Sigma receptors: study of their role in cancer and the development of novel targeted anticancer therapies

Abstract

Sigma receptors have attracted research interest as they have been proposed as therapeutic targets for the treatment of various diseases and pathological conditions, including some types of cancer. They consist of two subtypes, sigma-1 (σ1) and sigma-2 (σ2), however, the identification of σ2 is under investigation. Until recently it was related to the PGRMC1 receptor while a later theory identifies it with the TMEM97 receptor. Also, some ligands exhibit significant antiproliferative and cytotoxic activity in various types of cancer. However, the precise mechanism of action of both sigma receptors and their ligands remains unclear and remains to be elucidated.In the present doctoral thesis, the levels of σ receptor expression (σ1, σ2/PGRMC1, and σ2/TMEM97) in human established and primary cancer cell lines were investigated. For the first time in the literature, the simultaneous determination of the expression levels of the σ1 receptor and the σ2/TMEM97 and σ2/PGRMC1 receptors was performed simultaneously. Subsequently, the in vitro anticancer activity of some widely used σ1 and σ2 ligands against various types of cancer was studied. Their activity was compared under the same experimental conditions and their possible mechanism of action was investigated. Finally, the ligand that exhibited the best in vitro antiproliferative activity (Siramesine) was more extensively studied in primary patient-derived xenografts (PDX). The expression levels of the σ receptors were determined by Western blot. The antiproliferative activity of the ligands against 24 cancer cell lines was studied using the sulforhodamine B (SRB) assay. The COMPARE algorithm was used for the estimation of the mechanism of action of the ligands. The efficacy of Siramesine (monotherapy or in combination with Gemcitabine) was tested on cancer animal models derived from patients with pancreatic cancer (PDX) that were developed in our laboratory. From the present study, there is no direct correlation between the σ1 and σ2 receptors with cancer type and tumor aggression. In addition, it seems that the substances tested here, even though they have significant in vitro anticancer activity, exert this effect through mechanisms that do not involve the receptors. Among the tested σ ligands, Siramesine appeared to be the most promising. Studies of Siramesine, in tumor xenografts derived from patients (PDX) that were held for the first time under the present thesis, confirmed its good anticancer activity. Also, our experimental data show that Siramesine can be combined with other chemotherapeutics to improve the therapeutic effect. The major disadvantage of the substance appears to be some of its increased toxicity but it can be overcome, as the corresponding study using controlled release drug nanoparticles such as liposomes, has shown.Οι σίγμα υποδοχείς έχουν προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς έχουν προταθεί ως θεραπευτικοί στόχοι για την αντιμετώπιση διαφόρων ασθενειών και παθολογικών καταστάσεων, μεταξύ των οποίων και ορισμένοι τύποι καρκίνου. Αποτελούνται από δύο υπότυπους, σίγμα-1 (σ1) και σίγμα-2 (σ2), ωστόσο, η ταυτοποίηση του σ2 βρίσκεται υπό διερεύνηση. Μέχρι πρόσφατα σχετίζονταν με τον υποδοχέα PGRMC1 ενώ μεταγενέστερη θεωρία τον ταυτίζει με τον υποδοχέα TMEM97. Επίσης, ορισμένοι σ προσδέτες επιδεικνύουν σημαντική αντιπολλαπλασιαστική και κυτταροτοξική δράση σε διάφορους τύπους καρκίνου. Ωστόσο, ο ακριβής μηχανισμός δράσης τόσο των σίγμα υποδοχέων όσο και των προσδετών τους παραμένει αδιευκρίνιστος και μένει να αποσαφηνιστεί.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, διερευνήθηκαν τα επίπεδα έκφρασης των σ υποδοχέων (σ1, σ2/PGRMC1 και σ2/TMEM97) σε ανθρώπινες εγκαθιδρυμένες και πρωτογενείς καρκινικές κυτταρικές σειρές. Για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία, πραγματοποιήθηκε ο ταυτόχρονος προσδιορισμός των επιπέδων έκφρασης του υποδοχέα σ1 και των υποδοχέων σ2/TMEM97 και σ2/PGRMC1. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η in vitro αντικαρκινική δράση κάποιων ευρέως χρησιμοποιούμενων σ1 και σ2 προσδετών, έναντι διαφόρων τύπων καρκίνου. Η δραστικότητά τους συγκρίθηκε υπό τις ίδιες πειραματικές συνθήκες και διερευνήθηκε ο πιθανός μηχανισμός δράσης τους. Τέλος, ο σ προσδέτης που επέδειξε την καλύτερη in vitro αντιπολλαπλασιαστική δράση (Siramesine), μελετήθηκε εκτενέστερα σε πρωτογενείς κυτταρικές σειρές και ξενομοσχεύματα προερχόμενα από ασθενείς (PDX). Ο προσδιορισμός των επιπέδων έκφρασης των σ υποδοχέων πραγματοποιήθηκε με ανοσοαποτύπωση κατά Western. Η αντιπολλαπλασιαστική δράση των σ προσδετών μελετήθηκε με τη χρήση της μεθόδου SRB. Ο αλγόριθμος COMPARE χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση του μηχανισμού δράσης των σ προσδετών. Ο έλεγχος της δράσης της Siramesine (μονοθεραπεία ή συνδυαστικά με τη Gemcitabine) έγινε σε ζωικά πρότυπα καρκίνου προερχόμενα από ασθενείς με καρκίνο του παγκρέατος (PDX), που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριό μας. Από την παρούσα μελέτη δεν προκύπτει κάποια άμεση συσχέτιση των υποδοχέων σ1 και σ2 με το είδος αλλά και την επιθετικότητα του όγκου. Φαίνεται ότι οι ουσίες που δοκιμάσθηκαν, ακόμη κι αν έχουν σημαντική in vitro αντικαρκινική δράση ασκούν τη δράση αυτή μέσω μηχανισμών στους οποίους δεν εμπλέκονται οι σ υποδοχείς. Από τις ουσίες που δοκιμάσθηκαν, η Siramesine φάνηκε να είναι η περισσότερη υποσχόμενη. Οι μελέτες της, σε ξενομοσχεύματα όγκων από ασθενείς, που για πρώτη φορά έγιναν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής (PDX), επιβεβαίωσαν την καλή αντικαρκινική της δράση. Επίσης, τα πειραματικά μας δεδομένα δείχνουν ότι η ουσία μπορεί να συνδυασθεί με άλλα χημειοθεραπευτικά ώστε να βελτιωθεί το θεραπευτικό αποτέλεσμα. Το βασικό μειονέκτημα της ουσίας φαίνεται να είναι η κάποια αυξημένη τοξικότητά της που όμως μπορεί να ξεπερασθεί, όπως έδειξε η αντίστοιχη μελέτη με τη χρήση νανοφορέων ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμάκων, όπως είναι τα λιποσώματα