Molecular mechanisms underlying radiation resistence in brain metastasis

Abstract

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 20-04-2020Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 20-10-2021Brain metastasis affects 10-30% of cancer patients. Treatments such as surgery, chemotherapy, and radiation are mainly palliative and ineffective. In order to study resistance to radiotherapy, we have developed a model of brain metastasis receiving whole brain radiation therapy (WBRT). We aim to identify mediators of radiation resistance to develop new strategies to sensitize brain metastasis. Several clinically relevant WBRT protocols were applied to lung and breast adenocarcinoma models of brain metastasis that were highly sensitive to radiation in vitro. However, none of them impaired the growth rate of metastases or increased mice survival in vivo, mimicking the outcomes of recent clinical trials using WBRT in patients with brain metastases. Based on the different sensitivity comparing in vitro versus in vivo we hypothesized that resistance to radiation could be modulated. Indeed, brain metastatic (BrM) cells grown in organotypic cultures dramatically decreased their sensitivity to radiation. Transcriptomic analysis of a BrM cell line under culture conditions correlating with low or high sensitivity to radiation was performed. The top candidate S100A9, as well as a known receptor and downstream signalling pathway, were all upregulated in conditions involving resistance to radiation. Although targeting S100A9 in BrM models did not impair the ability to generate brain metastasis, when combined with WBRT a significant reduction in tumour burden was evident. Similarly, an inhibitor blocking S100A9 mediated activation of NFκβ reproduced this finding suggesting a potential therapeutic implication. Analysis of S100A9 levels in human samples reflected inter-patient heterogeneity, suggesting its potential as a biomarker to personalize the use of radiation therapy in patientsLa metástasis cerebral afecta a entre el 10 y el 30% de los pacientes con cáncer. Los tratamientos como la cirugía, la quimioterapia y la radiación son principalmente paliativos e ineficaces. Para estudiar la resistencia a la radioterapia, hemos desarrollado un modelo para el estudio de metástasis cerebrales tratadas con radioterapia total del cerebro (WBRT). Nuestro objetivo es identificar mediadores de la resistencia a la radiación y desarrollar nuevas estrategias para sensibilizar la metástasis cerebral. Hemos aplicado, a los modelos de metástasis cerebrales de adenocarcinoma de pulmón y mama que eran altamente sensibles a la radiación in vitro, varios protocolos WBRT clínicamente relevantes. Sin embargo, ninguno de ellos redujo la tasa de crecimiento de metástasis, o aumentó la supervivencia de los ratones in vivo. Nuestros resultados fueron similares a los obtenidos en ensayos clínicos recientes que utilizan WBRT en pacientes con metástasis cerebrales. En base a la diferente sensibilidad comparando experimentos in vitro versus in vivo, planteamos la hipótesis de que la resistencia a la radiación podría ser modulada. De hecho, las células metastásicas cerebrales (BrM) que crecen en cultivos organotípicos disminuyeron drásticamente su sensibilidad a la radiación. Se realizó un análisis transcriptómico de una línea celular BrM en condiciones de cultivo que se correlacionan con baja o alta sensibilidad a la radiación. El potencial mediador de la resistencia a la radiación, S100A9, así como uno de sus receptores conocidos, RAGE, y una de sus rutas de señalización, S100A9/RAGE/NFκβ, estaban todos upregulados en condiciones que implican resistencia a la radiación. Aunque al disminuir la expresión de S100A9 en los modelos BrM no perjudicaba la capacidad de generar metástasis cerebrales, cuando se combinaba con WBRT era evidente una reducción significativa en la carga tumoral. De manera similar, un inhibidor que bloquea la activación de NFκβ mediada por S100A9 reprodujo este hallazgo sugiriendo una posible implicación terapéutica. El análisis de los niveles de S100A9 en muestras humanas reflejó la heterogeneidad entre pacientes, lo que sugiere su potencial como biomarcador para personalizar el uso de radioterapi