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Abstract(s)
Prostate Cancer (PCa) is one of the most common cancer in men and represents the fifth
leading cause of cancer deaths. In an initial phase of PCa, the so-called androgen-sensitive
stage, PCa cells are extremely dependent on androgens actions to survive and proliferate.
This condition allows the effectiveness of androgens deprivation therapy (ADT) that reduce
the circulating levels of androgens or block their action. The continuous administration of
ADT renders PCa cells resistant to treatment, becoming capable of survive and metastasize
even in the absence or very low circulating levels of androgens. At this moment, it is reached
the stage of castrate-resistant prostate cancer (CRPC), a condition with high mortality rates
and treatment limitations.
In the last years, a substantial amount of data showed that cancer cells have the
ability of reprogramming metabolism to survive and metastasize. Warburg studies were
pioneer showing that tumour cells predominantly use glycolysis for obtaining energy, in
detriment of oxidative phosphorylation, with the production of high amounts of lactate.
These findings opened the door to the metabolic adaptation being considered a hallmark of
cancer. Currently, it is accepted that mitochondrial oxidative phosphorylation and glycolysis,
support tumour cells survival and growth. Primary PCa cases differ from other cancer types by
the fact that is less glycolytic, and the idea that predominantly use fatty acids and glutamine
as energy substrates has been gaining consistency. Indeed, glycolysis is only overactivated in
more advanced stages of the disease, in CRPC. However, the understanding of how each
metabolic pathway sustains PCa cells survival and growth still is incomplete. Besides the
recognized functions as the main drivers of PCa survival and growth, androgens have been
indicated as metabolic regulators in PCa, modulating glycolysis and cell lipid handling.
Nevertheless, there are several issues in the role of androgens controlling PCa metabolism
that need to be clarified.
Although efforts have been made in recent years to develop new drugs for PCa
treatment, namely, for CRPC, they have shown limited duration of clinical and survival
benefits. Following the trend observed in other cancer types, treatment approaches targeting
metabolism also have been explored in the case of PCa and CRPC. However, there are
important knowledge gaps in the understanding of PCa cells metabolism that should be
fulfilled to improve its efficacy and to avoid resistance and bypassing metabolic pathways.
The main goal of this thesis was to clarify the role androgens and the metabolic
environment in shaping PCa metabolism, and how this interplay can affect PCa cell fate. The
present thesis first established the PCa cells dependency on the different metabolic pathways
(glycolysis, glutaminolysis and lipid metabolism). It was demonstrated that CRPC cells have
higher metabolic rates being more glycolytic than the androgen-sensitive cells, especially the
PC3 cells, which also showed a higher capacity to oxidize glutamine. Androgen-responsive LNCaP cells displayed a higher capacity for using fatty acids as mitochondrial fuels. These
findings allowed to demonstrate a differential dependency and capacity of fuel use between
androgen-sensitive and CRPC cells. Next, we determined the relevance of glutaminolysis for
PCa cells survival and growth and the effect of androgens in the regulation of glutamine
metabolism. Treatment of PCa cells with 5α-dihydrotestosterone (DHT, 10nM) potentiated
glutamine metabolism in PCa cells, whereas the inhibition of glutaminase activity diminished
cell viability and migration, and increased apoptosis, particularly in the CRPC. Moreover, cotreatment
with glutaminase inhibitor BPTES and the anti-androgen bicalutamide had a
synergic effect suppressing LNCaP cells viability, which highlights the benefit of co-targeting
androgen receptor and glutamine metabolism in PCa treatment. Glutaminolysis inhibition also
had an impact on glycolysis and lipid metabolism.
The role of androgens in regulating lipid metabolism and the influence of these
hormones and LDL-cholesterol modulating PCa cells fate were evaluated. DHT upregulated
the expression of fatty acid synthase and carnitine palmitoyltransferase 1A in androgensensitive
PCa cells. LDL-cholesterol enrichment increased PCa cells viability, proliferation,
and migration dependently on DHT. This in vitro approach supports clinical and
epidemiological data linking obesity and cholesterol with PCa, and first implicated androgens
in this relationship.
