Colorectal cancer study: new biomarkers research in different sample types

Abstract

[eng] Colorectal cancer is the third most common cancer worldwide and the second cause of cancer death, in fact, the 5-year survival decreases drastically across the stages. This decrease in survival in the advanced stages indicates the need of an early diagnosis. The new biomarker research is focused on the study of colorectal cancer tissues, but despite oxidative stress, inflammation, and the epithelial-mesenchymal transition are key processes for the development of this disease, their role in early stages is not well stablished yet. As well as the possibility of finding biomarkers in tumor tissues, these new biomarkers could be found in extracellular vesicles, because the extracellular vesicles are released from colorectal cancer cells since early stages. Moreover, these vesicles are delimitated by a lipid bilayer that protects the extracellular vesicles content from degradation. Extracellular vesicles are found in most biological fluids, therefore could be found in bowel lavage fluid, which is an uncommon sample type acquired during colonoscopies with a huge potential as a colorectal cancer study sample. Finally, the main function of extracellular vesicles is to act as a communicator between cells. Diet is a factor risk of colorectal cancer since it participates in initiation and progression of colorectal cancer. Genistein, an isoflavone found in soybean, present an important effect in colorectal cancer, but the mechanism by which performs its action remains unclear. For these reasons, the objectives of this thesis were: 1) to determine the changes in oxidative stress, inflammation, epithelial-mesenchymal transition, and metastasis related proteins in tumor and non-tumor adjacent tissues from patients with colorectal cancer in all the stages; 2) to analyze the bowel lavage fluid and its extracellular vesicles as a research sample for study and diagnosis of colorectal cancer; 3) to study the RNA content from extracellular vesicles isolated from bowel lavage fluid from colorectal cancer patients; 4) to determine the effect of genistein on oxidative stress, mitochondrial biogenesis, and inflammatory status in primary and metastatic colon cancer cell lines. The obtained results indicate that early stages of colorectal cancer, especially stage II, present molecular characteristics that belong to advanced stages, which indicates the importance of early stages for the disease development and the possibility of using these changes as a source of possibly early biomarker of colorectal cancer. The nontumor adjacent tissue presents an increase in inflammatory status across the stages, which could indicate a communication between both tissue types, which could be done by extracellular vesicles released by tumor cells. These extracellular vesicles can be isolated from bowel lavage fluid and can be used as a biomarker source, because its content can reflect the origin cell status. Furthermore, the content of extracellular vesicles from cancer patients is enriched in mRNAs and miRNAs, which participate in pathways related to oxidative stress and mitochondria, inflammation, proliferation, and cell death. Finally, all these mentioned pathways are modified by genistein to decrease cell viability in cells from primary and metastatic tumors in a different way. In conclusion, the study of early stages of colorectal cancer allows an increase in the disease progression knowledge in addition to their function as a biomarker source, that can also be found in extracellular vesicles content, for diagnosis and prognosis of colorectal cancer to improve the survival of colorectal cancer patients.

[cat] El càncer colorectal és la tercera neoplàsia més comú al món i la segona causa de mort per càncer, de fet, la supervivència als 5 anys va disminuint dràsticament al llarg dels estadis d’aquesta malaltia. Aquesta disminució als estadis més avançats indica la necessitat d’un diagnòstic primerenc. La recerca de nous marcadors per al diagnòstic i pronòstic de la malaltia es centra en l’estudi dels teixits afectats per el càncer, però a pesar de que l’estrès oxidatiu, la inflamació i la transició epiteli-mesènquima són processos clau per al desenvolupament d’aquesta patologia no es coneix bé el seu paper als estadis primerencs. A més de trobar aquests marcadors als teixits afectats, també es podrien trobar a les vesícules extracel·lulars, ja que s’alliberen per les cèl·lules del càncer colorectal des de estadis primerencs. A més, les vesícules estan delimitades per una bicapa lipídica que protegeix el seu contingut de la degradació. Aquestes vesícules es troben a la majoria de fluids del cos, per tant es podrien trobar a l’aspirat del lumen intestinal, que es una mostra poc coneguda que es recull durant les colonoscòpies i que té un gran potencial com a eina per a l’estudi d’aquest càncer. Finalment, la funció principal de les vesícules extracel·lulars és la comunicació entre cèl·lules. La dieta és un factor de risc per al càncer colorectal, ja que hi participa en l’inici i progressió. La genisteïna, una isoflavona dels aliments rics en soja, actua sobre el càncer colorectal, encara que com porta a terme la seva acció no està completament dilucidat. Els objectius d’aquesta tesi varen ser: 1) determinar els canvis en l’estrès oxidatiu, inflamació, transició epiteli-mesènquima i metàstasi a mostres de teixit tumoral i de teixit adjacent no tumoral de pacients afectats per càncer colorectal als diferents estadis de la malaltia; 2) analitzar l’aspirat intestinal i les vesícules extracel·lulars que conté com eina per a l’estudi i diagnòstic del càncer colorectal; 3) determinar i estudiar l’ARN contingut en les vesícules extracel·lulars aïllades de l’aspirat del lumen intestinal de pacients afectats per càncer colorectal; 4) determinar l’efecte de la genisteïna sobre l’estrès oxidatiu, la biogènesi mitocondrial i l’estat inflamatori sobre dues línies cel·lulars de càncer de colon. Els resultats obtinguts indiquen que els estadis primerencs del càncer colorectal, especialment l’estadi II, presenten característiques moleculars pròpies d’estadis més avançats, la qual cosa indica la importància dels estadis primerencs per al desenvolupament de la malaltia i la possibilitat d’emprar aquests canvis com a font de marcadors primerencs del càncer colorectal. El teixit adjacent no tumoral presenta un increment en l’estat inflamatori al llarg dels diferents estadis, la qual cosa podria indicar una comunicació entre ambdós tipus de teixit, que pot ser gràcies a l’alliberament de les vesícules extracel·lulars per part de les cèl·lules tumorals. Aquestes vesícules poden ser aïllades de l’aspirat del lumen intestinal i emprades com a font de marcadors, ja que el seu contingut reflexa l’estat de la cèl·lula d’origen. A més, el seu contingut en ARN a pacients amb càncer es troba enriquit en vies relacionades amb l’estrès oxidatiu i la mitocòndria, la inflamació, la proliferació i la mort cel·lular, que es veuen modificats per la genisteïna per disminuir la viabilitat cel·lular de les cèl·lules de tumor primari i metastàtic. En conclusió, l’estudi dels estadis primerencs del càncer colorectal permet un major coneixement de la progressió de la malaltia a més de la seva funció com a font de marcadors primerencs, que també poden ser trobats al contingut de les vesícules extracel·lulars, per al diagnòstic i pronòstic del càncer colorectal, que és clau per millorar la supervivència dels pacients afectats per aquesta malaltia.

