Lethal weapons : novel approaches for receptor-targeted cancer cell elimination

The currently used forms of cancer therapy are associated with drug resistance and toxicity to healthy tissues. Thus, more efficient methods are needed for cancer-specific induction of growth arrest and programmed cell death, also known as apoptosis. Therapeutic forms of tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) are investigated in clinical trials due to the capability of TRAIL to trigger apoptosis specifically in cancer cells by activation of cell surface death receptors. Many tumors, however, have acquired resistance to TRAIL-induced apoptosis and sensitizing drugs for combinatorial treatments are, therefore, in high demand. This study demonstrates that lignans, natural polyphenols enriched in seeds and cereal, have a remarkable sensitizing effect on TRAIL-induced cell death at non-toxic lignan concentrations. In TRAIL-resistant and androgen-dependent prostate cancer cells we observe that lignans repress receptor tyrosine kinase (RTK) activity and downregulate cell survival signaling via the Akt pathway, which leads to increased TRAIL sensitivity. A structure-activity relationship analysis reveals that the γ-butyrolactone ring of the dibenzylbutyrolactone lignans is essential for the rapidly reversible TRAIL-sensitizing activity of these compounds. Furthermore, the lignan nortrachelogenin (NTG) is identified as the most efficient of the 27 tested lignans and norlignans in sensitization of androgen-deprived prostate cancer cells to TRAIL-induced apoptosis. While this combinatorial anticancer approach may leave normal cells unharmed, several efficient cancer drugs are too toxic, insoluble or unstable to be used in systemic therapy. To enable use of such drugs and to protect normal cells from cytotoxic effects, cancer-targeted drug delivery vehicles of nanometer scale have recently been generated. The newly developed nanoparticle system that we tested in vitro for cancer cell targeting combines the efficient drug-loading capacity of mesoporous silica to the versatile particle surface functionalization of hyperbranched poly(ethylene imine), PEI. The mesoporous hybrid silica nanoparticles (MSNs) were functionalized with folic acid to promote targeted internalization by folate receptor overexpressing cancer cells. The presented results demonstrate that the developed carrier system can be employed in vitro for cancer selective delivery of adsorbed or covalently conjugated molecules and furthermore, for selective induction of apoptotic cell death in folate receptor expressing cancer cells. The tested carrier system displays potential for simultaneous delivery of several anticancer agents specifically to cancer cells also in vivo.

The Effects of Fibroblast Growth Factor 8b on Reproductive Organs and Prostate Tumorigenesis

Fibroblast growth factors (FGFs) are involved in the development and homeostasis of the prostate and other reproductive organs. FGF signaling is altered in prostate cancer. Fibroblast growth factor 8 (FGF8) is a mitogenic growth factor and its expression is elevated in prostate cancer and in premalignant prostatic intraepithelial neoplasia (PIN) lesions. FGF8b is the most transforming isoform of FGF8. Experimental models show that FGF8b promotes several phases of prostate tumorigenesis - including cancer initiation, tumor growth, angiogenesis, invasion and development of bone metastasis. The mechanisms activated by FGF8b in the prostate are unclear. In the present study, to examine the tumorigenic effects of FGF8b on the prostate and other FGF8b expressing organs, an FGF8b transgenic (TG) mouse model was generated. The effect of estrogen receptor beta (ERβ) deficiency on FGF8binduced prostate tumorigenesis was studied by breeding FGF8b-TG mice with ERβ knockout mice (BERKOFVB). Overexpression of FGF8b caused progressive histological and morphological changes in the prostate, epididymis and testis of FGF8b-TG-mice. In the prostate, hyperplastic, preneoplastic and neoplastic changes, including mouse PIN (mPIN) lesions, adenocarcinomas, sarcomas and carcinosarcomas were present in the epithelium and stroma. In the epididymis, a highly cancer-resistant tissue, the epithelium contained dysplasias and the stroma had neoplasias and hyperplasias with atypical cells. Besides similar histological changes in the prostate and epididymis, overexpression of FGF8b induced similar changes in the expression of genes such as osteopontin (Spp1), connective tissue growth factor (Ctgf) and FGF receptors (Fgfrs) in these two tissues. In the testes of the FGF8b-TG mice, the seminiferous epithelium was frequently degenerative and the number of spermatids was decreased. A portion of the FGF8b-TG male mice was infertile. Deficiency of ERβ did not accelerate prostate tumorigenesis in the FGF8b-TG mice, but increased significantly the frequency of mucinous metaplasia and slightly the frequency of inflammation in the prostate. This suggests putative differentiation promoting and anti-inflammatory roles for ERβ. In summary, these results underscore the importance of FGF signaling in male reproductive organs and provide novel evidence for a role of FGF8b in stromal activation and prostate tumorigenesis.

