ワールブルク効果 (腫瘍学)

ワールブルク効果

ワールブルク効果とは、生化学的な現象の一つで、細胞がエネルギーを生成する際の代謝経路に関するものです。この現象は、ノーベル賞受賞者であるオットー・ワールブルクによって発見され、彼の名前にちなんで名付けられました。

原理

1924年、オットー・ワールブルクは、体細胞が低酸素状態に長期間さらされると、細胞呼吸が阻害されるという説を発表しました。通常酸素濃度の環境に戻しても、大部分の細胞は変性や壊死を起こしますが、ごく一部の細胞は酸素呼吸に代わるエネルギー生成経路を活性化させ、生き残った細胞が癌細胞になるというものです。一般的に、酸素呼吸よりも発酵によるエネルギー産生に依存するのは、下等動物や胎生期の未熟な細胞です。そのため、体細胞が酸素呼吸ではなく発酵に依存することで、細胞が退化し、癌細胞が発生すると考えられています。

腫瘍学におけるワールブルク効果とは、悪性腫瘍の細胞内で、酸素が十分にある状況下でも、乳酸発酵が亢進し、解糖系に偏ったブドウ糖代謝が起こる現象を指します。正常な細胞は、ミトコンドリアでの酸化的リン酸化によって効率的にATPを生成しますが、癌細胞は有酸素下でも解糖系でのATP産生に依存します。ブドウ糖は解糖系で代謝されピルビン酸になりますが、ミトコンドリアに入る代わりに乳酸に変換されます。

解糖系は、ブドウ糖1分子あたり2分子のATPしか生成できません。一方、酸化的リン酸化は36分子のATPを生成できるため、ATP産生効率は非常に劣ります。しかし、解糖系はメカニズムが単純であるため、ATP産生速度は速いという利点があります。また、解糖系は酸素を必要としないため、ワールブルク効果は悪性腫瘍が低酸素環境に適応した結果であるとする説もあります。癌細胞では、腫瘍の増大に伴い低酸素状態になると、HIF-1（低酸素誘導因子-1）が活性化され、乳酸生成が促進されます。また、ピルビン酸脱水素酵素が抑制され、ミトコンドリアでのエネルギー産生が低下します。さらに、ワールブルク効果は、解糖系の副産物として生体分子（核酸やNADPH）の合成原料を提供するとも考えられています。高血糖状態では、解糖系から分岐するペントースリン酸回路が亢進し、核酸、タンパク質、脂肪酸の合成が増加します。

臨床医学での応用

フルオロデオキシグルコース(FDG)を用いた[ポジトロン断層法]は、ワールブルク効果を応用したものです。FDGはブドウ糖に似た物質で、癌細胞に取り込まれやすく、PETスキャンで検出することができます。この原理を利用して、癌の診断や治療効果の判定が行われています。

関連項目

* ポジトロン断層法

もう一度検索