Il digiuno ciclico rafforza l’attività antitumorale degli inibitori della biosintesi del colesterolo

31 Ottobre 2023

Individuare applicazioni oncologiche per farmaci già approvati per altre indicazioni mediche è considerata una possibile soluzione per far fronte ai crescenti costi del trattamento del cancro. Nell’ipotesi che lo stress nutrizionale dovuto al digiuno possa aumentare le proprietà antitumorali di almeno alcuni agenti non oncologici, analizzando le librerie di farmaci, abbiamo scoperto che gli inibitori della biosintesi del colesterolo (CBI), inclusa la simvastatina, hanno una maggiore attività contro tumori di diversa istologia durante il digiuno. condizioni. Abbiamo dimostrato che la capacità del digiuno di aumentare gli effetti antitumorali dei CBI dipende dalla riduzione dell’insulina circolante, del fattore di crescita insulino-simile-1 e della leptina, che attenua l’espressione degli enzimi dalla via di biosintesi del colesterolo e migliora l’efflusso di colesterolo dalle cellule tumorali. In definitiva, bassi livelli di colesterolo attraverso il digiuno combinato e i CBI riducono l’attività di AKT e STAT3, la fosforilazione ossidativa e le riserve di energia nel tumore. I nostri risultati supportano ulteriori studi sui CBI in combinazione con regimi dietetici basati sul digiuno nel trattamento del cancro ed evidenziano il valore del digiuno per il riutilizzo dei farmaci in oncologia.

Si stima che nel 2020 in tutto il mondo si siano verificati 19,3 milioni di nuovi casi di cancro e quasi 10,0 milioni di decessi per cancro. Nel 2040, si prevede che il carico globale di cancro sarà di 28,4 milioni di casi, corrispondente a un aumento del 47% rispetto al 2021. Una delle sfide più grandi in questo scenario è rappresentato dal costo degli agenti che possono essere utilizzati per curare il cancro o prevenirlo nei soggetti predisposti, una sfida che diventa ancora maggiore nei Paesi in via di sviluppo. Come possibile soluzione a questo problema è stata proposta la ricerca di usi in oncologia che esulano dall’ambito dell’indicazione medica originale dei farmaci esistenti (riproposizione dei farmaci). Il riutilizzo dei farmaci prevede in genere tempi e rischi ridotti rispetto alla scoperta e allo sviluppo di farmaci de novo, poiché i farmaci già approvati hanno precedentemente attraversato le diverse fasi di sviluppo per la loro indicazione originale. Esempi degni di nota di farmaci non oncologici riproposti per il trattamento del cancro includono la talidomide come trattamento per il mieloma multiplo e l’acido all-trans retinoico per la leucemia promielocitica acuta. Inoltre, altri agenti già approvati sono attualmente oggetto di studio in studi clinici oncologici. Tuttavia, permane la necessità cruciale di identificare più farmaci che si prestino a questo tipo di utilizzo.

Gli studi dimostrano che una restrizione dietetica estrema a breve termine o il digiuno a base di sola acqua conferiscono una potente attività antitumorale al farmaco antidiabetico, metformina, e alla vitamina C (specialmente nei tumori con KRAS mutato). Considerati insieme ai risultati degli studi clinici che indicano la fattibilità e la sicurezza complessiva di questo tipo di interventi dietetici nei pazienti, questi studi suggeriscono che lo stress nutrizionale imposto dal digiuno o dalle diete basate sul digiuno potrebbe essere un approccio praticabile per rivelare nuove vulnerabilità dei farmaci e quindi , contribuire al riposizionamento dei farmaci in oncologia.

In questo lavoro, esaminiamo i farmaci già approvati per usi clinici, alla ricerca di agenti che acquisiscano effetti antitumorali in presenza di condizioni di coltura progettate per ricreare gli effetti metabolici del digiuno [condizioni di coltura che imitano il digiuno (FM), FMCC]. Utilizzando questo approccio, mostriamo che il digiuno migliora l’attività antitumorale di diversi inibitori della biosintesi del colesterolo (CBI) attraverso una ridotta segnalazione AKT-STAT3 e la fosforilazione ossidativa.

Sensibilizzazione ai farmaci indotta dal digiuno nelle cellule tumorali:

Abbiamo testato librerie disponibili in commercio di farmaci clinicamente approvati e composti bioattivi in cellule di adenocarcinoma duttale pancreatico (PDAC) PK9 per i loro effetti sulla crescita cellulare in presenza o assenza di FMCC Utilizzando questo approccio, tra i diversi agenti che sono diventati citotossici contro le cellule tumorali quando combinati con FMCC, abbiamo identificato tre agenti fungicidi (derivati dell’imidazolo), ovvero clotrimazolo, miconazolo e oxiconazolo.

