HAMLET - In vivo effects and mechanisms of tumor-cell death

Abstract

HAMLET (human alpha-lactalbumin made lethal to tumor cells), a molecular complex derived from human milk, is an interesting new tool in cancer research since it induces programmed cell death in tumor cells while leaving normal, differentiated cells unharmed.



The in vivo effects of HAMLET were studied in a rat xenograft model of human glioblastoma. HAMLET reduced the tumor volume and delayed the onset of pressure symptoms. Programmed cell death was induced in the tumor, but not in the adjacent normal brain tissue. In non-grafted rats, HAMLET spread throughout the infused brain hemisphere and no significant toxic side-effects were recorded.



The therapeutic effects of HAMLET were investigated further in a placebo-controlled study of patients with skin papillomas. Local application of HAMLET for a three-week period reduced the volume of the papillomas by >75% in all the patients and in 96% of the papillomas as compared with 21% in the placebo-control group. No adverse reactions were reported and there was no difference in outcome for immunosuppressed patients.



A mechanism of tumor-cell death was suggested, one that relates to the partially unfolded state of HAMLET. Massive amounts of HAMLET gained entry into the tumor cells, it interacted with the proteasomes and caused a stress response due to the overload of partially unfolded protein. HAMLET activated the proteasomes in the cytoplasm, but degradation was delayed and fragmentation of the proteasomes was triggered instead. HAMLET and proteasomes translocated to the tumor cell nuclei, where chromatin homeostasis was disrupted. HAMLET-induced tumor-cell death was partially prevented by blocking proteasome activity, supporting the role of proteasomes in cell death.



HAMLET represents a new approach to cancer therapy, having therapeutic effects in vivo and targeting cell death pathways that are susceptible for activation in tumor cells, thus circumventing the roadblocks that prevent cell death in many tumor cells.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ämnen i bröstmjölk kan få cancerceller att begå självmord - in vivo effekter och mekanismer för celldöd



Sedan länge är det känt att bröstmjölk skyddar det ammande barnet mot infektioner och hjälper till att bygga upp des's immunförsvar. Ett skyddande ämne som kan bilda's av molekyler från bröstmjölk är HAMLET (human alpha-lactalbumin made lethal to tumor cell's), som kan döda cancerceller utan att normala celler tar skada. HAMLET är ett protein-lipid komplex som består av det vanligast förekommande proteinet, alpha-lactalbumin, och fettsyran oleinsyra från mjölk. När alpha-lactalbumin bilda's i cellerna vecka's det till ett funktionellt protein som medverkar vid bildandet av mjölksocker i bröstkörtlarna under amning. Alpha-Lactalbumin kan dock även förekomma som en alternativ veckningsvariant när det till exempel utsätt's för lågt pH i magen på det ammande barnet. Alternativa veckningsvarianter av protein är normalt instabila vid fysiologiska förhållanden, men i HAMLET har den alternativa veckningsvarianten av alpha-lactalbumin stabiliserat's av en fettsyra. HAMLET består alltså av ett protein som har förändrat sin struktur samt interagerat med en kofaktor och där av förvärvat en ny fördelaktig funktion; att eliminera tumörceller.



Befintlig behandling av cancer syftar till att avlägsna tumörceller, men ofta verkar behandlingen så ospecifikt på vävnaden att även normala celler dör. HAMLET har i laboratoriet testat's på fler än 40 olika typer av tumörceller (från lunga, njure, prostata, äggstockar, tarm, hud, blod och hjärna) och har fördelen att döda tumörceller medan normala celler överlever. HAMLET får tumörceller att lugnt och stillsamt begå självmord, en proces's som kalla's för apopto's. Denna form av celldöd skiljer sig från sjuklig celldöd, så kallad nekro's, då vävnaden blir inflammerad.



För att utreda om HAMLET kan fungera in vivo har des's effekter på hjärntumörer (glioblastom) undersökt's (delarbete I). Patienter med glioblastom har en medelöverlevnad på mindre än ett år efter diagno's och det finn's ingen tillfredställande behandling. Eftersom glioblastom växer snabbt och infiltrativt är det svårt att eliminera hela tumören vid kirurgi. Råttor blev transplanterade med glioblastomceller från människa varefter HAMLET sprutade's in i den etablerade tumören. In vitro försök visade att stora mängder av HAMLET tog sig in i tumörcellerna och ansamlade's i cellkärnorna samtidigt som cellerna dog. I normala hjärnceller kom endast små mängder av HAMLET in och dessa celler överlevde. I råttorna med transplanterade glioblastom, bromsade HAMLET tumörtillväxten och överlevnaden ho's råttorna förbättrade's. Den normala hjärnvävnaden förblev opåverkad och någon skadlig bieffekt av behandlingen kunde inte påvisa's.



