Studio del ruolo della Protein chinasi B/Akt nella migrazione di Cellule Staminali Mesenchimali umane

Le cellule staminali/stromali mesenchimali umane (hMSC) sono attualmente applicate in diversi studi clinici e la loro efficacia è spesso legata alla loro capacità di raggiungere il sito d’interesse. Poco si sa sul loro comportamento migratorio e i meccanismi che ne sono alla base. Perciò, questo studio è stato progettato per comprendere il comportamento migratorio delle hMSC e il coinvolgimento di Akt, nota anche come proteina chinasi B. L’espressione e la fosforilazione della proteinchinasi Akt è stata studiata mediante Western blotting. Oltre al time-lapse in vivo imaging, il movimento cellulare è stato monitorato sia mediante saggi tridimensionali, con l’uso di transwell, che mediante saggi bidimensionali, attraverso la tecnica del wound healing. Le prove effettuate hanno rivelato che le hMSC hanno una buona capacità migratoria. E’ stato osservato che la proteinchinasi B/Akt ha elevati livelli basali di fosforilazione in queste cellule. Inoltre, la caratterizzazione delle principali proteine di regolazione ed effettrici, a monte e a valle di Akt, ha permesso di concludere che la cascata di reazioni della via di segnale anche nelle hMSC segue un andamento canonico. Specifici inibitori farmacologici sono stati utilizzati per determinare il potenziale meccanismo coinvolto nella migrazione cellulare e nell'invasione. L’inibizione della via PI3K/Akt determina una significativa riduzione della migrazione. L’utilizzo di inibitori farmacologici specifici per le singole isoforme di Akt ha permesso di discriminare il ruolo diverso di Akt1 e Akt2 nella migrazione delle hMSC. E’ stato infatti dimostrato che l'inattivazione di Akt2, ma non quella di Akt1, diminuisce significativamente la migrazione cellulare. Nel complesso i risultati ottenuti indicano che l'attivazione di Akt2 svolge un ruolo critico nella migrazione della hMSC; ulteriori studi sono necessari per approfondire la comprensione del fenomeno. La dimostrazione che l’isoforma Akt2 è necessaria per la chemiotassi diretta delle hMSC, rende questa chinasi un potenziale bersaglio farmacologico per modulare la loro migrazione.

Leucemia Acuta Mieloide e signaling purinergico: possibili sviluppi terapeutici

I nucleotidi trifosfato sono, dal punto di vista evoluzionistico, tra le molecole più antiche e conservate tra le specie. Oltre al ruolo che ricoprono nella sintesi degli acidi nucleici e nel metabolismo energetico della cellula, negli ultimi anni è emerso sempre di più il loro coinvolgimento nella regolazione di numerose funzioni cellulari. Questi importanti mediatori cellulari sono presenti nel microambiente e cambiamenti nella loro concentrazione extracellulare possono modulare la funzionalità cellulare. I nucleotidi trifosfato ATP e UTP, presenti nel microambiente midollare, sono dei potenti stimolatori dei progenitori emopoietici. Essi stimolano la proliferazione e l’attecchimento delle cellule staminali emopoietiche, così come la loro capacità migratoria, attraverso l’attivazione di specifici recettori di membrana, i recettori purinergici (P2R). In questo studio abbiamo dimostrato che ATP e UTP esercitano un effetto opposto sul compartimento staminale leucemico di leucemia acuta mieloide (LAM). Abbiamo dimostrato che le cellule leucemiche esprimono i recettori P2 funzionalmente attivi. Studi di microarray hanno evidenziato che, a differenza di ciò che avviene nelle CD34+, la stimolazione di cellule leucemiche con ATP induce la down-regolazione dei geni coinvolti nella proliferazione e nella migrazione, mentre up-regola geni inibitori del ciclo cellulare. Abbiamo poi confermato a livello funzionale, mediante test in vitro, gli effetti osservati a livello molecolare. Studi di inibizione farmacologica, ci hanno permesso di capire che l’attività inibitoria dell’ATP sulla proliferazione si esplica attraverso l’attivazione del recettore P2X7, mentre i sottotipi recettoriali P2 prevalentemente coinvolti nella regolazione della migrazione sono i recettori P2Y2 e P2Y4. Esperimenti di xenotrapianto, hanno evidenziato che l’esposizione ad ATP e UTP sia dei blasti leucemici sia delle cellule staminali leucemiche CD38-CD34+ diminuisce la loro capacità di homing e di engraftment in vivo. Inoltre, il trattamento farmacologico con ATP, di topi ai quali è stata indotta una leucemia umana, ha diminuito lo sviluppo della leucemia in vivo.

