IDENTIFICAZIONE DI NUOVI BERSAGLI FARMACOLOGICI NELLA RESISTENZA AI CHEMIOTERAPICI: FOCUS NELLA RIPROGRAMMAZIONE METABOLICA

Chemotherapy is one of the standards of care for several types of solid tumors. Although the benefits of chemotherapeutic agents’ clinical implications are largely recognized, their therapeutic effectiveness is limited by the onset of drug resistance, inducing cancer relapse, failure of subsequent treatments, and eventual patients’ death. It is known that drug resistance is a multi-factorial phenomenon, whose molecular mechanisms have still not been completely understood. In the last decades, among the main described mechanisms, such as increased drug efflux or decreased drug influx, enhanced DNA repair systems, and increased antioxidant defense, the deregulation of cellular energy metabolism has been introduced as a hallmark of chemoresistance. Accumulating evidence correlated alterations of mitochondrial metabolism with cancer and drug resistance, thus highlighting the pivotal role of mitochondria in cancer progression and aggressiveness. Despite the recent research, the role of mitochondria in the onset of cisplatin and doxorubicin resistance is still not completely understood. The aim of this project was to characterize the mitochondrial profile of sensitive, and relative cancer cells resistant to cisplatin and doxorubicin. At the beginning, we evaluated some aspects related to mitochondrial status and function, such as mitochondrial network, membrane potential, and mass. Our results highlighted different mitochondrial profiles between sensitive and resistant cancer cells. In particular, cisplatin-resistant cancer cells showed alterations in the OXPHOS complex protein levels, while doxorubicin-resistant clones demonstrated changes in mitochondrial dynamics, and mostly reduced mitochondrial biogenesis. The alterations identified through the mitochondrial phenotyping represent the starting point to target resistant cancer cells with selective pharmacological approaches to overcome chemotherapy resistance. The second aim of my thesis was to test combined strategies between mitochondrial modulators and chemotherapeutic agents to restore the effect in resistant clones. In our context, we treated cells with plumbagin, which is a mitochondrial modulator, and quercetin, which is an inducer of mitochondrial biogenesis, in association with cisplatin and doxorubicin, respectively, thus demonstrating that the combined approach can re-sensitize the resistant clones to the drug. The second part of my project aimed to identify other pharmacological approaches to restore endocrine therapies’ efficacy in human breast cancer cells. Our results highlighted that combination of Olaparib with both Fulvestrant and Tamoxifen re-sensitized breast cancer cells to endocrine treatment. Furthermore, the association of Olaparib, anti-PDL1 and anti-CXCR2 counteracted the pro-tumorigenic effect induced by human immature myeloid cells. The results of my thesis open the window towards the identification of new pharmacological approaches to selectively target alterations in resistant cancer cells, with the final goal of overcoming drug resistance.

La chemioterapia è uno degli standard di cura per diversi tipi di tumori solidi. Sebbene i benefici dell’impiego clinico dei chemioterapici siano stati ampiamente riconosciuti, la loro efficacia terapeutica è limitata dall'insorgenza della resistenza farmacologica, che causa la recidiva del tumore, il fallimento dei trattamenti successivi e l'eventuale morte dei pazienti. La farmacoresistenza è un fenomeno multifattoriale, i cui meccanismi molecolari non sono stati ancora completamente compresi. Negli ultimi decenni, l’alterazione del metabolismo energetico cellulare è stata introdotta come segno distintivo della chemio-resistenza in aggiunta ai meccanismi più comunemente descritti, come ad esempio l'aumento dell'ingresso o la diminuzione dell’efflusso del farmaco, il potenziamento dei sistemi di riparazione del DNA e l'aumento dei sistemi antiossidanti. Numerosi studi hanno dimostrato una correlazione tra le alterazioni del metabolismo mitocondriale e il cancro, e successivamente anche con la resistenza ai farmaci, evidenziando così il ruolo fondamentale dei mitocondri nella progressione e nell'aggressività tumorale. Nonostante le ricerche recenti, il ruolo dei mitocondri nell'insorgenza della resistenza al cisplatino e alla doxorubicina non è ancora del tutto chiaro. Lo scopo di questo progetto è stato quello di caratterizzare il profilo mitocondriale di cellule tumorali sensibili e resistenti sia al cisplatino che alla doxorubicina. Inizialmente, abbiamo valutato alcuni aspetti relativi allo stato e alla funzione del mitocondrio, come la morfologia mitocondriale, il potenziale di membrana e la massa. I nostri risultati hanno evidenziato diversi profili mitocondriali tra le cellule tumorali sensibili e resistenti. In particolare, le cellule tumorali resistenti al cisplatino hanno mostrato alterazioni nei livelli proteici del complesso OXPHOS, mentre i cloni resistenti alla doxorubicina hanno evidenziato dei cambiamenti nei processi di dinamica mitocondriale, ed in particolare una ridotta biogenesi mitocondriale. Le alterazioni identificate attraverso la fenotipizzazione mitocondriale rappresentano il punto di partenza per colpire le cellule tumorali resistenti con approcci farmacologici selettivi per superare la resistenza alla chemioterapia. Successivamente, l’obiettivo della mia tesi si è focalizzato sulla valutazione di strategie di terapie combinate tra modulatori mitocondriali ed agenti chemioterapici per ripristinare l'effetto dei farmaci nei cloni resistenti. Gli approcci hanno coinvolto l’utilizzo di plumbagina, che è un modulatore mitocondriale, e di quercetina, che è un induttore della biogenesi mitocondriale, in associazione rispettivamente con il cisplatino e la doxorubicina, dimostrando così che la terapia combinata è in grado di sensibilizzare nuovamente i cloni resistenti al chemioterapico. La seconda parte del mio progetto è stata orientata sull’identificazione di altri approcci farmacologici per ripristinare l'efficacia delle terapie endocrine nelle cellule umane di tumore al seno. I nostri risultati hanno evidenziato che la combinazione di Olaparib con Fulvestrant e Tamoxifene ha sensibilizzato le cellule di tumore al seno al trattamento endocrino. Inoltre, l'associazione di Olaparib, anti-PDL1 e anti-CXCR2 ha contrastato l'effetto pro-tumorigenico indotto dalle cellule mieloidi immature umane. I risultati emersi in questo lavoro pongono nuove basi per l'identificazione di approcci farmacologici innovativi per colpire selettivamente le alterazioni delle cellule tumorali resistenti, con l'obiettivo finale di superare la farmacoresistenza.