Riassunto della Tesi STAT3 NEL CARCINOMA MAMMARIO: RUOLO NELLE CELLULE STAMINALI TUMORALI E NELLE RECIDIVE LOCALI 1. IL TUMORE AL SENO E LE RECIDIVE LOCALI Il tumore al seno rappresenta una delle forme di tumore più diffuse tra le donne, infatti ogni anno vengono diagnosticati circa 1-2 milioni di nuovi casi, colpendo così il 10-12% della popolazione femminile in tutto il mondo 1. I programmi di prevenzione e screening del tumore alla mammella hanno portato negli ultimi anni a diagnosi sempre più precoci. In questo contesto, sebbene il tumore primario sia molto spesso curabile, ciò che maggiormente influenza la risposta delle pazienti è la comparsa di recidive locali e il possibile sviluppo successivo di metastasi 2. Recentemente diversi studi hanno evidenziato come la comparsa di recidiva locale (definita come la ricomparsa del tumore nella mammella ipsilaterale) sia da considerarsi non solo un indicatore, ma addirittura un determinante per lo sviluppo di metastasi 3, e che le pazienti che ne sono affette abbiano una prognosi decisamente peggiore. Prevenire la comparsa di recidive locali quindi significherebbe prevenire la mortalità per tumore al seno in una paziente su quattro 4. In un recente studio è stato evidenziato che nel carcinoma alla mammella più del 90% delle recidive locali si manifestano nello stesso quadrante in cui era stato rilevato il tumore primario, nella maggior parte delle volte in prossimità della cicatrice post-chirurgica5. Ciò suggerisce che l’atto stesso della chirurgia possa provocare alterazioni nel microambiente mammario tali da favorire la sopravvivenza e la proliferazione delle cellule tumorali residue portando, eventualmente, alla formazione di recidive locali. Recentemente, nel laboratorio in cui è stato condotto questo lavoro di tesi, è stata testata l’ipotesi che le alterazioni provocate nel microambiente locale dall’escissione tumorale e dai successivi meccanismi di riparo della ferita, possano modificare il fenotipo e la cinetica di crescita delle cellule tumorali di mammella6, 7, 8. A questo scopo sono stati utilizzati i fluidi di drenaggio (da qui in avanti indicati come Wound Fluids, WF) raccolti dalla ferita post-chirurgica delle pazienti operate al seno nelle 24 ore successive alla chirurgia. L’analisi proteomica dei WF ha dimostrato che essi presentano un’elevata espressione di molti fattori di crescita e citochine, indicando che il 1 trauma causato dalla chirurgia genera una risposta che porta al rilascio di molti mediatori chimici nel letto tumorale. Inoltre, è stato dimostrato che i WF stimolano la proliferazione, la migrazione, l’invasione e la sopravvivenza delle cellule tumorali di mammella 6, 7, 8, supportando l’ipotesi che davvero la chirurgia possa rappresentare un fattore perturbante in grado di stimolare la proliferazione delle cellule maligne eventualmente presenti nel microambiente locale. Da studi precedenti è anche emerso che una delle vie di segnalazione coinvolte funzionalmente nella risposta delle cellule tumorali di mammella ai WF è la via di STAT36. Partendo da queste nozioni si è deciso di approfondire il ruolo di STAT3 e il suo possibile coinvolgimento nei meccanismi che portano allo sviluppo della recidiva locale. 2. STAT3 E IL TUMORE AL SENO STAT3 è una proteina appartenente alla famiglia delle proteine STAT (Signal Transducers and Activators of Transcription), e, come dice il nome stesso, agisce sia come trasduttore del segnale sia come fattore di trascrizione9. Questa proteina può essere attivata da una grande varietà di fattori solubili, come fattori di crescita, ormoni e citochine, in particolare dagli interferoni (IFNs) e dall’interleuchina 6 (IL-6)10. Il legame di questi con i propri recettori promuove l’attivazione di una via di segnalazione che porta in ultima istanza alla dimerizzazione di STAT3 e alla sua successiva traslocazione nel nucleo. I geni attivati da STAT3 sono molti, tra cui geni antiapoptotici, regolatori del ciclo cellulare e geni coinvolti nell’angiogenesi. Nell’ambito del tumore al seno STAT3 è stato trovato costitutivamente fosforilato, e quindi attivo, nel 30-60% dei tumori primari analizzati, nonché in molte linee cellulari di carcinoma alla mammella. In questo contesto è associato ad un aumento della proliferazione, resistenza all’apoptosi e invasività. Inoltre è anche associato alle caratteristiche staminali delle cellule staminali tumorali11. 