Bone marrow fibroblasts in patients with advanced lung cancer

In a previous study we demonstrated that the incidence of fibroblast colony-forming units (CFU-F) was very low in bone marrow primary cultures from the majority of untreated advanced non-small lung cancer patients (LCP) compared to normal controls (NC). For this reason, we studied the ability of bone marrow stromal cells to achieve confluence in primary cultures and their proliferative capacity following four continuous subcultures in consecutive untreated LCP and NC. We also evaluated the production of interleukin-1ß (IL-1ß) and prostaglandin E2 (PGE2) by pure fibroblasts. Bone marrow was obtained from 20 LCP and 20 NC. A CFU-F assay was used to investigate the proliferative and confluence capacity. Levels of IL-1ß and PGE2 in conditioned medium (CM) of pure fibroblast cultures were measured with an ELISA kit and RIA kit, respectively. Only fibroblasts from 6/13 (46%) LCP confluent primary cultures had the capacity to proliferate following four subcultures (NC = 100%). Levels of spontaneously released IL-1ß were below 10 pg/ml in the CM of LCP, while NC had a mean value of 1,217 ± 74 pg/ml. In contrast, levels of PGE2 in these CM of LCP were higher (77.5 ± 23.6 pg/ml) compared to NC (18.5 ± 0.9 pg/ml). In conclusion, bone marrow fibroblasts from LCP presented a defective proliferative and confluence capacity, and this deficiency may be associated with the alteration of IL-1ß and PGE2 production.

The role of osteoblasts in regulating hematopoietic stem cell activity and tumor metastasis

Bone marrow stromal cells are critical regulators of hematopoiesis. Osteoblasts are part of the stromal cell support system in bone marrow and may be derived from a common precursor. Several studies suggested that osteoblasts regulate hematopoiesis, yet the entire mechanism is not understood. It is clear, however, that both hematopoietic precursors and osteoblasts interact for the production of osteoclasts and the activation of resorption. We observed that hematopoietic stem cells (HSCs) regulate osteoblastic secretion of various growth factors, and that osteoblasts express some soluble factors exclusively in the presence of HSCs. Osteoblasts and hematopoietic cells are closely associated with each other in the bone marrow, suggesting a reciprocal relationship between them to develop the HSC niche. One critical component regulating the niche is stromal-derived factor-1 (SDF-1) and its receptor CXCR4 which regulates stem cell homing and, as we have recently demonstrated, plays a crucial role in facilitating those tumors which metastasize to bone. Osteoblasts produce abundant amounts of SDF-1 and therefore osteoblasts play an important role in metastasis. These findings are discussed in the context of the role of osteoblasts in marrow function in health and disease.