Identificazione dei meccanismi molecolari responsabili del ruolo oncosoppressivo della molecola CD99 nell'osteosarcoma

CD99, glicoproteina di membrana codificata dal gene MIC2, è coinvolta in numerosi processi cellulari, inclusi adesione, migrazione, apoptosi, differenziamento e regolazione del trafficking intracellulare di proteine, in condizioni fisiologiche e patologiche. Nell’osteosarcoma risulta scarsamente espressa ed ha ruolo oncosoppressivo. L’isoforma completa (CD99wt) e l’isoforma tronca (CD99sh), deleta di una porzione del dominio intracellulare, influenzano in modo opposto la malignità tumorale. In questo studio, comparando cellule di osteosarcoma caratterizzate da differenti capacità metastatiche e diversa espressione di CD99, abbiamo valutato la modulazione dei contatti cellula-cellula, la riorganizzazione del citoscheletro di actina e la modulazione delle vie di segnalazione a valle del CD99, al fine di identificare i meccanismi molecolari regolati da questa molecola e responsabili del comportamento migratorio e invasivo delle cellule di osteosarcoma. L'espressione forzata di CD99wt induce il reclutamento di N-caderina e β-catenina a livello delle giunzioni aderenti ed inibisce l'espressione di molecole cruciali nel processo di rimodellamento del citoscheletro di actina, come ACTR2, ARPC1A, Rho-associated, coiled–coil-containing protein kinase 2 (ROCK2), nonché di ezrina, membro della famiglia ezrin/radixin/moesin e chiaramente associata con la progressione tumorale e la metastatizzazione dell’OS. Gli studi funzionali identificano ROCK2 come mediatore fondamentale nella regolazione della migrazione e della diffusione metastatica dell’osteosarcoma. Mantenendo cSRC in una conformazione inattiva, CD99wt inibisce la segnalazione mediata da ROCK2 inducendo una diminuzione dell’ezrina a livello della membrana accompagnata dalla traslocazione in membrana di N-caderina e β-catenina, principali ponti molecolari per il citoscheletro di actina. La ri-espressione di CD99wt, generalmente presente negli osteoblasti, ma perso nelle cellule di osteosarcoma, attraverso l'inibizione dell'attività di cSrc e ROCK2, aumenta la forza di contatto e riattiva i segnali anti-migratori ostacolando l’azione pro-migratoria, altrimenti dominante, dell’ezrina nell’osteosarcoma. Abbiamo infine valutato la funzione di ROCK2 nel sarcoma di Ewing: nonostante il ruolo oncogenico esercitato da CD99, ROCK2 guida la migrazione cellulare anche in questa neoplasia.

Dissecting the role of zyxin as a mediator of aggressiveness in Ewing sarcoma

Zyxin is a phosphoprotein localized at the focal adhesions and on the actin stress fibres, where it regulates the cytoskeleton organization. In addition, zyxin can shift into the nucleus and modulates the gene expression, affecting key cellular processes. Consequently, zyxin is as a crucial factor in the malignancy of several cancers, like Ewing sarcoma (EWS). EWS is a rare tumour of the bones, affecting children and adolescents. The main features of EWS are the presence of a chimeric transcriptional factor, EWS-FLI1 and the high expression of CD99, a glycoprotein necessary for the maintenance of the malignant phenotype. Triggering of CD99 with specific antibodies causes massive cell death, an effect that requires zyxin presence. In EWS zyxin is repressed by EWS-FLI1 and its forced re-expression counteracts the malignant phenotype. In this work we decided to deepen our knowledge on how zyxin affects EWS malignancy. We proved that zyxin is a negative regulator of cell migration, survival and growth in anchorage-independent conditions, confirming the tumour suppressor role of zyxin. Then we focused on the relation between CD99 and zyxin. Loss of function of CD99, by engagement with specific antibodies or use of shRNA, increases zyxin levels and promotes its nuclear translocation. Here, we observed that zyxin impairs the transcriptional activity of the Glioma associated oncogene 1 (Gli1), a member of the Hedgehog signalling pathway, which has a relevant oncogenic function in EWS. To support these evidences, we also reported that the loss of function of CD99 inhibits, trough zyxin mediation, the expression of Gli1 up-regulated target genes, such as NKX2-2, PTCH1 and cyclins, whilst enhances the expression of its down-regulated target GAS1. In conclusion, we presented a more accurate depiction of zyxin role in EWS, which in the future could be further developed in hope to offer new therapeutic approaches.

