metformina con la depleción de ATP

El clorhidrato de metformina es una droga antidiabética que en conjunto con la insulina son los fármacos más antiguos para el tratamiento de la diabetes.²⁷ Derivada de la Galega officinalis (lila francesa), sus primeros usos fueron para el tratamiento de la poliuria y la halitosis, pero no fue hasta finales de los años 50 del siglo pasado cuando a partir de sus ingredientes activos fueron sintetizados tres fármacos (fenformina, metformina y buformina). Bioquímicamente, la metformina es una biguanida sintética, y desde 1995 es la única disponible tanto en el Reino Unido como en los Estados Unidos.²⁸ A pesar de estar ampliamente probada para el tratamiento de la diabetes mellitus su eficacia puede verse comprometida en general por dos aspectos: el primero, de tipo farmacocinético, es debido a un polimorfismo en los transportadores catiónicos en células intestinales, renales y biliares que altera su absorción como su excreción,^29,30 y el segundo implica otros polimorfismos pero sobre genes que intervienen en el camino metabólico de la metformina tanto a nivel hepático, biliar o renal..³¹

Para la realización de la mayoría de los procesos celulares se requiere energía, obtenida de la síntesis y degradación del trifosfato de adenosina (ATP), mediante la activación de una quinasa denominada AMPK (5' adenosine monophosphate activated protein kinase).³² Esta quinasa es la clave en la regulación energética de las células, su conformación se basa en diferentes subunidades (una unidad a o catalítica, dos subunidades ß y dos subunidades ?); al activarse promueve la fosforilación de diversas vías de señalización, muchas de ellas de tipo metabólico, lo cual cambia el metabolismo energético de las células.³³ Son diversas las situaciones que pueden activar la AMPK, entre ellas la privación de la reserva energética (p. ej.: privación de glucosa o de oxígeno) y un consumo excesivo de ATP (p.ej.: contracción muscular o crecimiento tumoral).^34,35

Debido a que la metformina tiene una carga positiva, esta se acumula en la matriz mitrocondrial inhibiendo al complejo I de la cadena transportadora de electrones. El resultado es una reducción en la oxidación de NADH y finalmente de los niveles de ATP, con la consecuente activación de la AMPK, transformando la célula de un estado anabólico a un estado catabólico.³⁶ Este proceso afecta directamente la producción hepática de glucosa e incrementa su captación a nivel de músculo. Recientemente, Kim y colaboradores sugieren también que la metformina no solo actúa sobre la activación energética sino también en la regulación de los lisosomas y las endosomas.³⁷ Normalmente, la AMPK activa diferentes vías metabólicas asociadas con los cambios en el nucleótido adenina (conocida como la vía canónica), pero también forma complejos con Axin y LKB1 (de sus siglas en inglés liver kinase B) sobre la superficie de los lisosomas.³⁸ La expresión de la vía LKB1-AMPK se asocia directamente con la fertilidad debido a que mantiene la proliferación de los folículos primarios a nivel del ovario, pero también es un factor de supresión de neoplasias asociadas con el síndrome de Peutz-Jeghers.³⁹ Diversos ensayos tanto en in vitro como in vivo han demostrado la eficacia de la metformina para el bloqueo del crecimiento celular mediante la activación de la vía LKB1/AMPK, así como la disminución del riesgo de aparición de nuevas neoplasias, principalmente ginecológicas.⁴⁰

Otra de las vías que se bloquean mediante el uso de la metformina es la relacionada con el factor de crecimiento similar a la insulina (IGF).⁴¹ Este factor de crecimiento es de gran relevancia ya que su expresión se asocia con la aparición de cáncer de páncreas, en especial en pacientes diabéticos.⁴² La evidencia clínica y básica aun es controversial. Un metanálisis realizado por Gong y colaboradores sugiere que los niveles séricos tanto de IGF-I, IGF-II, IGFBP-1 e IGFBP-3 no demostraron una asociación directa con la aparición de cáncer de páncreas.⁴³ A diferencia de los hallazgos descritos por Wang y colaboradores en líneas de células epiteliales de próstata (BPH-1 y P69), en donde identificaron que la adición de metformina (0.5-10 mM, 6-48 h) redujo de manera significativa los niveles de IGF-1 retrasando el crecimiento celular mediante el bloqueo de la fase G2/M, e implicando a IGF-1 como un factor primordial para la proliferación celular.⁴⁴ Las principales vías de señalización que son influidas por el efecto de la meftormina se describen en la Figura 2.






Otra de las vías implicadas con la resistencia de los tumores es la vía sonic-hedgehog (Shh). Esta se expresa de manera normal durante el período embrionario, puede sobreexpresarse en una diversidad de tumores, principalmente páncreas, meduloblastoma, colon, mama y cáncer de pulmón de células pequeñas.^45,46 Este se asocia con otras vías de señalización como Notch o la vía WNT/ß-catenina (del inglés Wingless e Int, los primeros genes idendificados que codifican estas proteínas).^47,48

Son pocos los ensayos disponibles acerca del efecto de la metformina sobre la vía Shh. Fan y colaboradores identificaron en las líneas celulares de cáncer de mama MCF-7, BT-549, MDA-MB-231 que la adición de metformina (0-9 mmol/l) inhibe la vía Shh, al igual que sus diferentes formas recombinantes (rhShh), mediante la activación de la quinasa AMPK, causando como consecuencia un bloqueo tanto en el crecimiento como en la migración, invasión y adherencia de las células neoplásicas.⁴⁹ Recientemente, Song y colaboradores también identificaron en la línea celular de cáncer gástrico HGC-27 y MKN-45 que la adición de metformina bloquea la expresión de la vía Shh pero de manera dependiente de la activación de AMPK.⁵⁰


