Studio dei profili di espressione dei microRNA nell'epatocarcinoma umano

Il carcinoma epatocellulare (HCC) è il più frequente tumore maligno del fegato e rappresenta il sesto tipo di tumore più comune nel mondo. Spesso i pazienti con HCC vengono diagnosticati a stadi piuttosto avanzati, quando le uniche opzioni terapeutiche in grado di migliorarne la sopravvivenza sono la chemoembolizzazione dell'arteria epatica ed il trattamento con l'inibitore multi-cinasico, Sorafenib. In questo contesto, la scoperta del ruolo centrale dei microRNA (miRNA) nella tumorigenesi umana risulta di fondamentale importanza per lo sviluppo di nuovi marcatori diagnostici e bersagli terapeutici. I microRNA (miRNA) sono delle piccole molecole di RNA non codificante, della lunghezza di 19-22 nucleotidi, filogeneticamente molto conservati, ed esercitano un ruolo cruciale nella regolazione di importanti processi fisiologici, quali sviluppo, proliferazione, differenziamento, apoptosi e risposta a numerosi segnali extracellulari e di stress. I miRNA sono inoltre responsabile della fine regolazione dell'espressione di centinaia di geni bersaglio attraverso il blocco della traduzione o la degradazione dell'mRNA target. Studi di profiling hanno evidenziato l'espressione aberrante di specifici miRNA in numerosi tipi di tumore umano. Lo scopo del presente lavoro è stato quello di individuare un pannello di miRNA deregolati nell'epatocarcinoma umano e di caratterizzare il ruolo biologico di tre miRNA deregolati nell'HCC, al fine di individuare alcuni dei meccanismi molecolari alla base della trasformazione maligna miRNA-associata. La nostra ricerca è stata inoltre focalizzata nell'individuazione di nuovi bersagli e strumenti terapeutici, quali i microRNA, per il trattamento combinato di HCC in stadio intermedio-avanzato.

Studio di marcatori immunoistochimici, analisi FISH e ruolo dei microRNA nelle neoplasie gliali di basso e di alto grado

Gliomas are the most common primary brain tumours. Despite advances in surgical techniques, postoperative supportive care, radiation and adjuvant systemic therapy, the life expectancy of patients with high grade glioma has remained essentially poor. Furthermore differential diagnosis among astrocytomas, oligodendrogliomas and oligoastrocytomas is very challenging and subject to inter-observer variability. The purpose of the research was: 1) to investigate a series of high grade and low grade gliomas at gene and protein (immunohistochemistry) levels to disclose possible genetic portraits of malignancy; 2) to verify the utility of Nogo-A, Olig-2 and synaptophysin in providing a correct histological diagnosis of oligodendroglioma and to investigate a possible complementary role in selecting the best areas suitable for detecting 1p/19q codeletion using FISH analysis; 3) to study the role of microRNA in high grade gliomas. In order to obtain these goals large series of brain tumors were studied with DNA microarrays, immunohistochemistry and RT-PCR The results demonstrated that: - Overexpression of IGFBP-2 and CDC20 is highly related to glioblastomas and their immunopositivity can be useful for the identification of glioblastoma in small biopsies. - Nogo-A is the most useful and specific marker in differentiating oigodendrogliomas from other gliomas. Furthermore, using a Nogo-A driven FISH analysis, it is possible to identify a larger number of 1p19q codeletions in gliomas. - microRNAs can be studied in paraffin embedded tissues better than in fresh tissues. A series of six microRNA, significatively deregulated in glioblastomas, may represent a genetic signature with prognostic and predictive value and could constitute candidates for novel anti-cancer therapeutics.

MicroRNA profiling nei linfomi a cellule T periferiche

I linfomi a cellule T periferiche rappresentano circa il 12% di tutte le neoplasie linfoidi.In questo studio, abbiamo effettuato un’analisi di miRNA profiling (TaqMan Array MicroRNA Cards A) su 60 campioni FFPE suddivisi in: PTCLs/NOS (N=25), AITLs (N=10), ALCLs (N=12) e cellule T normali (N=13). Abbiamo identificato 4 miRNA differenzialmente espressi tra PTCLs e cellule T normali. Inoltre, abbiamo identificato tre set di mirna che discriminano le tre entita di PTCLs nodali

Analisi di espressione di microRNA in Tumore a Cellule Giganti: identificazione dei target con ruolo di potenziali biomarcatori

