Generation and characterization of mouse models of Small cell lung cancer and Basal cell carcinoma for the preclinical evaluation of new therapies

Background. Human small cell lung cancer (SCLC) accounting for approximately 15-20% of all lung cancers, is an aggressive tumor with high propensity for early regional and distant metastases. Although the initial tumor rate response to chemotherapy is very high, SCLC relapses after approximately 4 months in ED and 12 months in LD. Basal cell carcinoma (BCC) is the most prevalent cancer in the western world, and its incidence is increasing worldwide. This type of cancer rarely metastasizes and the death rate is extraordinary low. Surgery is curative for most of the patients, but for those that develop locally advanced or metastatic BCC there is currently no effective treatment. Both types of cancer have been deeply investigated and genetic alterations, MYCN amplification (MA) among the most interesting, have been found. These could become targets of new pharmacological therapies. Procedures. We created and characterized novel BLI xenograft orthotopic mouse models of SCLC to evaluate the tumor onset and progression and the efficacy of new pharmacological strategies. We compared an in vitro model with a transgenic mouse model of BCC, to investigate and delineate the canonical HH signalling pathway and its connections with other molecular pathways. Results and conclusions. The orthotopic models showed latency and progression patterns similar to human disease. Chemotherapy treatments improved survival rates and validated the in vivo model. The presence of MA and overexpression were confirmed in each model and we tested the efficacy of a new MYCN inhibitor in vitro. Preliminar data of BCC models highlighted Hedgehog pathway role and underlined the importance of both in vitro and in vivo strategies to achieve a better understanding of the pathology and to evaluate the applicability of new therapeutic compounds

Activity and mechanisms of action of novel organosulfur derivatives of the HDAC inhibitor Valproic Acid in human experimental models of non-small-cell lung cancer

Non-small-cell lung cancer (NSCLC) represents the leading cause of cancer death worldwide, and 5-year survival is about 16% for patients diagnosed with advanced lung cancer and about 70-90% when the disease is diagnosed and treated at earlier stages. Treatment of NSCLC is changed in the last years with the introduction of targeted agents, such as gefitinib and erlotinib, that have dramatically changed the natural history of NSCLC patients carrying specific mutations in the EGFR gene, or crizotinib, for patients with the EML4-ALK translocation. However, such patients represent only about 15-20% of all NSCLC patients, and for the remaining individuals conventional chemotherapy represents the standard choice yet, but response rate to thise type of treatment is only about 20%. Development of new drugs and new therapeutic approaches are so needed to improve patients outcome. In this project we aimed to analyse the antitumoral activity of two compounds with the ability to inhibit histone deacethylases (ACS 2 and ACS 33), derived from Valproic Acid and conjugated with H2S, in human cancer cell lines derived from NSCLC tissues. We showed that ACS 2 represents the more promising agent. It showed strong antitumoral and pro-apoptotic activities, by inducing membrane depolarization, cytocrome-c release and caspase 3 and 9 activation. It was able to reduce the invasive capacity of cells, through inhibition of metalloproteinases expression, and to induce a reduced chromatin condensation. This last characteristic is probably responsible for the observed high synergistic activity in combination with cisplatin. In conclusion our results highlight the potential role of the ACS 2 compound as new therapeutic option for NSCLC patients, especially in combination with cisplatin. If validated in in vivo models, this compound should be worthy for phase I clinical trials.

Attenuation of Eph Receptor Kinase Activation in Cancer Cells by Coexpressed Ephrin Ligands

The Eph receptor tyrosine kinases mediate juxtacrine signals by interacting “in trans” with ligands anchored to the surface of neighboring cells via a GPI-anchor (ephrin-As) or a transmembrane segment (ephrin-Bs), which leads to receptor clustering and increased kinase activity. Additionally, soluble forms of the ephrin-A ligands released from the cell surface by matrix metalloproteases can also activate EphA receptor signaling. Besides these trans interactions, recent studies have revealed that Eph receptors and ephrins coexpressed in neurons can also engage in lateral “cis” associations that attenuate receptor activation by ephrins in trans with critical functional consequences. Despite the importance of the Eph/ephrin system in tumorigenesis, Eph receptor-ephrin cis interactions have not been previously investigated in cancer cells. Here we show that in cancer cells, coexpressed ephrin-A3 can inhibit the ability of EphA2 and EphA3 to bind ephrins in trans and become activated, while ephrin-B2 can inhibit not only EphB4 but also EphA3. The cis-inhibition of EphA3 by ephrin-B2 implies that in some cases ephrins that cannot activate a particular Eph receptor in trans can nevertheless inhibit its signaling ability through cis association. We also found that an EphA3 mutation identified in lung cancer enhances cis interaction with ephrin-A3. These results suggest a novel mechanism that may contribute to cancer pathogenesis by attenuating the tumor suppressing effects of Eph receptor signaling pathways activated by ephrins in trans (Falivelli et al. 2013).