Studio degli effetti di citochine a basso dosaggio (LOW DOSE) su cellule di origine animale (3T3-L1) ed umana (hASC)

Nella sindrome metabolica l’insulino-resistenza e l’obesità rappresentano i fattori chiave nello sviluppo di tale patologia, ma il principale player risulta un’infiammazione cronica di basso grado (Chronic Low Grade Inflammation) a carico del tessuto adiposo. Lo scopo di questo progetto di ricerca è quindi stato quello di testare citochine a basso dosaggio come possibile trattamento dell’infiammazione cronica. Le citochine utilizzate (GUNA®-Interleukin 4 (IL-4), GUNA®-Interleukin 10 (IL-10), GUNA®-Melatonin, GUNA®-Melatonin+GUNA®-IL-4.) sono state fornite dall’azienda GUNA S.p.a. Poiché l’infiammazione cronica a basso grado inizia in seguito ad un aumento eccessivo del tessuto adiposo, inizialmente si è valutato l’effetto su una linea di preadipociti murini (3T3-L1). Questa prima parte dello studio ha messo in evidenza come le citochine a basso dosaggio non modificano la vitalità cellulare, anche se agiscono sull’espressione e la localizzazione di vimentina e E-caderina. Inoltre IL-4 e IL-10 sembrano avere una parziale attività inibitoria, non significativa, sull’adipogenesi ad eccezione dell’espressione dell’adiponectina che appare significativamente aumentata. In ultimo i trattamenti con IL-4 e IL-10 hanno mostrato una diminuzione del contenuto di ROS e una ridotta attività antiinfiammatoria dovuta alla diminuzione di IL-6 secreto. Un’altra popolazione cellulare principale nel tessuto adiposo è rappresentata dalle ASC (Adipose Stem Cell). Per tale motivo si è proseguito valutando l’effetto che le citochine low-dose su questo citotipo, evidenziando che il trattamento con le citochine non risulta essere tossico, anche se sembrerebbe rallentare la crescita cellulare, e determina un’inibizione del processo adipogenico. Inoltre il trattamento con IL-10 sembra stimolare le ASC a produrre fattori che inducono una maggiore vasculogenesi e le induce a produrre fattori chemiotattici che determinano una maggiore capacità di rigenerazione tissutale da parte di MSC da derma. Infine, il trattamento con IL-4 e IL-10 stimola probabilmente una minore produzione di citochine pro-infiammatorie che inducono in maniera significativa una minore mobilità di cellule MSC.

The role of Phospholipases as novel potential modulators of aggressiveness in Glioblastoma

Glioblastoma is the most malignant brain tumor in adults. The standard care of treatment is tumor resection, radiotherapy, and chemotherapy. Despite these invasive therapeutic approaches, glioblastoma prognosis remains unchanged. Therefore, a better understanding of the molecular mechanisms driving tumor transformation is needed to uncover novel therapeutic strategies. Several studies have shown the significance of lipid signaling and phospholipases (PLCs) in the regulation of different mechanisms in the central nervous system as well as in glioblastoma pathogenesis. This work suggests a potential role of PLCβ1 in the maintenance of a less aggressive phenotype of the tumor. Indeed, it was demonstrated that PLCβ1 gene was relatively less expressed in glioblastoma patients compared to their healthy/low-grade counterparts. Moreover, PLCβ1 silencing, in both immortalized and primary cell lines, led to increased cell migration, invasion, proliferation, cell survival and induced the upregulation of mesenchymal markers and metalloproteinases. Moreover, PLCγ1, another abundant PLC isoform in the brain, has been identified as a key element for the aggressiveness of glioblastoma. Data collected on patients’ biopsies and engineered cell models, suggested a strong correlation between PLCγ1 expression level and the acquisition of a more aggressive tumor phenotype. Finally, this trend was further probed using patient-derived glioblastoma stem cells (GSCs), which are a specific tumor population that drives aggressiveness, resistance, and recurrence in glioblastoma. GSCs analysis on the transcriptomic profiles confirmed that PLCγ1 downregulation modulated positively the activation of pathways that negatively regulate cell motility and migration and led to a decreased expression of genes involved in cancer development and progression. Taken together, these data highlight the importance of further investigating phospholipases as potential prognostic biomarkers and targets in the development of new therapeutic strategies for glioblastoma.