Il Tumore a Cellule Giganti dell’osso (TCG) è una rara neoplasia che rappresenta il 5% dei tumori di natura ossea; sebbene venga considerato un tumore a decorso benigno può manifestare caratteri di aggressività locale dando origine a recidive locali nel 10-25% dei casi, e nel 2-4% dei casi metastatizza a livello polmonare. In questo studio è stata valutata l’espressione dei miRNA mediante miRNA microarray in 10 pazienti affetti da TCG, 5 con metastasi e 5 liberi da malattia; sono stati riscontrati miRNA differenzialmente espressi tra i 2 gruppi di pazienti e la successiva validazione mediante Real Time PCR ha confermato una differenza significativa per il miR-136 (p=0.04). Mediante analisi bioinformatica con il software TargetScan abbiamo identificato RANK e NF1B come target del miR-136 e ne abbiamo studiato l’espressione mediante Real Time PCR su una più ampia casistica di pazienti affetti da TCG, metastatico e non, evidenziando una maggior espressione di NF1B nel gruppo di pazienti metastatici, mentre RANK non ha dimostrato una differenza significativa. L’analisi di Western Blot ha rilevato una maggiore espressione di entrambe le proteine nei pazienti metastatici rispetto ai non metastatici. Successivamente è stato condotto uno studio di immunoistochimica su TMA di 163 campioni di pazienti affetti da TCG a diverso decorso clinico che ha dimostrato una maggiore e significativa espressione di entrambe i target nei pazienti con metastasi rispetto ai non metastatici; le analisi di popolazione mediante Kaplan-Meier hanno confermato la correlazione tra over-espressione di RANK, NF1B e ricaduta con metastasi (p=0.001 e p<0.0005 rispettivamente). Lo studio di immunoistochimica è stato ampliato alle proteine maggiormente coinvolte nell’osteolisi che risultano avere un significato prognostico; tuttavia mediante analisi di ROC, la co-over-espressione di RANK, RANKL e NF1B rappresenta il migliore modello per predire la comparsa di metastasi (AUC=0.782, p<0.0005).

Identificazione di un nuovo meccanismo microRNA-dipendente di resistenza all'inibizione della via di segnale PI3K/AKT nel carcinoma della prostata

Benché le alterazioni della via PI3K/AKT siano molto sudiate a causa del loro ruolo nella tumorigenesi, e rappresentino pertanto un importante bersaglio terapeutico, i risultati di numerosi studi clinici con inibitori di PI3K o AKT sono finora deludenti, in parte a causa dell’insorgenza di resistenza provocata dall'interruzione dei circuiti di feedback negativo. In questo studio, abbiamo scoperto che l’inattivazione farmacologica di AKT in cellule di carcinoma prostatico PC3 porta alla down-regolazione di un microRNA con funzione di oncosoppressore, il miR-145-5p, e ad un drammatico aumento di espressione di uno dei suoi geni target, cioè N/KRas. E’ interessante sottolineare che questo microRNA è considerato un marker di progressione metastatica nel carcinoma prostatico, il cui livello di espressione aiuta a discriminare tra pazienti con iperplasia prostatica benigna e cancro alla prostata. Inoltre, la bassa espressione di miR-145 aumenta il rischio di progressione della malattia da localizzata a metastatica. La conferma che l’aumento di Ras, osservato sia in termini di mRNA che di proteina, è dipendente dalla caduta del miR-145-5p, è stata poi ottenuta tramite un modello di PC3 ingegnerizzate per ottenere il silenziamento inducibile del miR-145-5p. Tramite un array di fosfoproteine siamo poi stati in grado di verificare che l’aumento di Ras provoca la riattivazione della cascata di PI3K/AKT e di ERK. Dal punto di vista meccanicistico, quindi, lo studio ha portato all’identificazione di un nuovo meccanismo di resistenza adattativa, in cui l’inattivazione di AKT provoca una caduta del miR-145-5p che, a sua volta, aumenta l’espressione di Ras e riattiva il signaling di PI3K, rendendo inefficace il trattamento farmacologico. Questi risultati sono particolarmente rilevanti alla luce di recenti studi (NCT04493853; NCT03072238; NCT02525068) e di trial clinici in corso (NCT04737109; NCT03673787), basati sulla somministrazione combinata di inibitori della sintesi degli androgeni con gli inibitori di AKT capitasertib o ipatasertib.