2 Figura 1. Immagine raffigurante la via di segnalazione di STAT3. Tratto e modificato da: Yu H et al., 200712. 3. CELLULE STAMINALI TUMORALI E TUMORE AL SENO Le cellule staminali tumorali sono una piccola popolazione cellulare presente all’interno della massa tumorale che, secondo le teorie più recenti, sono responsabili dell’origine dei tumori stessi, dello sviluppo di recidive locali e della formazione di metastasi. Solamente loro infatti, tra tutte le cellule che costituiscono il tumore, sono in grado di riformarlo. Sono dotate di caratteristiche peculiari che le rendono molto aggressive, come la capacità di dividersi in maniera asimmetrica rigenerando sempre una nuova cellula staminale (self-renewal) e la resistenza alla radioterapia e alla maggior parte dei trattamenti farmacologici utilizzati in clinica13. Figura 2. Immagine raffigurante il processo di self-renewal, ovvero di auto-rinnovamento delle cellule staminali tumorali. Tratta e modificata da: Gupta PB et al., 200914. 3 La grande plasticità di cui la ghiandola mammaria femminile è dotata, e che le consentono di adattarsi ai vari cambiamenti cui va incontro nel corso della vita: pubertà, gravidanza, allattamento e involuzione, è dovuta in gran parte alla presenza di un numero considerevole di cellule staminali adulte. Considerando le più recenti scoperte sull’importanza delle CSC nella formazione delle neoplasie maligne e nello sviluppo di metastasi, negli ultimi anni molti studi hanno investigato anche il loro possibile coinvolgimento nei tumori della mammella. Infatti dal momento che lo sviluppo di metastasi influenza molto negativamente la prognosi delle pazienti affette da tumore al seno, e che le CSC sembrano essere coinvolte nei processi che promuovono l’invasività dei tumori, risulta particolarmente importante comprendere quali sono i meccanismi che regolano il mantenimento delle cellule staminali tumorali di mammella, in modo da riuscire a sviluppare dei farmaci in grado di agire in maniera specifica contro questa sottopopolazione tumorale. Negli ultimi anni diversi studi hanno evidenziato il coinvolgimento di STAT3 nella proliferazione e nella sopravvivenza delle CSC 15, 16, 17. Considerando l’importante ruolo che questa via di segnalazione ha nella risposta mediata dai fluidi infiammatori post-operatori, si è deciso di continuare ad approfondire il suo ruolo nella promozione e nella sopravvivenza delle cellule staminali tumorali di mammella, in particolare nel contesto post-chirurgico che sembrerebbe facilitare la comparsa di metastasi e recidive locali. 4. ANALISI DELL’ATTIVAZIONE DI STAT3 Lo scopo di questa tesi era quello di approfondire il ruolo di STAT3 nella risposta delle cellule tumorali ai WF. Con questo fine sono stati fatti sia degli studi in vitro, con i quali usando i WF come surrogato della risposta infiammatoria post-chirurgica si è potuto valutare in particolare il ruolo di STAT3 nel mantenimento del fenotipo staminale delle cellule staminali tumorali di mammella, che degli studi in vivo, grazie ai quali è stata verificata l’importanza di STAT3 nell’attecchimento delle cellule tumorali e nella formazione delle recidive locali. Come prima cosa è stato deciso di valutare l’attivazione di STAT3 in seguito a stimolazione con WF, in un pannello ampio di linee cellulari di mammella, che corrispondono a differenti istotipi tumorali. Come si può osservare dall’analisi Western Blot dei lisati cellulari, la stimolazione con il 5% di WF induce in maniera efficace e sostenuta la fosforilazione di STAT3, in tutte le linee testate. 