Novel tools to study aggressive prostate cancer

Abstract

El cáncer de próstata (PCa) metastásico es la tercera causa de muerte por cáncer en hombres en el mundo occidental. La terapia estándar es la privación de andrógenos (ADT), aunque los taxanos y los medicamentos recientemente desarrollados para el receptor de andrógenos pueden evitar temporalmente la resistencia a la castración. El cáncer de próstata resistente a la castración (CRPC) es una enfermedad mortal y sigue siendo el mayor desafío clínico del PCa. Se ha dedicado un esfuerzo significativo para descubrir tratamientos eficientes y se han identificado varios inhibidores específicos de algunas vías de señalización. Sin embargo, una limitación importante es el muy bajo número de modelos adecuados que reproducen la enfermedad. De hecho, los modelos in vivo capaces de recapitular la heterogeneidad de los tumores de próstata son escasos. De manera similar, la mayoría de los modelos in vitro se derivan de metástasis, por lo que representan de manera deficiente la heterogeneidad del PCa. Numerosos estudios sugieren que dentro de los tumores reside una pequeña población con propiedades similares a las células madre. Presumimos que el ADT puede enriquecer las células tumorales de células madre cancerosas (CSCs). Entonces, una terapia eficaz tendría que ser aplicada en etapas tempranas. Otros desafíos son encontrar nuevos marcadores para la pronta identificación de tumores, o poder predecir CRPC. Nuestros estudios anteriores sugirieron que PTOV1 es un buen marcador discriminatorio para HGPIN asociado a PCa, que se sobre expresa en la enfermedad metastásica. Además, nuestros estudios funcionales sobre el papel de esta proteína en tumores resistentes sugieren que PTOV1 es una buena diana para eliminar las células cancerosas más agresivas. El objetivo principal de esta tesis es obtener un modelo in vitro simple para reproducir las características y el comportamiento del PCa primario y para testar nuevas drogas. Un segundo objetivo es analizar los mecanismos de la proteína oncogénica PTOV1 en la promoción de la resistencia al cáncer a la quimioterapia. En este trabajo, establecimos 16 nuevos cultivos primarios tumorales ex vivo a partir de biopsias de pacientes con PCa no tratados, derivando el cultivo independiente de andrógenos (AI) correspondiente. Después de la ADT in vitro, los cultivos primarios mostraron en general una reducción de la tasa de proliferación, un aumento de la motilidad y la resistencia a la quimioterapia, lo que sugiere que las poblaciones de AI son altamente plásticas y capaces de superar el estrés causado por las quimioterapias. El ADT in vitro se asoció con un aumento de la expresión de marcadores de auto-renovación, lo que sugiere un aumento de las capacidades de células madres en las poblaciones de células AI resistentes. Para establecer un modelo dirigido a estudiar la resistencia de las CSCs, las células se seleccionaron de manera eficiente a través de un protocolo funcional basado en la capacidad para formar esferas. Las esferas fueron caracterizadas, validadas y utilizadas para probar nuevos medicamentos. Finalmente, descubrimos un nuevo motivo tipo AT-hook dentro del dominio A de la proteína PTOV1 con una mayor afinidad por el ADN en lugar del ARN. Hemos demostrado que este motivo tipo AT-hook, a través del cual PTOV1 se une directamente a los promotores ALDH1A1 y CCNG2, es necesario para activar la expresión de estos genes en las células sensibles a los andrógenos. Los niveles altos de PTOV1, ALDH1A1 y CCNG2 se correlacionan significativamente con PCa agresivos y mal pronóstico, lo que sugiere que PTOV1 podría ser una diana potencial para el tratamiento del PCa que responde a los andrógenos. En conjunto, estos resultados proporcionan herramientas novedosas para estudiar el PCa.

Metastatic prostate cancer (PCa) is the third leading cause of death for cancer in Europe and North American men. Gold standard therapy is the androgen deprivation therapy (ADT), although taxanes and newly developed drugs to Androgen Receptor can temporarily bypass the resistance to castration, the Castration Resistant Prostate Cancer (CRPC) is a mortal disease and remains the greatest clinical challenge of prostate cancer. Significant effort has been devoted to discover efficient treatments for these patients and a number of specific inhibitors to some signaling pathways have been identified. However, one important limitation is the very low number of suitable models that reproduce the aggressive disease. In fact, in vivo models able to recapitulate the heterogeneity of prostate tumors are scarce and have several setbacks. Similarly, most in vitro models are derived from metastasis, thus poorly represent the heterogeneity of human prostate tumors. A growing body of evidence suggests that within tumors resides a small population with stem cell-like properties. We hypothesized that ADT can enrich tumors for cancer stem cells (CSCs). Additionally, a successful therapy for PCa would need to be applied at early stages and new markers for the prompt identification of aggressive tumors, or to predict CRPC, together with more specific therapeutic targets are prerequisites. Our previous studies suggested that PTOV1 is a good discriminating marker for HGPIN associated to PCa, that is overexpressed in more aggressive metastatic disease. Furthermore, our functional studies on the role of this protein in resistant tumors suggest that PTOV1 is a good target to eliminate more aggressive cancer cells. The main objective of this thesis is to obtain a simple in vitro model to reproduce the characteristics and behavior of primary prostate tumors to be used in in vitro drug screenings. A second objective is to analyze the mechanisms of the oncogenic protein PTOV1 in the promotion of cancer resistance to chemotherapy. In this work, we established 16 new ex vivo primary prostate tumor cultures from needle biopsies of untreated patients with aggressive cancer. These cultures were characterized for their phenotypes and functional characteristics. In addition, each culture was in parallel treated to derive corresponding Androgen Independent (AI) cultures. These AI primary tumor cultures exhibited in general a reduction of proliferation rate, increase of motility, and resistance to chemotherapy, suggesting that AI cultures are highly plastic and able to overcome the stress caused by chemotherapies. Of note, the treatment with ADT in vitro was associated with an increment of expression of self-renewal markers, suggesting an increase of stemness capacities in the resistant AI cell populations. To establish a model to study CSCs resistance, cells were efficiently selected through a functional protocol based in their ability to form spheres. These spheres were characterized, validated and used to test new drugs. Finally, we discovered a new AT-hook like motif within the A domain of the protein PTOV1 with higher affinity to DNA rather than RNA. We have shown that this AT-hook-like motif, through which PTOV1 directly binds to ALDH1A1 and CCNG2 promoters, is necessary to activate the expression of these genes in androgens sensitive cells. PTOV1, ALDH1A1 and CCNG2 high levels are significantly correlated with aggressive metastatic prostate tumors and worst outcome, suggesting that PTOV1 represents a potential target for the treatment of these tumors. These results provide novel tools to targets aggressive prostate tumors.