Finally, we investigated the effect of different glucose availability on the PCa cells
response to therapy. For this purpose, it was used the receptor tyrosine kinase inhibitor
imatinib and two cell line models of CRPC. Higher glucose availability improved the
effectiveness of imatinib suppressing survival and growth of CRPC cells Moreover, imatinib
treatment stimulated the glycolytic metabolism of CRPC cells. Overall, it was showed that
hyperglycemia, the main serum alteration in diabetic patients, potentiated the effects of
imatinib in CRPC cells, which raises the curiosity about the efficacy of this drug for treatment
of castration-resistant diabetic patients.
In conclusion, the main findings of this thesis confirmed the crucial actions of
androgens in regulating the metabolism of PCa cells. These effects were pivotal for PCa cells
obtaining energy and triggered proliferation and metastasis. Another innovative result of the
present thesis was the identification of the cholesterol and androgens interplay in inducing
survival and invasiveness features of PCa cells. Moreover, this dissertation demonstrated the
flexibility of PCa cells using different energy sources and contributed to a better
understanding of the role of lipids and glutamine in PCa. The molecular mechanism
underlying the metabolic support of cancer cell survival and growth were highlighted.
Overall, the information gathered in this thesis supports the metabolic environment and
androgens as “co-authors” orchestrating the reprogramming of PCa and cancer development.
Further research on this interplay could be a basis for the development of new treatment
approaches for PCa.
O cancro da próstata (PCa, “prostate cancer”) é um dos cancros que mais frequentes nos homens, representando a quinta maior causa de morte por cancro na população masculina. Numa fase inicial da doença, a fase conhecida como sensível aos androgénios, a sobrevivência e proliferação das células tumorais dependem grandemente da ação estimuladora dos androgénios. Esta dependência é a característica que permite a utilização da terapêutica de privação androgénica (ADT, “androgen-deprivation therapy”), a qual tem por base a redução dos níveis circulantes de androgénios ou o bloqueio das suas ações. A administração contínua desta terapia leva a que as células de PCa se tornem resistentes ao tratamento, sendo capazes de sobreviver e originar metástase, ainda que na ausência ou sob a influência de níveis baixos de androgénios. Este estado corresponde à fase da doença designada como PCa resistente à castração (CRPC, “castrate-resistant prostate cancer”), a qual apresenta elevada mortalidade e cujas opções de tratamento têm maiores limitações. Nos últimos anos, uma quantidade substancial de informação relevante tem demonstrado que as células cancerosas têm a capacidade de reprogramar o seu metabolismo optimizando a sobrevivência e potencial metastático. Os estudos de Warburg foram pioneiros a demonstrar que as células tumorais usam predominantemente a glicólise para obtenção de energia, em detrimento da fosforilação oxidativa, produzindo assim grandes quantidades de lactato. Esta descoberta abriu portas para anos mais tarde, se vir a considerar a adaptação metabólica como um “hallmark” do cancro. Atualmente, é aceite que, quer a respiração mitocondrial quer a glicólise, sustentam a sobrevivência e crescimento das células cancerosas. No caso do PCa, os tumores primários diferem de outros tipos de cancros pelo facto de serem menos glicolíticos, característica que tem alimentado a ideia de que na fase inicial as células de PCa usam predominantemente ácidos gordos e glutamina como fonte de energia. Efetivamente, tem sido demonstrado que a glicólise apenas se encontra sobreativada nas fases mais avançadas da doença, predominantemente no CRPC. No entanto, a compreensão de como cada uma das diferentes vias metabólicas sustenta a sobrevivência e crescimento das células do PCa ainda necessita de alguma clarificação. Os androgénios, para além das suas reconhecidas funções como os principais responsáveis pela sobrevivência e crescimento do PCa, têm, igualmente, vindo a ser apontados como importantes reguladores metabólicos, modulando, essencialmente, a glicólise e a utilização de lípidos. Ainda assim, existem muitos aspetos ligados à ação dos androgénios na regulação do metabolismo do PCa que permanecem por esclarecer. Apesar dos esforços feitos nos últimos anos para o desenvolvimento de novos fármacos para o tratamento do PCa, nomeadamente, para o CRPC, estes compostos têm demonstrado uma duração limitada dos benefícios clínicos e da sobrevivência. Seguindo a tendência observada noutros tipos de cancros, também no caso do PCa e CRPC, têm sido testadas abordagens terapêuticas tendo como alvo o metabolismo energético. No entanto, existem lacunas