4 Questo indica che la stimolazione con STAT3 nel contesto infiammatorio post-chirurgico è un evento comune a tutti i tipi di carcinoma mammario. Si può dedurre che l’infiammazione generata dalla rimozione del tumore primario è in grado di attivare la via di segnalazione di STAT3, in vitro. Figura 3. Analisi dell’attivazione della via di segnalazione di STAT3. La figura mostra l’analisi Western Blot delle linee cellulari tumorali di mammella MDA-MB-468, MDA-MB-231, MDA-MB-453, SK-BR-3, MCF-7 e BT-474. Le cellule sono state deprivate dal siero e stimolate con 10% FBS o con 5% WF per i tempi indicati. L’analisi di espressione della Vinculina è stata utilizzata come normalizzatore dei livelli di caricamento. 5 5. ANALISI DELL’ATTIVAZIONE DELLE CELLULE STAMINALI TUMORALI IN PRESENZA DI WF Successivamente si è deciso di valutare se i WF fossero in grado di stimolare la crescita delle cellule staminali tumorali. A questo scopo sono stati adottati due differenti metodi: Il primo saggio adottato è stato quello della formazione di mammosfere. Le mammosfere sono degli sferoidi formati da cellule cresciute in sospensione. Questa condizione non è fisiologica per le cellule tumorali e soltanto quelle con fenotipo staminale riescono a crescere, quindi ne deriva che le mammosfere che si originano derivano da una singola cellula staminale tumorale. La procedura utilizzata prevede che le cellule vengano piastrate in piastre non adesive, in presenza di un terreno di coltura specifico in modo da ottenere una generazione primaria, grazie alla quale si può valutare l’efficienza di formazione delle mammosfere e il potenziale staminale delle stesse. Queste vengono poi processate e ripiastrate in modo tale da ottenere una generazione secondaria grazie alla quale si valuta la capacità di self-renewal, caratteristica fondamentale di queste cellule. In questo esperimento sono state testate anche alcune linee tumorali di mammella in presenza di terreno di coltura standard, con EGF (Epidermal Growth Factor), oppure nello stesso terreno senza EGF ma con 5% di WF. Come si può osservare, in presenza di WF, in tutte le linee testate si ha un aumento nell’efficienza di formazione delle mammosfere, sia nella generazione primaria che in quella secondaria. Inoltre si osserva anche un aumento della self-renewal. 6 Figura 4. Saggio di formazione delle mammosfere in presenza di WF. A. Il grafico mostra l’efficienza di formazione delle mammosfere (MFE%) ottenuta dalla generazione primaria nelle linee cellulari MDA-MB468, MDA-MB-231, BT-474 e MCF-7 in presenza di terreno standard contenente EGF (EGF) o senza EGF ma addizionato con 5% WF (WF). Il valore di MFE è stato calcolato dal rapporto percentuale tra le mammosfere formate e il numero di cellule piastrate. B. Il grafico mostra la MFE% della generazione secondaria ottenuta a partire dalle mammosfere della generazione primaria disgregate e piastrate nuovamente nei terreni indicati. C. Il grafico indica il Self-Renewal delle cellule MDA-MB-468, MDA-MB-231, BT-474 e MCF-7 in presenza dei terreni indicati. Il self-renewal è stato calcolato dal rapporto tra il numero delle mammosfere secondarie e primarie. D. Immagini rappresentative delle mammosfere formate nella generazione primaria nelle linee indicate. Le immagini sono state acquisite con il microscopio ottico ad ingrandimento 20X. Il secondo metodo che è stato utilizzato per valutare la staminalità delle cellule tumorali è l’analisi della Side Population. Questa è una popolazione cellulare molto ricca di pompe di efflusso che le consentono di escludere composti chimici. Sfruttando questa caratteristica, le cellule vengono marcate con un colorante vitale, l’Hoechst 33342, e usando un inibitore specifico per queste pompe, come la Reserpina, si riesce a riconoscerlo mediante citofluorimetria a flusso. In questo esperimento è stata valutata la Side Population nelle cellule di mammella, mantenute in coltura in presenza o in assenza di WF. Come si può osservare, la presenza di WF in questa linea cellulare aumenta notevolmente la Side Population, che passa dal 4.5% al 15.9% Nel complesso, entrambi questi risultati ci suggeriscono che i WF stimolano in maniera efficace la proliferazione e il self-renewal delle cellule staminali tumorali di mammella. 