Profilo farmacogenetico di determinanti molecolari dell'attività di cisplatino e gemcitabina in pazienti affetti da tumore polmonare non a piccole cellule

Il carcinoma polmonare rappresenta un problema socio-sanitario di grande rilievo, essendo la prima causa di morte per neoplasia. Il carcinoma polmonare non a piccole cellule (non small cell lung cancer - NSCLC) rappresenta la variante istologica più frequente (80% dei casi di tumore polmonare). Al momento della diagnosi circa il 60-70% dei pazienti presenta una malattia in stadio avanzato o metastatico non essendo suscettibile di trattamento chirurgico. Per questi pazienti il trattamento chemioterapico determina un prolungamento della sopravvivenza e un miglioramento della qualità  della vita rispetto alla sola terapia di supporto, identificandosi come standard terapeutico. L'individuazione del migliore trattamento chemioterapico per questo subset di pazienti rappresenta pertanto una delle principali sfide della ricerca oncologica. I regimi polichemioterapici si possono dividere schematicamente in tre generazioni in relazione all'introduzione nel corso degli anni di nuovi agenti chemioterapici. Con l'avvento dei regimi di terza generazione, il trattamento del NSCLC avanzato sembra aver raggiunto un plateau, mancando infatti chiare dimostrazioni di superiorità  di un regime di ultima generazione rispetto ad un altro. Tra questi l'associazione cisplatino e gemcitabina rappresenta uno dei regimi standard più utilizzati in considerazione del suo favorevole rapporto costo-beneficio. Al fine di migliorare i risultati del trattamento chemioterapico in termini di attività  ed efficacia, una possibilità  consiste nell'individuazione di parametri predittivi che ci consentano di identificare il miglior trattamento per il singolo paziente. Tra i vari parametri predittivi valutabili, un crescente interesse è stato rivolto a quelli di carattere genetico, anche grazie all'avvento di nuove tecniche di biologia molecolare e al sequenziamento del genoma umano che ha dato nuovo impulso a studi di farmacogenetica e farmacogenomica. Sulla base di queste considerazioni, in questa tesi è stato effettuato uno studio mirato a valutare l'espressione di determinanti molecolari coinvolti nel meccanismo di azione di gemcitabina e cisplatino in pazienti affetti dai due tipi istologici principali di NSCLC, adenocarcinomi e carcinomi squamocellulari. Lo studio dei livelli di espressione genica è stata effettuata in tessuti di 69 pazienti affetti da NSCLC arruolati presso l'Istituto Europeo di Oncologia di Milano. In particolare, mediante Real Time PCR è stata valutata l'espressione genica di ERCC1, hENT1, dCK, 5'-NT, CDA, RRM1 e RRM2 in 85 campioni isolati con microdissezione da biopsie provenienti dai tessuti polmonari normali o tumorali o dalle metastasi linfonodali. Le analisi di questi tessuti hanno mostrato differenze significative per i pattern di espressione genica di diversi determinanti molecolari potenzialmente utile nel predire l'efficacia di gemcitabina/cisplatino e per personalizzare i trattamenti in pazienti affetti da cancro. In conclusione, l'evoluzione delle tecniche di biologia molecolare promossa dagli studi di farmacogenetica racchiude in sè notevoli potenzialità  per quanto concerne l'ideazione di nuovi protocolli terapeutici. Identificando le caratteristiche genotipiche e i livelli di espressione geniche di determinanti molecolari implicati nella risposta ai farmaci potremmo infatti predisporre delle mappe di chemiosensibilità-chemioresistenza per ciascun paziente, nell'ottica di approntare di volta in volta le più appropriate terapie antitumorali in base alle caratteristiche genetiche del paziente e della sua patologia neoplastica.