Cyclin D1 expression in prostate carcinoma

The purpose of this study was to investigate the relationship between cyclin D1 expression and clinicopathological parameters in patients with prostate carcinoma. We assessed cyclin D1 expression by conventional immunohistochemistry in 85 patients who underwent radical prostatectomy for prostate carcinoma and 10 normal prostate tissue samples retrieved from autopsies. We measured nuclear immunostaining in the entire tumor area and based the results on the percentage of positive tumor cells. The preoperative prostate-specific antigen (PSA) level was 8.68±5.16 ng/mL (mean±SD). Cyclin D1 staining was positive (cyclin D1 expression in >5% of tumor cells) in 64 cases (75.4%) and negative (cyclin D1 expression in ≤5% of tumor cells) in 21 cases (including 15 cases with no immunostaining). Normal prostate tissues were negative for cyclin D1. Among patients with a high-grade Gleason score (≥7), 86% of patients demonstrated cyclin D1 immunostaining of >5% (P<0.05). In the crude analysis of cyclin D1 expression, the high-grade Gleason score group showed a mean expression of 39.6%, compared to 26.9% in the low-grade Gleason score group (P<0.05). Perineural invasion tended to be associated with cyclin D1 expression (P=0.07), whereas cyclin D1 expression was not associated with PSA levels or other parameters. Our results suggest that high cyclin D1 expression could be a potential marker for tumor aggressiveness.

Investigation of the Expression of Glucose Transporter Proteins in Human Cancer Cells

Cancer cells are known to display increased glucose uptake and consumption. The glucose transporter (GLUT) proteins facilitate glucose uptake, however, their exact role in cancer metabolism remains unclear. The present study examined mRNA and protein expression of GLUT1, GLUT3, GLUT4 and GLUT12 in lung, breast and prostate cancer cells and corresponding noncancerous cells. Additionally, GLUT expression was determined in tumours from mice xenografted with human cancer cells. Differences in the mRNA and protein expression of GLUTs were found between cancerous and corresponding noncancerous cells. These findings demonstrate abundant expression of GLUT1 in cancer and highlight the importance of GLUT3 as it was expressed in several cancer cells and tumours. GLUT expression patterns in vitro were supported by the in vivo findings. The study of GLUT protein expression in cancer is important for understanding cancer metabolism and may lead to identification of biomarkers of cancer progression and development of target therapies.

Rôle de GPR40 dans la survie et la prolifération cellulaires induites par l’oléate dans les cellules de cancer du sein MDA-MB-231 et de cancer de la prostate DU145

La relation entre l’obésité et le cancer, bien qu’établie par des études épidémiologiques, est peu connue. Pourtant, environ 25 % des cancers pourraient y être attribuables. Parmi les cancers reliés à l’obésité, les cancers du côlon, du sein chez les femmes ménopausées et de la prostate sont les plus fréquents. Des études sur modèles animaux ont suggéré une association positive entre une diète riche en gras et le développement du cancer mammaire et de la prostate. Nous avons étudié les mécanismes moléculaires par lesquels les acides gras influencent le devenir de lignées de cellules cancéreuses du sein et de la prostate. Ces travaux ont montré que les acides gras insaturés, dont l’oléate, induisent la prolifération cellulaire tandis que les acides gras saturés, dont le palmitate, diminuent la prolifération. Un traitement à l’oléate stimule la formation de gouttelettes lipidiques dans le cytoplasme des cellules de cancer du sein MDA-MB-231 et de la prostate DU145 alors qu’un traitement au palmitate entraîne l’apoptose. Le mécanisme d’action de l’oléate sur la prolifération a été étudié de façon plus approfondie. L’utilisation d’inhibiteurs pharmacologiques nous a permis de déterminer que l’effet prolifératif de l’oléate implique la voie PI3K/Akt, la voie ERK1/2 et l’activation d’un ou de plusieurs récepteur(s) couplé(s) aux protéines G (GPCR). L’oléate induit la phosphorylation rapide des protéines Akt et ERK1/2 dans les cellules de cancer du sein MDA-MB-231 et de la prostate DU145. Au cours des dernières années, deux GPCRs ont été identifiés comme étant activables par des acides gras à moyennes et à longues chaînes, GPR40 et GPR120. GPR40 étant exprimé dans plusieurs lignées cellulaires de cancer du sein et de la prostate contrairement à l’expression de GPR120 qui était inexistante dans la plupart des lignées, nous avons étudié l’implication de GPR40 dans l’effet prolifératif de l’oléate. Ces deux récepteurs n’étant pas exprimés dans les cellules épithéliales mammaires humaines en culture primaire, ces cellules ne répondent pas aux effets de l’oléate sur la prolifération et l’activation des voies de signalisation. L’activation des voies Akt et ERK1/2 par l’oléate dans les cellules MDA-MB-231 et DU145 est potentialisée par la surexpression du récepteur GPR40 et inhibée par l’utilisation d’un siRNA dirigé contre ce récepteur. Cependant, la prolifération induite par l’oléate ne semble pas affectée par la présence d’un siRNA dirigé contre GPR40. L’oléate étant un acide gras, il est capable d’entrer librement dans les cellules et une partie de ses effets sur la prolifération pourrait être attribuée à sa métabolisation. Un agoniste de GPR40, le GW9508, est en mesure d’activer GPR40 sans toutefois entrer dans les cellules ni activer le métabolisme de l’oléate. Le GW9508 stimule la phosphorylation des protéines Akt et ERK1/2 dans les cellules du cancer du sein MDA-MB-231 et de la prostate DU145, mais il n’est pas en mesure d’induire la prolifération cellulaire comme le fait l’oléate. Ces résultats nous permettent de mieux comprendre le mécanisme d’action de l’oléate sur les cellules de cancer du sein et de la prostate. L’oléate induit la signalisation de GPR40 qui est impliquée dans l’activation rapide des voies de signalisation Akt et ERK1/2. De son côté, l’effet prolifératif induit par l’oléate s’effectue par un mécanisme GPR40-indépendant, possiblement lié au métabolisme de l’oléate.

