Hypoxic Adaptation and Arsenic Trioxide Treatment in Small Cell Lung Carcinoma

Abstract

Small cell lung carcinoma (SCLC) is a very aggressive solid tumor and is often widely metastasized by the time of diagnosis. Despite good response to the initial chemotherapy, SCLC cells often develop multidrug resistance to conventionally used chemotherapeutic drugs, which cause almost all SCLC tumors to relapse. The 5-year survival rate for patients with limited disease is around 20% while it is only a few percent for patients with a disseminating disease.

Arsenic trioxide (As2O3) is one of the oldest medicines used for treatment of different diseases and it is today used as first-line treatment for patients with relapsed or refractory acute promyelocytic leukemia. Here, we demonstrate that As2O3 is cytotoxic to SCLC cells and xenotransplanted SCLC tumors at clinically relevant concentrations and the effect is also sustained at hypoxic conditions.

Areas of low oxygen tensions, hypoxia, are a common characteristic in solid tumors and are associated with aggressive tumor behavior, treatment resistance and poor outcome in several tumor forms. In response to hypoxia, tumor cells induce a transcriptional shift which is mainly regulated by the transcription factors hypoxia-inducible factor (HIF)-1 and HIF-2. HIF proteins consist of two subunits, an oxygen-regulated α-subunit and a constitutively expressed β-subunit. Previous reports have shown that the transcription factors are differentially regulated over time; HIF-1 primarily mediates the acute hypoxic response, whereas HIF-2 dominates during more chronic phases of hypoxia. We found that SCLC tumor specimens and cells lack expression of HIF-2α protein while HIF-1α is expressed at both acute and prolonged hypoxia. In addition, SCLC cells have a high adaptive capacity to hypoxia including a high proliferation rate and low cell death, even though we demonstrated a modest induction of well-known hypoxia-driven genes. We further show that knockdown of HIF1A using siRNA or shRNA, is not significantly affecting the cell viability of cultured SCLC cells at moderate and severe hypoxia or tumor take and tumor growth in SCLC xenografts.

We found that SCLC cells are dependent on glutamine metabolism for cell viability and proliferation, in a HIF-independent fashion. The SCLC cells used here are MYC and MYCL amplified and MYC overexpression is known to stimulate glutaminolysis and lipogenesis. In HIF1A repressed cells that overexpress MYC, genes involved in these pathways are further up-regulated at hypoxic conditions. Taken together, our data indicate that the adaptive capacity to hypoxia is partially HIF-independent in MYC amplified SCLC cells.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cancer är ett samlingsnamn för en grupp av sjukdomar som karakteriseras av att cellerna

delar sig okontrollerat, till skillnad mot kroppens friska celler. Det leder till att en tumör

kan bildas och cellerna kan därifrån sprida sig till andra delar av kroppen och ge upphov

till dottertumörer, även kallade metastaser. I Sverige uppskattar man att cirka var tredje

person kommer någon gång under sin livstid att drabbas av cancer. Lungcancer är den

tumörform som flest människor dör utav och i världen mister cirka 1,3 miljoner

människor livet årligen av sjukdomen. Lungcancer klassificeras i två subgrupper beroende

på tumörcellernas specifika kännetecken och utifrån det bestäms valet av

behandlingsmetod. Majoriteten av lungcancerpatienter drabbas av icke-småcellig

lungcancer, medan 15-18% av tumörerna klassificeras som småcellig lungcancer (SCLC).

En starkt bidragande orsak till lungcancer är tobaksrökning och SCLC är en av de

tumörformer som är starkast kopplad till rökning. SCLC är en mycket aggressiv

tumörform på grund av att tumörcellerna delar sig väldigt fort och sprider sig snabbt till

andra organ i kroppen, till följd av det är prognosen väldigt dålig för dessa patienter.

Dagens behandling för SCLC-patienter innefattas av cellgifter, vilket patienterna till att

börja med svarar väldigt bra på. Tyvärr får en stor grupp av patienterna återfall inom en

tvåårsperiod på grund av att tumörcellerna utvecklar okänslighet mot flera cellgifter. Det

är ett av de största hindren mot effektiv behandling och idag finns det inget bra läkemedel

som kan användas mot återfallen.