importantes no conhecimento existente no que diz respeito ao metabolismo específico das células do PCa, as quais devem ser colmatadas para assim se a aumentar a eficácia e evitar a resistência metabólica de muitas das terapias usadas. A presente tese teve como objetivo principal a clarificação do papel dos androgénios e do “ambiente metabólico” na modulação do metabolismo do PCa, e de que modo esta relação pode afetar o “destino” (“cell fate”) das células tumorais. Este trabalho estabeleceu pela primeira vez de que modo as células do PCa dependem das diferentes vias metabólicas (glicólise, glutaminólise e metabolismo lipídico). Foi ainda demonstrado que as células de CRPC apresentam uma taxa metabólica mais elevada, sendo mais glicolíticas que as células sensíveis à ação dos androgénios, o que foi particularmente evidente no caso das células PC3, as quais também demonstraram uma maior capacidade de oxidação da glutamina. As células LNCaP, as quais são sensíveis aos androgénios, exibiram uma maior capacidade para usar ácidos gordos como “combustível” para a mitocôndria. Estes resultados demonstraram assim uma capacidade e dependência diferencial no uso de fontes de energia entre as células sensitivas aos androgénios e as que mimetizam o CRPC. De seguida, foi determinada qual a importância da glutaminólise para a sobrevivência e crescimento das células do PCa, assim como os efeitos dos androgénios na regulação do metabolismo da glutamina. O tratamento das células do PCa com 5α-dihidrotestosterona (DHT, 10 nM) potenciou o metabolismo da glutamina nas células do PCa, enquanto que a inibição da atividade da glutaminase diminui a viabilidade celular e migração, aumentando a apoptose. Estes efeitos foram particularmente evidentes nas células de CRPC. Para além disso, o tratamento simultâneo com o inibidor da glutaminase (BPTES) e o antiandrógeno (bicalutamida) teve um efeito sinérgico na supressão da viabilidade das células LNCaP, o que indica os potenciais benefícios de se atuar simultaneamente ao nível do recetor de androgénios e metabolismo da glutamina como forma de tratamento do PCa. O papel dos androgénios na regulação do metabolismo lipídico e a influência destas hormonas e do colesterol-LDL na modulação do destino das células do PCa foram outro dos focos desta dissertação. A DHT aumentou a expressão da síntase de ácidos gordos e da carnitina palmitoiltransferase 1A nas células de PCa sensíveis aos androgénios. O enriquecimento em colesterol-LDL aumentou a viabilidade, proliferação e migração das células do PCa de forma dependente da presença da DHT. Os resultados desta abordagem in vitro sustentam os dados clínicos e epidemiológicos que ligam a obesidade e colesterol com o PCa, e implicaram, pela primeira vez, a ação dos androgénios nesta relação. Por fim, investigou-se de que modo diferentes concentrações de glucose podem afetar a resposta das células de PCa a terapias anti-cancro. Com este propósito, foi usado um inibidor do recetor tirosina cinase, o imatinib, tendo-se testado os seus efeitos em dois modelos celulares de CRPC. A maior disponibilidade de glicose aumentou os efeitos do imatinib na supressão da sobrevivência e crescimento das células de CRPC. Para além disso, o tratamento com imatinib estimulou o metabolismo glicolítico destas células. No geral, demonstrou-se que a hiperglicemia, a principal alteração observada no soro dos pacientes diabéticos, potenciou os efeitos do imatinib nas células CRPC, o que aumenta a curiosidade acerca da eficácia deste fármaco no tratamento de pacientes diabéticos na fase de CRPC. Em conclusão, os principais resultados desta tese confirmaram assim a ação crucial dos androgénios na regulação do metabolismo das células do PCa. Estes efeitos foram essenciais para a obtenção de energia por parte das células de PCa e no desencadeamento dos processos de migração e proliferação celular. Outro resultado inovador da presente tese foi a identificação da inter-relação entre colesterol e androgénios na indução da sobrevivência das características de invasão das células do PCa. Esta dissertação demonstrou ainda a flexibilidade das células de PCa no uso de diferentes metabolitos energéticos, contribuindo assim para uma melhor compreensão do papel dos lípidos e glutamina no PCa. Foram igualmente revelados alguns dos mecanismos moleculares subjacentes ao papel de suporte do metabolismo na sobrevivência e crescimento das células cancerosas. No global, a informação e os resultados obtidos nesta tese suportam a existência de uma ação cúmplice do “ambiente metabólico” e dos androgénios na orquestração da reprogramação do metabolismo do PCa, e no desenvolvimento do cancro. Investigação adicional sobre esta relação poderá vir a ser uma base fundamental para o desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas para o PCa.