Characterization of the molecular mechanisms mediated by the insulin-like growth factor-2 mRNA-binding proteins and Ephrin receptor A2 (EPHA2) signaling in the malignancy of CIC-DUX4 sarcomas

Ewing sarcoma (EWS) and CIC-DUX4 sarcoma (CDS) are pediatric fusion gene-driven tumors of mesenchymal origin characterized by an extremely stable genome and limited clinical solutions. Post-transcriptional regulatory mechanisms are crucial for understanding the development of this class of tumors. RNA binding proteins (RBPs) play a crucial role in the aggressiveness of these tumors. Numerous RBP families are dysregulated in cancer, including IGF2BPs. Among these, IGF2BP3 is a negative prognostic factor in EWS because it promotes cell growth, chemoresistence, and induces the metastatic process. Based on preliminary RNA sequencing data from clinical samples of EWS vs CDS patients, three major axes that are more expressed in CDS have been identified, two of which are dissected in this PhD work. The first involves the transcription factor HMGA2, IGF2BP2-3, and IGF2; the other involves the ephrin receptor system, particularly EphA2. EphA2 is involved in numerous cellular functions during embryonic stages, and its increased expression in adult tissues is often associated with pathological conditions. In tumors, its role is controversial because it can be associated with both pro- and anti-tumoral mechanisms. In EWS, it has been shown to play a role in promoting cell migration and neoangiogenesis. Our study has confirmed that the HMGA2/IGF2BPs/IGF2 axis contributes to CDS malignancy, and Akt hyperactivation has a strong impact on migration. Using loss/gain of function models for EphA2, we confirmed that it is a substrate of Akt, and Akt hyperactivation in CDS triggers ligand-independent activation of EphA2 through phosphorylation of S897. Moreover, the combination of Trabectedin and NVP/BEZ235 partially inhibits Akt/mTOR activation, resulting in reduced tumor growth in vivo. Inhibition of EphA2 through ALWII 41_27 significantly reduces migration in vitro. The project aim is the identification of target molecules in CDS that can distinguish it from EWS and thus develop new targeted therapeutic strategies.

Mesenchymal stromal cell: new applications for regenerative medicine

In the last decades mesenchymal stromal cells (MSC), intriguing for their multilineage plasticity and their proliferation activity in vitro, have been intensively studied for innovative therapeutic applications. In the first project, a new method to expand in vitro adipose derived-MSC (ASC) while maintaining their progenitor properties have been investigated. ASC are cultured in the same flask for 28 days in order to allow cell-extracellular matrix and cell-cell interactions and to mimic in vivo niche. ASC cultured with this method (Unpass cells) were compared with ASC cultured under classic condition (Pass cells). Unpass and Pass cells were characterized in terms of clonogenicity, proliferation, stemness gene expression, differentiation in vitro and in vivo and results obtained showed that Unpass cells preserve their stemness and phenotypic properties suggesting a fundamental role of the niche in the maintenance of ASC progenitor features. Our data suggests alternative culture conditions for the expansion of ASC ex vivo which could increase the performance of ASC in regenerative applications. In vivo MSC tracking is essential in order to assess their homing and migration. Super-paramagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) have been used to track MSC in vivo due to their biocompatibility and traceability by MRI. In the second project a new generation of magnetic nanoparticles (MNP) used to label MSC were tested. These MNP have been functionalized with hyperbranched poly(epsilon-lysine)dendrons (G3CB) in order to interact with membrane glycocalix of the cells avoiding their internalization and preventing any cytotoxic effects. In literature it is reported that labeling of MSC with SPION takes long time of incubation. In our experiments after 15min of incubation with G3CB-MNP more then 80% of MSC were labeled. The data obtained from cytotoxic, proliferation and differentiation assay showed that labeling does not affect MSC properties suggesting a potential application of G3CB nano-particles in regenerative medicine.