Role of caveolin-1 in the proliferation of solid tumours in vitro

Caveolin-1 (Cav-1), the essential structural constituent of caveolae, which are flask-shaped invaginations of the plasma membrane, has been found to play a key role in the modulation of cell proliferation and cancer development. It seems to act as an oncosuppressor or a promoter of growth, depending on the histotype, stage and grade of each tumour. The aim of this study was to analyze the effects of Caveolin-1 gene silencing on the proliferation of human lung cancer and osteosarcoma in vitro. Our data show that Cav-1 silencing blocks the growth in both metastatic lung cancer cell lines analyzed, suggesting a proliferation promoting action of the protein in these cells. A marked decrease of phospho-Akt, phospho-ERK, STAT3, cyclin D1, CDK4 and consequently of phospho-Rb expression was evident in the cells treated with Cav-1 siRNA. With regards to osteosarcoma, we demonstrated that the suppression of Cav-1 results in the blocking of MG-63 and in the slowing down of HOS proliferation, suggesting a role for Cav-1 as a promoter of tumour growth in these cell lines. A marked decrease of phospho-Akt, cyclin E, CDK2 and phospho-Rb and an increase of p21 expression levels were evident in the cells treated with Cav-1 siRNA. Our results suggest two new cell cycle inhibiting pathways, mediated by Cav-1 knock-down, and provide new insights into the molecular mechanisms underlying the tumour-promoting role of Cav-1 in lung cancer and osteosarcoma. In this work we also investigated the role of estrogens in lung cancer and the functional cross-talk between Cav-1 and estrogens/estrogen receptors in it. Our results show that 17β-estradiol induces proliferation either in RAL or in SCLC-R1 cells and that both cell lines are sensitive to 4-OHT antiproliferative effect. The sensitivity to estrogen stimulation seems to be gender- and/or histological type-independent in metastatic lung cancer in vitro.

Analisi del profilo tossicologico e cancerogeno del particolato atmosferico e identificazione dei rischi per la salute umana correlati all'esposizione

Gli impianti di incenerimento di rifiuti solidi suscitano preoccupazione nella popolazione per i possibili effetti avversi associati all’esposizione. Gli effetti delle polveri sottili (PM2.5), generate dai processi di combustione, sulla salute umana includono l’insorgenza di patologie a carico del sistema respiratorio e cardiovascolare e l’aumento della mortalità per malattie polmonari e probabilmente cancro al polmone. Lo scopo della tesi è quello di valutare il profilo tossicologico e cancerogeno del particolato atmosferico in prossimità dell’inceneritore di Bologna rispetto alle aree adiacenti mediante l’utilizzo di test alternativi alle metodologie in vivo, come il test di trasformazione cellulare e approcci di tossicogenomica (soprattutto trascrittomica) oltre alla valutazione della variazione del rischio cancerogeno indotto dall’esposizione di PM2.5 in diversi siti (massima ricaduta, controllo, fondo urbano e fondo rurale) e in differenti periodi di campionamento (estate 2008 e inverno 2009). Gli estratti di PM2.5 relativi alla stagione invernale sono risultati più tossici rispetto ai campioni estivi, che inducono tossicità soprattutto alle alte dosi. Per i campioni invernali il numero medio di colonie di cellule BALB/c 3T3 A31-1-1 risulta ridotto in modo significativo anche per le dosi più basse saggiate indipendentemente dal sito di provenienza. Tutti i campioni analizzati sono risultati negativi nel test di trasformazione cellulare in vitro. L’analisi dell’espressione genica delle cellule BALB/c 3T3 A31-1-1, in seguito all’esposizione agli estratti di PM2.5, ha mostrato un effetto stagionale evidente. Relativamente ai campioni invernali è stato evidenziato un maggior effetto tossico da parte del sito di controllo rispetto alla massima ricaduta, poiché nel sito di controllo risultano attivati marcatori di morte cellulare per apoptosi. La valutazione del rischio cancerogeno in tutti i siti valutati non mostra situazioni preoccupanti legate alla predizione di eccessi di rischio di tumori imputabili all’attività dell’inceneritore in quanto le stime di rischio non eccedono mai il valore limite riportato in letteratura.

Indoor and Outdoor Natural Radioactivity in the Vulsini Volcanic District (Central Italy): Estimation of Doses and Radiological Risks