Gli azoli inibiscono la 14α-demetilasi15, che è un enzima chiave per la biosintesi del colesterolo sia nei funghi che nelle cellule di mammifero. Pertanto, abbiamo valutato se anche altri agenti che prendono di mira questa via metabolica acquisirebbero effetti antitumorali attraverso il digiuno. Coerentemente con questa ipotesi, abbiamo scoperto che FMCC conferisce anche una forte attività citotossica all’itraconazolo, un altro inibitore della 14α-demetilasi, alla simvastatina, un inibitore della 3-idrossi-3-metilglutaril-CoA reduttasi (HMGCR) e alla squalene epossidasi (SQLE) inibitori, terbinafina, butenafina e liranaftato nelle cellule PK9 e Capan-1 PDAC e nelle cellule di cancro del colon-retto (CRC) HCT116.

FMCC ha collaborato con clotrimazolo e terbinafina per ridurre il colesterolo intracellulare nelle cellule Capan-1 in coltura. Anche la metil-β-ciclodestrina (MβCD), che riduce drasticamente il colesterolo intracellulare, ha avuto i suoi effetti antitumorali potenziati da FMCC nelle cellule PDAC Capan-1 e, quando aggiunta a FMCC e azoli combinati o FMCC e terbinafina, ha ulteriormente ridotto le cellule Capan-1 vitalità. Infine, l’integrazione di cellule tumorali con una formulazione di colesterolo idrosolubile (colesterolo-MβCD) ha attenuato la cooperazione tra FMCC e CBI nelle cellule Capan-1 e HCT116.

Presi insieme, questi risultati indicano che FMCC e CBI cooperano per abbassare il colesterolo intracellulare e che gli effetti antitumorali della combinazione CBI e FMCC riflettono i livelli di colesterolo più bassi nelle cellule tumorali. L’esposizione delle cellule al FMCC implica una riduzione dell’FBS nel mezzo di coltura dei tessuti del 90% (dal 10% all’1%).

Di conseguenza, anche la concentrazione di colesterolo nel terreno verrà ridotta in misura simile. Pertanto, abbiamo valutato se il potenziamento dell’attività dei CBI mediato da FMCC riflettesse la riduzione della disponibilità di colesterolo per le cellule tumorali, una condizione che non si verifica in vivo durante il digiuno a breve termine e che potrebbe forzare artificialmente le cellule tumorali a fare affidamento su Biosintesi del colesterolo endogeno.

Abbiamo scoperto che gli FMCC conservavano la capacità di potenziare l’attività dei CBI anche quando il terreno FMCC veniva integrato con colesterolo LDL più HDL (in un rapporto 3:1) per ricreare una concentrazione finale di colesterolo simile a quella trovata nel terreno di coltura cellulare standard. Anche quando abbiamo integrato il terreno FMCC con colesterolo LDL e HDL (sempre in un rapporto 3:1) per raggiungere una concentrazione finale di colesterolo simile a quella dei fluidi interstiziali umani, che rappresentano il microambiente a cui sono esposti i tessuti corporei, comprese le cellule tumorali. (cioè, ~ 1 mM), abbiamo ancora riscontrato che la cooperazione tra FMCC e CBI è facilmente rilevabile. Pertanto, questi risultati hanno indicato che il potenziamento mediato da FMCC dell’attività antitumorale del CBI non rifletteva una ridotta disponibilità di colesterolo per le cellule tumorali attraverso una ridotta FBS.

Il potenziamento dei CBI attraverso FMCC non era limitato alle cellule tumorali gastrointestinali.

Uno screening farmacologico nelle cellule di cancro polmonare A549 ha anche mostrato che i derivati dell’imidazolo diventano citotossici per le cellule di cancro polmonare quando utilizzati in presenza di FMCC. Inoltre, abbiamo scoperto che FMCC aumenta l’attività antitumorale dei CBI in altre linee cellulari CRC e PDAC, nonché nelle linee cellulari di cancro del polmone, delle ovaie, dello stomaco, della mammella, della prostata e del melanoma.

Pertanto, nel loro insieme, questi dati suggeriscono un ampio effetto antitumorale di questo trattamento combinato. Infine, abbiamo testato CBI e FMCC negli organoidi tumorali CRC (OMCR15-045TK e OMCR16-005TK) e anche in questi modelli è stata osservata una sorprendente sinergia tra i due interventi in termini di inibizione della crescita degli organoidi.

I nostri dati indicano che il digiuno migliora la capacità dei CBI di abbassare il colesterolo nelle cellule tumorali e che questo effetto dipende dalla riduzione mediata dal digiuno di insulina, IGF1 e leptina.

Abbiamo identificato due meccanismi attraverso i quali la riduzione indotta dal digiuno di insulina, IGF1 e leptina coopera con i CBI per abbassare il colesterolo intratumorale e rallentare la crescita del tumore. Da un lato, in linea con gli studi che dimostrano che la segnalazione cellulare proveniente dai fattori di crescita aumenta l’espressione degli enzimi biosintetici del colesterolo (ad esempio migliorando l’espressione e/o l’attività di SREBP2), abbiamo scoperto che il digiuno da solo o combinato con un CBI riduce l’espressione di diversi enzimi dalla via biosintetica del colesterolo e la downregulation di almeno alcuni di questi enzimi viene abrogata dalla somministrazione concomitante di insulina, IGF1 e leptina.