Detecting uterine cervical cancer cells using molecular biomarkers

Arrière-plan: les cellules tumorales circulantes (CTC) sont détectables dans de nombreux cancers et peuvent être utiles cliniquement pour le pronostic de la maladie, pour mesurer la récidive et pour prédire la sensibilité aux medicaments chimiothérapeutiques. Au cours des dernières années, l’études des CTC dans de nombreux cancers tels que le cancer du sein, du poumon, du côlon et de la prostate a grandement évolué. Alternativement, il y peu d'études à ce sujet concernant le cancer du col de l’utérus (CCU). Objectifs: Notre objectif est d’optimiser le processus d'enrichissement des CTC dans le CCU et la détection moléculaire des biomarqueurs E6 et E7. Matériel et Méthodes: Dans l’optique de mimer la présence de CTC dans le sang, nous avons dilué des cellules cancéreuses CaSki VPH16-positif provenant d’un CCU dans du sang humain prélevé sur des volontaires sains. Les CaSki ont été collectées suite à une centrifugation par densité avec le Ficoll, la lyse des globules rouges (RBC) et la lyse des RBC combinée avec un enrichissement positif et négatif à l’aide de marqueurs de surface cellulaire. Les CTC ont été détectées par la mesure d’expression des oncogènes E6 et E7 du virus du papillome humain (VPH), de la cytokératine 19 (CK19) et de la cycline p16INK4 en utilisant la technique quantitative en temps réel de Reverse Transcriptase-Polymerase Chain Reaction (qRT-PCR). Pour valider notre méthode de détection des CTC in vivo, nous avons recruté dix patientes atteintes d’un CCU VPH16 positif et six contrôles sains. Résultats: Dans le modèle de dilutions de cellules CaSki, la lyse des RBC seule ou combinée avec l'enrichissement négatif ou positif suggèrent des limites de détection de 1 CTC par mL de sang pour tous les biomarqueurs moléculaires utilisés. La sensibilité de détection est accrue lors de l'utilisation de l’enrichissement positif et négatif en réduisant le bruit de fond causé par les monocytes sanguins. Contrairement aux oncogènes E6 et E7, les marqueurs CK19 et p16INK4A ont été détectés chez des individus sains, les niveaux d'expression de base appropriés doivent donc être déterminés avec précision par rapport aux patientes CCU. Le gradient de densité par Ficoll a une limite de détection de seulement environ 1000 cellules par mL de sang. Enfin, les CTC ont été détectées dans 2/10 patientes en utilisant le marqueur CK19. Cependant, ces patientes étaient négatives pour les oncogènes E6/E7. Le marqueur p16INK4A était exprimé au même niveau dans tous les échantillons (CCU et normaux). Conclusion: Notre étude suggère que les oncogènes E6 et E7 du VPH16 sont les marqueurs biologiques les plus sensibles et spécifiques en qRT-PCR pour détecter les CTC dans le modèle de dilution de cellules de CCU dans le sang. Chez les patientes atteintes d’un CCU de stade précoce, seulement CK19 a révélé la présence potentielle de CTC, ce qui suggère que ces cellules sont rares à ce stade de la maladie. Mots clés: cancer du col de l’utérus, cellules tumorales circulantes, RT-qPCR, E6 et E7, CK19, p16INK4A, enrichissement immunomagnétique, détection moléculaire.

