Marcadores e mecanismos de resistência à terapia neoadjuvante e o papel das vesículas extracelulares secretadas pelas células tumorais no câncer de reto / Biomarkers and mechanisms of resistance to neoadjuvnat therapy and the role of extracelular vesicles secreted by tumor cells in rectal cancer

RESUMO

O câncer de reto é o segundo tumor mais comum no intestino grosso correspondendo a um terço do total de casos de câncer colorretal (CCR). Pacientes com câncer de reto em estádios II e III são tratados com radioquimioterapia neoadjuvante seguida de ressecção cirúrgica do tumor. Análises das peças cirúrgicas ressecadas mostraram que apenas 10-45% dos pacientes obtém resposta patológica completa (RCp) à terapia neoadjuvante, estando essa associada com uma diminuição da recorrência local, melhora da sobrevida livre de doença e aumento na preservação esfincteriana. Apesar da melhora na sobrevida nas últimas décadas, a resposta à terapia neoadjuvante continua variável e imprevisível e não é possível identificar e separar clinicamente os grupos de pacientes que terão ou não resposta completa ao tratamento neoadjuvante. Além disso, os mecanismos de resistência à radioquimioterapia nos tumores de reto são pouco compreendidos. Dessa forma, o objetivo principal deste estudo foi identificar marcadores e mecanismos celulares relacionados à resistência à terapia neoadjuvante em adenocarcinoma de reto e o papel das vesículas extracelulares (VEs) nesse processo. O estudo proteômico comparativo entre biópsias obtidas de tumores pré-tratamento com o tumor residual removido cirurgicamente pós-tratamento radioquimioterápico mostrou uma importante alteração no perfil de expressão proteica. Entre as proteínas que aumentam a expressão após a neoadjuvância estão as proteínas de reparo de dano de DNA, Ku70 e Ku80, e a proteína de tráfego intracelular Rab5C. Em um modelo in vitro, foi demonstrado que Rab5C orquestra um mecanismo de resistência à radioterapia nos tumores de reto através da modulação da internalização de EGFR promovida por radiação ionizante (RI). O EGRF intracelular por sua vez é essencial para regular a expressão de Ku70 e Ku80 e a resistência celular à RI. Estes dados apontam Rab5C e EGFR como potenciais alvos terapêuticos para sensibilizar células de câncer de reto resistentes ao tratamento neoadjuvante. Também foi observado que a RI promove alterações epigenéticas predominantemente de hipometilação, e entre os genes alterados estão SPG20 e TBC1D16, sendo o primeiro importante para a internalização de EGFR e o segundo para a regulação de Rab5C e modulação de EGFR. O perfil de expressão proteica foi ainda comparado entre biópsias pré-tratamento de pacientes com RCp e sem resposta patológica, e o resultado mostrou que esses dois grupos de pacientes apresentam um diferente perfil de expressão proteica. Nos pacientes com RCp as proteínas com aumento da expressão estão atuando em vias que favorecem a resposta à terapia, como a detoxificação de glutationa e degradação de glicogênio, enquanto as proteínas com aumento da expressão em pacientes sem RCp estão envolvidas em vias do metabolismo energético do tumor as quais contribuem para a resistência tumoral à terapia. As diferenças observadas nestes grupos devem ser amplamente exploradas uma vez que podem ser marcadores preditivos de resposta ao tratamento radioquimioterápico. A realização de estudos funcionais foi viabilizada pela geração de um modelo celular de tumor de reto resistente à radioterapia. Ao analisar as VEs secretadas por estas células foi observado que a RI não altera a quantidade e o tamanho médio das VEs secretadas, porém é capaz de alterar o carregamento proteico das mesmas. De fato, as VEs de células irradiadas apresentam um perfil proteico diferente quando comparadas as VEs de células não irradiadas, onde encontramos aumento da expressão de Ku70, Ku80 e Rab5C, além das metiltransferases NSUN2 e GLYM nas VEs de células pós RI. Interessantemente, as VEs secretadas por células irradiadas são capazes de transmitir a resistência à RI às células não irradiadas. Além disso os resultados mostraram que o tratamento com VEs de células irradiadas promove metilação em 98% do DNA avaliado em células SW837 em comparação ao tratamento com VEs de células não irradiadas. Os genes hipermetilados estão envolvidos em vias relacionadas ao sistema imune, como a apresentação de antígeno, sinalização de imunodeficiência primária e maturação de células dendríticas. Por fim, foi identificado que a expressão da proteína A33 está relacionada ao grau de diferenciação dos tumores colorretais, e que essa proteína está presente em VEs secretadas por células de adenocarcinoma de reto, indicando que a mesma pode ser usada para isolar VEs específicas do tecido colorretal. Os dados obtidos neste trabalho apontam mecanismos relacionados à resistência à terapia neoadjuvante no adenocarcinoma de reto e que em conjunto permitirão identificar novos alvos terapêuticos com potencial de melhorar a resposta à radioquimioterapia, além de identificar marcadores de resposta à terapia neoadjuvante antes do tratamento e dessa forma, poupar os pacientes não respondedores de terapias tóxicas e melhorar a sustentabilidade na saúde poupando os custos com drogas não eficientes para um grupo de pacientes.

