Unraveling the role of cell metabolism in the molecular mechanisms of resistance in cancer. Encapsulation of glycolytic inhibitors in nanoparticles to increase their release in a lung cancer model.

Abstract

A maioria dos tumores sólidos apresenta um metabolismo alterado, caracterizado pela elevada dependência da fermentação lática, mesmo em normóxia, sendo uma característica emergente das células tumorais. O aumento do fluxo glicolítico induz uma acidez no espaço extracelular, potenciando características mais agressivas das células tumorais, como a capacidade de migração e a resistência à terapia. Como o MCT1 e o MCT4 desempenham um papel na regulação do pH intracelular, exportando o lactato, apesentam uma sobreexpressão em tumores glicolíticos. Assim, o metabolismo alterado pode ser um alvo para novas terapias, nomeadamente a utilização de inibidores glicolíticos (GIs), inibindo o metabolismo celular e modificando o microambiente tumoral, de forma a afetar os mecanismos envolvidos na quimiorresistência. Deste modo, estudou-se o efeito de GIs (3-bromopiruvato (3BP), dicloroacetato (DCA) e 2-desoxiglicose (2DG)) nas propriedades das células tumorais e no fenótipo de multirresistência, usando como modelo linhas celulares derivadas de cancro de pulmão. Todos os compostos levaram à perda da viabilidade celular, sendo o efeito no metabolismo celular, na migração e na proliferação dependente do composto e da linha celular. Como o MCT1, o MCT4 e a chaperona CD147, estão envolvidos no efluxo de lactato e, no caso do 3BP, no influxo deste, analisou-se a sua expressão basal. Contudo, observou-se que a expressão basal do MCT1, do MCT4 e da CD147 não se correlacionava com a citotoxicidade dos GIs, demonstrando que outros fatores podem estar envolvidos no seu mecanismo de ação. De entre os GIs testados, o DCA apresentou um maior efeito inibitório sobre o metabolismo e a proliferação celular. O tratamento com DCA promoveu uma redução no consumo de glicose e na produção de ATP e de lactato nas linhas celulares A549 e NCI-H460. Apesar do efeito observado no metabolismo, foi apenas observado um pequeno efeito na inibição da migração. Apenas o 3BP foi capaz de induzir inibição da migração, e apenas na linha celular NCI-H460. Os resultados mostraram que as linhas celulares testadas apresentam baixa migração em condições basais e, consequentemente, os GIs não tiveram grande impacto nesta característica. Analisou-se o efeito do DCA na sensibilidade das células a quimioterápicos convencionais, como o Paclitaxel (PTX). Observou-se uma diminuição de 2,7 vezes e de 10 vezes no valor de IC50 do PTX nas linhas A549 e NCI-H460, respetivamente, mostrando que o DCA torna as células mais sensíveis ao PTX. Para aumentar a concentração intracelular de DCA, produziram-se nanopartículas de poli(ácido lático-co-glicólico) (PLGA NPs) contendo DCA. Para concentrações elevadas de DCA, a encapsulação aumentou a sua toxicidade em células tumorais. As PLGA NPs contendo DCA mostraram ser um sistema de entrega promissor para aumentar o efeito antitumoral do DCA. Esses resultados podem ajudar a encontrar uma nova estratégia de tratamento, através da terapia combinada, abrindo portas para novas abordagens de tratamento. Este estudo sugere que o metabolismo tumoral é um ator importante na tumorigénese e no fenótipo agressivo das células tumorais. Bloqueando os principais atores pode comprometer-se o mecanismo responsável pelo insucesso do tratamento e melhorar as opções terapêuticas utilizadas na prática clínica.

Most solid tumors present an altered metabolism characterized by a high dependence on lactic acid fermentation, even in the presence of oxygen, which is an emergent hallmark of cancer cells. The glycolytic flux increase induces the acidification of the extracellular space and boosts the more aggressive characteristics of tumor cells, such as increased migration ability and resistance to therapy. Since MCT1 and MCT4 play a role in intracellular pH, by exporting the accumulating lactic acid, they are upregulated in glycolytic tumors. Therefore, the altered metabolism can be an excellent target for new therapies in the cancer field, namely through the use of glycolytic inhibitors (GIs), which can inhibit cell metabolism and modify tumor microenvironment, affecting mechanisms involved in chemotherapy resistance. Therefore, we studied the effect of GIs (3-bromopyruvate (3BP), dichloroacetate (DCA) and 2-deoxyglucose (2DG)) on cancer cell properties and on the multidrug resistance phenotype, using lung cancer cells. All compounds led to loss of cell viability, with the effect on cell metabolism, migration and proliferation being dependent on the drug and cell line assayed. As MCT1 and MCT4, as well as their chaperone CD147, are involved in lactate efflux and, in the case of 3BP, in its influx, we analyzed their basal expression. However, we observed that MCT1, MCT4 and CD147 basal expression was not correlated with the GI’s cytotoxicity, demonstrating that other factors should be involved in their mechanism of action. Among the GIs assayed, DCA was the most promising one, since it presented the highest inhibitory effect on cell metabolism and proliferation. DCA treatment led to a reduction in glucose consumption and in ATP and lactate production in A549 and NCI-H460 cell lines. In spite of the effect observed on metabolism, only a small effect was observed on the migratory capacity inhibition. In this case, only 3BP was able to induce some migration inhibition, and only in the NCI-H460 cell line. Our results showed that the cell lines assayed intrinsically exhibit a low migratory capacity in basal conditions and, consequently, the GIs did not have a major impact on this feature. We then analyzed DCA effect on the sensitivity of lung cancer cells to conventional chemotherapeutic agents namely Paclitaxel (PTX). A 2.7-fold and a 10-fold decrease in PTX IC50 value were observed in the A549 and NCI-H460 cell lines, respectively, showing that DCA sensitizes cells to PTX. To increase the intracellular DCA concentration, thereby potentiating its effect, DCA-loaded poly(lactic-co-glycolic acid) nanoparticles (PLGA NPs) were produced. It was found that for higher DCA concentrations, encapsulation increased its toxicity. Overall, DCA-loaded PLGA NPs showed to be a promising drug delivery system to enhance DCA anti-tumoral effect. These results may help finding a new treatment strategy, through combined therapy, which could open doors to new treatment approaches. This study suggests that tumor metabolism is an important player in tumorigenesis and in the aggressive cancer cell phenotype. Blocking the main actors involved in this relationship can disrupt the mechanism responsible for treatment failure and improve existing therapeutic options used in clinical practice.