Biomarqueurs pronostiques dans le cancer de la prostate : mieux prédire pour mieux traiter

Le cancer de la prostate (CP) est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué en Amérique du Nord et est au troisième rang en termes de létalité chez les hommes. Suite aux traitements de première ligne, 20 à 30% des patients diagnostiqués avec un cancer localisé auront une récidive biochimique de la maladie. La déplétion androgénique mène fréquemment au développement du stade de résistance à la castration (RC). Ce dernier est associé avec une augmentation de la morbidité (métastases osseuses) et de la mortalité avec une survie moyenne inférieure à deux ans. L’évolution du CP est très hétérogène dans la population et il n’existe actuellement aucun biomarqueur pronostique permettant d’identifier les patients à risque de récurrence biochimique, de métastases osseuses et de développement d’une résistance à la castration. De nombreuses études ont démontré que les cytokines inflammatoires IL-6 et IL-8 jouent un rôle dans la pathogénèse du CP, notamment dans le développement de la résistance à la castration. Par ailleurs, les niveaux sériques élevés de ces cytokines ont été associés à un mauvais pronostic. Précédemment, notre laboratoire a démontré in vitro que la protéine IKKε entraîne une augmentation de la sécrétion de ces cytokines dans les cellules du CP et qu’elle est exprimée davantage dans les tissus de cancers plus avancés. Le premier objectif du présent mémoire fut d’évaluer dans des tissus humains la corrélation d’IKKε, IL-6 et IL-8 avec des paramètres cliniques. Nos résultats soulignent le potentiel d’IKKε comme biomarqueur tissulaire pronostique de récurrence biochimique et de métastases osseuses. Nous n’avons trouvé aucune association entre IL-6/IL-8 et les paramètres cliniques inclus dans l’étude. Le second objectif de ce projet fut d’évaluer la coexpression de ces trois molécules dans l’épithélium du CP. Nos résultats confirment les observations in vitro en mettant en évidence une forte association entre l’expression d’IKKε, IL-6 et IL-8. Le troisième objectif fut d’évaluer la relation entre les niveaux sériques et tissulaires d’IL-6 et d’IL-8. Aucune relation significative n’a été établie, suggérant que les cytokines sériques ne sont pas uniquement d’origine prostatique. En conclusion, mon projet de maîtrise aura permis de préciser le potentiel d’IKKε comme biomarqueur tissulaire pronostique et de valider pour la première fois dans des tissus humains sa co-expression avec les cytokines IL-6 et IL-8, dont le rôle dans la pathogénèse de la maladie est bien établi. Une étude plus exhaustive des voies de signalisation d’IKKε reste d’intérêt pour élucider notamment les mécanismes par lesquels IKKε stimule la production de cytokines et par quels moyens cette protéine pourrait être impliquée dans le développement d’un état résistant à la castration.

