Ricerca avanzata

One of the main features of tumorigenesis is the profound reprogramming in cellular metabolism that a cancer cell needs to support its particular energy and synthetic needs. To sustain their elevate proliferation rate, in fact, cancer cells require a large supply of nutrients and an enhanced anabolic metabolism. For this purpose, in neoplastic cells are observed peculiar metabolic processes, including the Warburg effect, associated with the alteration in the levels of activation of regulatory pathways. Among these pathways, AMPK is one of the most important since the phosphorylation of AMPK causes an overall enhancement of the catabolic activity at the expense of the anabolic one. One of the most recent and promising anticancer approaches is therefore based on compounds capable of interfering with the metabolic processes and/or with the associated regulatory pathways, peculiar to tumor cells, in order to prevent the tumor from sustaining its own growth. These new anticancer agents include metformin and resveratrol, which are believed to exert their effect by activating the AMPK pathway. In addition to these two, in recent years many studies have shown that among the plant-derived bioactives present in the diet or their derivatives, there are numerous compounds with antitumor activity and defined for their pharmacological properties as nutraceutical compounds. The purpose of my thesis was to evaluate the ability of different nutraceuticals to activate AMPK and, consequently, to have an antitumor effect in in vitro models of chronic myeloid leukemia (CML) in particular represented by the cell lines K562, MEG-01 , KYO-1 and SHK-1. CML is a leukemic form that represents 15% of new cases of leukemia diagnosed every year for which a definitive therapy is not yet available. The therapy involves the use of imatinib or its analogues capable of inhibiting the oncogene product of the BCR-ABL1 translocation characteristic of CML, but this treatment is often associated with the onset of resistance and/or severe toxic side effects. My study then focused on hydroxycitric acid (HCA), a compound extracted from the Garcinia cambogia plant, as it proved to be the most potent molecule in inducing the activation of AMPK in the models used and, in particular, in the K562 cells on which, therefore, I conducted the subsequent analyzes. The study showed that HCA causes increased phosphorylation of AMPK at the same time as that of the main effectors of the mTORC1 pathway (S6K and S6). In addition, the activation of eIF2α and ATF4, the main stress markers from the accumulation of incorrectly folded proteins, was also observed. From a phenotypic point of view, the treatment with HCA caused a significant reduction in proliferation in all the cell lines tested with accumulation of fragmented DNA and block of the cell cycle in the G2 / M phase. In conclusion, from my experiments emerged that HCA possesses a hitherto unknown antileukemic activity which manifests itself through the concomitant activation of the two regulatory pathways of cellular metabolism such as AMPK and mTORC1. The activation of these two pathways would produce an alteration of the maturation processes of the newly synthesized proteins with the accumulation of incomplete products and induction of ER stress. We can hypothesize that this leads to a defect in the DNA repair mechanisms with consequent increase in damage and activation of the block of cycle progression. It will be necessary to evaluate whether the antitumor effect of HCA observed in vitro also occurs in more complex experimental models such as xenografts in immudeficient mice. Subsequently, studies of co-administration of HCA with other antileukemic drugs will be carried out. It would also be interesting to evaluate whether HCA maintains this anticancer activity in other types of neoplasms as well as in CML.