7 Figura 5. Analisi della Side-Population in presenza di WF. Le figure mostrano l’analisi al FACS per la valutazione della Side Population (SP) nella linea cellulare MCF-7 (A) e nella linea cellulare MDA-MB-468 (B) mantenute per 48 ore nel mezzo completo (CTR) oppure in terreno privo di siero addizionato con 5% WF (WF). La SP è stata identificata mediante l’esclusione del colorante Hoechst che è inibita in presenza di Reserpina. La percentuale di SP è indicata all’interno del plot. 6. SILENZIAMENTO DI STAT3 NELLE CELLULE STAMINALI DI MAMMELLA Per poter valutare il ruolo di STAT3 nell’ambito della proliferazione delle cellule staminali tumorali in vitro, e nella formazione di recidive locali in vivo, è stato necessario adottare strumenti adatti. La prima strategia usata è stata quella di silenziare la proteina in due linee cellulari di mammella, MDA-MB 231 e MDA-MB 4668, utilizzando la tecnica della RNA-interference. Come si può osservare dall’analisi Western-Blot dei lisati cellulari, i cloni ottenuti da entrambe le linee risultano essere efficacemente silenziati e anche dopo stimolazione con WF al 5%, in tutti i tempi testati, non si osserva attivazione della proteina. 8 Si è inoltre valutata l’espressione di alcuni geni regolati trascrizionalmente da STAT3. Come si può osservare dall’analisi mediante qRT-PCR, BCL2 e Survivin, due dei principali target di STAT3, risultano down-modulati rispetto alle cellule di controllo, anche in presenza di WF. Si può quindi dedurre che il silenziamento di STAT3 è stato efficace ed in grado di inibire l’attività trascrizionale della proteina. Figura 6. Silenziamento di STAT3 nella linea cellulare MDA-MB-231. A. La figura mostra l’analisi Western Blot delle cellule controllo (CTR) e dei cloni silenziati per STAT3 (sh). Le cellule sono state deprivate dal siero per 48 ore e successivamente stimolate con 5% WF per i tempi indicati. L’analisi di espressione della Vinculina è stata utilizzata come normalizzatore dei livelli di caricamento. B. I grafici mostrano l’analisi di espressione di due target trascrizionali di STAT3, Bcl-2 e Survivin, mediante la tecnica qRT-PCR, nelle cellule di controllo (CTR) e nei cloni silenziati per STAT3 (sh-STAT3). Le cellule sono state deprivate dal siero e stimolate per i tempi indicati con 5% WF. 9 Figura 7. Silenziamento di STAT3 nella linea cellulare MDA-MB-468. La figura mostra l’analisi Western Blot delle cellule controllo (CTR) e dei cloni silenziati per STAT3 (sh). Le cellule sono state deprivate dal siero per 48 ore e successivamente stimolate con 5% WF per i tempi indicati. L’analisi di espressione della Vinculina è stata utilizzata come normalizzatore dei livelli di caricamento. 7. INIBIZIONE FARMACOLOGICA DI STAT3 La seconda strategia adottata è stata quella di utilizzare degli inibitori di STAT3 commercialmente disponibili: S3I-201, STATTIC e STA-21 agiscono interagendo con il dominio SH2 della proteina, e quindi bloccando la dimerizzazione e la conseguente traslocazione nel nucleo di STAT3, mentre GALLIELLALACTONE agisce bloccando l’attività trascrizionale di STAT3 per interazione con il suo dominio di legame al DNA. Come si può osservare dall’analisi Western Blot della frazione citoplasmatica e di quella nucleare delle cellule trattate, la stimolazione con WF nel controllo causa la fosforilazione di STAT3 e la sua traslocazione nel nucleo. Per contro gli inibitori S3I-201, STATTIC e STA-21 impediscono la traslocazione nucleare della proteina, in accordo con la loro attività. Galliellalactone invece impedisce soltanto in maniera parziale lo spostamento della proteina nel nucleo. Anche in questo caso è stata analizzata l’espressione dei target a valle di STAT3. Si può osservare dall’analisi qRT-PCR come tutti gli inibitori, sebbene a livelli differenti, siano stati in grado di ridurre in maniera efficace la trascrizione dei geni di STAT3 in entrambe le linee testate. 