Exploratory analysis of the role of circulating microRNA in metastatic melanoma patients

MicroRNAs act as oncogene or tumor suppressor gene regulators and are actively released from tumor cells in the circulation. Specific microRNAs can be isolated and quantified in the blood, usually in serum or plasma fractions, where they are uncommonly stable. Cell-free microRNAs serve many, and possibly yet unexplored, functional roles and microRNA levels reflect underlying conditions and have been associated with skin cancer presence, stage and evolution. However, the clinical potential of circulating miRNAs in metastatic melanoma remains largely undefined. From May 2020 to September 2022, we conducted a spontaneous, monocentric, exploratory study on human tissues in vitro, which aimed to evaluate the prognostic and predictive role of circulating miRNAs in metastatic melanoma patients. At the Medical Oncology Unit of Policlinico Sant’Orsola-Malpighi of Bologna, peripheral venous blood samples from patients with metastatic melanoma treated with checkpoint inhibitors (CPI) were collected before the start of CPI (baseline, T0) and longitudinally, approximately every 3 months (T1, T2, etc). Circulating miRNA quantification was performed by droplet digital PCR (Biorad) using an EvaGreen and LNA primer-based assays. QuantaSoft Program (Biorad) calculated the absolute quantifications of each miRNA, indicated as copies/µL. After analysis of the literature, we chose to analyze miR-155-5p, miR-320a and miR-424-5p level. All miRNAs except miR-424-5p show a significantly higher level in plasma of patients who are alive after 1 year of follow-up. High/low levels of baseline miR-155-5p, miR-320a and miR-424-5p are significantly associated with overall survival and progression-free survival. Furthermore, a preliminary analysis on the group of patients who received first-line with anti-PD-1 (N=7), baseline miR-155-5p shows higher levels in responder vs. non responder patients (p 0.06). These data, though promising, are preliminary and need to be further investigated in a larger cohort of patients.

Meccanismi replicativi e di regolazione dell'espressione genica di Parvovirus B19

Il Parvovirus B19, virus patogeno umano della famiglia Parvoviridae, mostra uno specifico tropismo per i precursori eritroidi e una limitata replicazione in alcune linee cellulari megacarioblastoidi. Allo scopo di sviluppare sistemi utili allo studio delle caratteristiche biologiche del virus, diversi laboratori si sono occupati della costruzione di cloni genomici di B19 dotati di competenza funzionale e capaci di generare virus infettante. Parte del presente lavoro ha riguardato l’analisi funzionale di diversi cloni genomici di B19 e ha permesso di caratterizzare le regioni terminali del virus e di identificare requisiti essenziali per la loro funzionalità. Nel contesto intracellulare, esistono differenti livelli di restrizione in relazione alla capacità della cellula di supportare la replicazione virale, non ancora del tutto caratterizzati. Inoltre si sono accumulate evidenze circa la capacità del B19 di instaurare persistenza in numerosi tessuti. Non sono ancora note le caratteristiche funzionali del genoma virale in questo stato, è possibile che il virus persista in forma silente e meccanismi epigenetici possano regolare tale silenziamento. In questo studio è stato analizzato lo stato di metilazione del genoma di B19 e il suo possibile effetto sul ciclo replicativo virale ed è stata investigata la possibile associazione del DNA virale agli istoni cellulari nel corso di infezione in vitro. I risultati ottenuti confermano la presenza di questi meccanismi epigenetici, potendo ipotizzare che giochino un importante ruolo nella regolazione della funzionalità virale e nell’interazione B19-cellula e siano un elemento critico per l’adattamento del virus nell’ambiente in cui si trova. Inoltre l’ipotesi che anche i microRNA possano assumere un importante significato nell’interazione B19-cellula è stata proposta da diversi lavori e nel presente studio è stata valutata la produzione di queste piccole molecole durante l'infezione in vitro, ricercando microRNA (cellulari e/o virali) con omologia di sequenza per il genoma di B19 e quindi specifici per il virus.

Caratterizzazione del soppressore tumorale miR-101 nel colon carcinoma

I microRNA sono una classe di piccole molecole di RNA non codificante che controllano la stabilità di numerosi RNA messaggeri, perciò sono considerati come “master regulator” dell’espressione genica. Ogni tumore è caratterizzato da un profilo di espressione alterato dei microRNA. Il miR-101 è un oncosoppressore represso nei tessuti tumorali ed è candidato come biomarcatore del cancro colon-rettale. È regolato da numerosi eventi fisiologici e patologici, come angiogenesi e carcinogenesi. Gli eventi molecolari coinvolti nella regolazione dell’espressione del miR-101 sono scarsamente conosciuti, poiché è trascritto da due loci genici non caratterizzati. L’obiettivo di questo lavoro è di caratterizzare i geni del miR-101 ed individuarne i regolatori molecolari coinvolti nella cancerogenesi colon-rettale.