La tumorigenesi comporta una profonda riprogrammazione del metabolismo cellulare per sostenere particolari esigenze energetiche e sintetiche. Le cellule tumorali, infatti, necessitano di un grande apporto di nutrienti e di un potenziato metabolismo anabolico per poter proliferare. A questo scopo, nelle cellule neoplastiche si osservano processi metabolici peculiari e, associati a questi, l’alterazione nei livelli di attivazione di vie regolatorie. Tra queste vie, quella di AMPK è una delle più importanti in quanto la fosforilazione di AMPK provoca un potenziamento complessivo dell’attività catabolica a scapito di quella anabolica. Uno dei più promettenti approcci antitumorali, si basa quindi su composti in grado di interferire con i processi metabolici e/o le vie regolatori associate, peculiari delle cellule tumorali impedendo, di fatto, al tumore di sostenere la propria crescita. Tra questi nuovi antitumorali si annoverano la metformina e resveratrolo, che si ritiene esercitino il loro effetto attivando la via di AMPK. Oltre a questi, negli ultimi anni molti studi hanno dimostrato che tra i bioattivi vegetali presenti nella dieta o loro derivati si riscontrano numerosi composti dotati di attività antitumorale che, per le loro proprietà farmacologiche, vengono definiti composti nutraceutici. Lo scopo della mia tesi è stato quello di valutare la capacità di diversi nutraceutici di attivare AMPK e, in conseguenza, di avere un effetto antitumorale in modelli in vitro di leucemia mieloide cronica (CML) in particolare nelle linee cellulari K562, MEG-01, KYO-1 e SHK-1. La CML è una forma leucemica che rappresenta il 15% dei nuovi casi di leucemia diagnosticati ogni anno per cui ad oggi non è ancora disponibile una terapia risolutiva. La terapia prevede l’utilizzo di imatinib o di suoi analoghi in grado di inibire l’oncogene prodotto della traslocazione BCR-ABL1 tipica della CML, ma questo trattamento è spesso associato all’insorgenza di resistenze e/o di pesanti effetti collaterali. Il mio studio, poi, si è focalizzato sull’acido idrossicitrico (HCA), un composto estratto dalla pianta Garcinia cambogia, in quanto si è dimostrato essere la molecola più potente nell’indurre l’attivazione di AMPK nei modelli utilizzati e, in particolare, nelle cellule K562 su cui, quindi, ho condotto le successive analisi. Lo studio ha mostrato che HCA provoca aumento della fosforilazione di AMPK contemporaneamente a quella dei principali effettori del pathway di mTORC1 (S6K e S6). Inoltre, si è osservata anche l’attivazione di eIF2α e ATF4, principali marker di stress da accumulo di proteine non correttamente ripiegate. Dal punto di vista fenotipico, il trattamento con HCA ha provocato una significativa riduzione della proliferazione in tutte le linee cellulari testate con accumulo di DNA frammentato e blocco del ciclo cellulare in fase G2/M. In conclusione, dai miei esperimenti è emerso che HCA possiede una finora sconosciuta attività antileucemica che si manifesta attraverso la concomitante attivazione delle due vie regolatorie del metabolismo cellulare come AMPK e mTORC1. L’attivazione di queste due vie produrrebbe un’alterazione dei processi di maturazione delle proteine neosintetizzate con accumulo di prodotti non completi e induzione di ER stress. Possiamo ipotizzare che questo comporti un difetto nei meccanismi di riparo del DNA con conseguente aumento del danno e attivazione del blocco della progressione del ciclo. Sarà necessario valutare se l’effetto antitumorale di HCA osservato in vitro si manifesti anche in modelli sperimentali più complessi come xenotrapianti in topi immudeficienti. Successivamente si potranno effettuare studi di co-somministrazione di HCA con altri farmaci antileucemici. Sarebbe interessante anche valutare se HCA mantenga questa attività antitumorale anche in altri tipi di neoplasie oltre che nella CML.

Vulnerabilità metabolica della leucemia mieloide cronica: l'effetto dell'acido idrossicitrico (HCA).