[spa] El cáncer colorrectal es la tercera neoplasia más común en el mundo y la segunda causa de muerte por cáncer, de hecho, la supervivencia a los 5 años disminuye a lo largo de los estadios de la enfermedad. Esta disminución indica la necesidad de un diagnóstico temprano. La búsqueda de nuevos marcadores para el diagnóstico y pronóstico de esta enfermedad está muy centrada en el estudio de los tejidos afectados por el cáncer, pero a pesar de que el estrés oxidativo, la inflamación y la transición epitelio-mesénquima son procesos clave para el desarrollo de esta patología no se conoce bien su papel en los estadios tempranos. Además de encontrar estos marcadores en los tejidos afectados, también se podrían encontrar en las vesículas extracelulares, ya que son liberadas por las células del cáncer colorrectal desde estadios tempranos. Además, las vesículas están delimitadas por una bicapa lipídica que protege su contenido de la degradación. Estas vesículas se encuentran en la mayoría de los fluidos del cuerpo, por tanto, se podrían encontrar en el aspirado del lumen intestinal, una muestra poco conocida que se recoge durante las colonoscopias y que tiene un gran potencial como herramienta para el estudio del cáncer colorrectal. Finalmente, la función principal de las vesículas extracelulares es la comunicación entre células. La dieta es un factor de riesgo para el cáncer colorrectal, ya que participa en su iniciación y progresión. La genisteína, una isoflavona de los alimentos ricos en soja, actúa sobre el cáncer colorrectal, aunque el mecanismo todavía no está completamente dilucidado. Los objetivos de esta tesis fueron: 1) determinar los cambios en el estrés oxidativo, inflamación, transición epitelio-mesénquima y metástasis en muestras de tejido tumoral y tejido adyacente no tumoral de pacientes afectados por cáncer colorrectal en los diferentes estadios de la enfermedad; 2) analizar el aspirado intestinal y las vesículas extracelulares que contiene como herramienta para el estudio y diagnóstico del cáncer colorrectal; 3) determinar y estudiar el ARN contenido en las vesículas extracelulares aisladas del aspirado del lumen intestinal de pacientes afectados por cáncer colorrectal; 4) determinar el efecto de la genisteína sobre el estrés oxidativo, la biogénesis mitocondrial y el estado inflamatorio sobre dos líneas celulares de cáncer de colon. Los resultados obtenidos indican que los estadios tempranos del cáncer colorrectal, especialmente el estadio II, presentan características moleculares propias de estadios más avanzados, lo que indica la importancia de los estadios tempranos en el desarrollo de la enfermedad y la posibilidad de usarlos como fuente marcadores tempranos del cáncer colorrectal. El tejido adyacente no tumoral presenta un incremento en el estado inflamatorio a lo largo de los estadios, lo que podría indicar una comunicación entre ambos tipos de tejido, que podría ser dada gracias a la liberación de las vesículas extracelulares por parte de las células tumorales. Estas vesículas pueden ser aisladas del aspirado del lumen intestinal y usadas como fuente de biomarcadores, ya que su contenido refleja el estado de la célula de origen. Además, su contenido en ARN en pacientes con cáncer se encuentra enriquecido en vías relacionadas con el estrés oxidativo y mitocondria, la inflamación, la proliferación y la muerte celular, procesos modificados por la genisteína para disminuir la viabilidad celular de células de tumor primario y metastásico. En conclusión, el estudio de los estadios tempranos del cáncer colorrectal permite un mayor conocimiento de la progresión de la enfermedad además de su función como biomarcadores tempranos, que también pueden ser encontrados en el contenido de las vesículas extracelulares, para el diagnóstico y pronóstico del cáncer colorrectal, que es clave para mejorar la supervivencia de los pacientes afectados por esta enfermedad.