Targeted metabolomic study of metabolic phenotype associated with breast cancer with emphasis on one-carbon metabolism

O metabolismo do carbono-1, ao envolver os ciclos de folato, metionina e transulfuração, pode ser considerado responsável por integrar o estado nutricional celular com seu metabolismo (biossíntese de nucleotídeos, remodelação da matriz extracelular, manutenção do estado redox e eventos epigenéticos), a partir da disponibilidade de nutrientes, como aminoácidos, glicose e vitaminas. Estudos clínicos e experimentais que exploram mecanismos moleculares, vêm sugerindo a hiperativação do metabolismo do carbono-1, como fator importante para adaptação metabólica durante a oncogênese e progressão do câncer. Entretanto, o papel do metabolismo do carbono-1 no câncer de mama ainda é inconclusivo. O presente estudo considerou a hipótese de que o carcinoma ductal invasivo da glândula mamária (IDC) apresenta aumento da atividade do metabolismo do carbono-1, como característica metabólica importante para a progressão da doença. O perfil metabólico de tecidos tumoral (n = 47) e mamário normal adjacente (n = 43; controle) de mulheres com IDC foi analisado por técnica metabolômica-alvo (Biocrates Life Science®) para identificar componentes prevalentes do fenótipo metabólico associado ao câncer de mama, reportados em estudos prévios. Análises estatísticas e de enriquecimento de vias foram realizadas, usando o software MetaboAnalyst 4.0 (Canadá). Apenas características encontradas em 50% das amostras foram analisadas. Análises multivariadas dos dados metabolômicos foram capazes de diferenciar os tecidos normal e tumoral, de acordo com o perfil metabólico. Foram identificados 99 metabólitos diferencialmente expressos no IDC, em comparação ao tecido mamário normal adjacente (p < 0,05). A análise de enriquecimento de vias demonstrou que grande parte dos metabólitos, com maior expressão nas amostras de IDC (vs. controle), esteve envolvida no metabolismo do carbono-1. Observou-se aumento na concentração de aminoácidos doadores de unidades de carbono, como serina, glicina e treonina. Além disso, as análises de enriquecimento das vias metabólicas destacaram aumento da atividade dos ciclos que recebem e doam unidades de carbono, como folato, metionina e homocisteína. Foi também possível identificar aumento na concentração de metabólitos envolvidos em diferentes processos celulares, sabidamente dependentes do metabolismo do carbono-1, como proliferação, biossíntese de nucleotídeos, processos pós-traducionais, remodelação da matriz extracelular e controle do estado redox e de pH celular nas amostras de IDC. Os dados do presente estudo sugerem complementaridade entre as vias metabólicas na progressão de IDC. No entanto, o metabolismo do carbono-1 parece ser via central e poderia constituir potencial-alvo molecular para tratamento de IDC. Considerando que o metabolismo do carbono-1 é sensível à disponibilidade de nutrientes, é possível ainda que essa via metabólica possa representar uma janela terapêutica para intervenções dietéticas para complementar o tratamento farmacológico padrãoOne-carbon metabolism involving the folate, methionine and transsulfuration cycles, can be held responsible for integrating the cellular nutritional status with its metabolism (biosynthesis of nucleotides, extracellular matrix remodeling, maintenance of redox status and epigenetic events) from the availability of nutrients such as amino acids, glucose, and vitamins. Clinical and experimental studies exploring molecular mechanisms have suggested the overactivation of one-carbon metabolism as an important factor for metabolic adaptation during cancer oncogenesis and progression. However, the role of one-carbon metabolism in breast cancer is still inconclusive. The present study considered the hypothesis that invasive mammary gland ductal carcinoma (IDC) has increased one-carbon metabolism activity as an important metabolic characteristic for disease progression. The metabolic profile of tumor (n = 47) and adjacent normal breast (n = 43; control) tissues of women with IDC were analyzed by target metabolomic technique (Biocrates Life Science®) to identify prevalent components of the metabolic phenotype associated with breast cancer, reported in previous studies. Statistical and pathway enrichment analysis were performed using MetaboAnalyst 4.0 software (Canada). Only characteristics found in 50% of the samples were analyzed. Multivariate analysis of metabolomic data were able to differentiate normal and tumor tissues according to metabolic profile. Ninety-nine differentially expressed metabolites in IDC were identified compared to adjacent normal breast tissue (p < 0.05). Pathway enrichment analysis showed that most metabolites, with greater expression in the IDC (vs. control) samples, were involved in one-carbon metabolism. An increase in the concentration of donor amino acids from carbon units such as serine, glycine, and threonine was observed. In addition, the metabolic pathways enrichment analyzes showed increased activity cycles that receive and donate carbon units, such as folate, methionine, and homocysteine. It was also possible to identify an increase in the concentration of metabolites involved in different cellular processes, known to be dependent on carbon-1 metabolisms, such as proliferation, nucleotide biosynthesis, post-translational processes, extracellular matrix remodeling and redox and cell pH control, in IDC samples. The data from this study suggest complementarity of the metabolic pathways in the IDC progression. However, carbon-1 metabolism appears to be a central pathway and could be a potential molecular target for treating IDC. Considering that one-carbon metabolism is sensitive to nutrient availability, it is possible that this metabolic pathway may represent a therapeutic window for dietary interventions to complement standard pharmacological treatmen