The role of aldehyde dehydrogenases (ALDHs) in cancer stem cells
Authors: Τσοχανταρίδης Ηλίας 
Published: December 2021

Οι αλδεϋδικές αφυδρογονάσες (ALDHs) είναι μια υπεροικογένεια NAD(P)+-εξαρτώμεναων ενζύμων που καταλύουν την οξείδωση των ενδογενών (λιπίδια, αμινοξέα και βιταμίνες) και εξωγενών (αιθανόλη και φάρμακα) αλδεϋδών στα αντίστοιχα καρβοξυλικά οξέα τους. Οι ALDHs έχουν χρησιμοποιηθεί ως δείκτες τόσο των φυσιολογικών όσο και των καρκινικών βλαστικών κυττάρων (CSC) σε ένα ευρύ φάσμα όγκων και αιματολογικών κακοηθειών. Τα ένζυμα αυτά, σχετίζονται με αυξημένη ογκογένεση, χήμειο- και άκτινο-ανθεκτικότητα, με την έναρξη και την εξέλιξη του καρκίνου και συμμετέχουν σε διάφορους κυτταρικούς μηχανισμούς, όπως στον μεταβολισμό, στον πολλαπλασιασμό, στη διαφοροποίηση, στην εμβρυογένεση, στην απόπτωση, στη μετάσταση, στην υποξία, καθώς επίσης και στη βιοσύνθεση του ρετινοϊκού οξέος (RA).Η ALDH1B1, είναι ένα μιτοχονδριακό ένζυμο, το οποίο ανήκει στην υπερ-οικογένεια των ALDHs και μεταβολίζει την 4-υδροξυνονενάλη (4-HNE) και τη μαλονδιαλδεΰδη (MDA) και πιθανόν σχετίζεται με τον μεταβολισμό του ρετινοϊκού οξέος. Πρόσφατες έρευνες αναφέρουν πως η ALDH1B1 σχετίζεται με τον μεταβολισμό της αιθανόλης και τη διατήρηση της κινητικότητας του σπέρματος του αλόγου. Επίσης, η έκφραση της ALDH1B1 συσχετίζεται με την ογκογένεση του παχέος εντέρου, τα παγκρεατικά βλαστοκύτταρα και την ανάπτυξη των β-κυττάρων του παγκρέατος. Το ισοένζυμο αυτό, εμπλέκεται σε διάφορα μονοπάτια κυτταρικής σηματοδότησης (PI3K/Akt, Wnt/β-catenin και Notch), αποδεικνύοντας έτσι τη δυνητική του σχέση με τον φαινότυπο των καρκινικών βλαστικών κυττάρων (CSCs). Επιπρόσθετα, μελέτες έχουν αναφέρει ότι η ALDH1B1 θα μπορούσε να είναι ένας νέος βιοδείκτης για την ανίχνευση του καρκίνου του παχέος εντέρου και ένας ρυθμιστής του καρκίνου του παγκρέατος. Τα CSCs, γνωστά και ως κύτταρα εκκίνησης του όγκου, ονομάζονται έτσι λόγω των παρόμοιων χαρακτηριστικών/ιδιοτήτων τους με τα φυσιολογικά βλαστοκύτταρα, όπως είναι η αυτο-ανανέωση, η διαφοροποίηση, η κυτταρική επιβίωση και η ασύμμετρη κυτταρική διαίρεση. Τα CSCs θεωρούνται σημαντικά για την ετερογένεια των όγκων, λόγω της ικανότητάς τους να διαφοροποιούνται σε πολλαπλούς τύπους κυττάρων. Τα κύτταρα αυτά, θεωρούνται επίσης σημαντικός θεραπευτικός στόχος, λόγω της ενισχυμένης χήμειο- και άκτινο-ανθεκτικότητάς τους, καθώς και της συσχέτισής τους με την έναρξη, την εξέλιξη και τη μετάσταση του καρκίνου. Η σιλιμπινίνη είναι ένα φυσικό προϊόν, το οποίο αποτελεί το κύριο βιοδραστικό και το πιο άφθονο συστατικό του συμπλέγματος της σιλυμαρίνης, που προέρχεται από τους σπόρους του φυτού Silybum marianum. Η σιλιμπινίνη αποτελείται από ένα διαστερεοϊσομερές μίγμα της σιλυμπίνης Α και της σιλυμπίνης Β και θεωρείται μια ένωση με ασφαλές προφίλ, λόγω της χαμηλής κυτταροτοξικότητάς της έναντι των υγιών κυττάρων. Πολλές μελέτες έχουν υποστηρίξει την ισχυρή χημειο-προφυλακτική και αντι-νεοπλασματική ικανότητα της σιλιμπινίνης, μέσω των πλειοτροπικών μηχανισμών δράσης της ενάντια σε διαφορετικούς τύπους κακοήθειας.