Astaxantin and Isoflavones Inhibit Benign Prostatic Hyperplasia in Rats by Reducing Oxidative Stress and Normalizing Ca/Mg Balance

Benign prostatic hyperplasia (BPH) is a common pathology among aging men. Despite the broad pharmacological interventions, the available remedies to treat BPH are yet not devoid of side effects. Herbal compounds are suggested to be an alternative option for the BPH treatment. In our study, we evaluated the effect of kudzu isoflavones and astaxanthin on the BPH animal model. The animals were randomly divided into five groups: control; testosterone-induced BPH group; and three BPH-induced groups, which received intragastrically for 28 days finasteride (5 mg/kg) as a positive control, isoflavones (200 mg/kg), and astaxanthin (25 mg/kg). BPH was induced by castration of animals and subsequent subcutaneous injections of prolonged testosterone (25 mg/kg). Prostate index and histology, biochemical parameters, and antioxidant activity were evaluated. A significant decrease in prostate weight, immunohistochemical markers, and normalization of prostate Ca/Mg ratio was found in all treatment groups. Astaxanthin treatment also resulted in decreased epithelial proliferation and normalized superoxide dismutase activity. In conclusion, both isoflavones and astaxanthin inhibited BPH development at a level comparable to finasteride in terms of prostate weight, prostatic epithelium proliferation, and prostate tissue cumulative histology score. These results suggest that isoflavones and especially astaxanthin could serve as a potential alternative therapy to treat BHP. © 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.Funding: This research was funded by Russian Science Foundation, grant number 20-65-47025

РАЗРАБОТКА И ХАРАКТЕРИСТИКА ТРЕХМЕРНЫХ КЛЕТОЧНЫХ МОДЕЛЕЙ СОЛИДНЫХ ОПУХОЛЕЙ ДЛЯ ИНДИВИДУАЛИЗАЦИИ ЛЕЧЕНИЯ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ БОЛЬНЫХ