New computational biology tools for the systematic analysis of the structure and expression of human genes

From the late 1980s, the automation of sequencing techniques and the computer spread gave rise to a flourishing number of new molecular structures and sequences and to proliferation of new databases in which to store them. Here are presented three computational approaches able to analyse the massive amount of publicly avalilable data in order to answer to important biological questions. The first strategy studies the incorrect assignment of the first AUG codon in a messenger RNA (mRNA), due to the incomplete determination of its 5' end sequence. An extension of the mRNA 5' coding region was identified in 477 in human loci, out of all human known mRNAs analysed, using an automated expressed sequence tag (EST)-based approach. Proof-of-concept confirmation was obtained by in vitro cloning and sequencing for GNB2L1, QARS and TDP2 and the consequences for the functional studies are discussed. The second approach analyses the codon bias, the phenomenon in which distinct synonymous codons are used with different frequencies, and, following integration with a gene expression profile, estimates the total number of codons present across all the expressed mRNAs (named here "codonome value") in a given biological condition. Systematic analyses across different pathological and normal human tissues and multiple species shows a surprisingly tight correlation between the codon bias and the codonome bias. The third approach is useful to studies the expression of human autism spectrum disorder (ASD) implicated genes. ASD implicated genes sharing microRNA response elements (MREs) for the same microRNA are co-expressed in brain samples from healthy and ASD affected individuals. The different expression of a recently identified long non coding RNA which have four MREs for the same microRNA could disrupt the equilibrium in this network, but further analyses and experiments are needed.

Molecular characterization of human CD4+ IL-10-producing regulatory cells

Previous studies in the group led to the identification of CD4+FOXP3- cells with regulatory functions in human blood that coproduce IL-10 and IFN-gamma. These cells do not belong to the Treg cell lineage since they are Foxp3- but they show some similarities with Th1 cells since they express CCR5, T-bet and produce high levels of IFN-gamma. Thus, they share relevant characteristics with both T regulatory type I cells (Tr1) and Th1 cells and we called them Th1-10 cells. In this study we presented a molecular characterization of Th1-10 cells that includes a gene expression and a microRNA profiling and performed functional studies to assess Th1-10 cells regulatory properties. We demonstrated that Th1-10 cells have a high regulatory potential being able to block the proliferation of activated CD4 naïve T cells to a similar extent as conventional Treg cells, and that this suppression capacity is at least partially mediated by secreted IL10. We showed also that Th1-10 cells are closely related to Th1 effector memory cells and express genes involved in cytotoxicity. In particular, they express the transcription factor EOMES and the cytotoxic effector molecules GZMA and GZMK, and they release cytotoxic granules upon stimulation. Moreover, we found that Eomes regulates cytotoxic functions in CD4+ T cells. We demonstrated that miR-92a, selectively downregulated in Th1-10 cells, directly targets the 3’UTR of EOMES.and this finding identifies miR-92a as a possible mediator of Th1-10 cytotoxicity. Th1-10 cells retain some proliferative capacity when sorted ex vivo and activated in vitro via their TCR, and this effect is markedly enhanced by IL-15, which also had a pro-survival effect on Th-10 cells. Thus, in contrast to conventional cytotoxic T cells, Th1-10 cells have cytotoxic and regulatory functions and are not terminally differentiated, since they retain proliferative capacity.

Addressing tumor heterogeneity in esophageal adenocarcinoma through different molecular approaches

Several studies have shown epidemiologic, clinical, immune-histochemical and molecular differences among esophageal adenocarcinomas (EAC). Since pathogenesis and biology of this tumor are far to be well defined, our study aimed to examine intra- and inter-tumor heterogeneity and to solve crucial controversies through different molecular approaches. Target sequencing was performed for sorted cancer subpopulations from formalin embedded material obtained from 38 EACs, not treated with neoadjuvant therapy. 35 out 38 cases carried at least one somatic mutation, not present in the corresponding sorted stromal cells. 73.7% of cases carried mutations in TP53 and 10.5% in CDKN2A. Mutations in other genes occurred at lower frequency, including HNF1A, not previously associated with EAC. Sorting allowed us to isolate clones with different mutational loads and/or additional copy number amplifications, confirming the high intra-tumor heterogeneity of these cancers. In our cohort TP53 gene abnormalities correlated with a better survival (P = 0.028); conversely, loss of SMAD4 protein expression was associated with a higher recurrence rate (P = 0.015). Shifting the focus on the epigenetic characterization of EAC, miR-221 and miR-483-3p resulted upregulated from the MicroRNA Array card analysis and confirmed with further testing. The up-regulation of both miRNAs correlated with clinical outcomes, in particular with a reduced cancer-specific survival (miR483-3p P=0.0293; miR221 P=0.0059). In vitro analyses demonstrated an increase for miR-483-3p (fold-change=2.7) that appear to be inversely correlated with SMAD4 expression in FLO-1 cell-line. In conclusion, selective sorting allowed to define the real mutation status and to isolate different cancer subclones. MiRNA expression analysis revealed a significant up-regulation of miR-221 and miR-483-3p, which correlated with worst prognosis, implying that they can be considered oncogenic factors in EAC. Therefore, cell sorting technologies, coupled with next generation sequencing, and the analysis of microRNA profiles seem to be promising strategies to guide treatment and help classify cancer prognosis.

