ABSTRACT
O câncer de cólon é uma das principais causas de morte por câncer em todo mundo e aproximadamente 50% dos pacientes desenvolvem metástases hepáticas durante o curso da doença. Ainda que a ressecção cirúrgica proporcione sobrevida de 5 anos ao redor de 40%, a maior parte dos pacientes apresenta doença irressecável ao diagnóstico. Neste caso, o cenário é devastador devido à resistência das células tumorais ao tratamento padrão com quimioterapia e/ou anticorpo monoclonal. Apesar dos avanços alcançados pelo rastreamento genômico das metástases, o conhecimento sobre o envolvimento de transcritos e proteínas específicas na atividade de sinalização e recrutamento de populações imunes ainda é limitado nessa doença. Considerando o grande potencial de descoberta e inovação que pode ser alcançado, este projeto propôs o desenvolvimento de uma meta-análise de dados públicos para a exploração de metástases hepáticas e a caracterização proteômica de metástases hepáticas inicialmente irressecáveis em busca de alvos promissores que possam ser explorados em novas opções terapêuticas. As principais etapas metodológicas incluem (1) desenvolvimento de um modelo de integração de dados para a obtenção, processamento e análise de aproximadamente 3.5 mil amostras de RNA-seq, microarray e proteômica de metástases hepáticas inicialmente ressecáveis, tumores primários do cólon e tecidos não-neoplásicos, (2) rastreamento por espectrometria de massas de 30 biópsias pareadas, sendo 15 de metástases hepáticas inicialmente irressecáveis e 15 de tecidos não-neoplásicos adjacentes, (3) investigação de potenciais moduladores da sinalização oncogênica associada à resistência à terapia e (4) exploração dos resultados em um conjunto independente com aproximadamente 138 mil células obtidas por single-cell RNA-seq em busca de associações entre alvos, vias de sinalização e populações imunes. Após a análise de espectrometria de massas e integração de dados da metaanálise, das 46 proteínas diferencialmente reguladas entre metástases hepáticas inicialmente irressecáveis e tecidos não-neoplásicos, TGFB1, CDH2, APOA1, TNFR2, EGFR, MDH2, ITIH2, YWHAZ, PCBP1, TOP2A e ENO1 (todas com aumento de regulação nas metástases) e CXCL14, PLA2G2A e CAV1 (com diminuição de regulação nas metástases) prosseguiram na análise. Dessas, PLA2G2A e CAV1 não foram estatisticamente confirmadas após comparação com cinco estudos independentes. Também foi identificada a ativação nas metástases de importantes vias como JAK-STAT (z-score=3,18), VEGF (z-score=2,67), WNT (z-score=3,22), PI3K (z-score=3,99), MAPK (z-score=2,85), EGFR (z-score=2,49) e NFkB (zscore=4,11). Em seguida observamos pela análise de single-cell RNA-seq que a presença de TGFB1, TNFR2 e EGFR estava associada a maior polarização de neutrófilos e células Tregs em metástases hepáticas, sugerindo uma participação desses alvos no recrutamento dessas populações imunes ou em conjunto durante o desenvolvimento, estabelecimento dessas células no fígado e progressão da doença. Tanto TGFB1 (p=0,01) quanto TNFR2 (p=0,048) foram associados a pior sobrevida global em pacientes metastáticos e apresentaram AUC=0,95 na separação entre câncer primário no cólon e metástases no fígado. Especificamente sobre a comparação entre metástases inicialmente ressecáveis e irressecáveis, apesar de termos identificado alguns alvos com mais de 10-fold de diferença (YWHAZ, AHNAK, HNRNPH1, PCBP1 e TGFB1) apenas TGFB1 prosseguiu em todas as análises, porém, esses resultados sugerem a exploração posterior desses candidatos em novos estudos. Quando buscamos por alvos relacionados à resistência à terapia, nossa estratégia selecionou 32 proteínas diferencialmente reguladas nas metástases resistentes, com envolvimento de CDH2 (p=0,002), CXCL14 (p=0,05), SERPINA1 (p=0,012) e LRGR (p=0,049) com pior sobrevida global em pacientes metastáticos. Nesses tumores também foi observada uma tendência de ativação das vias TGF-ß e TNF-α, já descritas na literatura devido a participação no desenvolvimento e progressão de metástases, além de favorer um perfil de resistência às células tumorais. Por meio de uma análise de deconvolução também observamos maior presença de células Tregs em pacientes resistentes. Essa relação entre Tregs/LGR5 também já foi associada a pior prognóstico em outros tipos de cânceres e suportam uma participação de ambos em um possível mecanismo de resistência desses tumores. Com base nos resultados obtidos, acreditamos oferecer um conjunto de dados inéditos que podem modificar o prognóstico e diagnóstico das metástases hepáticas, bem como contribuir para que os pacientes tenham novas opções terapêuticas com melhora na sobrevida