O cancro da próstata (PCa, “prostate cancer”) é um dos cancros que mais frequentes nos homens, representando a quinta maior causa de morte por cancro na população masculina. Numa fase inicial da doença, a fase conhecida como sensível aos androgénios, a sobrevivência e proliferação das células tumorais dependem grandemente da ação estimuladora dos androgénios. Esta dependência é a característica que permite a utilização da terapêutica de privação androgénica (ADT, “androgen-deprivation therapy”), a qual tem por base a redução dos níveis circulantes de androgénios ou o bloqueio das suas ações. A administração contínua desta terapia leva a que as células de PCa se tornem resistentes ao tratamento, sendo capazes de sobreviver e originar metástase, ainda que na ausência ou sob a influência de níveis baixos de androgénios. Este estado corresponde à fase da doença designada como PCa resistente à castração (CRPC, “castrate-resistant prostate cancer”), a qual apresenta elevada mortalidade e cujas opções de tratamento têm maiores limitações. Nos últimos anos, uma quantidade substancial de informação relevante tem demonstrado que as células cancerosas têm a capacidade de reprogramar o seu metabolismo optimizando a sobrevivência e potencial metastático. Os estudos de Warburg foram pioneiros a demonstrar que as células tumorais usam predominantemente a glicólise para obtenção de energia, em detrimento da fosforilação oxidativa, produzindo assim grandes quantidades de lactato. Esta descoberta abriu portas para anos mais tarde, se vir a considerar a adaptação metabólica como um “hallmark” do cancro. Atualmente, é aceite que, quer a respiração mitocondrial quer a glicólise, sustentam a sobrevivência e crescimento das células cancerosas. No caso do PCa, os tumores primários diferem de outros tipos de cancros pelo facto de serem menos glicolíticos, característica que tem alimentado a ideia de que na fase inicial as células de PCa usam predominantemente ácidos gordos e glutamina como fonte de energia. Efetivamente, tem sido demonstrado que a glicólise apenas se encontra sobreativada nas fases mais avançadas da doença, predominantemente no CRPC. No entanto, a compreensão de como cada uma das diferentes vias metabólicas sustenta a sobrevivência e crescimento das células do PCa ainda necessita de alguma clarificação. Os androgénios, para além das suas reconhecidas funções como os principais responsáveis pela sobrevivência e crescimento do PCa, têm, igualmente, vindo a ser apontados como importantes reguladores metabólicos, modulando, essencialmente, a glicólise e a utilização de lípidos. Ainda assim, existem muitos aspetos ligados à ação dos androgénios na regulação do metabolismo do PCa que permanecem por esclarecer. Apesar dos esforços feitos nos últimos anos para o desenvolvimento de novos fármacos para o tratamento do PCa, nomeadamente, para o CRPC, estes compostos têm demonstrado uma duração limitada dos benefícios clínicos e da sobrevivência. Seguindo a tendência observada noutros tipos de cancros, também no caso do PCa e CRPC, têm sido testadas abordagens terapêuticas tendo como alvo o metabolismo energético. No entanto, existem lacunas importantes no conhecimento existente no que diz respeito ao metabolismo específico das células do PCa, as quais devem ser colmatadas para assim se a aumentar a eficácia e evitar a resistência metabólica de muitas das terapias usadas. A presente tese teve como objetivo principal a clarificação do papel dos androgénios e do “ambiente metabólico” na modulação do metabolismo do PCa, e de que modo esta relação pode afetar o “destino” (“cell fate”) das células tumorais. Este trabalho estabeleceu pela primeira vez de que modo as células do PCa dependem das diferentes vias metabólicas (glicólise, glutaminólise e metabolismo lipídico). Foi ainda demonstrado que as células de CRPC apresentam uma taxa metabólica mais elevada, sendo mais glicolíticas que as células sensíveis à ação dos androgénios, o que foi particularmente evidente no caso das células