ABSTRACT

Rectal cancer is the second most common cancer in large intestine, corresponding to one third of total cases of colorectal cancer (CRC). Patients with rectal cancer in stage II and III are treated with neoadjuvant chemoradiation followed by surgical resection. Analyzes of the resected tumor demonstrated that only 10-45% of the patients achieve pathological complete response (pCR) after neoadjuvant therapy, which is associated with a decrease in local recurrence, improvement of disease free survival and increase in sphincter preservation. Despite the improvement in survival in the last decades, the response to neoadjuvant therapy is still variable and unpredictable, and before the surgery it is not possible to identify and separate clinically the group of patients that will or will not have complete response to neoadjuvant treatment. Moreover, the mechanisms of resistance of rectal tumors to chemoradiation are poorly understood. Thus, the main objective of this work was to identify biomarkers and cellular mechanisms related to the resistance to neoadjuvant therapy in rectal adenocarcinomas and the role of extracellular vesicles (EVs) in this process. The comparative proteomic study between biopsy obtained from tumors pretreatment with residual tumor, post chemoradiation treatment, removed by surgery showed an important alteration in the protein expression profile. Among the proteins with increased expression after neoadjuvant therapy are the DNA repair proteins Ku70 and Ku80, and the protein involved in the intracellular trafficking, Rab5C. It was demonstrated in vitro that Rab5C orchestrates a mechanism of radioresistance in rectal tumors by modulating the EGFR internalization promoted by ionizing radiation (IR). The intracellular EGFR is essential to regulate Ku70 and Ku80 expression and the cell resistance to IR. These data pointed Rab5C and EGFR as potential therapeutic targets to sensitize rectal cancer cells resistant to neoadjuvant treatment. It was also observed that IR promotes epigenetic alterations, predominantly hypomethylation, and between the altered genes are SPG20 and TBC1D16, the first is important to EGFR internalization, while the second regulates Rab5C and modulates EGFR. The protein expression profile was further compared between biopsy pretreatment of patients with and without pCR, and the results showed that these two groups of patients present a different protein expression profile. In patients with pCR the proteins with increased expression are involved in pathways favoring the response to therapy, as glutathione-mediated detoxification and glycogen degradation, while the proteins with increased expression in patients without pCR are involved in tumor energetic metabolism pathways that contribute to tumor resistance to therapy. The observed differences in these groups should be widely explored since they may be predictive markers of response to chemoradiation treatment. The performance of functional studies was possible by generation of a cellular model of rectal tumor resistant to radiotherapy. The analysis of the EVs secreted by these cells showed that IR does not alter the amount and the medium size of secreted EVs, but is able to change their protein content. EVs from irradiated cells presented a different protein profile when compared to EVs from non-irradiated cells, where it was found the increased expression of Ku70, Ku80 and Rab5C, besides the methyltransferases NSUN2 and GLYM in EVs after irradiation. Interestingly, the EVs secreted by irradiated cells are capable of transfering resistance to IR to non-irradiated cells. Moreover, the results showed that the treatment of SW837 cells with EVs from irradiated cells promoted methylation in 98% of the analyzed DNA in comparison with the treatment with EVs from non-irradiated cells. The hypermethylated genes are involved in pathways related to immune system, as antigen presentation, primary immunodeficiency signaling and dendritic cells maturation. Lastly, it was identified that the A33 expression is related to the colorectal tumors differentiation degree, and this protein is present in EVs secreted by rectal adenocarcinoma, indicating that it may be used to isolate EVs specific from colorectal tissues. The data obtained in this work pointed to mechanisms related to resistance to neoadjuvant therapy in rectal adenocarcinoma that together will allow to identify new therapeutic targets with the potential to improve the response to chemoradiation, as well as to identify markers of response to neoadjuvant therapy before the treatment, and, in this way, avoid the non-responder patients to receive toxic therapies and improve health sustainability, sparing cost with non-efficient drugs for a group of patients.