I tusentals år har arsenikföreningar använts för behandling av flertalet sjukdomar, men

när modernare behandlingsformer som cellgifter och strålning kom in i bilden slutade

man använda arsenik. På 1970-talet började man undersöka arseniktrioxids celldödseffekt

på cancerformen akut promyelocytisk leukemi (APL). Det visade sig senare vara en

mycket effektiv behandling med lindriga biverkningar och idag används arseniktrioxid

som behandling av APL-patienter som har fått återfall. Arseniktrioxids effekt på flertalet

andra tumörformer har sedan dess studerats och forskning i vår grupp har tidigare visat

att tumörceller etablerade från barncancerformen neuroblastom är känsliga för

arseniktrioxid, trots att de inte är känsliga för cellgifter. I artikel I har vi studerat

arseniktrioxids celldödseffekt på SCLC-celler i jämförelse med cellgifter som används i

kliniken idag. Vi har funnit att SCLC-celler dör när vi utsätter dem för kliniskt relevanta

koncentrationer av arseniktrioxid och att tumörtillväxten hämmas hos möss. Vi visar även

att effekten bibehålls vid låga syretryck, vilket är känt att minska tumörcellers känslighet

mot cellgifter.

Kroppens alla celler behöver näring och syre för att kunna växa och dela sig. Syrefattiga

(hypoxiska) område uppstår ofta i tumörer till följd av tumörcellernas snabba

delningsförmåga och försämrad blodtillförsel. Det beror på att nya blodkärl inte hinner

bildas i samma takt som tumören växer samt att de nybildade kärlen oftast inte är lika

funktionella. Cellerna anpassar sig till omgivningen genom att stabilisera och aktivera

proteinerna Hypoxia-Inducible Factor (HIF)-1α och HIF-2α. Det bidrar till förändrad

aktivitet i cellen och processer som kräver mindre energi samt nybildande av kärl främjas

för att kunna trygga cellens överlevnad och tillväxt. Tidigare studier har visat att HIF-1α

och HIF-2α reglerar anpassningen till syrebrist vid olika tidpunkter, då HIF-1α aktiveras

vid korta tidpunkter medan HIF-2α vid mer långvarig hypoxi. Tumörcellers anpassning

till syrebrist är starkt kopplat till ökad tumöraggressivitet och sämre prognos.

I denna avhandling har jag framförallt studerat förekomsten av HIF-1α och HIF-2α i

SCLC samt tumörcellernas anpassningsförmåga till den låga syretillgången. Vi har funnit

att SCLC saknar HIF-2α, medan HIF-1α förekommer vid både kortare och längre

tidpunkter av syrebrist (Artikel II). Tumörcellerna anpassar sig mycket väl till miljön trots

att regleringen endast drivs av HIF-1α. Genom att behandla tumörcellerna med en

substans så att förekomsten av proteinet HIF-1α hämmas, har vi kunnat studera

betydelsen av HIF-aktivitet för överlevnad och celldelning vid syrebrist (Artikel II och III).

Till vår förvåning fann vi att SCLC-celler utan HIF-1α överlever vid syrebrist och delar

sig i samma hastighet som de celler som har proteinet HIF-1α. Vi kunde även visa att

tumörtillväxten i möss inte påverkas, vilket tyder på att SCLC-cellers anpassning till

syrebrist inte är beroende av HIF-aktivitet.

Vid syrebrist främjar HIF-1α en nedbrytningsprocess av sockerarten glukos för att

tumörcellerna ska kunna producera energi. Intressant är att de SCLC-celler som inte har

HIF-1α fortfarande kan behålla samma energinivå som de tumörceller som har rikligt

med HIF-1α (Artikel III). Våra resultat pekar på att SCLC-celler även använder sig utav

glutamin för att kunna bilda energi och byggstenar, oberoende av syretillgången. Det

stimulerar SCLC-cellernas överlevnad och dess snabba celltillväxt. Våra resultat tyder på

att nedbrytningsprocessen av glutamin stimuleras när tillgången till proteinet HIF-1α

hämmas. Denna process är inte beroende av HIF-1α utan denna reglering styrs av

proteinet Myc och på grund av genetiska förändringar finns ofta Myc-proteinet i stor

mängd i SCLC celler. Våra resultat antyder att SCLC-celler som har höga nivåer av

proteinet Myc anpassar sig till en syrefattig miljö genom att stimulera glutaminnedbrytning,

vilket är oberoende av HIF-aktivitet.

• author: Thorén, Matilda
• supervisor: Sven Påhlman; Helen Pettersson
• opponent: M.D., Ph.D. Nilsson, Ola, Sahlgrenska Cancer Center, Department of Pathology, Sahlgrenska Academy at the University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden
• organization: Department of Translational Medicine; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: small cell lung carcinoma, arsenic trioxide, hypoxia, hypoxia-inducible factors, survival, proliferation, glycolysis, glutamine metabolism, MYC
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:99
• pages: 83 pages
• defense location: Forum conference room, Ideon Agora, Scheelevägen 15, Lund
• defense date: 2013-09-27 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-71-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Molecular Medicine (013031200)
• id: 61c0a448-6520-48a8-bfc1-3d8690593059 (old id 4015820)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:59:12
• date last changed: 2023-04-18 20:03:32