Η παρούσα μελέτη εξετάζει τον ρόλο των ALDHs στα CSCs. Επικεντρώνεται, κυρίως στον παθοφυσιολογικό ρόλο της ALDH1B1 στο καρκίνο του παχέος εντέρου και του πνεύμονα, επιδεικνύοντας τους μοριακούς μηχανισμούς, στους οποίους εμπλέκεται. Επιπλέον, έχει ως στόχο τόσο τη διερεύνηση των ισομορφών των ALDHs, που σχετίζονται με τον καρκινικό βλαστικό φαινότυπο, όσο και την πιθανή επίδραση της σιλιμπινίνης στην αναστολή της ικανότητας δημιουργίας σφαιρών, σε προκλινικά μοντέλα καρκίνου του πνεύμονα και του ήπατος.Για τη διερεύνηση του παθοφυσιολογικού ρόλου της ALDH1B1, δημιουργήσαμε δύο ζεύγη ισογονιδιακών κυτταρικών σειρών για τον καρκίνο του παχέος εντέρου (HT-29 και Caco-2) και ένα ζεύγος ισογονιδιακών κυτταρικών σειρών για τον καρκίνο του πνεύμονα (A549), τα οποία διαφέρουν μόνο ως προς την έκφραση της ALDH1B1. Το ισοένζυμο φαίνεται να εμπλέκεται στην κυτταρική μορφολογία και στον κυτταρικό πολλαπλασιασμό, καθώς τα κύτταρα που τεχνητά το υπερεκφράζουν εμφανίζουν αλλαγές στη μορφολογία τους (γίνονται πιο επιμήκη) και χαμηλότερο ρυθμό πολλαπλασιασμού. Επίσης, η ALDH1B1 ενέχεται στη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου, καθώς τα κύτταρα που την υπερεκφράζουν παρουσίασαν σημαντικά βραδύτερους ρυθμούς ανάπτυξης και καθυστέρηση του κυτταρικού κύκλου στη φάση G2/M, σε σύγκριση με τα HT-29 κύτταρα ελέγχου (mock). Επιπλέον, η έκφραση της ALDH1B1 σχετίζεται με αυξημένη χημειο-ανθεκτικότητα, καθώς προστατεύει τα κύτταρα ΗΤ-29 και Α549 από την κυτταροτοξική επίδραση διαφόρων χημειοθεραπευτικών παραγόντων (ετοποσίδη, DOX, 5-FU). Επιπλέον, η ALDH1B1 συσχετίστηκε με την επαγωγή της διαδικασίας της επιθηλιακής-μεσεγχυματικής μετάπτωσης (EMT), μέσω των μονοπατιών σηματοδότησης ZEB1 ή SNAIL, και παρουσίασε αυξημένο μεταναστευτικό δυναμικό στα κύτταρα HT-29. Η έκφραση της ALDH1B1 συνοδεύτηκε από αυξημένη ιδιοστατική φωσφορυλίωση της p53 και της H2AX στα HT-29/ALDH1B1 κύτταρα, σε σύγκριση με HT-29/κύτταρα ελέγχου, προστατεύοντας έτσι τα κύτταρα από τη γονοτοξική επίδραση της ετοποσίδης. Είναι ενδιαφέρον ότι η PCR πραγματικού χρόνου κατέδειξε ότι η έκφραση της ALDH1B1 άλλαξε σημαντικά το προφίλ γονιδιακής έκφρασης διαφόρων μορίων που σχετίζονται με την απόκριση στη βλάβη του DNA μεταξύ του ισογονιδιακού ζεύγους HT-29 κυττάρων. Συγκεκριμένα, τα επίπεδα έκφρασης τεσσέρων σημαντικών πρωτεϊνών για την αποκατάσταση της βλάβης του DNA (MRE11A, PMS1, RAD18 και UNG) βρέθηκαν αυξημένα στα κύτταρα HT-29 που υπερεκφράζουν την ALDH1B1 σε φυσιολογικές συνθήκες.