Colon cancer is one of the leading causes of cancer death worldwide and approximately 50% of patients develop liver metastases during the course of the disease. Although surgical resection provides a 5-year survival rate of around 40%, most patients have unresectable disease at diagnosis. In this case, the scenario is devastating due to the resistance of tumor cells to standard treatment with chemotherapy and/or monoclonal antibody. Despite the advances achieved by genomic tracking of metastases, the involvement of specific transcripts and proteins in the signaling activity and recruitment of immune populations is still limited in this disease. Considering the great potential for discovery and innovation that can be achieved, this project proposed the development of a meta-analysis for the exploration of liver metastases and the proteomic characterization of initially unresectable liver metastases in search of promising targets that can be explored in new therapeutics options. Key methodological steps include (1) development of a data integration model for obtaining, processing and analyzing approximately 3,500 RNA-seq, microarray and proteomic samples from initially resectable liver metastases, primary colon tumors and non-neoplastic tissues, (2) mass spectrometry screening of 30 paired biopsies, 15 from initially unresectable liver metastases and 15 from adjacent non-neoplastic tissues, (3) investigation of potential modulators of oncogenic signaling associated with therapy resistance, and (4) exploration of the results in an independent pool of approximately 138,000 cells obtained by single-cell RNA-seq in search of associations between targets, signaling pathways and immune populations. After mass spectrometry analysis and integration of metaanalysis data, of the 46 differentially regulated proteins between initially unresectable liver metastases and non-neoplastic tissues, TGFB1, CDH2, APOA1, TNFR2, EGFR, MDH2, ITIH2, YWHAZ, PCBP1, TOP2A and ENO1 (all with upregulation in metastases) and CXCL14, PLA2G2A and CAV1 (with downregulation in metastases) continued in the analysis. Of these, PLA2G2A and CAV1 were not statistically confirmed after comparison with five independent studies. We identified activation of important pathways such as JAK-STAT (zscore=3.18), VEGF (z-score=2.67), WNT (z-score=3.22), PI3K (z-score=3.99), MAPK (z- score=2.85), EGFR (z-score=2.49) and NFkB (z-score=4.11). Then we observed by single-cell RNA-seq analysis that the presence of TGFB1, TNFR2 and EGFR was associated with greater polarization of neutrophils and Treg cells in liver metastases, suggesting a participation of these targets in the recruitment of these immune populations or together during development, establishment of these cells in the liver and disease progression. Both TGFB1 (p=0.01) and TNFR2 (p=0.048) were associated with worse overall survival in patients with metastatic disease and had AUC=0.95 separating primary colon cancer from liver metastases. Specifically, regarding the comparison between initially resectable and unresectable metastases, although we identified some targets with more than 10-fold difference (YWHAZ, AHNAK, HNRNPH1, PCBP1 and TGFB1) only TGFB1 continued in all analyses, however, these results suggest the exploration of these candidates in further studies. When looking for targets related to therapy resistance, our strategy selected 32 proteins differentially regulated in resistant metastases, with involvement of CDH2 (p=0.002), CXCL14 (p=0.05), SERPINA1 (p=0.012) and LRGR (p=0.049) with poor overall survival in metastatic patients. In these tumors, a tendency of activation of the TGF-ß and TNF-α pathways was also observed, already described in the literature due to their participation in the development and progression of metastases, in addition to favoring a resistance profile to tumor cells. By means of a deconvolution analysis, we also observed a greater presence of Treg cells in resistant patients. This relationship between Tregs/LGR5 has also been associated with a worse prognosis in other types of cancers and supports the participation of both in a possible mechanism of resistance in these tumors. Based on the results obtained, we believe to offer a set of unpublished data that can modify the prognosis and diagnosis of liver metastases, as well as contribute to patients having new therapeutic options with improved survival
Subject(s)
Humans , Male , Female , Middle Aged , Aged , Aged, 80 and over , Colonic Neoplasms , Proteomics , Prognosis , Neoplasm MetastasisABSTRACT
El acople de un ligando con un receptor induce una señal que viaja a través de este último hasta llegar a su dominio intracelular, donde desencadena una cascada de respuesta. Analizando el acople del Receptor de Células T (TCR) con antígenos foráneos, los autores identificaron patrones moleculares de geometría planar al interior de este receptor, capaces de internalizar la señal producida por el acople TCR/Antígeno. Este mecanismo fue también hallado en diversidad de sistemas receptor-ligando de diferente funcionalidad biológica, tales como las parejas Bomba de Calcio-ADP, el acople viral gp120-CD4 y el sistema Hemoglobina-Oxígeno. Dicho mecanismo identificado por los autores es de naturaleza Cuántica y permitiría explicar la transducción de señales en todo tipo de receptores bioquímicos. Este hallazgo facilitaría el diseño de péptidos-vacuna con alta capacidad inmunogénica así como el desarrollo de nuevos medicamentos.
