Innovative mitochondrial and metabolic targets to enhance cisplatin response: studies on cancer cells with acquired and intrinsic resistance

Cisplatin is one of the most potent anticancer agents used in the treatment of various solid tumors. Unfortunately the onset of resistance is the main limit of this therapy and severely compromises the treatment effectiveness. Although several studies regarding cisplatin resistance have been performed, the molecular mechanisms are not completely understood. Classically, cisplatin is studied as a DNA-damaging chemotherapy agent, but more recent investigations showed that only 5-10% of intracellular platinum is bound to nuclear DNA, while the great majority of the intracellular drug can interact with a variety of cellular component including proteins, RNA and mitochondrial DNA. MtDNA, unlike nDNA, does not possess efficient repair systems; therefore it is more susceptible to the onset of mutations often associated to cancer development, loss of tumor suppressor, activation of oncogenes and mitochondrial dysfunctions related with an increase of glycolytic activity. The Warburg effect indicates the alteration of energetic metabolism used by tumor cells as a strategy to adapt and grow independently from the substrate availability. This evidence suggested us to verify the hypothesis that a similar metabolic strategy might be of relevance in cisplatin resistance. Therefore, our aim was to investigate the energetic metabolism and the mitochondrial dynamic of cisplatin-resistant and sensitive cancer cells with different experimental approaches, in order to reveal targets useful to overcome the resistance. In our laboratory we have already revealed that cisplatin resistant ovarian cancer cell line C13, as compared to sensitive line 2008, exhibits metabolic changes. Indeed, resistant clone showed a different mitochondrial and metabolic profile characterized by an increase of glucose and glutamine uptake, a decrease of the mitochondrial membrane potential and mitochondrial mass. In this scenario, we proceeded to phenotype other cancer cells that present acquired or intrinsic resistance in order to identify new targets to sensitize to cisplatin treatment. Our results pointed out alterations in mitochondrial fusion and fission in chemoresistant cancer cells. Moreover, data obtained showed that resistant clones, with an imbalance toward fission process, present a faster mitochondrial turn-over using mitophagy as a mitochondrial quality control mechanism. Furthermore, the data showed a mitochondrial network differently organized in resistant variants underlining a probable implication of dynamic process in resistance mechanisms. Having regard to the data about metabolic reprogramming, breast cancer cells that have an innate resistance to cisplatin were evaluated. The expression of c-Myc nuclear transcription factor, involved in the metabolic reprogramming of tumor cells, has been evaluated highlighting a different expression of some of its target genes involved in the glycolylisis and glutaminolysis, besides an increased dependency of glucose in cisplatin resistant cells.

Il cisplatino è uno dei più potenti agenti antitumorali utilizzati nel trattamento di vari tumori solidi. Purtroppo l'insorgenza della resistenza è il limite principale di questa terapia e compromette gravemente l'efficacia del trattamento. Anche se sono stati eseguiti numerosi studi per quanto riguarda la resistenza al cisplatino, i meccanismi molecolari non sono del tutto chiari. Classicamente, il cisplatino è studiato come agente chemioterapico che crea danno a livello del DNA, ma studi più recenti hanno dimostrato che solo il 5-10% del platino è legato al DNA nucleare, mentre la maggior parte del farmaco intracellulare può interagire con diverse componenti cellulari tra cui proteine, RNA e DNA mitocondriale. Il DNA mitocondriale, a differenza del DNA nucleare, non possiede sistemi di riparazione efficienti ed è quindi più suscettibile alla comparsa di mutazioni spesso associate allo sviluppo del cancro, alla perdita di oncosoppressori, attivazione di oncogeni e ad alterazioni della funzionalità mitocondriale correlata ad aumento dell'attività glicolitica. L'aumento della glicolisi anaerobica, anche in presenza di alte concentrazioni di ossigeno (effetto Warburg), è l'alterazione del metabolismo energetico utilizzata dalle cellule tumorali come strategia per adattarsi e crescere in modo indipendente dalla disponibilità del substrato. Queste evidenze scientifiche ci hanno suggerito di verificare l'ipotesi che una simile strategia possa essere rilevante nell'insorgenza della resistenza al cisplatino. Pertanto, lo scopo di questo studio è stato quello di indagare il metabolismo energetico e la dinamica mitocondriale delle cellule tumorali sensibili e resistenti al cisplatino con diversi approcci sperimentali, al fine di rivelare utili targets per superare questa importante forma di resistenza. Nel nostro laboratorio abbiamo già dimostrato che la linea di carcinoma ovarico resistente al cisplatino C13, rispetto alla linea sensibile del 2008, presenta cambiamenti metabolici. Infatti, il clone resistente ha mostrato un profilo mitocondriale e metabolico differente, caratterizzato da un aumento della dipendenza da glucosio e glutammina, una diminuzione del potenziale di membrana e della massa mitocondriale. In questo scenario, lo studio ha proseguito con la valutazione del meccanismo di resistenza cisplatino fenotipizzando altre cellule tumorali che presentano resistenza acquisita o intrinseca. I nostri risultati indicano una alterazione dei meccanismi di fusione e fissione mitocondriale nelle cellule tumorali chemioresistenti. I dati ottenuti hanno dimostrato che i cloni resistenti, che presentano uno squilibrio verso processo di fissione, attivano un turn-over mitocondriale più veloce, utilizzando la mitofagia come meccanismo di controllo della qualità mitocondriale. Inoltre, i dati ottenuti hanno mostrato un network mitocondriale diversamente organizzato nelle resistenti sottolineando una probabile implicazione della dinamica mitocondriale nei meccanismi di resistenza. Per quanto riguarda i dati relativi alla riprogrammazione metabolica, sono state prese in esame cellule del cancro al seno che hanno una resistenza innata al cisplatino. È stata valutata l'espressione del fattore di trascrizione c-Myc che è coinvolto nella riprogrammazione metabolica delle cellule tumorali, per di più si è evidenziata una diversa espressione di alcuni geni bersaglio di c-Myc coinvolti nella glicolisi e glutamminolisi, oltre che una maggior dipendenza dal glucosio nelle linee resistenti di carcinoma al seno.