Evaluation of the theranostic use of miRNAs in correlation to the radiopharmaceutical 64CuCl2 in glioblastoma

B:Glioblastoma multiforme(GBM) is one of the most prevalent and aggressive malignant primary brain tumors in adult patients. 64CuCl2 is an innovative radiopharmaceutical investigated as theranostic agent in GBM patients. The therapeutic scheme is still under evaluation, therefore the research focused on the possibility of radioresistance development. The actors responsible for modulating radioresistance could be miRNAs, thus their potential use was investigated both in radioresistant cell lines and in GBM patients plasma samples. M:Radioresistant cell lines were generated by exposing U87MG, U373MG lines to increasing doses of radiation for 32 weeks. Cell membrane permeability alterations and DNA damage were assessed to characterize the lines. Moreover, 64Cu cell incorporation and subcellular distribution were investigated measuring gamma-radiation emission. miRNA expression was evaluated: in parental and radioresistant cell lines, both in cell pellet and media exosomes; in plasma samples of GBM patients using TaqMan Array MicroRNA Cards. R:Radioresistant lines exhibited reduction in membrane permeability and in DNA DSBs indicating the capability to skip the drug killing effect. Cell uptake assays showed internalization of 64Cu both in the sensitive and radioresistant lines. Radioresistant lines showed a different miRNA expression profile compared to the parental lines. 5 miRNAs were selected as possible biomarkers of response to treatment (miR-339-3p, miR-133b, miR-103a-3p, miR-32-5p, miR-335-5p) and 6 miRNAs as possible predictive biomarkers of response to treatment (let-7e-5p, miR-15a-5p, miR-29c-3p, miR-495, miR-146b-5p, miR-199a-5p). miR-32-5p was selected as possible molecule to be used to restore 64CuCl2 responsiveness in the radioresistant cell lines. C: This is the first study describing the development and characterization of 64CuCl2 radioresistant cell lines useful to implement the approach for dosimetric analysis to avoid radioresistance uprising. miRNAs could bring to a better understanding of 64CuCl2 treatment, becoming a useful tool both in detection of treatment response and both as molecule that could restore responsiveness to 64CuCl2 treatment.

Cancers of unknown primary site (CUPs) as a model of metastatic process.

Cancers of unknown primary site (CUPs) are a rare group of metastatic tumours, with a frequency of 3-5%, with an overall survival of 6-10 month. The identification of tumour primary site is usually reached by a combination of diagnostic investigations and immunohistochemical testing of the tumour tissue. In CUP patients, these investigations are inconclusive. Since international guidelines for treatment are based on primary site indication, CUP treatment requires a blind approach. As a consequence, CUPs are usually empiric treated with poorly effective. In this study, we applied a set of microRNAs using EvaGreen-based Droplet Digital PCR in a retrospective and prospective collection of formalin-fixed paraffin-embedded tissue samples. We assessed miRNA expression of 155 samples including primary tumours (N=94), metastases of known origin (N=10) and metastases of unknown origin (N=50). Then, we applied the shrunken centroids predictive algorithm to obtain the CUP’s site(s)-of-origin. The molecular test was successfully applied to all CUP samples and provided a site-of-origin identification for all samples, potentially within a one-week time frame from sample inclusion. In the second part of the study we derived two CUP cell lines, and corresponding patient-derived xenografts (PDXs). CUP cell lines and PDXs underwent histological, molecular, and genomic characterization confirming the features of the original tumour. Tissues-of-origin prediction was obtained from the tumour microRNA expression profile and confirmed by single cell RNA sequencing. Genomic testing analysis identified FGFR2 amplification in both models. Drug-screening assays were performed to test the activity of FGFR2-targeting drug and the combination treatment with the MEK inhibitor trametinib, which proved to be synergic and exceptionally active, both in vitro and in vivo. In conclusion, our study demonstrated that miRNA expression profiling could be employed as diagnostic test. Then we successfully derived two CUP models from patients, used for therapy tests, bringing personalized therapy closer to CUP patients.