Metabolic and mitochondrial remodelling in cisplatin resistance: studies on ovarian cancer cells and derived cytoplasmic hybrids

The onset of resistance to cisplatin still limits its use in the chemotherapy of ovarian cancer and, despite several mechanisms of resistance have been discovered, they are not exhaustive. The aim of this study was to identify which other pathways are exploited by cancer cells to escape cisplatin cytotoxicity, to possibly prevent or overcome the phenomenon with new pharmacological approaches. The increase of anaerobic glycolysis, even in the presence of oxygen (Warburg effect), is the first observation indicating the alteration of energetic metabolism used by tumor cells as a strategy to adapt and grow independently from the availability of the substrate. This evidence suggested us to investigate the hypothesis that a similar metabolic strategy might be of relevance in resistance to cisplatin. Recently it has been shown that only approximately 1% of intracellular platinum is bound to nuclear DNA, while the great majority of the intracellular drug is available to interact with other nucleophilic sites including but not limited to phospholipids, cytosolic, cytoskeletal and membrane proteins, RNA and mitochondrial DNA. mtDNA, unlike nDNA, does not possess efficient repair systems and is therefore more susceptible to the onset of mutations often associated to cancer development, loss of tumor suppressor, activation of oncogenes and mitochondrial dysfunctions often related with an increase of glycolytic activity. Therefore, the aim of this study was to investigate the energetic metabolism and the mitochondrial function of cisplatin-resistant (C13) and sensitive (2008) ovarian cancer cells with different experimental approaches. Results revealed that resistant cells present a significant reduced respiratory chain activity correlated to a lower mitochondrial mass, altered mitochondrial morphology as well as a metabolomic profile typical of a lipogenic phenotype. To investigate the role of mtDNA and nDNA in the mitochondrial and metabolic remodeling of cisplatin-resistant line, cancer cells (2008-C13) were used to generate transmitochondrial hybrids (H2008-HC13). Mitochondrial DNA of parental and hybrid cells was sequenced, showing similar, almost non pathological, polymorphisms. Interestingly, investigating the energetic metabolism and the mitochondrial structure of hybrids, no differences were observed between H2008 and HC13. These data demonstrated that the metabolic reprogramming of C13 cells was not dependent from mtDNA, but was controlled by nuclear factors. Having regard to these data, the activity of some nuclear transcription factors (HIF-1α, and c-Myc) involved in the metabolic reprogramming of tumor cells, has been evaluated and it has been highlighted a different expression of some of their target genes involved in the glycolytic flux. Finally, the metabolic profile of 2008-C13 cells has been outlined by LC-MS which evidenced some interesting differences in aminoacids, phospholipids and antioxidants content.

L’utilizzo del cisplatino nel trattamento del cancro all’ovaio è tutt’oggi limitato dall’insorgenza di chemioresistenza. Nonostante siano stati evidenziati numerosi meccanismi implicati nella resistenza al cisplatino, questo fenomeno non è ancora stato del tutto chiarito. Lo scopo di questo studio è stato quindi quello di identificare quali altre strategie vengano sfruttate dalle cellule tumorali per sfuggire alla citotossicità indotta dal cisplatino in modo da prevenire o superare la resistenza attraverso l’utilizzo di nuovi approcci farmacologici. L'aumento della glicolisi anaerobica, anche in presenza di alte concentrazioni di ossigeno (effetto Warburg), è la più nota e meglio conosciuta alterazione del metabolismo energetico utilizzato dalle cellule tumorali come strategia per adattarsi e crescere in modo indipendente dalla disponibilità del substrato. Queste evidenze scientifiche ci hanno suggerito di indagare l'ipotesi che una simile strategia possa essere rilevante nell’insorgenza della resistenza al cisplatino. Recentemente è stato dimostrato che solo ~1% del platino intracellulare si lega al DNA nucleare, mentre la gran parte del farmaco interagisce con altri siti nucleofili tra cui fosfolipidi, proteine di membrana, RNA e DNA mitocondriale. Il mtDNA, a differenza del nDNA, non possiede sistemi di riparazione efficaci ed è quindi più suscettibile all’insorgenza di mutazioni e trasformazioni oncogeniche spesso associate allo sviluppo del cancro, perdita di oncosoppressori, attivazione di oncogeni e ad alterazioni della funzionalità mitocondriale correlata ad aumento dell'attività glicolitica. Pertanto, l'obiettivo di questo studio è stato quello di studiare il metabolismo energetico e la funzione mitocondriale delle cellule di cancro ovarico sensibili (2008) e resistenti (C13) al cisplatino utilizzando diversi approcci sperimentali. I risultati hanno evidenziato che le cellule resistenti presentano una significativa riduzione dell'attività della catena respiratoria correlata ad una minore massa mitocondriale, alterata morfologia mitocondriale nonché un profilo metabolico tipico di un fenotipo lipogenico. Per studiare il ruolo del mtDNA e del nDNA nel rimodellamento metabolico e mitocondriale osservato nella linea resistente al cisplatino, le cellule tumorali (2008-C13) sono state utilizzate per generare ibridi transmitocondriali (H2008-HC13). Il DNA mitocondriale delle cellule parentali e degli ibridi citoplasmatici è stato quindi sequenziato, mostrando polimorfismi simili, ma non patologici. È interessante notare che, le differenze metaboliche e mitocondriali evidenziate nelle linee tumorali, non vengono mantenute nei rispettivi cibridi dimostrando che la riprogrammazione metabolica delle cellule C13 non è influenzata dal mtDNA, ma è controllata da fattori nucleari. Alla luce di tali dati, è stata quindi valutata l’attività di alcuni noti fattori di trascrizione (HIF-1α e c-Myc) coinvolti nella riprogrammazione metabolica delle cellule tumorali ed è stata evidenziata una diversa espressione di alcuni dei loro geni target implicati nel flusso glicolitico. Infine il profilo metabolico delle linee 2008-C13 è stato delineato mediante LC-MS da cui sono emerse interessanti differenze nel contenuto lipidico, amminoacidico e di alcuni noti agenti antiossidanti.