PC3, as quais também demonstraram uma maior capacidade de oxidação da glutamina. As células LNCaP, as quais são sensíveis aos androgénios, exibiram uma maior capacidade para usar ácidos gordos como “combustível” para a mitocôndria. Estes resultados demonstraram assim uma capacidade e dependência diferencial no uso de fontes de energia entre as células sensitivas aos androgénios e as que mimetizam o CRPC. De seguida, foi determinada qual a importância da glutaminólise para a sobrevivência e crescimento das células do PCa, assim como os efeitos dos androgénios na regulação do metabolismo da glutamina. O tratamento das células do PCa com 5α-dihidrotestosterona (DHT, 10 nM) potenciou o metabolismo da glutamina nas células do PCa, enquanto que a inibição da atividade da glutaminase diminui a viabilidade celular e migração, aumentando a apoptose. Estes efeitos foram particularmente evidentes nas células de CRPC. Para além disso, o tratamento simultâneo com o inibidor da glutaminase (BPTES) e o antiandrógeno (bicalutamida) teve um efeito sinérgico na supressão da viabilidade das células LNCaP, o que indica os potenciais benefícios de se atuar simultaneamente ao nível do recetor de androgénios e metabolismo da glutamina como forma de tratamento do PCa. O papel dos androgénios na regulação do metabolismo lipídico e a influência destas hormonas e do colesterol-LDL na modulação do destino das células do PCa foram outro dos focos desta dissertação. A DHT aumentou a expressão da síntase de ácidos gordos e da carnitina palmitoiltransferase 1A nas células de PCa sensíveis aos androgénios. O enriquecimento em colesterol-LDL aumentou a viabilidade, proliferação e migração das células do PCa de forma dependente da presença da DHT. Os resultados desta abordagem in vitro sustentam os dados clínicos e epidemiológicos que ligam a obesidade e colesterol com o PCa, e implicaram, pela primeira vez, a ação dos androgénios nesta relação. Por fim, investigou-se de que modo diferentes concentrações de glucose podem afetar a resposta das células de PCa a terapias anti-cancro. Com este propósito, foi usado um inibidor do recetor tirosina cinase, o imatinib, tendo-se testado os seus efeitos em dois modelos celulares de CRPC. A maior disponibilidade de glicose aumentou os efeitos do imatinib na supressão da sobrevivência e crescimento das células de CRPC. Para além disso, o tratamento com imatinib estimulou o metabolismo glicolítico destas células. No geral, demonstrou-se que a hiperglicemia, a principal alteração observada no soro dos pacientes diabéticos, potenciou os efeitos do imatinib nas células CRPC, o que aumenta a curiosidade acerca da eficácia deste fármaco no tratamento de pacientes diabéticos na fase de CRPC. Em conclusão, os principais resultados desta tese confirmaram assim a ação crucial dos androgénios na regulação do metabolismo das células do PCa. Estes efeitos foram essenciais para a obtenção de energia por parte das células de PCa e no desencadeamento dos processos de migração e proliferação celular. Outro resultado inovador da presente tese foi a identificação da inter-relação entre colesterol e androgénios na indução da sobrevivência das características de invasão das células do PCa. Esta dissertação demonstrou ainda a flexibilidade das células de PCa no uso de diferentes metabolitos energéticos, contribuindo assim para uma melhor compreensão do papel dos lípidos e glutamina no PCa. Foram igualmente revelados alguns dos mecanismos moleculares subjacentes ao papel de suporte do metabolismo na sobrevivência e crescimento das células cancerosas. No global, a informação e os resultados obtidos nesta tese suportam a existência de uma ação cúmplice do “ambiente metabólico” e dos androgénios na orquestração da reprogramação do metabolismo do PCa, e no desenvolvimento do cancro. Investigação adicional sobre esta relação poderá vir a ser uma base fundamental para o desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas para o PCa.
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