Abbiamo anche dimostrato che il digiuno aumenta la regolazione del trasportatore del colesterolo ABCG1 nei tumori e riduce anche ACAT1 negli xenotrapianti HCT116. Coerentemente con questi risultati, abbiamo dimostrato che FMCC aumenta l’efflusso di colesterolo dalle cellule HCT116 e MCF7 in coltura, un effetto che è stato contrastato dal ritorno di insulina, IGF1 e leptina.

Pertanto, il digiuno sembra cooperare con i CBI farmacologici per abbassare il colesterolo nelle cellule tumorali attraverso almeno due meccanismi: sottoregolando gli enzimi che producono colesterolo e promuovendo l’efflusso di colesterolo.

I CBI, il digiuno e soprattutto la loro combinazione hanno avuto anche profondi effetti metabolici sulle cellule tumorali poiché hanno compromesso l’OXPHOS e hanno attenuato le forniture di energia cellulare. Un numero crescente di prove dimostra che il ciclo TCA e OXPHOS sono altamente attivi in molti tipi di cancro, compresi i tumori gastrointestinali, e svolgono un ruolo importante nella progressione del cancro.

Pertanto l’osservazione che i CBI somministrati insieme ai cicli di digiuno influenzano l’OXPHOS nei tumori è rilevante anche per la prevenzione o il trattamento del cancro.

Per quanto riguarda gli effetti dei CBI (se somministrati da soli o in combinazione con cicli di digiuno), i nostri dati sono in linea con studi che dimostrano che la deplezione di colesterolo danneggia OXPHOS compromettendo l’integrità dei microdomini mitocondriali simili a zattere.

Inoltre, l’inibizione di OXPHOS potrebbe anche riflettere la marcata inibizione di AKT e/o di STAT3 osservata in risposta ai trattamenti combinati.

Per quanto riguarda la tossicità di questi trattamenti, è stato riscontrato che il digiuno da solo o in combinazione con un CBI aumenta le transaminasi circolanti (un segno di danno epatico) e la CK (un indicatore di danno muscolare/miopatia), riducendo al contempo i neutrofili e i linfociti circolanti. Nelle PBMC umane sane e nelle cellule epiteliali duttali pancreatiche non cancerose (HPNE), FMCC non ha interagito in modo sinergico, ma piuttosto in modo additivo o addirittura infra-additivo con le CBI, suggerendo che queste cellule dovrebbero essere meno sensibili del cancro cellule al digiuno combinato e CBI.

Questi ultimi risultati sono anche coerenti con studi precedenti che dimostrano che nelle cellule non maligne, il digiuno può indurre protezione da, invece che sensibilizzazione, da chemioterapici e agenti pro-ossidanti.

In linea con questi dati, l’aggiunta di un CBI al digiuno non è riuscita a peggiorare gli effetti collaterali che il digiuno di per sé provoca tipicamente nei topi (ad esempio, significativa perdita di peso). Pertanto, nel complesso, il digiuno combinato e i CBI sembravano essere un trattamento relativamente sicuro e ben tollerato nei nostri modelli. Tuttavia, gli studi clinici che esplorano il digiuno combinato e i CBI dovrebbero tenere conto della possibile tossicità epatica e muscolare.

In conclusione, il nostro studio getta le basi per futuri studi clinici che affrontano la sicurezza, la fattibilità e l’efficacia dei CBI in combinazione con il digiuno a breve termine nei pazienti affetti da cancro.

Inoltre, ulteriori screening di agenti clinicamente approvati potrebbero rivelare più farmaci che si prestano al riposizionamento in oncologia se combinati con regimi dietetici basati sul digiuno.

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Fonti:

Cyclic fasting bolsters cholesterol biosynthesis inhibitors’ anticancer activity

By Amr Khalifa1,2, Ana Guijarro1,2, Silvia Ravera3, Nadia Bertola3, Maria Pia Adorni4, Bianca Papotti5, Lizzia Raffaghello6, Roberto Benelli2, Pamela Becherini1, Asmaa Namatalla1, Daniela Verzola1, Daniele Reverberi2, Fiammetta Monacelli1,2, Michele Cea1,2, Livia Pisciotta1,2, Franco Bernini5, Irene Caffa1,2* and Alessio Nencioni1,2*

From the 1Department of Internal Medicine and Medical Specialties, University of Genoa, Viale Benedetto XV 6, 16132 Genoa, Italy;
the 2Ospedale Policlinico San Martino IRCCS, Largo Rosanna Benzi 10, 16132 Genoa, Italy; the 3Department of Experimental Medicine, University of Genoa, Via Leon Battista Alberti 2, 16132 Genoa, Italy

the 4Department of Medicine and Surgery, University of Parma, 43125 Parma, Italy
the 5Department of Food and Drug, University of Parma, 43124 Parma, Italy
and the 6Center of Translational and Experimental Myology, IRCCS Istituto Giannina Gaslini, 16147 Genoa, Italy.

*These authors jointly supervised this work: Alessio Nencioni and Irene Caffa.