Generación de modelos murinos de adenocarcinoma pancreático con mayor eficiencia metastásica para el estudio de agentes antitumorales

Abstract

L’ adenocarcinoma ductal de pàncrees (ACDP) és un tumor agressiu, de biologia tumoral i genètica complexa, amb mal pronòstic per el seu diagnòstic tardà i quimioresistència. El receptor de quimiocines, CXCR4 és un marcador de cèl·lules mare tumorals metastàtiques, associat amb un augment de la invasió, la disseminació tumoral i la quimioresistència en tumors pancreàtics. Aquest receptor seria, per tant, una diana excel·lent per al adreçament d’una teràpia antitumoral i antimetastática. La motivació per a la realització d’aquest projecte de tesi ha estat la necessitat de desenvolupar treballs de recerca per millorar el diagnòstic, el pronòstic i el tractament de l’ACDP. En aquest treball s’han generat models en ratolí amb una major eficiència metastàtica que permeten ampliar l’estudi d’aquesta patologia i que s’han utilitzat, a més, per validar dos tractaments de l’àmbit de la nanomedicina: una membrana constituïda per nanofibres que permet un alliberament local i controlada de fàrmac cap al tumor primari i una nanopartícula per al lliurament dirigida d’un citotòxic cap a les cèl·lules mare tumorals CXCR4+, implicades en el procés de metàstasi. Els objectius específics d’aquest projecte han estat: l’obtenció de mostres de ACDP humà i l’estudi de l’expressió de CXCR4; la creació de models en ratolí de ACDP d’alta eficiència metastàtica a partir de línies cel·lulars de ACDP i mostres tumorals humanes amb alta expressió de CXCR4; l’avaluació, en xenógrafs ortotòpics pancreàtics, de l’eficàcia terapèutica d’una membrana de nanofibres produïda per la polimerització d’àcid poli (làctic-co-glicòlic, PLGA) i carregada en la seva matriu amb el citotòxic SN38 (CEB-01-SN38 ) en tractament únic o en combinació amb quimioteràpia, i finalment, l’estudi de la citotoxicitat i biodistribució in vivo de la nanopartícula T22-O-Gemcitabina (T22-O-GEM), adreçada a l’eliminació selectiva de les cèl·lules mare metastàtiques.Per a això, la metodologia ha inclòs experiments in vitro (cultiu cel·lular i l’obtenció de línies tumorals PANC-1 i MIA PaCa-2 amb expressió de CXCR4 i l’obtenció d’una línia tumoral a partir d’un tumor de ACDP de pacient), i experiments in vivo (la generació de models subcutanis de ADCP i models ortotòpics metastàtics, la implantació de membranes CEB-01, l’administració de quimioteràpia, el seguiment de l’ creixement tumoral i avaluació de les metàstasis per bioluminescència), i finalment, l’avaluació de la citotoxicitat i biodistribució in vivo de T22-GFP-GEM. Les nostres conclusions són que la implantació de cèl·lules tumorals amb sobreexpressió de CXCR4 augmenta significativament la disseminació tumoral i és útil per a l’avaluació preclínica d’ antitumorals, que la implantació ortotòpica de biòpsies humanes amb alta expressió de CXCR4 és un model més predictiu per a la clínica, que la implantació de la membrana CEB-01 amb SN-38 permet el control de l’ creixement tumoral local i la seva combinació amb quimioteràpia pot controlar la progressió tumoral i disminuir la càrrega tumoral metastàtica, i que la nanopartícula T22-O-GEM presenta adreçament cap a cèl·lules mare tumorals metastàtiques i indueix mort cel·lular. Aquest tractament podria aconseguir un major efecte antitumoral comparat amb el tractament estàndard amb Gemcitabina, disminuint, a més, la toxicitat depenent de dosi.

El adenocarcinoma ductal de páncreas (ACDP) es un tumor agresivo, de biología tumoral y genética compleja. Presenta un mal pronóstico por su diagnóstico tardío y quimiorresistencia. El receptor de quimiocinas, CXCR4 es un marcador de células madre tumorales metastásicas. Varios estudios lo han asociado con un aumento de la invasión, la diseminación tumoral y la quimiorresistencia en tumores pancreáticos. Este receptor sería, por tanto, una diana excelente para el direccionamiento de una terapia antitumoral y antimetastásica.

La motivación para la realización de este proyecto de tesis ha sido la necesidad de desarrollar trabajos de investigación que permitan encontrar nuevas herramientas para mejorar el diagnóstico, el pronóstico y el tratamiento del ACDP. En este trabajo se han generado modelos en ratón con una mayor eficiencia metastásica que permiten ampliar el estudio de esta patología. Estos modelos se han utilizado, además, para validar dos tratamientos del ámbito de la nanomedicina: una membrana constituída por nanofibras que permite una liberación local y controlada de fármaco en el tumor primario tras la resección quirúrgica, y una nanopartícula para la entrega dirigida de un citotóxico hacia las células madre tumorales CXCR4+, implicadas en el proceso de metástasis, permitiendo, en ambas estrategias, un aumento de la concentración farmacológica del compuesto antitumoral, y disminuyendo la toxicidad sistémica asociada al tratamiento.