Background. To solve the problems of personalized medicine in oncology, preclinical studies based on the use of three-dimensional cellular models of tumors in vitro, including spheroids / tumoroids, are of great importance. They are an interesting tool for genetic, epigenetic, biomedical and pharmacological studies aiming to determine the most effective individual therapeutic approaches, since they allow modeling the dynamic evolution of a tumor disease from early stages to metastatic spread through interaction with the microenvironment.The purpose of the study was to compare characteristic features of formation and spatial organization of spheroids, obtained from solid malignant tumors cells with various histogenesis: melanomas, soft tissue sarcomas and osteosarcomas, epithelial tumors.Material and Methods. Solid tumor cell lines of patients who were treated from 2015 to 2021 were the basis for the creation of 3D-cell models. Fragments of tumor tissue were obtained intraoperatively: 15 samples of melanoma, 20 samples of soft tissue sarcomas and osteosarcomas, and 9 samples of epithelial tumors. All tumor cells were cultured for at least 10 passages. Methods of phase contrast, confocal microscopy, and histological techniques were used to study spheroids. Using ELISA methods and multiplex analysis, the supernatants of monolayer cell cultures and spheroids were studied for the presence of a wide range of biologically active substances that provide the processes of immunosuppression, invasion and metastasis.Results. The use of low adhesion surfaces was proven to be preferable to obtain spheroids of a given seed concentration and size of interest. The average cultivation time of spheroids was 4.7 days, and the optimal seeding concentration was 10,000 cells per well, while the spheroid diameter varied from 300 to 1000 μm depending on the type of malignant cells: the largest spheroids formed melanoma cultures. In general, the efficiency of spheroid formation was 88.6 % (39 out of 44). The introduction of fibroblasts into the 3D construct led to increasing in the invasive potential of tumor cells, which was associated with the production of IL8 (rho=0.636, p=0.035), HGF (rho=0.850, p=0.004), SCF (rho=0.857, p=0.014), FST (rho=0.685, p=0.029), Prolactin (rho=0.810, p=0.015), PECAM1 (rho=0.788, p=0.004).Conclusion. The technology of low-adhesive surfaces makes it possible to successfully create three-dimensional models of a tumor node from malignant tumors cells of various histogenesis. The colonization of a three-dimensional structure with fibroblasts enhances the biologically aggressive properties of tumor cells and demonstrates complex reciprocal interactions between the cellular elements of the tumor stroma and malignant cells, which brings the model closer to a real clinical situation. Введение. Для решения задач персонализированной медицины в онкологии важным становится этап предклинических исследований, основанный на использовании трехмерных клеточных моделей опухолей in vitro, в том числе сфероидов/тумороидов, которые представляют собой интересный инструмент для генетических, эпигенетических, биомедицинских и фармакологических исследований с целью определения наиболее эффективного индивидуального терапевтического подхода, так как позволяют моделировать динамическую эволюцию опухолевого заболевания от ранних стадий до метастатического распространения через взаимодействие с микроокружением.Цель исследования – провести сравнительные исследования особенностей формирования и пространственной организации сфероидов, полученных из клеток солидных злокачественных новообразований различного гистогенеза: меланом (МК), сарком мягких тканей и остеогенных сарком (СМТ/ОС), эпителиальных опухолей (ЭОп).Материал и методы. Основой для создания 3D-клеточных моделей служили культуры клеток солидных опухолей пациентов, которые проходили лечение в ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова» в 2015–21 гг. Фрагменты опухолевой ткани были получены интраоперационно: 15 образцов МК, 20 – СМТ/ОС и 9 – ЭОп. Все опухолевые клетки культивировали не менее 10 пассажей. Для изучения сфероидов были использованы методы фазовой контрастной, конфокальной микроскопии, гистологическая техника. С помощью методов ИФА и мультиплексного анализа были изучены супернатанты монослойных клеточных культур и сфероидов на предмет присутствия широкого спектра биологически активных веществ, обеспечивающих процессы иммуносупрессии, инвазии и метастазирования.Результаты. Использование низкоадгезивных поверхностей оказалось предпочтительным для получения сфероидов заданной посевной концентрации и интересующего размера. Среднее время культивирования сфероидов составило 4,7 сут, оптимальная посевная концентрация – 10 000 клеток на лунку, при этом диаметр сфероида варьировал от 300 до 1 000 мкм в зависимости от типа злокачественных клеток: самые крупные сфероиды формировали культуры МК. В целом эффективность образования сфероидов составила 88,6 % (39 из 44). Введение в 3D-конструкцию фибробластов приводило к усилению инвазивного потенциала опухолевых клеток, который был ассоциирован с продукцией IL8 (rho=0,636, p=0,035), HGF (rho=0,850, p=0,004), SCF (rho=0,857, p=0,014), FST (rho=0,685, p=0,029), Prolactin (rho=0,810, p=0,015), PECAM1 (rho=0,788, p=0,004). Заключение. Технология низкоадгезивных поверхностей позволяет успешно создавать трехмерные модели опухолевого узла из клеток злокачественных новообразований различного гистогенеза. Заселение трехмерной конструкции фибробластами усиливает биологически агрессивные свойства опухолевых клеток и демонстрирует сложные реципрокные взаимодействия между клеточными элементами стромы опухоли и малигнизированными клетками, что приближает модель к реальной клинической ситуации.

