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Metabolic stress and epithelial-mesenchymal transition in head and neck cancer
| datacite.subject.fos | Ciências Médicas | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Riechelmann, Herbert | |
| dc.contributor.advisor | Santos, Nuno Correia | |
| dc.contributor.author | Greier, Maria do Carmo Valentina | |
| dc.date.accessioned | 2022-07-20T13:59:39Z | |
| dc.date.available | 2022-07-20T13:59:39Z | |
| dc.date.issued | 2021-02-18 | |
| dc.description | Tese de mestrado, Doenças Metabólicas e Comportamento Alimentar, Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2020 | pt_PT |
| dc.description.abstract | Introdução: Esta tese faz parte de um projeto com o objetivo de caracterizar mais em detalhe as condições metabólicas das células e tecidos do cancro. O carcinoma escamoso da cabeça e pescoço serviu de paradigma para tumores malignos sólidos. As células cancerígenas têm uma alta necessidade de energia, alta taxa de proliferação e são expostas a condições stressantes como hipóxia, privação de nutrientes e stress metabólico. Como resultado, as células tumorais desenvolvem uma produção de energia altamente adaptada, conhecida como reprogramação metabólica. Essas vias metabólicas alteradas no cancro levam ao aumento da agressividade e resistência à radioterapia e/ou quimioterapia. Por outro lado, essas vias metabólicas alteradas podem servir como alvo para tratamentos futuros. Existem algumas características de tumores relevantes a este nível. Uma é a glicólise aeróbica, conhecida como efeito Warburg. Células normais, normalmente usam a glicólise, seguida pela fosforilação oxidativa (OXPHOS) nas mitocôndrias para a produção de energia. As células cancerígenas produzem energia via glicólise, seguida pela conversão do piruvato em lactato. O lactato acumulado é utilizado como suporte anabólico e para a progressão do cancro. Outra característica de malignidade de tumores sólidos são as condições de hipóxia. A hipóxia induz um conjunto de genes, que são controlados por fatores indutíveis de hipóxia (HIFs). O HIF 1 α e o HIF 2 α funcionam como sensores de hipóxia, fatores-chave para a transcrição regulatória, sendo responsáveis por alterações celulares adaptativas e reprogramação metabólica. As células cancerígenas também interagem fortemente com o microambiente do tumor (TME). Todo o TME é caracterizado pela baixa disponibilidade de nutrientes e oxigénio, o que resulta em stress celular causado pela privação de nutrientes, hipóxia e baixo pH. Esse tipo de stress pode promover a transição epitélio-mesenquimal (EMT). EMT é a conversão de um fenótipo epitelial para um fenótipo mesenquimal. Os sinais histopatológicos característicos da EMT incluem a diminuição da adesão célula-célula, separação celular e aquisição de morfologia semelhante a fibroblastos. É importante obter uma visão mais profunda do comportamento metabólico das células cancerígenas sob stress e das complicações associadas, especialmente na terapia do cancro. Objetivos: O principal objetivo deste estudo foi a caracterização das condições metabólicas das células e tecidos no cancro, sob stress e em condições basais. Métodos: Para medir e analisar o metabolismo nas células, foi feito uma análise de fluxo extracelular com o Seahorse XFp Analyzer. A taxa de consumo de oxigênio (OCR) e a taxa de acidificação extracelular (ECAR) foram obtidas em duas linhas celulares bem caracterizadas (SCC25 e Detroit562), sob condições basais e condições de stress. As influências dos dois meios diferentes também foram avaliadas. Para obter uma visão mais profunda do EMT, foi utilizado um microscópio holotomográfico. As células foram colocadas em dois tipos diferentes de meios, com e sem adição de TGF-ß. Parâmetros e sinais de EMT e stress foram analisados. O último método foi a otimização das condições de cultura para slice cultures (SC) de carcinoma da região da cabeça e pescoço. Com a coloração hematoxilina/eosina, as áreas necróticas nas SC no dia 7 foram registadas semiquantitativamente. Resultados: Os parâmetros de resultado taxa de consumo de oxigênio (OCR), taxa de acidificação extracelular (ECAR) e a razão OCR/ECAR foram registados pelo sistema Seahorse em 8 tempos de teste (2, 8, 15, 21, 28, 35, 41, 48 e 48 min). A mistura stressante foi adicionada após 15 min. Houve um aumento acentuado de OCR e ECAR logo após adicionar a mistura stressante. Por exemplo, a OCR foi 358 ± 159 pmol/min antes da adição da mistura stressante (valor basal) e 576 ± 258 pmol/min posteriormente. Os dados de OCR e ECAR eram normalmente distribuídos. As médias estimadas de OCR marginal do modelo de efeitos principais foram 443 ± 44 pmol/min para células Detroit562 e 492 ± 44 pmol/min para células SCC25 (p = 0,43). As médias marginais estimadas de OCR foram 380 ± 44 pmol/min para