Terrestrial radioactivity for most individual is the major contributor to the total dose and is mostly provided by 238U, 232Th and 40K radionuclides. In particular indoor radioactivity is principally due to 222Rn, a radioactive noble gas descendent of 238U, second cause of lung cancer after cigarettes smoking. Vulsini Volcanic District is a well known quaternary volcanic area located between the northern Latium and southern Tuscany (Central Italy). It is characterized by an high natural radiation background resulting from the high concentrations of 238U, 232Th and 40K in the volcanic products. In this context, subduction-related metasomatic enrichment of incompatible elements in the mantle source coupled with magma differentiation within the upper crust has given rise to U, Th and K enriched melts. Almost every ancient village and town located in this part of Italy has been built with volcanic rocks pertaining to the Vulsini Volcanic District. The radiological risk of living in this area has been estimated considering separately: a. the risk associated with buildings made of volcanic products and built on volcanic rock substrates b. the risk associated to soil characteristics. The former has been evaluated both using direct 222Rn indoor measurements and simulations of “standard rooms” built with the tuffs and lavas from the Vulsini Volcanic District investigated in this work. The latter has been carried out by using in situ measurements of 222Rn activity in the soil gases. A radon risk map for the Bolsena village has been developed using soil radon measurements integrating geological information. Data of airborne radioactivity in ambient aerosol at two elevated stations in Emilia Romagna (North Italy) under the influence of Fukushima plume have been collected, effective doses have been calculated and an extensive comparison between doses associated with artificial and natural sources in different area have been described and discussed.

Design, synthesis and biological evaluation of substituted naphthalene diimides as anticancer agents

It has been proved that naphthalene diimide (NDI) derivatives display anticancer properties as intercalators and G-quadruplex-binding ligands, leading to DNA damage, senescence and down-regulation of oncogene expression. This thesis deals with the design and synthesis of disubstituted and tetrasubstituted NDI derivatives endowed with anticancer activity, interacting with DNA together with other targets implicated in cancer development. Disubstituted NDI compounds have been designed with the aim to provide potential multitarget directed ligands (MTDLs), in order to create molecules able to simultaneously interact with some of the different targets involved in this pathology. The most active compound, displayed antiproliferative activity in submicromolar range, especially against colon and prostate cancer cell lines, the ability to bind duplex and quadruplex DNA, to inhibit Taq polymerase and telomerase, to trigger caspase activation by a possible oxidative mechanism, to downregulate ERK 2 protein and to inhibit ERKs phosphorylation, without acting directly on microtubules and tubuline. Tetrasubstituted NDI compounds have been designed as G-quadruplex-binding ligands endowed with anticancer activity. In order to improve the cellular uptake of the lead compound, the N-methylpiperazine moiety have been replaced with different aromatic systems and methoxypropyl groups. The most interesting compound was 1d, which was able to interact with the G-quadruplexes both telomeric and in HSP90 promoter region, and it has been co-crystallized with the human telomeric G-quadruplex, to directly verify its ability to bind this kind of structure, and also to investigate its binding mode. All the morpholino substituted compounds show antiproliferative activity in submicromolar values mainly in pancreatic and lung cancer cell lines, and they show an improved biological profile in comparison with that of the lead compound. In conclusion, both these studies, may represent a promising starting point for the development of new interesting molecules useful for the treatment of cancer, underlining the versatility of the NDI scaffold.

Ruolo dei recettori tirosinchinasici in oncologia animale

Disregolazioni dei recettori tirosinchinasici (RTK) sono di frequente riscontro nei tumori dell’uomo e in molti casi sono indicatori biologici che permettono di definire in maniera più accurata la prognosi dei pazienti. Possono rappresentare inoltre marker predittivi per la risposta a terapie antitumorali con farmaci a bersaglio molecolare. Numerosi inibitori tirosinchinasici (TKI) sono attualmente in corso di studio o già disponibili per l’utilizzo in oncologia umana, e molti di questi hanno dimostrato una significativa efficacia utilizzati singolarmente o in combinazione a terapie convenzionali. Studi recenti indicano che un quadro analogo di disregolazione dei recettori tirosinchinasici è presente anche nelle neoplasie dei piccoli animali, e ne suggeriscono in molti casi un’implicazione prognostica. Gli inibitori tirosinchinasi sono da poco entrati nell’arena dell’oncologia veterinaria, ma i primi risultati lasciano supporre che siano destinati ad essere integrati definitivamente nei protocolli terapeutici standard. La tesi consiste in una parte introduttiva in cui sono trattate le principali funzioni biologiche dei recettori tirosinchinasici, la loro struttura e il loro ruolo nell’oncogenesi e nella progressione tumorale in medicina umana e veterinaria. Si affrontano inoltre le principali metodiche di laboratorio per l’analisi molecolare in oncologia e i meccanismi d’azione dei farmaci inibitori tirosinchinasici, con un cenno ai prodotti maggiormente utilizzati e alle loro indicazioni. Segue la presentazione e la discussione dei risultati di quattro studi relativi alla valutazione delle disregolazioni del recettore tirosinchinasico Kit (espressione aberrante e mutazioni genomiche) nel mastocitoma cutaneo del gatto e del recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) nel carcinoma squamocellulare cutaneo del gatto e nei tumori polmonari primitivi del cane, con particolare attenzione al loro ruolo prognostico.

