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Cell competition mechanisms during health and disease.

Speaker: David Fernandez-Antoran

Place: CIPF conference room

Defensa de Tesis Doctoral:

Preclinical evaluation of senescence-based strategies to improve cancer therapy

Doctorando: 

Alejandra Estepa Fernández

PhD. Supervisors:

Ramón Martínez Máñez

María del Mar Orzáez Calatayud

Félix Sancenón Galarza

Resumen:

Senescence is a cellular state characterized by a highly stable cell cycle arrest associated with specific phenotypic changes. As senescent cells are cell cycle arrested, the pharmacological induction of senescence is used as a therapeutic option against tumor progression in the clinic.  However, recent studies have shown that systemic induction of senescence and, therefore, the unspecific accumulation of senescent cells in tissues and organs, could have deleterious effects on the tissue microenvironment increasing metastasis. In recent years, drugs that specifically eliminate senescent cells (senolytics) have emerged and a two-step combinational therapy based on senescence has been proposed, being the first step the pharmacological induction of senescence and the second step the specific elimination of senescent cells with drugs (senolysis).

Given the complex role of senescence in tumorigenesis, this doctoral thesis focuses on exploiting senescence as a therapeutic option for cancer treatment. We achieve this general objective through the design, synthesis, in vitro characterization, and in vivo evaluation of several nanodevices and prodrugs in different cancer models as well as through the identification of new senolytic molecules, in order to improve cancer therapy. This doctoral thesis, distributed among four chapters, has focused: (i) on the evaluation of the negative role of endothelial senescence in promoting metastasis after senescence-inducing chemotherapy in breast cancer; (ii) on the exploration of the beneficial effects of combined pro-senescence and senolytic therapies to improve the antitumoral activity and to reduce metastatic burden in breast cancer, (iii) on the design and evaluation of a targeted-tumor delivery system based on two mesoporous silica nanoparticles that communicate by stigmergy, combining targeted pro-senescence and senolytic therapies; and (iv)on the identification and evaluation of new senolytic compounds to target malignant melanoma.

In the first experimental chapter, we evaluated the negative effect of endothelial senescence in the tumor context and the consequence of its elimination through the use of the senolytic navitoclax. We found that systemic treatment with palbociclib in an orthotopic model of breast cancer in mice induces senescence in vascular endothelial cells, generating an altered endothelium that favors the migration of cancer cells. Recovery of endothelial functionality was achieved, after palbociclib-senescence induction, by removal of senescent cells (senolysis) with navitoclax-loaded nanoparticles (NP(nav)-Gal). In a preclinical model, the combined treatment of palbociclib with NP(nav)-Gal decreased endothelial senescence in veins as well as in metastatic nodules in the lungs.

Taking into account the results obtained, chapter two describes a similar therapeutic strategy for triple-negative breast cancer.   In this case, a human xenograft mice model was employed to evaluate the effect of combined therapy of palbociclib plus navitoclax. To overcome the side effects of navitoclax treatment (mainly thrombocytopenia), we evaluated the effect of the prodrug nav-Gal. Palbociclib therapy-induced senescence, followed by adjuvant navitoclax or nav-Gal therapy, resulted in synergistic clearance of senescent tumor cells and reduction of tumor growth and lung metastasis in the xenograft mice model of aggressive human TNBC.

Chapter three focuses on the design and development of a new stigmergy nanoparticle communication system to improve tumor therapy in breast cancer. The communication of nanoparticles by stigmergy consists of a sequential system of two nanoparticles in which the first modifies the environment allowing the second nanoparticle to act. To do this, we again rely on a two-step therapy, the first step being the induction of senescence with palbociclib in tumor cells and the second its subsequent elimination with navitoclax. To this end, two nanodevices were prepared: the first nanodevice (NP(palbo)PEG-MUC1) was loaded with palbociclib and functionalized with an aptamer targeting the surface protein MUC1, frequently overexpressed in breast tumor cells; for the second nanodevice, the senolytic nanoparticle NP(nav)-Gal was used. When both nanoparticles were administered sequentially, an increased effect was achieved, delaying tumor growth and reducing lung metastases in the previously described model of hTNBC xenograft mice.

In the last chapter, we identified a new senolytic agent (H14) that can kill senescent melanoma tumor cells with optimal efficacy and safety in vivo. For this, a combinatorial library of D-amino acid hexapeptides was screened in senescent SK-Mel-103 melanoma cells, in which senescence induction had occurred by treatment with palbociclib. The combined treatment of palbociclib and H14 hexapeptide achieved an improvement in the elimination of senescent tumor cells in vivo, as well as in the reduction of tumor growth, reaching similar effects to the combined treatment of palbociclib and navitoclax.