The coupling of a ligand with a receptor induces a signal that travels through the receptor until it reaches the intracellular domain, where it triggers a response cascade. By analyzing the coupling of receptor cells (TCR) with foreign antigens, the authors identified the presence of molecular patterns, planar in geometry, within this receptor, that are capable of internalizing the signal produced by TCR/antigen coupling. This mechanism, also found in a range of receptor-ligand systems with greatly differing biological functions, including calcium pump-ADP, gp120-CD4 viral coupling, and the hemoglobin-oxygen system, is quantum in nature and capable of explaining the means of signal transduction in all kinds of biochemical receptors. As such, the finding may facilitate the design of vaccine-peptides with high immunogenicity, as well as make it possible to develop new drugs.
O acoplamento de um ligante com um receptor induz um sinal que viaja através do receptor atingindo seu domínio intracelular onde desencadeia uma cascata de resposta. Analisando o acoplamento do Receptor de Células T (TCR) com antígenos forâneos, os autores identificaram padrões moleculares de geometria planar no interior desse receptor, capazes de internalizar o sinal produzido pelo acoplamento TCR/ Antígeno. Esse mecanismo também foi encontrado em múltiplos sistemas receptor-ligante de diferente funcionalidade biológica, tais como os pares Bomba de Cálcio-ADP, o acoplamento viral gp120-CD4 e o sistema de Hemoglobina-Oxigênio. Tal mecanismo identificado pelos autores é de natureza Quântica e permitiria explicar a transdução de sinais em todo tipo de receptores bioquímicos. Este achado também facilitaria o desenho de peptídeos-vacina com alta capacidade imunogênica bem como o desenvolvimento de novos medicamentos.
Subject(s)
Electromagnetic Fields , Receptors, Antigen, T-Cell , Signal Transduction , Hemoglobins , OxygenABSTRACT
Os biomateriais desempenham um importante papel no sucesso da regeneração de tecidos e órgãos. Atualmente, pesquisadores buscam métodos alternativos que possam predizer a biocompatibilidade de um material, bem como seu potencial em promover a adesão celular. Transdução de sinal envolve o estudo dos mecanismos intracelulares que regulam as respostas celulares a estímulos externos, tais como hormônios, citocinas e também adesão de células a superfícies de biomateriais. Vários eventos têm sido apontados como responsáveis pela adaptação celular e adesão a superfícies diferentes. Por exemplo, rearranjos do citoesqueleto durante a adesão celular requerem o recrutamento de proteínas tirosina quinases em estruturas de adesão focal que promovem a ativação transiente de FAK e Src. Além disso, a fosforilação de resíduos de tirosina (Y) tem sido aceita como um regulador crítico de uma série de eventos bioquímicos, incluindo proliferação celular, migração, diferenciação, sinalização, sobrevivência e metabolismo energético. O entendimento da sinalização envolvida nos mecanismos de adesão, proliferação e diferenciação de osteoblastos em superfícies utilizadas na confecção de implantes é fundamental para o projeto bem-sucedido de novos materiais inteligentes, que pode reduzir o tempo de reparo, permitindo a reabilitação mais rápida do paciente
Biomaterials play an important role in the successful regeneration of tissues and organs. Currently, researchers over the world are seeking alternative methods able to predict the biocompatibility of a material, as well as its potential to guide cell fate, from adhesion to differentiation. In this sense, signal transduction involves the study of the intracellular mechanisms that regulate the cellular response to external stimuli, such as those involved with cell adhesion on biomaterial surfaces and overall bringing a global intracellular mechanism over the cell adaptation. In this context, we have shown that during osteoblast adhesion there is a rigorous cytoskeletal rearrangement, requiring a efficient recruitment of protein tyrosine kinases in focal adhesion structures promoting the transient activation of both FAK and Src. Furthermore, phosphorylation at tyrosine residues (Y) has been accepted as a critical regulator of a series of biochemical events including cell proliferation, migration, differentiation, survival signaling and energy metabolism. The understanding of signaling mechanisms involved in adhesion, proliferation and differentiation of osteoblasts on different surfaces must be critical to the successful design of new smart materials, impacting on patient rehabilitation