Targeting of Breast Cancer Stem Cells to improve the Treatment of Triple Negative Breast Cancer

Abstract

El càncer de mama triple negatiu (CMTN) engloba un grup de tumors molt agressius heterogenis i que a diferència d’altres subtipus de càncers de mama (CM), sol estar associat a un major risc de recaiguda i de metàstasi, i per tant, a un pronòstic més desfavorable. Davant l’actual falta de teràpies dirigides, la quimioteràpia segueix sent el tractament més utilitzat per tractar aquest subtipus de CM. No obstant això, la majoria de les pacients experimenten recidives i desenvolupen quimio-resistència, limitant les seves opcions de tractament. En els últims anys s’ha identificat una subpoblació cel·lular amb característiques de cèl·lula mare que sembla ser la responsable d’originar i mantenir els tumors. Aquestes cèl·lules mare canceroses (CMC), es caracteritzen per la seva notable resistència a tractaments convencionals i el seu elevat potencial metastàsic, que afavoreix la progressió tumoral i el desenvolupament de recurrència. La plasticitat cel·lular confereix a les cèl·lules tumorals poder transitar de forma reversible i dinàmica entre estats epitelials i estats mesenquimals. Aquestes observacions suposen un gran avenç en el coneixement i comprensió de l’heterogeneïtat tumoral, a més de tenir importants implicacions terapèutiques. En aquest sentit, les noves teràpies antineoplàsiques no només han d’eliminar de forma eficient les CMC potencialment agressives, sinó també impedir la desdiferenciació de cèl·lules tumorals i la conseqüent adquisició de propietats de CMC. D’entre totes les disciplines terapèutiques actualment en investigació, tant la teràpia combinada com la nanotecnologia representen una gran oportunitat en l’àrea de la medicina personalitzada i adaptada al pacient. En aquesta tesi, s’han desenvolupat dos models fluorescents de CMC en dues línies cel·lulars de CMTN. Tots dos models permeten estudiar la transició dinàmica cel·lular in vitro i in vivo, a més de servir com a models preclínics per testar l’eficàcia de teràpies antitumorals. Per tal d’identificar fàrmacs amb activitat anti-CMC, es va fer un cribratge d’un total de 17 compostos, dels quals finalment es van seleccionar dos, el 8-quinolinol (8Q) i la niclosamida (NCS). Tots dos compostos van mostrar la capacitat d’afectar diverses propietats de les CMC, a més de mostrar un potent efecte sinèrgic al combinar-los amb el quimioterapèutic paclitaxel (PTX). El tractament combinat contraresta l’activitat pro-CMC de PTX alhora que redueix la viabilitat cel·lular mitjançant la inhibició de vies de senyalització. Aquest efecte es veu encara més potenciat si la combinació s’encapsula en micel·les polimèriques (MP). En conclusió, els resultats aconseguits en aquesta tesi demostren el potencial efecte anti-CMC dels fàrmacs 8Q i NCS en combinació amb PTX, i donen suport a l’aplicació de sistemes micel·lars com a eina potencial per millorar el tractament de CMTN.

