Role of monocarboxylate transporters in the metabolic remodelling of glioblastomas

Abstract

Tumour cells exhibit a preference for glycolytic metabolism for energy production, even in the presence of oxygen, a phenomenon denominated “Warburg effect”. The higher glycolytic rates in tumour cells increase the levels of lactate produced, which is transported to the tumour microenvironment through monocarboxylate transporters (MCTs), contributing, in this way to an increase in cell proliferation, invasion and survival. Hypoxia is a common feature of malignancy particularly in glioblastomas, being associated with tumour invasiveness and metastasis and also with poor clinical outcome. As a response to hypoxia, stabilization of HIF-1α is induced, with consequent metabolic remodelling which promote the glycolytic phenotype. Studies have been exploring the effect of hypoxia in the metabolism of tumour cells, however the role of MCTs, particularly MCT1, is controversial and poorly explored in glioblastomas. The aim of this work was to understand how hypoxia regulates the expression of MCTs, and the role of MCTs on cell proliferation, survival and aggressiveness in the hypoxia context. To achieve our goals, we performed a detailed characterization of MCTs expression and other metabolic markers in normoxic (non-perinecrotic) and hypoxic (perinecrotic) regions in a series of glioblastomas and correlated the expression of MCTs with key metabolic proteins. Furthermore, we studied the effects of MCT inhibition on glioma cell models with different metabolic phenotypes, on cell biomass, proliferation, cell death, migration, invasion and cellular metabolism in hypoxia. Our study showed that MCT1 plasma membrane expression was up-regulated in hypoxic regions of glioblastomas and it was associated with the hypoxia-inducible glycolytic markers, such as GLUT-1, CAIX, HKII, LDH-A and PDK. In the in vitro studies, we demonstrated that hypoxia induced metabolic remodelling and up-regulation of MCT1 plasma membrane expression in a more oxidative glioma cell line, increasing its glucose consumption and lactate production. Additionally, it was shown that inhibition of MCT activity with CHC decreased glucose consumption and lactate production under hypoxia. Further, MCT inhibition decreased the aggressiveness of glioma cells in hypoxia, through a decrease in cell proliferation, migration and invasion. In conclusion, our study demonstrated that MCT1 is up-regulated at the plasma membrane of glioma cells in hypoxia, supporting that MCT1 is responsible by the lactate efflux involved in hypoxia-induced glycolytic phenotype of these cells. The decrease in the aggressiveness of glioma cells seen upon MCT inhibition, support the exploitation of MCTs, MCT1 in particular, as potential therapeutic targets in glioblastomas.

As células tumorais recorrem ao metabolismo glicolítico para a produção de energia, um fenómeno conhecido como “ efeito de Warburg ”. Os tumores apresentam elevadas taxas glicolíticas o que leva a um aumento do lactato produzido, que é transportado para o microambiente tumoral através dos transportadores de monocarboxilatos (MCTs), contribuindo assim para um aumento da proliferação, migração e sobrevivência das células tumorais. A hipóxia é uma característica comum nos tumores malignos, particularmente em glioblastomas, que leva à migração e invasão tumoral, estando associado com um mau prognóstico. A presença de hipóxia leva à estabilização do HIF-1α que induz uma remodelação metabólica contribuindo para um fenótipo glicolítico. O efeito da hipóxia no metabolismo das células tumorais encontra-se explorado em alguns estudos, contudo o papel dos MCTs, em particular do MCT1 é ainda controverso e pouco esclarecido em glioblastomas. Os objetivos deste trabalho consistem em entender como a hipóxia regula a expressão dos MCTs e qual o papel dos MCTs na proliferação celular, sobrevivência e agressividade tumoral em condições de hipóxia. De forma a alcançar os nossos objetivos, primeiro foi realizada uma caracterização detalhada da expressão dos MCTs e outros marcadores metabólicos em regiões próximas e afastadas da necrose numa série clínica de glioblastomas. A expressão dos MCTs foi posteriormente correlacionada com as diferentes proteínas metabólicas avaliadas. Segundo, o efeito da inibição dos MCTs em linhas celulares de gliomas com diferentes fenótipos metabólicos foi estudado em hipóxia a nível da biomassa, proliferação, morte celular e metabolismo celular. O nosso trabalho evidência que a expressão do MCT1 na membrana plasmática está aumentada nas regiões peri-necróticas e que esta expressão associa-se com marcadores glicolíticos induzidos por hipóxia, nomeadamente GLUT-1, CAIX, HKII, LDH-A e PDK. Estudos in vitro, demonstram que hipóxia induz uma remodelação metabólica e um aumento da expressão de MCT1 na membrana plasmática numa das linhas celulares mais oxidativas de gliomas, aumentando o seu consumo de glucose e produção de lactato. Observamos que inibição da atividade dos MCTs com CHC em hipóxia, produz um maior efeito na diminuição do consumo de glucose e produção de lactato. A diminuição da atividade dos MCTs também diminui a agressividade das células de gliomas em hipóxia, nomeadamente a nível da proliferação, migração e invasão celular. Concluindo, o nosso estudo demonstrou que em condições de hipóxia, existe um aumento da expressão de MCT1 na membrana plasmática e que o MCT1 é responsável pelo efluxo do lactato em células de glioblastoma com fenótipo glicolítico induzido pela hipóxia. A diminuição observada na agressividade tumoral associada à inibição dos MCTs em hipóxia, apoia a exploração dos MCTs, nomeadamente o MCT1, como potenciais alvos terapêuticos em glioblastomas.