Future breakthroughs in the field of cellular senescence treatment are expected. We hope that the results achieved in this Ph.D. thesis will open new research opportunities and inspire the development of advanced strategies with smart nanodevices and prodrugs for their application in the field of cellular senescence and other different biomedical areas and in sensing and communication technologies to solve patient needs.

Defensa de Tesis Doctoral:

Papel de IRS2 en la regulación de la comunicación a través de FGFs en el nicho de células progenitoras hepáticas.

Doctorando: 

María José Arámbul Anthony

Resumen:

La resistencia a la insulina se define como un aumento en la cantidad de insulina necesaria para conseguir la homeostasis de glucosa. Una de las complicaciones más comunes de la resistencia a la insulina es el defecto en la reparación de herida. El sustrato 2 del receptor de la insulina (IRS2) es un mediador clave para la señalización de insulina en hígado que actúa de puente entre los receptores de la insulina y del factor de crecimiento insulínico (IGF-1) y sus cascadas de señalización. Tanto la resistencia a la insulina como cambios en los niveles de expresión de IRS2 han sido asociados con el desarrollo y la progresión de enfermedades hepáticas graves. El daño hepático crónico generado por algunos factores derivados de la resistencia a la insulina ha sido establecido como determinante en la patofisiología de las enfermedades hepáticas. Sin embargo, sigue siendo una incógnita cómo el daño hepático generado por la resistencia a la insulina escapa de la extraordinaria capacidad de regeneración del hígado.

Durante el daño hepático crónico, la reparación epitelial está mediada por las células progenitoras hepáticas (CPH) que se expanden y diferencian hasta hepatocitos o células biliares rodeadas de un nicho estromal formado por un conjunto de células estrelladas hepáticas (CEH), células inflamatorias, componentes de la matriz extracelular (ECM) y factores de crecimiento. El factor de crecimiento de fibroblastos 7 (FGF7), expresado por las CEH, resulta crítico para la respuesta de las CPH y para la regeneración hepática. Durante el daño hepático crónico las CEH se activan transdiferenciandose desde células quiescentes a células fibrogénicas (CEHa) denominadas miofibroblastos que depositan ECM para reemplazar el tejido dañado. Para alcanzar una correcta regeneración hepática se requiere la resolución de la activación (“reversión fibrogénica”) de las CEH.

Empleando el modelo de ratón Irs2-/- durante el daño hepático crónico con la dieta DDC 0.1% y los modelos in vitro humanos de CPH (HepaRG) y de CEH (CEH primarias y la línea celular LX-2), los resultados de este trabajo demuestran que la señalización de insulina-IRS2 es necesaria para la epitelización dirigida por la comunicación paracrina a través de FGF7 en el nicho de CPH. Por un lado, IRS2 es necesario en la población de CEH para permitir su supervivencia durante la reversión fibrogénica, un proceso que según nuestros resultados induce un aumento en la expresión de FGF7. Nuestros datos descubren un potencial mecanismo de regulación mediante el que IRS2 induce la expresión de FGF7 en CEH a través de la remodelación en la ECM mediada por NRF2 y el integrante de la ECM SERPINE1 durante las etapas tempranas de la reversión fibrogénica. El eje NRF2-SERPINE1 ha sido descrito anteriormente en fibroblastos de piel como esencial para la reepitelización de herida. NRF2 es el principal factor de transcripción de respuesta frente al estrés oxidativo (ruta canónica). En hepatocitos, la activación de NRF2 también puede inducirse a través de una ruta no canónica mediada por la proteína cargo de la autofagia P62. A pesar de que nuestros datos descubren a P62 como capaz de inducir la actividad de NRF2 en CPH, también demuestran que IRS2 activa a NRF2 en CPH y en CEH de manera independiente a la ruta no canónica mediada por P62. Por otro lado, demostramos que la señalización de insulina-IRS2, por promover la producción de FGF7, permite un novedoso bucle de inducción positiva mediante el que la respuesta a FGF7 en CPH promueve la expresión de su receptor, FGFR2b, favoreciendo su propia sensibilidad y sosteniendo la reparación epitelial.

Futuras estrategias para potenciar en hígado la actividad de NRF2 y la señalización de FGF7 podrían servir para mejorar el pronóstico de los pacientes con resistencia a la insulina, diabetes o enfermedad metabólica por promover la reparación epitelial en hígado y reducir por tanto su riesgo de desarrollar patologías hepáticas graves con elevada tasa de mortalidad.