Nästa steg var att utreda om HAMLET har effekt i människa (delarbete II). Som ett första steg valde's vårtor, vilka är godartade tumörer orsakade av ett vanligt viru's (papillomviru's). Patienter med svårbehandlade hand- och fotvårtor behandlade's med HAMLET under ett förband en gång om dagen i tre veckor. Vårtvolymen mätte's före och efter behandlingen samt jämförde's med vårtvolymen i en kontrollgrupp som behandlade's med en icke-verksam saltlösning (placebo). HAMLET-behandlingen minskade vårtorna's storlek med 86 procent, medan kontrollgruppen's vårtor minskade med 19 procent. Kontrollgruppen behandlade's därefter med HAMLET i tre veckor varvid en liknande effekt noterade's. Resultaten kan på sikt ge hopp åt patienter med livmoderhalscancer, kondylom (könsvårtor) samt vissa typer av hudcancer eftersom dessa tumörformer orsaka's av samma virusfamilj som vårtor.



Hur dödar HAMLET tumörcellerna? Många tumörceller har mutationer som gör dem resistenta mot vissa dödsstimuli. Det har dock visat sig att HAMLET kan undvika flera av dessa hinder och istället aktivera alternativa dödsvägar i cellen. Delarbete III beskriver en mekanism som förklarar tumörceller's känslighet för HAMLET. HAMLET är ett proteinkomplex som har antagit en annorlunda veckningsform. Andra forskarlag har visat att veckningsvarianter av proteiner som t.ex. amyloid och prioner, kan ge upphov till sjukdomar som t.ex. Alzheimer's, Parkinson's och Creutzfeld-Jacob's sjukdom. HAMLET är ett exempel på en veckningsvariant av ett protein som har förvärvat en fördelaktig funktion; att eliminera tumörceller. Vi kunde visa att HAMLET invaderade tumörcellerna och stressade cellerna's interna maskineri, proteasomerna som normalt bryter ner veckningsvarianter av proteiner. HAMLET interagerade med proteasomerna men kunde delvi's motstå att bryta's ner av dessa. Istället aktiverade HAMLET proteasomerna och förändrade dera's struktur, vilket troligen möjliggjorde en förflyttning av HAMLET och proteasomer in till cellen's kärna samtidigt som hela cellen's maskineri stängde's av. De tumörceller som dog av HAMLET förändrade sin morfologi; cellmembranet blev oregelbundet, cellerna packade ihop sina beståndsdelar och fragmenterade sitt DNA. Överbelastning av tumörceller med HAMLET är ett nytt sätt att framkalla död i tumörceller vilket kan vara relevant även vid vävnadsskada orsakad av andra typer av veckningsvarianter som t.ex. amyloid och prioner. Dessa saknar dock fördelen som HAMLET har, att selektivt angripa tumörceller.



Vi spekulerar kring att HAMLET skulle kunna bilda's i magen på det ammande barnet, där lågt pH och rik tillgång på fettsyror skapar en gynnsam miljö för HAMLET att naturligt kunna bilda's. Den snabba nybildningen av celler i barnet's mag-tarmkanal medför en ökad risk för bildandet av cancerceller. En hypotetisk uppgift för HAMLET kan vara att vaka över bildningsprocessen och skydda mot tillväxt av cancerceller. Hypotesen stärk's av det faktum att barn som ammar löper en minskad risk att utveckla cancer jämfört med barn som får mjölkersättning.

• author: Gustafsson, Lotta
• supervisor: Catharina Svanborg
• opponent: Professor Heldin, Carl-Henrik, Ludwig Institute for Cancer Research, Uppsala, Sweden
• organization: Division of Microbiology, Immunology and Glycobiology - MIG
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area; Microbiology in the medical area
• keywords: Biomedicinska vetenskaper, Biomedical sciences, proteasome stress, HAMLET, human milk, tumor-cell death, clinical trial, rat xenograft model, skin papilloma, glioblastoma
• in: New England Journal of Medicine, Cancer Research
• pages: 95 pages
• defense location: The GK lecture hall, Biomedical Center, Lund, Sweden.
• defense date: 2005-05-20 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85439-50-9
• project: HAMLET- In vivo effects and mechanisms of tumor cells death
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: W Fischer, L Gustafsson, A.K. Mossberg, J Gronli, S Mork, R Bjerkvig and C Svanborg. 2004. Human Alpha-Lactalbumin Made Lethal to Tumor Cells (HAMLET) Kills Human Glioblastoma Cells in Brain Xenografts by an Apoptosis-Like Mechanism and Prolongs Survival. Cancer Res, vol 64 pp 2105-2112.; L Gustafsson, I Leijonhufvud, A Aronsson, A.K. Mossberg and C Svanborg. 2004. Treatment of Skin Papillomas with Topical Alpha-Lactalbumin-Oleic Acid. N Engl J Med, vol 350 pp 2663-2672. acc edit 2639-2642.; L Gustafsson, O Hallgren and C Svanborg. . Unfolded Protein Overload, Proteasome Activation and Death in HAMLET-Treated Tumor Cells. (submitted)
• id: 9a7b9f1c-bbe9-41df-816f-a22c491f0cd7 (old id 544888)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:47:13
• date last changed: 2020-11-05 02:25:56