Phytoestrogen consumption and association with breast, prostate and colorectal cancer in EPIC Norfolk

Phytoestrogens are polyphenolic secondary plant metabolites that have structural and functional similarities to 17β-oestradiol and have been associated with a protective effect against hormone-related cancers. Most foods in the UK only contain small amounts of phytoestrogens (median content 21 μg/100 g) and the highest content is found in soya and soya-containing foods. The highest phytoestrogen content in commonly consumed foods is found in breads (average content 450 μg/100 g), the main source of isoflavones in the UK diet. The phytoestrogen consumption in cases and controls was considerably lower than in Asian countries. No significant associations between phytoestrogen intake and breast cancer risk in a nested case-control study in EPIC Norfolk were found. Conversely, colorectal cancer risk was inversely associated with enterolignan intake in women but not in men. Prostate cancer risk was positively associated with enterolignan intake, however this association became non-significant when adjusting for dairy intake, suggesting that enterolignans can act as a surrogate marker for dairy or calcium intake.

The intracellular genistein metabolite 5,7,3 ',4 '-tetrahydroxyisoflavone mediates G2-M cell cycle arrest in cancer cells via modulation of the p38 signaling pathway

The cellular actions of genistein are believed to mediate the decreased risk of breast cancer associated with high soy consumption. We have investigated the intracellular metabolism of genistein in T47D tumorigenic and MCF-10A nontumorigenic cells and assessed the cellular actions of resultant metabolites. Genistein selectively induced growth arrest and G2-M phase cell cycle block in T47D but not MCF10A breast epithelial cells. These antiproliferative effects were paralleled by significant differences in the association of genistein to cells and in particular its intracellular metabolism. Genistein was selectively taken up into T47D cells and was subject to metabolism by CYP450 enzymes leading to the formation of both 5,7,3',4'-tetrahydroxyisoflavone (THIF) and two glutathionyl conjugates of THIF THIF inhibited cdc2 activation via the phosphorylation of p38 MAP kinase, suggesting that this species may mediate genistein's cellular actions. THIF exposure activated p38 and caused subsequent inhibition of cyclin B1 (Ser 147) and cdc2 (Thr 161) phosphorylation, two events critical for the correct functioning of the cdc2-cyclin B1 complex. We suggest that the formation of THIF may mediate the cellular actions of genistein in tumorigenic breast epithelial cells via the activation of signaling through p38. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Equol: a comparison of the effects of the racemic compound with that of the purified S-enantiomer on the growth, invasion, and DNA integrity of breast and prostate cells in vitro

It has been postulated that the R- and S-equol enantiomers have different biological properties given their different binding affinities for the estrogen receptor. S-(-)equol is produced via the bacterial conversion of the soy isoflavone daidzein in the gut. We have compared the biological effects of purified S-equol to that of racemic (R and S) equol on breast and prostate cancer cells of varying receptor status in vitro. Both racemic and S-equol inhibited the growth of the breast cancer cell line MDA-MB-231 (> or = 10 microM) and the prostate cancer cell lines LNCaP (> or = 5 microM) and LAPC-4 (> or = 2.5 microM). The compounds also showed equipotent effects in inhibiting the invasion of MDA-MB-231 and PC-3 cancer cells through matrigel. S-equol (1, 10, 30 microM) was unable to prevent DNA damage in MCF-7 or MCF-10A breast cells following exposure to 2-hydroxy-4-nonenal, menadione, or benzo(a)pyrene-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide. In contrast, racemic equol (10, 30 microM) prevented DNA damage in MCF-10A cells following exposure to 2-hydroxy-4-nonenal or menadione. These findings suggest that racemic equol has strong antigenotoxic activity in contrast to the purified S-equol enantiomer implicating the R-, rather than the S-enantiomer as being responsible for the antioxidant effects of equol, a finding that may have implications for the in vivo chemoprotective properties of equol.

Physical exercise on the rat ventral prostate: Steroid hormone receptors, apoptosis and cell proliferation

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mast Cells and Ethanol Consumption: Interactions in the Prostate, Epididymis and Testis of UChB Rats

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Chronic caffeine intake increases androgenic stimuli, epithelial cell proliferation and hyperplasia in rat ventral prostate

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)