o meio de cultura de células DMEM/F12 e 555 ± 44 pmol/min para EMEM (p = 0,009). Para o meio sem soro fetal bovino (FBS), as médias marginais estimadas de OCR foram de 562 ± 44 pmol/min e para o meio com FBS foram de 372 ± 44 pmol/min (p = 0,005). A adição da mistura stressante levou a um aumento da média marginal estimada de OCR de 358 ± 44 pmol/min antes da mistura stressante para 576 ± 44 pmol/min após a adição da mistura stressante (p = 0,001). Para a ECAR, os valores foram 130 ± 61 mpH/min antes da adição da mistura stressante (valor basal) e 190 ± 87 mpH/min após a adição da mistura stressante. As médias estimadas de ECAR marginal do modelo de efeitos principais foram de 155 ± 15 pmol/min para as células Detroit562 165 ± 15 pmol/min para as células SCC25 (p = 0,63). As médias estimadas de ECAR marginal foram 134 ± 15 pmol/min para o meio de cultura DMEM/F12 e 186 ± 15 pmol/min para EMEM (p = 0,020). Para o meio isento de FBS, as médias marginais estimadas de ECAR foram 199 ± 15 pmol/min e para o meio com FBS foram 121 ± 15 pmol/min (p = 0,001). A adição da mistura stressante levou a um aumento da média marginal estimada da ECAR de 130 ± 15 pmol/min antes da mistura stressante para 190 ± 15 pmol/min após a sua adição (p = 0,009). As imagens holotomográficas revelaram diferenças nos dois meios isentos de FBS. Em DMEM/F12 sem TGF-ß as células comportaram-se normalmente. Com a adição de TGF-ß foi possível induzir EMT. No EMEM sem TGF-ß foi possível observar sinais de stress e nenhum sinal de EMT. Com o TGF-ß quase não havia sinais de EMT, mas sinais de stress sim. SC mantidas sem antibióticos não foram capazes de sobreviver completamente até o dia 7 sem contaminações. Cultivar as SC com PRF (platelet rich fibrin) e com uma mistura de antibióticos mostrou que as SC foram capazes de sobreviver até ao dia 7. Também foi possível observar que SC sobreviveram e mostraram mais partes vivas, comparado com os explantes inteiros de tumor que não são SC, sendo cortados com bisturi em vez de vibratome. Discussão: As células cancerígenas têm comportamentos diferentes e mostram também um fenótipo metabólico diferente das células normais. Elas podem-se adaptar quando stressadas usando reprogramação metabólica. Esses comportamentos diferentes têm uma grande influência no resultado clínico. É por isso que um microambiente diferente, stress e outros compostos podem alterar o fenótipo metabólico das células e, portanto, alterar o resultado dos métodos de tratamento. A caracterização do fenótipo metabólico das células SCC25 e Detroit562 com o Agilent XFp Seahorse Analyzer mostrou a OCR e a ECAR com e sem inibição do conjunto de FCCP e oligomicina (mistura stressante) em dois meios com componentes diferentes. Sob stress as células apresentaram maiores OCR e ECAR. A composição do meio, o FBS e a mistura stressante mostraram ter uma influência significativa na OCR e na ECAR. O tipo de célula, por outro lado, não teve influência significativa na OCR (p = 0,432) nem na ECAR (p = 0,629). O XFp Analyzer só é capaz de fazer medições com células aderentes ou suspensões de células. Não foi possível estabelecer uma medição com tecido normal neste momento do estudo. Projetos futuros vão ser a medição metabólica com SC e/ou explantes inteiros de tumor, com a ajuda de enzimas digestivas e uma solução de revestimento (Cell-Tak) específica para células não aderentes, para gerar uma suspensão celular e células aderentes. A microscopia holotomográfica mostrou que a EMT foi induzida em células SCC25 em DMEM/F12 pela adição de TGF-ß. Com as células EMEM e Detroit562, essa transição não ocorreu. Os dois meios utilizados não continham FBS e geravam stress geral para as células, sem adição de TGF-ß. Para analisar esses resultados, um sistema de pontuação próprio foi utilizado. Ainda não está claro se a linha celular por si tem impacto na indução da EMT ou se o meio é responsável por essa mudança. Usando um sistema de pontuação melhor e fazendo mais repetições destas experiências, estudos adicionais podem fornecer uma visão mais profunda e apoiar este resultado. As SC mostraram ter uma taxa de sobrevivência mais alta em comparação com os explantes que não foram cortados com um vibratome. A PRF autóloga também parece ter uma influência positiva na taxa de sobrevivência dos tecidos. Adicionar antibióticos também ajudou muito na prevenção de contaminações. Ainda havia áreas viáveis após 7 dias quando as SC e os explantes inteiros do tumor foram tratados com uma mistura 1:1 de Medium199 e Keratinocyte SFM com PRF autólogo e antibióticos. Além disso, os métodos de cultivação de SC podem ser otimizados usando uma técnica de ar líquido e diferentes consistências de PRF. Essas modificações podem levar a uma cultura melhor e mais longa. | pt_PT |