Разработка лабораторных моделей in vitro иммунного микроокружения опухоли для оценки параметров качества и специфической эффективности дендритно-клеточной вакцины

Purpose of the study: development of in vitro laboratory models to evaluate quality parameters and specific efficacy of dendritic cell vaccine (DCV).Material and Methods. Biological samples of malignant tumor patients treated with autologous dendritic cell vaccine (DC) were included into the study. Immature DCs (n=46) and mature DCs (n=56) were used to induce proliferation of antigen-specific T lymphocytes (n=227). Autologous tumor cells from skin melanoma (n=10) or sarcoma (n=8) patients in the xCELLigence® assay system were used to study the in vitro antitumor cytotoxic activity of generated CTLs (n=18). The secretion of cytokines and cytolytic proteins was studied by multiplex analysis. The subpopulation composition of effector T-lymphocytes was determined by flow cytometry.Results. We revealed that mature DCs (CD83+CD1a-) had a high expression of antigen presenting molecules (HLA-DR) and those providing migration of DCs into lymph nodes (CCR7) as well as costimulatory molecules CD80 and CD86 as compared to immature DCs (CD83-CD1a+). Induction of mature DCs was found to stimulate an increase in the relative content of proliferating T cells compared with stimulation of immature DCs (p<0.001) and specific PTA+ tumor lysate (p<0.001). When studying cytotoxic activity of effector T-lymphocytes, we developed 2D in vitro models using xCELLigence® analytical system and revealed 2 types of interaction: 1) in vitro model № 1 – decrease in cell index (CI) of autologous tumor cell culture in the presence of activated effector T lymphocytes; 2) in vitro model № 2 – no change in CI of autologous tumor cell culture when co-cultured with activated effector T cells compared to control (72 h observation). The results demonstrated cytotoxic activity of antigen-specific T lymphocytes due to high content of terminally differentiated cytotoxic T lymphocytes (TEMRA), GrB-producing CTLs, and cytokine secretion profile.Conclusion. Requirements for the quality of personalized autologous DCs, including control of immunophenotypic characteristics were developed, and functional activity of Tlymphocytes during induction of mature vaccine DCs was evaluated. A laboratory procedure was developed for quantitative assessment of cytotoxic activity of antigen-specific T-lymphocytes against autologous tumor using the xCELLigence® analytical system, thus allowing for personalized monitoring and predicting the effectiveness of DСV treatment.Цель исследования ‒ разработка in vitro лабораторных моделей для оценки параметров качества и специфической эффективности дендритно-клеточной вакцины (ДКВ).Материал и методы. В исследование включены биологические образцы больных злокачественными новообразованиями, получавших вакцинотерапию на основе аутологичных дендритных клеток (ДК). Для индукции пролиферации антигенспецифических Т-лимфоцитов (n=227) использовали незрелые ДК (n=46) и зрелые ДК (n=56). Для изучения противоопухолевой цитотоксической активности in vitro генерированных ЦТЛ (n=18) использовали аутологичные опухолевые клетки меланомы кожи (n=10) или сарком (n=8) пациентов в аналитической системе xCELLigence®. Секрецию цитокинов и цитолитических белков изучали методом мультиплексного анализа, субпопуляционный состав эффекторных Т-лимфоцитов определяли методом проточной цитометрии.Результаты. В работе показано, что зрелые ДК (CD83+CD1a-) отличаются высокой экспрессией молекул, презентирующих антиген (HLA-DR) и обеспечивающих миграцию ДК в лимфатические узлы (CCR7), а также костимулирующих молекул CD80 и CD86, по сравнению с незрелыми ДК (CD83-CD1a+). Установлено, что индукция зрелыми ДК стимулирует рост относительного содержания пролиферирующих Т-клеток по сравнению со стимуляцией незрелыми ДК (р<0,001) и специфическим РТА+ опухолевым лизатом (р<0,001). При изучении цитотоксической активности эффекторных Т-лимфоцитов разработана 2D in vitro модель с использованием аналитической системы xCELLigence® и выявлено 2 типа взаимодействия: 1) лабораторная модель № 1 – снижение клеточного индекса (CI) культуры клеток аутологичной опухоли в присутствии активированных эффекторных Т-лимфоцитов; 2) лабораторная модель № 2 – отсутствие изменений CI культуры клеток аутологичной опухоли при ее кокультивировании с активированными эффекторными Т-клетками по сравнению с контролем (72 ч наблюдения). Результаты демонстрируют цитотоксическую активность антиген-специфических Т-лимфоцитов, что обусловлено высоким содержанием терминальнодифференцированных цитотоксических Т-лимфоцитов (TEMRA), ЦТЛ, продуцирующих GrB, и профилем секреции цитокинов.Заключение. Разработаны требования к качеству персонализированной аутологичной ДКВ, включающие контроль иммунофенотипических характеристик, проведена оценка функциональной активности Т-лимфоцитов при индукции зрелыми вакцинными ДК. Разработан лабораторный регламент количественной оценки цитотоксической активности антиген-специфических Т-лимфоцитов в отношении аутологичной опухоли с использованием аналитической системы xCELLigence®, что позволит проводить персонализированный мониторинг и может прогнозировать эффективность проводимого лечения ДКВ