El cáncer de mama triple negativo (CMTN) engloba un grupo de tumores muy agresivos heterogéneos y que a diferencia de otros subtipos de cánceres de mama (CM), suele estar asociado a un mayor riesgo de recaída y de metástasis, y por lo tanto, a un pronóstico más desfavorable. Ante la actual falta de terapias dirigidas, la quimioterapia sigue siendo el tratamiento más utilizado para tratar este subtipo de CM. Sin embargo, la mayoría de las pacientes experimentan recidivas y desarrollan quimio-resistencia, limitando sus opciones de tratamiento. En los últimos años se ha identificado una subpoblación celular con características de célula madre que parece ser la responsable de originar y mantener los tumores. Estas células madre cancerosas (CMC), se caracterizan por su notable resistencia a tratamientos convencionales y su elevado potencial metastásico, lo que favorece la progresión tumoral y el desarrollo de recurrencia. La plasticidad celular confiere a las células tumorales poder transitar de forma reversible y dinámica entre estados epiteliales y estados mesenquimales. Estas observaciones suponen un gran avance en el conocimiento y comprensión de la heterogeneidad tumoral, además de tener importantes implicaciones terapéuticas. En este sentido, las nuevas terapias antineoplásicas no solo deben de eliminar de forma eficiente las CMC potencialmente agresivas, sino también impedir la desdiferenciación de células tumorales y la consecuente adquisición de propiedades de CMC. De entre todas las disciplinas terapéuticas actualmente en investigación, tanto la terapia combinada como la nanotecnología representan una gran oportunidad en el área de la medicina personalizada y adaptada al paciente. En esta tesis, se han desarrollado dos modelos fluorescentes de CMC en dos líneas celulares de CMTN. Ambos modelos permiten estudiar la transición dinámica celular in vitro e in vivo, además de servir como modelos preclínicos para testar la eficacia de terapias antitumorales. Con el fin de identificar fármacos con actividad anti-CMC, se hizo un cribado de un total de 17 compuestos, de los cuales finalmente se seleccionaron dos, el 8-quinolinol (8Q) y la niclosamida (NCS). Ambos compuestos mostraron la capacidad de afectar varias propiedades de las CMC, además de mostrar un potente efecto sinérgico al combinarlos con el quimioterapéutico paclitaxel (PTX) a determinados ratios. El tratamiento combinado contrarresta la actividad pro-CMC de PTX a la vez que reduce la viabilidad celular mediante la inhibición de vías de señalización. Este efecto se ve aún más potenciado si la combinación se encapsula en micelas poliméricas (MP). En conclusión, los resultados de esta tesis demuestran el potencial efecto anti-CMC de los fármacos 8Q y NCS en combinación con PTX, y respaldan el uso de sistemas micelares como potencial herramienta para mejorar el tratamiento de CMTN.

Triple negative breast cancer (TNBC) is a heterogeneous disease distinctly aggressive, with higher rates of relapse and metastasis and shorter overall survival than other breast cancer (BC) types. Upon the lack of targeted therapies, conventional chemotherapy remains the primary treatment for TNBC. Unfortunately, most patients relapse quickly after initial remission and the acquisition of drug resistances greatly limit their treatment options. Accumulating evidences indicate that the cancer maintenance, metastatic dissemination and drug resistance are sustained by a small subpopulation of cancer cells with stem cell-like properties, termed cancer stem cells (CSCs). Interestingly, TNBC shows high numbers of CSCs, a fact that has been linked to the high rate of relapse in this subtype. The recent concepts of CSC phenotypic plasticity and the dynamic bidirectional interconversion between CSCs and non-CSCs, represent an important breakthrough in understanding tumor heterogeneity and have important therapeutic implications. Based on this knowledge, strategies to circumvent tumor relapse should carefully consider not only eliminating potential aggressive CSCs within tumors, but also targeting those signaling pathways responsible for the interconversion capacity of non-CSCs to new CSCs. Of all the therapeutic modalities currently under investigation, drug combination approaches and nanotechnology-based drug delivery systems have opened a window to more personalized and individually tailored anticancer therapies. In this thesis, we provided two additional CSC fluorescent models of TNBC cell lines, in which these dynamic phenotypic changes could be observed both in vitro and in vivo. Thereby, expanding the battery of available cell line models for the preclinical validation of CSC-specific therapeutics before the clinical phase. From an initial subset of 17 compounds initially identified by drug repurposing studies, 8-Quinolinol (8Q) and Niclosamide (NCS) emerged as potential candidates for CSC targeting by affecting essential stemness hallmarks in different TNBC cell lines. The combination of 8Q and NCS with the chemotherapeutic drug Paclitaxel (PTX) was studied, identifying synergistic ratios with which the proliferation of bulk cancer cells and the viability of CSCs are both efficiently inhibited, counteracting the pro-CSC activity of PTX whilst reducing cell viability by inhibiting CSC essential signaling pathways. The anti-CSC activity of drug-combination was remarkably enhanced when encapsulated into polymeric micelles (PM) in addition to providing evidence of a chemosensitizing effect to PTX. In summary, the results achieved in this thesis highlight the potential anti-CSC role of 8Q and NCS drugs in combination with PTX – either free or (co)encapsulated into PM –opening the way to a more efficacious treatment of TNBC.