10 1 Figura 8. Inibizione farmacologica di STAT3 nella linea MDA-MB-231. A. La figura mostra l’analisi Western Blot della frazione nucleare e di quella citoplasmatica delle cellule deprivate dal siero, pre-trattate o meno con gli inibitori di STAT3 (S3I-201 50 μM, STATTIC 10 μM, STA-21 30 μM, Galiellalactone 12 μM), raccolte al tempo 0 oppure stimolate per 20 minuti con 5% WF. L’analisi di espressione della Tubulina e della Fibrillarina sono state utilizzate come normalizzatori e marcatori della frazione citoplasmatica e nucleare, rispettivamente. B. I grafici mostrano l’analisi di espressione dei target trascrizionali di STAT3, Bcl-2, Survivin e Ciclina D1, mediante la tecnica qRT-PCR. Le cellule sono state trattate o meno con gli inibitori di STAT3 (S3I-201 50 μM, STATTIC 10 μM, STA-21 30vμM, Galiellalactone 12 μM) e stimolate con 5% WF. 11 8. IMPORTANZA DI STAT3 NELLA FORMAZIONE DELLE MAMMOSFERE A questo punto è stato possibile verificare l’importanza di STAT3 nella proliferazione delle cellule staminali tumorali, nel contesto infiammatorio post-chirurgico. E’ stata quindi valutata la formazione delle mammosfere in un terreno di coltura addizionato di WF al 5%, in presenza o meno degli inibitori di STAT3 precedentemente testati e di un nuovo inibitore di STAT3, NVP-BSK 805. In questo esperimento inoltre sono state testate anche le cellule silenziate per STAT3 precedentemente ottenute. Come si può osservare, la capacità di formare mammosfere nella generazione primaria e la self-renewal sono molto ridotte, sia nelle cellule in cui STAT3 è inibito farmacologicamente, che in quelle silenziate. Inoltre le mammosfere che si formano quando STAT3 è inattivato risultano più piccole e con una densità cellulare minore. Questi risultati indicano che STAT3 è importante nel mantenimento delle caratteristiche staminali delle cellule tumorali di mammella mediata dai WF. Dal momento che numerosi dati di letteratura indicano che uno dei primi attivatori di STAT3 è l’IL-6 è stato deciso anche di testare un anticorpo bloccante IL-6. Esaminando i risultati ottenuti, si può notare come sia l’efficienza di formazione delle mammosfere che la self-renewal diminuiscono rispetto al non trattato, ma questo non è comparabile con i risultati ottenuti con i cloni silenziati o con gli inibitori, suggerendo che sebbene in altri contesti l’IL-6 sia il principale attivatore di STAT3, nel microambiente infiammatorio post-chirurgico, la sua attivazione non èp data da una sola interleuchina. 12 Figura 9. Saggio di formazione delle mammosfere nelle cellule delle linea MDA-MB-231 inibite o silenziate per STAT3. A. I grafici mostrano, a sinistra, l’efficienza di formazione delle mammosfere (MFE%) e, a destra, il self-renewal delle cellule MDA-MB-231 trattate o meno con l’anticorpo bloccante l’IL-6 (0.2 μg/ml) oppure con gli inibitori di STAT3 (S3I-201 50 μM, STATTIC 10 μM, STA-21 30 μM, Galiellalactone 12 μM, NVP-BSK-805 25 μM ), e dei cloni silenziati per STAT3 (sh-2 STAT3 ed sh-3STAT3), in presenza di terreno standard addizionato con 5% WF. B. Immagini rappresentative delle mammosfere formate nella generazione primaria nelle condizioni descritte. Le immagini sono state acquisite con il microscopio ottico ad ingrandimento 20X. 9. FORMAZIONE DELLE RECIDIVE LOCALI, IN VIVO Dopo aver dimostrato in vitro che l’infiammazione post-chirurgica promuove la proliferazione delle CSC e che questo evento è mediato da STAT3, è stato messo a punto un modello sperimentale per valutare in vivo la formazione di recidive locali, mimando ciò che accade normalmente alle pazienti nella pratica clinica, ovvero la crescita di un tumore primario, seguita dalla rimozione chirurgica dello stesso, e la comparsa eventuale di recidive. A questo scopo si sono utilizzati due approcci: Nel primo approccio le mammelle toraciche di topi nudi atimici sono state inoculate con cellule silenziate per STAT3 o con cellule di controllo della line MDA-MB 231. Raggiunta la