| dc.description.abstract | Introduction: Cancer cells have a high-energy requirement, proliferation rate and are exposed to stress conditions such as those in the tumor microenvironment (TME). Hypoxia, nutrient deprivation and metabolic stress lead to several adaptations like epithelial-mesenchymal transition (EMT), a higher amount of hypoxia inducible factors (HIFs) and metabolic reprogramming. Therefore, it is important to get a deeper insight in the metabolic behavior of cancer cells under stress and the associated complications, especially in tumor therapy. Objectives: The main objective of this study was to characterize the metabolic conditions and effects of cells and tissues in cancer under stress and baseline conditions. Methods: Three different methods were used to get a deeper insight in the metabolic changes and the associated visible changes. To measure the metabolic activity in cells, an extracellular flux analysis with the Seahorse XFp Analyzer was done. Oxygen consumption rate (OCR) and extracellular acidification rate (ECAR) were assessed in two well-examined HNSCC cell lines (SCC25 and Detroit562) under baseline and stress-induced conditions. For EMT, a holotomographic microscope was used. The two HNSCC cell lines were put in two different FBS-free media, both with and without TGF-ß. Parameters and signs of EMT and stress were analyzed. The last method used was the optimization of culture conditions for slice cultures of squamous cell carcinoma of the head and neck region, obtained from patients of the Department of Otorhinolaryngology – Head & Neck Surgery, Medical University of Innsbruck. These samples were cultivated with platelet rich fibrin (PRF). Results: Seahorse system data show that there was a steep increase of OCR and ECAR shortly after adding a cellular stressor mix. The metabolic analyzes proved that it was possible to stress the cells with the used stressor mix. Medium, serum and stressor mix showed a significant influence on OCR and ECAR. The cell type had no significant influence on OCR (p=0.432) and ECAR (p=0.629). Adding the stressor mix shifted the metabolic activity from low to high, whereas no changes in the relation of OXPHOS and glycolytic activity were observed. The holotomographic pictures revealed differences in the two serum-free media. In DMEM/F12 without TGF-ß the SCC25 cells showed no signs of stress and EMT. After adding TGF-ß to DMEM/F12, the cells showed signs of EMT. Signs of stress were possible to observe In EMEM without TGF-ß, but none of EMT. With TGF-ß, there were almost no signs of EMT, but clear indicators of cellular stress. Slice cultures and tumor whole explants, kept without antibiotics, were not able to survive without contaminations. SC and tumor whole explants, kept in a 1:1 ratio of Medium199 and Keratinocyte SFM with PRF and antibiotics, showed a high amount of areas with viable cells. At day 7, viability decreased, but the tissue had still viable areas and was mostly intact. SC showed a better survival rate compared to tumor whole explants. Discussion: The characterization of the metabolic phenotype of SCC25 and Detroit562 cells showed that it was possible to stress the cells. OCR and ECAR were lower before adding the stressor mix and got higher after adding it. At the time of the study, only adherent cells were possible to measure with the XFp Analyzer. To establish a measurement with normal tissue/ suspension cells, further tasks may be designed with the help of digestive enzymes and a specific Cell-Tak coating solution for non-adherent cells. Slice cultures showed to have a higher survival rate compared to whole tumor explants, which were not cut with a vibratome. Autologous PRF also seemed to have a positive influence in the survival rate of the tissues. There were still viable areas after 7 days of cultivating slice cultures and tumor whole explants. Adding antibiotics helped in preventing contaminations. Moreover, the cultivation methods may be optimized by using an air liquid technique and different preparations of PRF. These modifications may lead to a better and longer cultivation of slice cultures. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 202690784 | pt_PT |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10451/53881 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.subject | Neoplasias da cabeça e pescoço | pt_PT |
| dc.subject | Metabolismo | pt_PT |
| dc.subject | Glicólise | pt_PT |
| dc.subject | Fosforilação oxidativa | pt_PT |
| dc.subject | Transição epitélio-mesenquimal | pt_PT |
| dc.subject | Teses de mestrado - 2020 | pt_PT |
| dc.title | Metabolic stress and epithelial-mesenchymal transition in head and neck cancer | pt_PT |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
| rcaap.type | masterThesis | pt_PT |
| thesis.degree.name | Mestrado em Doenças Metabólicas e Comportamento Alimentar | pt_PT |