Carcinoma polmonare non a piccole cellule T1aN0M0: Ruolo prognostico della Microvessel Density

Obiettivi. Valutare l’angiogenesi tumorale mediante la Microvessel density (MVD) come fattore predittivo di mortalità per tumore polmonare non a piccole cellule (NSCLC) pT1aN0M0 trattato chirurgicamente. Metodi. I dati demografici, clinici e istopatologici sono stati registrati per 82 pazienti (60 maschi, 22 femmine) sottoposti a resezione chirurgica in due diverse Chirurgie Toraciche tra gennaio 2002 e dicembre 2007 per tumori polmonari non a piccole cellule pT1AN0M0. La MVD è stata valutata mediante il conteggio visivo dei microvasi positivi alla colorazione immunoistochimica con anticorpo monoclonale anti-CD31 e definita come il numero medio di microvasi per 1 mm2 di campo ottico. Risultati. Sono state eseguite 59 lobectomie (72%) e 23 resezioni sublobari (28%). Reperti istopatologici: 43 adenocarcinomi (52%) e 39 neoplasie non- adenocarcinoma (48%) pT1aN0M0; MVD media: 161 (CD31/mm2); mediana: 148; range 50-365, cut-off=150. Una MVD elevata (> 150 CD31/mm2) è stata osservata in 40 pazienti (49%), una MVD ridotta ( ≤ 150 CD31/mm2 ) in 42 pazienti (51%). Sopravvivenze a 5 anni: 70 % e 95%, rispettivamente per il gruppo ad elevata MVD vs il gruppo a ridotta MVD con una p = 0,0041, statisticamente significativa. Il tipo di resezione chirurgica, il diametro del tumore, le principali comorbidità e l’istotipo nono sono stati fattori predittivi significativi di mortalità correlata alla malattia. La MVD è risultata essere superiore nel gruppo “Adenocarcinoma” (MVD mediana=180) rispetto al gruppo “Non-Adenocarcinoma (MVD mediana=125), con un test di Mann-Whitney statisticamente significativo (p < 0,0001). Nel gruppo “Adenocarcinoma” la sopravvivenza a 5 anni è stata del 66% e 93 %, rispettivamente per i pazienti con MVD elevata e ridotta (p = 0.043. Conclusioni. Il nostro studio ha mostrato che la Microvessel density valutata con la colorazione immunoistochimica per CD31 ha un valore prognostico rilevante nel carcinoma polmonare in stadio precoce pT1aN0M0.

Role of Non-coding RNAs in chemotherapeutic treatments

The transcribed ultraconserved regions (T-UCRs) are a group of long non-coding RNAs involved in human carcinogenesis. The factors regulating the expression of T-UCRs and their mechanism of action in human cancers are unknown. In this work it was shown that high expression of uc.339 associates with lower survival in 204 non-small cell lung cancer (NSCLC) patients. Moreover, it was shown that uc.339 found up-regulated in archival NSCLC samples, acts as a decoy RNA for miR-339-3p, -663-3p and -95-5p. So, Cyclin E2, a direct target of three microRNAs is up-regulated, inducing cancer growth and migration. Evidence of this mechanism was provided from cell lines and primary samples confirming that TP53 directly regulates uc.339. These results support a key role for uc.339 in lung cancer.

Perdite aeree prolungate dopo resezione polmonare

Il tumore del polmone e una delle neoplasie più diagnosticate dal 1985 e rimane ancora oggi la causa più frequente di morte cancro-correlata nel mondo. Una resezione polmonare anatomica completa continua ad essere il cardine della terapia per il tumore non a piccole cellule. Perdite aeree prolungate (PAL) sono la più comune complicanza dopo una chirurgia polmonare e sono state riportate con un’incidenza compresa tra il 3-26%, simile sia nelle resezioni polmonari per via toracotomica sia in quelle per via toracoscopica. Fattori di rischio descritti sono scissure interlobari incomplete, patologie polmonari sottostanti (come enfisema, fibrosi, tubercolosi o neoplasie), aderenze pleuriche, pazienti anziani (>75 anni) e bassa capacita di diffusione. Lo sviluppo di strumentazione all’avanguardia e di nuove tecniche chirurgiche ha contribuito a ridurre l’incidenza di queste complicanze. Considerando l’alto impatto clinico e socio-economico di queste problematiche, e stata inoltre sviluppata una varietà di complementari naturali e materiali sintetici molti utili nella gestione delle perdite aeree.