dimensione ottimale, il tumore primario è stato asportato e si è seguita la comparsa di recidive per 8 settimane 13 Nel secondo approccio le mammelle toraciche di topi nudi atimici sono state inoculate con cellule di controllo. Dopo la formazione del tumore gli animali sono stati suddivisi in quattro gruppi: un gruppo è servito come controllo e gli altri tre sono stati trattati seguendo uno schema perioperatorio con gli inibitori di STAT3 S3I-201 e NVP-BSK 805 che dalle analisi in vitro realizzate in precedenza sembravano essere i più promettenti. Questi sono stati somministrati per via orale il giorno prima, il giorno stesso e il giorno dopo la chirurgia. Come si può osservare dai grafici riportati, solo il 25% degli animali inoculati con cellule silenziate hanno formato recidiva, e il trattamento farmacologico è risultato ancora più afficace, con solo l’8% di recidive nei topi trattati con S3I-201 e addirittura lo 0% in quelli trattati con NVPBSK 805. E’ quindi possibile affermare che l’inibizione di STAT3 è in grado di diminuire la formazione di recidive locali in vivo. Figura 10. Ruolo di STAT3 nella formazione delle recidive locali, in vivo. A. Schema raffigurante le principali fasi del modello adottato per valutare la comparsa di recidive locali: inoculo delle cellule tumorali di mammella nelle ghiandole mammarie toraciche di topi nudi atimici, asportazione chirurgica del tumore primario e analisi dell’eventuale comparsa delle recidive locali per 8 settimane dalla chirurgia. B. Schema di trattamento “peri-operatorio” con gli inibitori di STAT3: S3I-201 60 mg/kg, NVP-BSK-805 80 e 160 mg/kg. I topi sono stati trattati per via orale il giorno prima della chirurgia (giorno -1), il giorno stesso della chirurgia (giorno 0) e il giorno successivo (giorno +1). 14 Figura 21. Ruolo di STAT3 nella formazione delle recidive locali, in vivo. A. La tabella riporta la percentuale delle recidive locali formate dai topi dopo l’inoculo con le cellule MDA-MB-231 di controllo, trattati o meno con gli inibitori di STAT3 indicati, oppure dopo l’inoculo con le cellule 15 MDA-MB-231 silenziate per STAT3 (sh2-STAT3 ed sh-3 STAT3). B. Immagini rappresentative dei tumori primari asportati il giorno della chirurgia, dai topi appartenenti alle coorti indicate. C. Immagine rappresentativa di un topo non trattato che ha sviluppato recidiva locale (indicata dalla freccia) e un topo trattato con l’inibitore S3I-201 di STAT3 che non ha sviluppato recidiva nelle 8 settimane dopo la chirurgia. D. Il grafico riporta la percentuale di sopravvivenza senza recidive nelle coorti indicate, nel periodo di 8 settimane dall’asportazione chirurgica del tumore primario. 10. CONCLUSIONI Per concludere, i risultati ottenuti da questo lavoro di tesi dimostrano che l’infiammazione generata dalla rimozione del tumore primario, stimola la sopravvivenza delle cellule tumorali residue, in particolare delle cellule staminali tumorali, e questo evento è attribuibile all’attivazione della via di segnalazione di STAT3 indotta dall’infiammazione stessa. L’inattivazione di STAT3 infatti diminuisce in vitro l’attività delle cellule staminali tumorali, e questo evento è attribuibile all’attivazione della via di segnalazione di STAT3 indotta dall’infiammazione stessa. L’inattivazione di STAT3 infatti diminuisce in vitro l’attività delle cellule staminali tumorali ed in vivo l’attecchimento delle cellule tumorali e la formazione di recidive. Nel complesso è stato possibile dimostrare che STAT3 può essere considerato un target importante per il trattamento del tumore al seno e può portare, con uno schema di trattamento peri-operatorio adeguato, ad una riduzione significativa dell’insorgenza di recidive locali e quindi ad un aumento della sopravvivenza delle pazienti affette da tumore al seno. 16 BIBLIOGRAFIA 1. Hortobagyi GN, de la Garza Salazar J, et al. (2005). The global breast cancer burden: variations in epidemiology and survival. Clin Breast Cancer; 6: 391-401. 2. 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