Hepatoprotective Activity of Lignin-Derived Polyphenols Dereplicated Using High-Resolution Mass Spectrometry, In Vivo Experiments, and Deep Learning

Chronic liver diseases affect more than 1 billion people worldwide and represent one of the main public health issues. Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) accounts for the majority of mortal cases, while there is no currently approved therapeutics for its treatment. One of the prospective approaches to NAFLD therapy is to use a mixture of natural compounds. They showed effectiveness in alleviating NAFLD-related conditions including steatosis, fibrosis, etc. However, understanding the mechanism of action of such mixtures is important for their rational application. In this work, we propose a new dereplication workflow for deciphering the mechanism of action of the lignin-derived natural compound mixture. The workflow combines the analysis of molecular components with high-resolution mass spectrometry, selective chemical tagging and deuterium labeling, liver tissue penetration examination, assessment of biological activity in vitro, and computational chemistry tools used to generate putative structural candidates. Molecular docking was used to propose the potential mechanism of action of these structures, which was assessed by a proteomic experiment

A Use of Tritium-Labeled Peat Fulvic Acids and Polyphenolic Derivatives for Designing Pharmacokinetic Experiments on Mice

Natural products (e.g., polyphenols) have been used as biologically active compounds for centuries. Still, the mechanisms of biological activity of these multicomponent systems are poorly understood due to a lack of appropriate experimental techniques. The method of tritium thermal bombardment allows for non-selective labeling and tracking of all components of complex natural systems. In this study, we applied it to label two well-characterized polyphenolic compounds, peat fulvic acid (FA-Vi18) and oxidized lignin derivative (BP-Cx-1), of predominantly hydrophilic and hydrophobic character, respectively. The identity of the labeled samples was confirmed using size exclusion chromatography. Using ultra-high resolution Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT ICR MS), key differences in the molecular composition of BP-Cx-1 and FA-Vi18 were revealed. The labeled samples ([3H]-FA-Vi18 (10 mg/kg) and [3H]-BP-Cx-1 (100 mg/kg)) were administered to female BALB/c mice intravenously (i.v.) and orally. The label distribution was assessed in blood, liver, kidneys, brain, spleen, thymus, ovaries, and heart using liquid scintillation counting. Tritium label was found in all organs studied at different concentrations. For the fulvic acid sample, the largest accumulation was observed in the kidney (Cmax 28.5 mg/kg and 5.6 mg/kg, respectively) for both routes. The organs of preferential accumulation of the lignin derivative were the liver (Cmax accounted for 396.7 and 16.13 mg/kg for i.v. and p.o. routes, respectively) and kidney (Cmax accounted for 343.3 and 17.73 mg/kg for i.v. and p.o. routes, respectively). Our results demonstrate that using the tritium labeling technique enabled successful pharmacokinetic studies on polyphenolic drugs with very different molecular compositions. It proved to be efficient for tissue distribution studies. It was also shown that the dosage of the polyphenolic drug might be lower than 10 mg/kg due to the sensitivity of the 3H detection technique