La metformina y su asociación con las proteínas que inhiben la apoptosis

Tanto la vía de la fosfatidilinositol-3-quinasa (PI3K)/Akt como mTOR (del inglés mammalian target of rapamycyn) son dos vías de señalización implicadas ampliamente tanto en el crecimiento como en la supervivencia de las células neoplásicas. ⁵¹ Esta última vía se encuentra relacionada estrechamente con la vía de la MAPK (de las siglas en inglés mitogen-activated activated protein kinase) la cual se asocia directamente con la oncogénesis y diversos mecanismos de procesos celulares^.52,53 Gracias a los hallazgos in vitro, existe una evidencia sólida de que la adición de metformina logra inhibir la vía mTOR. Esta inhibición puede ser aislada o en conjunto con la rapamicina (inhibidor selectivo de la vía mTOR), comprometiendo la supervivencia de las células tumorales. ⁵⁴ Su inhibición también puede considerarse como independiente de la activación de MAPK. Sobre esto, Ben Sahara y colaboradores identificaron en líneas de cáncer de próstata que la metformina puede incrementar los niveles de REDD1 (conocido como DDIT4 y RTP801) los cuales son inhibidores selectivos de la vía mTOR.⁵⁵

Otra de las proteínas implicadas con la supervivencia celular es la survivina. El papel principal de esta proteína es inhibir la caspasa 9, con la subsecuente regulación de la muerte celular programada.⁵⁶ Han y colaboradores, observaron que el uso de metformina de manera única, disminuyó la expresión de survivina mediante el bloqueo de la vía mTOR, en células con cáncer gástrico.⁵⁷
A su vez, su expresión sirve también para monitorizar el efecto sobre diversas líneas resistentes que sobreexpresan la proteína p53. Recientemente, Li y colaboradores evaluaron la eficacia de la combinación de metformina con el inhibidor de BCL-XL/BCL-2 ABT-263, y demostraron que presentan un efecto sinérgico retrasando el crecimiento en las líneas celulares deficientes de p-53.⁵⁸


Nuevos mecanismos implicados con la resistencia a fármacos

La resistencia de los diferentes fármacos está mediada principalmente por diversos transportadores localizados en las membranas celulares denominados ABC (por sus siglas en inglés: ATP-binding cassette).⁵⁹ Estos transportadores se localizan de manera normal en el sistema nervioso central, los túbulos renales o la placenta, pero también pueden ser encontrados en las células progenitoras tumorales o en pacientes con una recaída de la enfermedad.^60,61 Se clasifican en diferentes subtipos (ABCB1 a ABCG), el ABCB1 (conocido como MDR-1 o glucoproteína-P) y el ABCG2 están entre los principales implicados en las resistencias a la quimioterapia.^62,63 Estos transportadores requieren energía para su funcionamiento (ATP), por lo que diversos investigadores han demostrado en distintas líneas celulares que la metformina disminuye la resistencia y sensibiliza a las diferentes células tumorales a los fármacos mediante la activación de AMPK.^64,65 A su vez, Kim y colegas demostraron en la línea celular MCF-7, tanto silvestre como resistente a la adriamicina (MCF-7/adr), que la adición de metformina reduce tanto los niveles de expresión de MDR1 como la expresión del factor nuclear kappa-B (NF-?B), el cual es uno de los principales reguladores tanto de la proliferación como de la diferenciación celular.⁶⁶ Finalmente, Abbasi y colaboradores sugieren que dicha inhibición no es exclusiva de la metformina, sino que otras drogas antidiabéticas también lo pueden hacer, como la glicazida y la pioglitazona, incrementando la permeabilidad de drogas como la digoxina, principalmente a nivel intestinal.⁶⁷


Otras aplicaciones basadas en la activación de AMPK

Debido a que los efectos antitumorales se centran en la activación de la AMPK y el bloqueo de la vía mTOR, diversos investigadores han estudiado su efecto potencial en otras indicaciones. Una de ellas fue desarrollada por Singhal y su grupo, quienes evaluaron los efectos de la metformina sobre el crecimiento de Mycobacterium tuberculosis. En dicho experimento el desarrollo del M. tuberculosis fue detenido debido a la activación de AMPK y a la generación de especies reactivas de oxígeno.⁶⁸ Estos hallazgos sugieren que puede existir un beneficio clínico, en especial sobre las cepas resistentes a los fármacos antifímicos.⁶⁹
Una de las indicaciones emergentes se encuentra dentro del territorio de la hemostasia. Semejante a lo observado en el cáncer, estudios epidemiológicos en pacientes con diabetes han demostrado que el uso de metformina disminuye el riesgo de trombosis, situación que se confirmará en futuros ensayos prospectivos.^70,71


Conclusiones

El cáncer es considerado en la actualidad como un problema de salud pública, en especial en los países en vías de desarrollo. Debido a su complejidad y a la gran cantidad de mecanismos de resistencia, cada vez más se requieren nuevos fármacos que incluyan nuevas terapias biológicas que permitan cada vez más la personalización de cada uno de los tratamientos. Desafortunadamente, las nuevas drogas disponibles aún son costosas y de acceso restrinigido para la mayoría de la población. Desde hace más de una década el clorhidrato de metformina se ha posicionado cada vez más como una opción económica para el tratamiento coadyuvante del cáncer; actualmente se dispone de evidencia sólida con estudios que sustentan su eficacia, pero gracias a los ensayos celulares es posible conocer cada vez más nuevos mecanismos de acción más allá del bloqueo de la vía mTOR o la activación de AMPK. En conclusión, esta vieja droga es una opción accesible como coadyuvante para el tratamiento del cáncer, el cual abarca desde opciones de prevención hasta la combinación con quimioterapia, radioterapia o incluso las nuevas estrategias basadas en blancos moleculares o blancos biológicos.

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