Effect of tumor heterogeneity in antitumor treatments based on NIS protein expression
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La utilización de radioisótopos de yodo en medicina nuclear es una herramienta muy efectiva para el diagnóstico y tratamiento de patologías tiroideas, como el cáncer, basada en la actividad del co-transportador sodio/yodo (NIS), una glicoproteína localizada en la membrana basal de los tirocitos, que cataliza un transporte activo de yodo. La captura del yodo radiactivo (I131, I125) y de otros radioisótopos como el tecnecio (Tc99m) en las células tumorales se logra por el mismo mecanismo, permitiendo la visualización de los tumores por la emisión de partículas gamma provenientes del I125 o del Tc99m y la destrucción radioterapéutica de los mismos por la emisión de partículas β provenientes del I131.Los desarrollos recientes en terapia génica han permitido la transferencia de NIS a otros tipos de células por medio de vectores virales, generando como perspectiva prometedora la utilización de estos tratamientos en tumores de origen extra-tiroideo. Este tipo de aproximaciones experimentales han mostrado ventajas adicionales a los tratamientos convencionales, como por ejemplo la reducción de la toxicidad extra-tumoral. En la Unidad TIRO-MATOs (Facultad de Medicina, Universidad de Niza, Francia), se desarrolló una línea de células de carcinoma de colon (HT29) que expresan de forma estable el gen nis, (HT29-NIS). Estas células, introducidas en ratones inmuno-deficientes, forman tumores que pueden ser estudiados por técnicas de imagenología por Tomografía Computarizada de Emisión de Fotón Simple (SPECT, por sus siglas en inglés). Entre los hallazgos más importantes, se evidenció una inesperada distribución heterogénea en la incorporación de yodo y la expresión de NIS en las células que forman el tumor, siendo mayor la captación en la parte externa del tumor (zonas oxigenadas con presencia principalmente de células proliferantes), mientras que dicha captación y la expresión de NIS disminuyen notoriamente al interior del mismo (zonas hipóxicas que podrían contener principalmente células quiescentes). A estas células quiescentes se les atribuye la radioresistencia a los tratamientos y las recaídas y metástasis sufridas por los pacientes no respondedores. Estos resultados sugieren que la disminución en la captación de yodo y posiblemente de la expresión de NIS en el modelo in vivo, podría estar relacionada con las características heterogéneas del tumor, particularmente con la presencia de diferentes tipos celulares (células proliferantes y quiescentes), la distribución no uniforme del oxígeno (presencia de zonas hipóxicas) y cambios en la disponibilidad de nutrientes que alteran las vías metabólicas usadas por las células tumorales, que inciden en el pH extracelular y que modifican las características de sensibilidad a los tratamientos.Los resultados obtenidos por el grupo francés hacen evidente la importancia de comprender cómo los factores microambientales del tumor afectan el metabolismo de las células cancerosas, particularmente asociados a la respuesta celular al estrés, y cómo estos cambios metabólicos inducen resistencia incluso a tratamientos tan novedosos como la radioterapia metabólica basada en terapia génica, y a la radioterapia convencional de fuente externa. Con el fin de responder a estos interrogantes, se estableció una alianza de cooperación en investigación básica aplicada entre la Unidad TIRO-MATOs, el Centro de Control de Cáncer Ltda., y el Grupo de Investigación en Bioquímica y Biotecnología (Bio-Bio) de la Universidad del Rosario. A partir de los resultados obtenidos en la Unidad TIRO-MATOs, se realizará un estudio in vitro que consistirá en imitar en cultivo las condiciones microambientales que se encuentran en los tumores in vivo y que determinan la heterogeneidad de los tumores, especialmente la variación en la concentración de oxígeno y los cambios en la proliferación celular. Se analizará el efecto de estas condiciones microambientales en el comportamiento metabólico celular (vía glucolítica y vías de respuesta celular a estrés) y la expresión de la proteína NIS. De igual forma, se estudiará cómo la expresión heteróloga de la proteína NIS y la heterogeneidad tumoral afectan la sensibilidad de las células a las radiaciones ionizantes. De esta forma, con este trabajo se espera aportar conocimiento sobre algunas vías metabólicas tumorales que pueden estar afectando la respuesta celular a los estresores utilizados en tratamientos contra el cáncer, con miras a identificar posibles blancos terapéuticos para aumentar la sensibilidad de los tumores a dichos tratamientos.
The use of iodine radioisotopes in nuclear medicine is a very effective tool for the diagnosis and treatment of thyroid pathologies, such as cancer, based on the activity of the sodium/iodine co-carrier (NIS), a glycoprotein located in the basement membrane of the thyroid cells, which catalyzes active iodine transport. The capture of radioactive iodine (I131, I125) and other radioisotopes such as technetium (Tc99m) in tumor cells is achieved by the same mechanism, allowing the visualization of tumors by the emission of gamma particles from I125 or Tc99m and the radiotherapeutic destruction of them by the emission of particles β from I131.Recent developments in gene therapy have allowed the transfer of NIS to other cell types by means of viral vectors, with the promising prospect of using these treatments in tumours of extra-throid origin. Such experimental approaches have shown additional advantages over conventional treatments, such as reducing extra-tumour toxicity. In the TIRO-MATOs Unit (Faculty of Medicine, University of Nice, France), a line of colon carcinoma cells (HT29) that express the nis gene (HT29-NIS) in a stable way was developed. These cells, introduced into immuno-deficient mice, form tumors that can be studied by single photon emission computed tomography (SPECT) imaging techniques. Among the most important findings, an unexpected heterogeneous distribution of iodine incorporation and NIS expression in the cells that form the tumor was evident, with greater uptake in the external part of the tumor (oxygenated zones with the presence of proliferating cells), while this uptake and NIS expression decreased markedly inside the tumor (hypoxic zones that could contain mainly quiescent cells). These quiescent cells are attributed to radioresistance to treatments and relapses and metastases suffered by non-responders. These results suggest that the decrease in iodine uptake and possibly NIS expression in the in vivo model may be related to heterogeneous tumor characteristics, particularly the presence of different cell types (proliferating and quiescent cells), the non-uniform distribution of oxygen (presence of hypoxic zones), and changes in nutrient availability that alter the metabolic pathways used by tumor cells, which affect theThe results obtained by the French group make clear the importance of understanding how the microenvironmental factors of the tumour affect the metabolism of cancer cells, particularly associated with the cellular response to stress, and how these metabolic changes induce resistance even to novel treatments such as metabolic radiotherapy based on gene therapy, and to conventional radiotherapy from external sources. In order to answer these questions, a cooperation alliance in applied basic research was established between the TIRO-MATOs Unit, the Cancer Control Center Ltda., and the Biochemistry and Biotechnology Research Group (Bio-Bio) of the University of Rosario. Based on the results obtained in the TIRO-MATOs Unit, an in vitro study will be carried out to imitate in culture the microenvironmental conditions found in in vivo tumours that determine the heterogeneity of the tumours, especially the variation in oxygen concentration and changes in cell proliferation. The effect of these microenvironmental conditions on cellular metabolic behaviour (glycolytic pathways and cellular stress response pathways) and the expression of NIS protein will be analysed. Likewise, it will be studied how heterologous expression of NIS protein and tumor heterogeneity affect the sensitivity of cells to ionizing radiation. In this way, this work is expected to provide knowledge on some tumor metabolic pathways that may be affecting the cellular response to stressors used in cancer treatments, with a view to identifying possible therapeutic targets to increase the sensitivity of tumors to such treatments.