DALLERA, LUCA
2019/2020

Abstract

One of the main features of tumorigenesis is the profound reprogramming in cellular metabolism that a cancer cell needs to support its particular energy and synthetic needs. To sustain their elevate proliferation rate, in fact, cancer cells require a large supply of nutrients and an enhanced anabolic metabolism. For this purpose, in neoplastic cells are observed peculiar metabolic processes, including the Warburg effect, associated with the alteration in the levels of activation of regulatory pathways. Among these pathways, AMPK is one of the most important since the phosphorylation of AMPK causes an overall enhancement of the catabolic activity at the expense of the anabolic one. One of the most recent and promising anticancer approaches is therefore based on compounds capable of interfering with the metabolic processes and/or with the associated regulatory pathways, peculiar to tumor cells, in order to prevent the tumor from sustaining its own growth. These new anticancer agents include metformin and resveratrol, which are believed to exert their effect by activating the AMPK pathway. In addition to these two, in recent years many studies have shown that among the plant-derived bioactives present in the diet or their derivatives, there are numerous compounds with antitumor activity and defined for their pharmacological properties as nutraceutical compounds. The purpose of my thesis was to evaluate the ability of different nutraceuticals to activate AMPK and, consequently, to have an antitumor effect in in vitro models of chronic myeloid leukemia (CML) in particular represented by the cell lines K562, MEG-01 , KYO-1 and SHK-1. CML is a leukemic form that represents 15% of new cases of leukemia diagnosed every year for which a definitive therapy is not yet available. The therapy involves the use of imatinib or its analogues capable of inhibiting the oncogene product of the BCR-ABL1 translocation characteristic of CML, but this treatment is often associated with the onset of resistance and/or severe toxic side effects. My study then focused on hydroxycitric acid (HCA), a compound extracted from the Garcinia cambogia plant, as it proved to be the most potent molecule in inducing the activation of AMPK in the models used and, in particular, in the K562 cells on which, therefore, I conducted the subsequent analyzes. The study showed that HCA causes increased phosphorylation of AMPK at the same time as that of the main effectors of the mTORC1 pathway (S6K and S6). In addition, the activation of eIF2α and ATF4, the main stress markers from the accumulation of incorrectly folded proteins, was also observed. From a phenotypic point of view, the treatment with HCA caused a significant reduction in proliferation in all the cell lines tested with accumulation of fragmented DNA and block of the cell cycle in the G2 / M phase. In conclusion, from my experiments emerged that HCA possesses a hitherto unknown antileukemic activity which manifests itself through the concomitant activation of the two regulatory pathways of cellular metabolism such as AMPK and mTORC1. The activation of these two pathways would produce an alteration of the maturation processes of the newly synthesized proteins with the accumulation of incomplete products and induction of ER stress. We can hypothesize that this leads to a defect in the DNA repair mechanisms with consequent increase in damage and activation of the block of cycle progression. It will be necessary to evaluate whether the antitumor effect of HCA observed in vitro also occurs in more complex experimental models such as xenografts in immudeficient mice. Subsequently, studies of co-administration of HCA with other antileukemic drugs will be carried out. It would also be interesting to evaluate whether HCA maintains this anticancer activity in other types of neoplasms as well as in CML.
DIPARTIMENTO DI MEDICINA MOLECOLARE
2019
Metabolic vulnerabilities of chronic myeloid leukemia: the effect of hydroxycitric acid (HCA).
La tumorigenesi comporta una profonda riprogrammazione del metabolismo cellulare per sostenere particolari esigenze energetiche e sintetiche. Le cellule tumorali, infatti, necessitano di un grande apporto di nutrienti e di un potenziato metabolismo anabolico per poter proliferare. A questo scopo, nelle cellule neoplastiche si osservano processi metabolici peculiari e, associati a questi, l’alterazione nei livelli di attivazione di vie regolatorie. Tra queste vie, quella di AMPK è una delle più importanti in quanto la fosforilazione di AMPK provoca un potenziamento complessivo dell’attività catabolica a scapito di quella anabolica. Uno dei più promettenti approcci antitumorali, si basa quindi su composti in grado di interferire con i processi metabolici e/o le vie regolatori associate, peculiari delle cellule tumorali impedendo, di fatto, al tumore di sostenere la propria crescita. Tra questi nuovi antitumorali si annoverano la metformina e resveratrolo, che si ritiene esercitino il loro effetto attivando la via di AMPK. Oltre a questi, negli ultimi anni molti studi hanno dimostrato che tra i bioattivi vegetali presenti nella dieta o loro derivati si riscontrano numerosi composti dotati di attività antitumorale che, per le loro proprietà farmacologiche, vengono definiti composti nutraceutici. Lo scopo della mia tesi è stato quello di valutare la capacità di diversi nutraceutici di attivare AMPK e, in conseguenza, di avere un effetto antitumorale in modelli in vitro di leucemia mieloide cronica (CML) in particolare nelle linee cellulari K562, MEG-01, KYO-1 e SHK-1. La CML è una forma leucemica che rappresenta il 15% dei nuovi casi di leucemia diagnosticati ogni anno per cui ad oggi non è ancora disponibile una terapia risolutiva. La terapia prevede l’utilizzo di imatinib o di suoi analoghi in grado di inibire l’oncogene prodotto della traslocazione BCR-ABL1 tipica della CML, ma questo trattamento è spesso associato all’insorgenza di resistenze e/o di pesanti effetti collaterali. Il mio studio, poi, si è focalizzato sull’acido idrossicitrico (HCA), un composto estratto dalla pianta Garcinia cambogia, in quanto si è dimostrato essere la molecola più potente nell’indurre l’attivazione di AMPK nei modelli utilizzati e, in particolare, nelle cellule K562 su cui, quindi, ho condotto le successive analisi. Lo studio ha mostrato che HCA provoca aumento della fosforilazione di AMPK contemporaneamente a quella dei principali effettori del pathway di mTORC1 (S6K e S6). Inoltre, si è osservata anche l’attivazione di eIF2α e ATF4, principali marker di stress da accumulo di proteine non correttamente ripiegate. Dal punto di vista fenotipico, il trattamento con HCA ha provocato una significativa riduzione della proliferazione in tutte le linee cellulari testate con accumulo di DNA frammentato e blocco del ciclo cellulare in fase G2/M. In conclusione, dai miei esperimenti è emerso che HCA possiede una finora sconosciuta attività antileucemica che si manifesta attraverso la concomitante attivazione delle due vie regolatorie del metabolismo cellulare come AMPK e mTORC1. L’attivazione di queste due vie produrrebbe un’alterazione dei processi di maturazione delle proteine neosintetizzate con accumulo di prodotti non completi e induzione di ER stress. Possiamo ipotizzare che questo comporti un difetto nei meccanismi di riparo del DNA con conseguente aumento del danno e attivazione del blocco della progressione del ciclo. Sarà necessario valutare se l’effetto antitumorale di HCA osservato in vitro si manifesti anche in modelli sperimentali più complessi come xenotrapianti in topi immudeficienti. Successivamente si potranno effettuare studi di co-somministrazione di HCA con altri farmaci antileucemici. Sarebbe interessante anche valutare se HCA mantenga questa attività antitumorale anche in altri tipi di neoplasie oltre che nella CML.
Lauree Magistrali
File in questo prodotto:
Non ci sono file associati a questo prodotto.

È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
Per maggiori informazioni e per verifiche sull'eventuale disponibilità del file scrivere a: unitesi@unipv.it.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14239/12731