Επιπλέον, χρησιμοποιήσαμε καρκινικά κύτταρα πνεύμονα (A549) και ήπατος (HepG2) και προχωρήσαμε στη δημιουργία σφαιρών, οι οποίες προσομοιάζουν σε μεγάλο βαθμό τον υπο-πληθυσμό των CSCs in vitro. Η απομόνωση του πληθυσμού των CSCs επιβεβαιώθηκε με την αύξηση της μεταγραφικής έκφρασης γονιδίων που σχετίζονται με τον καρκινικό βλαστικό φαινότυπο. Η ανάλυση PCR πραγματικού χρόνου έδειξε την αύξηση της έκφρασης αρκετών ισομορφών των ALDHs όπως τις ALDH1A1, ALDH2, ALDH3A1, ALDH3B1, στις σφαίρες των A549 και τις ALDH1A3, ALDH3A1, ALDH9A1 και ALDH18A1, στις σφαίρες των HepG2 κυττάρων. Είναι, επίσης, ενδιαφέρον ότι η κυκλίνη D1 και η Akt, σημαντικά μόρια της σηματοδότησης του ρετινοϊκού οξέος (RA), παρουσιάζουν αυξημένα επίπεδα μεταγραφικής έκφρασης και στους δύο πληθυσμούς σφαιρών που απομονώθηκαν (A549 και HepG2). Ειδικές ισομορφές των ALDHs αποτελούν σημαντικούς ρυθμιστές για την εμφάνιση του καρκινικού βλαστικού φαινοτύπου και θεωρούνται πολλά υποσχόμενοι στόχοι για νέες θεραπευτικές προσεγγίσεις που βασίζονται στα CSCs του πνεύμονα και του ήπατος.Τέλος, αξιολογήσαμε τη δυνητική δράση της σιλιμπινίνης στις καλλιέργειες των σφαιρών των κυττάρων A549 και HepG2. Εκτιμήσαμε το προφίλ κυτταροτοξικότητας της σιλιμπινίνης στα κύτταρα Α549 και στη συνέχεια αξιολογήσαμε την αντιπολλαπλασιαστική της δράση τόσο στα κύτταρα Α549, όσο και στα κύτταρα HepG2. Στη συνέχεια, διαπιστώσαμε ότι η σιλιμπινίνη επάγει τη μείωση τόσο των μεταγραφικών και ενζυμικών επιπέδων έκφρασης συγκεκριμένων ισομορφών των ALDHs που σχετίζονται με τον καρκινικό βλαστικό φαινότυπο, όσο και γνωστών μορίων που θεωρούνται δείκτες των CSCs. Η σιλιμπινίνη, επίσης, μειώνει την αποτελεσματικότητα σχηματισμού των σφαιρών στα κύτταρα A549 και HepG2, υποδεικνύοντας ότι θα μπορούσε να θεωρηθεί ένας δυνητικός παράγοντας για μια νέα θεραπευτική προσέγγιση έναντι των καρκινικών βλαστοκυττάρων.Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής υποστηρίζουν ότι η ALDH1B1 μπορεί να έχει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του καρκίνου και εμπλέκεται σε αρκετές κυτταρικές διεργασίες που σχετίζονται με τον καρκινικό βλαστικό φαινότυπο. Ενδεχομένως και άλλες ισομορφές των ALDHs μπορεί να σχετίζονται με τον καρκινικό βλαστικό φαινότυπο ανάλογα με τον τύπο του καρκίνου. Περαιτέρω μελέτες είναι απαραίτητες για την αποσαφήνιση του ακριβούς ρόλου των ALDHs και των επιμέρους ισομορφών τους στη βιολογία των καρκινικών βλαστικών κυττάρων, που μπορεί να αποτελέσουν στο μέλλον τη βάση για το σχεδιασμό νέων θεραπευτικών προσεγγίσεων έναντι των CSCs.