Los objetivos específicos de este proyecto han sido: la obtención de muestras de ACDP humano y el estudio de la expresión de CXCR4; la creación de modelos en ratón de ACDP de alta eficiencia metastásica a partir de líneas celulares de ACDP y muestras tumorales humanas con alta expresión de CXCR4; la evaluación, en xenógrafos ortotópicos pancreáticos, de la eficacia terapéutica de una membrana de nanofibras producida por la polimerización de ácido poli (láctico-co-glicólico, PLGA) y cargada en su matriz con el citotóxico SN-38 (CEB-01-SN38) en tratamiento único o en combinación con quimioterapia,y finalmente, el estudio de la citotoxicidad y biodistribución in vivo de la nanopartícula T22-O-Gemcitabina (T22-O-GEM), dirigida a la eliminación selectiva de las células madre metastásicas.

Para ello, la metodología ha incluido experimentos in vitro (cultivo celular y la obtención de líneas tumorales PANC-1 y MIA PaCa-2 con expresión de CXCR4 y la obtención de una línea tumoral a partir de un tumor de ACDP de paciente), y experimentos in vivo: la generación de modelos subcutáneos de ADCP y modelos ortotópicos metastásicos, la implantación de membranas CEB-01, la administración de quimioterapia, el seguimiento del crecimiento tumoral y evaluación de las metástasis por bioluminiscencia), y finalmente, la evaluación de la citotoxicidad y biodistribución in vivo de T22-GFP-Gemcitabina y el análisis de la expresión de CXCR4 en muestras de pacientes con ACDP.

Nuestras conclusiones son que la implantación de células tumorales con sobreexpresión de CXCR4 aumenta significativamente la diseminación tumoral y es útil para la evaluación preclínica de compuestos antitumorales, que la implantación ortotópica de biopsias humanas con alta expresión de CXCR4 es un modelo más predictivo para la clínica, que la implantación de la membrana CEB-01 cargada con el fármaco SN-38 permite el control del crecimiento tumoral local y su combinación con quimioterapia puede controlar la progresión tumoral y disminuir la carga tumoral metastásica, y que la nanopartícula T22-O-GEM presenta direccionamiento hacia células madre tumorales metastásicas e induce muerte celular. Este tratamiento podría conseguir un mayor efecto antitumoral comparado con el tratamiento estándar con Gemcitabina, disminuyendo, además, la toxicidad dependiente de dosis observada en los quimioterápicos utilizados habitualmente, no sólo en ACDP sino en otras neoplasias.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is an aggressive neoplasia with a complex tumor behaviour and genetics. It has a poor prognosis due to its late diagnosis and chemo- resistance. CXCR4, a marker of metastatic tumor stem cells, has been associated with an increase in invasion, tumor spread and chemoresistance in pancreatic tumors. This receptor could be a good target for the addressing of an anti-tumor and antimetastatic therapy.

The motivation to perform this thesis has been the need to develop research work that will allow to find new tools that improve the diagnosis, prognosis and treatment of PDAC. In this work, mouse models have been generated with greater metastatic efficiency to expand the study of this pathology. They have also been used to validate two treatments in the field of nanomedicine, which allow a local controlled release of the drug in the primary tumor after surgical resection, and targeted administration of cytotoxic to CXCR4+ tumor stem cells, associated with metastasis, allowing an increase in pharmacological concentration and decreasing systemic toxicity.

The specific objectives of this project have been to obtain samples from human PDAC and to study the expression of CXCR4, the development of high-efficiency metastatic mouse models of PDAC from PDAC cell lines and human tumor samples CXCR4+. Those models were used to evaluate the therapeutic efficacy of a nanofiber membrane produced by poly acid polymerization (lactic-co-glycolic) loaded with cytotoxic SN-38 (CEB-01-SN38) and treated alone or in combination with chemotherapy, and the study of in vivo cytotoxicity and biodistribution of the nanoparticle T22-O-Gemcitabine (T22-O-GEM), aimed at selective elimination of metastatic stem cells.

To this end, the methodology has included conducting in vitro experiments: cell culture and obtaining PANC-1 and MIA PaCa-2 tumor lines with high CXCR4 expression and a tumor line from a patient's PDAC tumor, as well as in vivo experiments developing subcutaneous PDAC models and metastatic orthotopic models, implantation of CEB-01 membranes, administration of chemotherapy, monitoring of tumor growth and determination of metastases by bioluminescence, and finally, the evaluation of cytotoxicity and in vivo biodistribution of T22-GFP—GEM.

Our conclusions are that implantation of tumor cells with CXCR4 overexpression significantly increases tumor spread being usefulness for preclinical evaluation of antitumor compounds. The orthotopic implantation of human biopsies with high expression of CXCR4 is a more predictive and translational model for preclinical assays. The implantation of the CEB-01 membrane loaded with the drug SN-38, can control the local tumor growth alone or combined with chemotherapy, decreasing metastatic tumor spread, and finally, the T22-O-GEM nanoparticle could be used to eliminate metastatic cancer stem cells and it might induce greater antitumor effects than the standard treatment with Gemcitabine, reducing the side effects of standard chemotheratic treatments.