Exploiting Oxidative Phosphorylation to Promote Stem and Immunoevasive Properties of Pancreatic Cancer Stem Cells

Abstract

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 14-02-2020Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 14-08-2021Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), the fourth leading cause of cancer death, has a 5-year survival rate of approximately 9% and is expected to become the second most lethal tumor by the year 2030. These alarming statistics can be attributed to the high metastatic and chemoresistant capacity of this tumor, and the ineffectiveness of conventional therapies to provide long-term progression-free survival (> 5 years). The latter is believed to be due, in large part, to the existence of a “stem”-like subpopulation of cells within the tumor known as cancer stem cells (CSCs), which have inherent plasticity, have been experimentally shown to be the initiators of the primary tumor, are able to evade chemotherapy, remain quiescent and metastasize to distant organs. To better understand the biology and plasticity of pancreatic CSCs, with the ultimate goal of eliminating them, we have initiated studies to dissect these cells at the molecular level. Metabolic adaptation is believed to be one of the hallmarks of cancer cells. Interestingly, we published that against established dogma, pancreatic CSCs have a metabolism dependent on oxidative mitochondrial phosphorylation (OXPHOS) in contrast to non-CSCs, which depend on glycolytic metabolism (Warburg effect). Using this discovery to our advantage, we have developed a novel 2D in vitro system for long term enrichment of pancreatic CSCs that is amenable to drug screening and CSC-specific studies. Specifically, in the presence of galactose we can establish long-term 2D cultures of primary PDX-derived PDAC cultures enriched in PaCSCs. Compared to glucose, ATP yield from galactose is slower. Thus, due to ATP yield differences, non-PaCSCs cannot survive in galactose, while OXPHOS-dependent PaCSCs survive and become enriched. Moreover, under galactose condition, we show that primary PDAC cells are highly plastic, present an enrichment in CSC biomarkers and pluripotency-associated genes, enter into a slow-cycling/quiescent stage, increase mitochondrial networks and OXPHOS activity and are more invasiveness in vivo, the latter being due, in part, to the modulation of immune evasion markers, an aspect of PaCSCs biology that has been poorly studied to date. In summary, this novel cell culture system could be potentially used to screen for novel CSC-specific inhibitors as well as new compounds directed towards cancer cell metabolism, an area of research that is gaining considerable attention, and based on the correlation observed with immune evasion, may synergize with immunotherapeutic approaches for improved and long-lasting antitumor outcomesEl adenocarcinoma ductal de páncreas (PDAC), la cuarta causa principal de muerte por cáncer, tiene una tasa de supervivencia a 5 años de aproximadamente el 9% y se espera que se convierta en el segundo tumor más letal para el año 2030. Estas alarmantes estadísticas pueden atribuirse a la alta capacidad metastásica y quimiorresistencia de este tumor y la ineficacia de las terapias convencionales, las cuales no proporcionan una supervivencia a largo plazo (> 5 años). Se cree que esto último se debe a la existencia de una subpoblación de células "madre" dentro del tumor conocida como células madre de cáncer (CSCs), las cuales poseen una plasticidad intrínseca, son las iniciadoras del tumor primario, pueden evadir la quimioterapia, permanecer inactivas y metastatizar en órganos distales. Para comprender mejor la biología y la plasticidad de las CSC pancreáticas hemos iniciado estudios para diseccionar estas células a nivel molecular. Se cree que la adaptación metabólica es una de las características de las células tumorales. En 2015 publicamos que las CSC pancreáticas tienen un metabolismo basado en la fosforilación oxidativa (OXPHOS) en comparación con las no CSCs, que dependen de un metabolismo glucolítico (efecto Warburg). Utilizando como ventaja este descubrimiento, hemos desarrollado un novedoso sistema 2D in vitro basado en la utilización de galactosa como fuente de carbono para el enriquecimiento a largo plazo de CSC pancreáticas, lo que nos servirá para el estudio de nuevos fármacos y características específicas de las CSC. En comparación con el uso de glucosa, la obtención de ATP a partir de galactosa es más lento. Por lo tanto, las no PaCSC no pueden sobrevivir en presencia de galactosa como única fuente de carbono, mientras que las PaCSC dependientes de OXPHOS sobreviven y se enriquece su población. Además, en condiciones de galactosa, las células son altamente plásticas, presentan un enriquecimiento en biomarcadores CSC, son más quiescentes, aumentan las redes mitocondriales, la actividad OXPHOS y son más invasivas in vivo, esto último debido, en parte, a la modulación de los marcadores de evasión inmune, un aspecto de la biología de las PaCSCs que ha sido poco estudiado hasta la fecha. En resumen, este nuevo sistema podría usarse potencialmente para detectar nuevos inhibidores de CSC y compuestos dirigidos hacia el metabolismo y la inmuno-evasión de las células tumorales, un área de investigación que está recibiendo una considerable atención actualment