@misc{10481/89860,
year = {2024},
url = {https://hdl.handle.net/10481/89860},
abstract = {El carcinoma de células escamosas de cabeza y cuello (HNSCC) es el
sexto cáncer más común a nivel mundial, con casi 500.000 muertes cada
año. El tratamiento actual del HNSCC es la combinación de cirugía,
quimioterapia y radioterapia local. Sin embargo, estos tratamientos
presentan importantes efectos secundarios y es frecuente el desarrollo
de resistencia frente a los mismos, lo que conduce al fallo de las terapias
y a la muerte del paciente.
Por tanto, es necesario el desarrollo de nuevas terapias con mayor
eficacia y menores efectos adversos que los tratamientos ya existentes.
En el desarrollo de terapias innovadoras destaca la melatonina, ya que
carece de efectos secundarios y posee importantes efectos oncostáticos.
Numerosos estudios han demostrado que la melatonina no solo potencia
los efectos de los tratamientos existentes, sino que, además, reduce la
toxicidad de estos. Esto se debe a que la melatonina tiene un efecto dual,
disminuyendo el estrés oxidativo en las células sanas y aumentándolo en
las células tumorales, donde, además, presenta efectos antiproliferativos,
pro-apoptóticos, anti-angiogénicos y anti-metastásicos. Sin
embargo, a pesar de los numerosos estudios que demuestran los efectos
anti-tumorales de la melatonina, existen resultados contradictorios cuando se utiliza en modelos in vivo. Una posible causa podría ser que,
para ejercer sus efectos oncostáticos, son necesarios niveles altos de
melatonina en el tumor, siendo, por tanto, necesaria la búsqueda de una
ruta de administración alternativa que permita aumentar la
disponibilidad de la melatonina en el tumor y así establecer un
tratamiento efectivo.
Por otro lado, un factor determinante en el fallo de los ensayos
clínicos es el modelo preclínico empleado. Tradicionalmente, las líneas
celulares ya establecidas han sido la herramienta más utilizada en la
investigación contra el cáncer. Sin embargo, tras años en cultivo, la
composición genética y el comportamiento de estas células se encuentra
alterada y, como consecuencia, no son una representación real de los
tumores de los pacientes. Para solventar este problema, en los últimos
años se han desarrollado los modelos preclínicos derivados de pacientes,
que proceden directamente de tumores de pacientes y, por tanto,
mantienen la heterogeneidad y las características moleculares de los
mismos. Estos modelos son más adecuados para estudiar la efectividad
de los diferentes tratamientos y, por ello, en los últimos años ha
aumentado significativamente su uso. Sin embargo, los estudios de melatonina en modelos derivados de pacientes son prácticamente
inexistentes.
Por tanto, nuestra hipótesis es que la melatonina, debido a sus
propiedades oncostáticas demostradas in vitro, podría ser un agente
prometedor como nuevo tratamiento frente al HNSCC o como terapia
adyuvante de las terapias ya existentes. Sin embargo, es necesario el
desarrollo de una nueva formulación o vía de administración que permita
alcanzar altos niveles de melatonina en el tumor, necesarios para ejercer
sus efectos oncostáticos. Estos estudios, además, deben desarrollarse no
solo en los modelos preclínicos tradicionales sino también en los modelos
derivados de pacientes, facilitando así la traslación a la clínica.
Para ello, el objetivo de este estudio ha sido analizar los efectos de
diferentes formulaciones de melatonina in vivo, en diferentes modelos de
ratones con xenoinjertos de células HNSCC. Analizamos los efectos de la
melatonina en ratones con xenoinjertos de células Cal-27 y SCC-9, dos
líneas celulares ya establecidas de HNSCC, y en ratones con xenoinjertos
de tumores procedentes de pacientes. Estos ratones se trataron con
diferentes formulaciones de melatonina, administrada
intratumoralmente cada 24 horas durante 63 días. La melatonina fue administrada sola o en combinación con cisplatino (CDDP), uno de los
tratamientos actuales más empleados frente al HNSCC. Tras sacrificar los
animales, se analizaron histológicamente los tumores para evaluar los
efectos oncostáticos de la melatonina. También se analizaron la
morfología y distribución de las mitocondrias, los niveles de ROS y la
apoptosis. Además, se estudiaron los efectos de la melatonina en el
proceso de migración, tanto en las líneas celulares ya establecidas como
en células tumorales procedentes del tumor de un paciente.
Los resultados demostraron que la administración intratumoral de
melatonina al 3% redujo el crecimiento tumoral en ratones con
xenoinjertos de células Cal-27 y SCC-9, lo que se correlacionó con un
aumento significativo de los niveles de melatonina en el tumor. El análisis
histológico de los tumores tratados con melatonina confirmó una
disminución de las áreas tumorales activas y mostró un aumento de la
cápsula de colágeno que rodea al tumor, así como una diminución de las
áreas adenoescamosas, lo cual se ha relacionado con un mejor pronóstico
del cáncer. Además, la administración intratumoral de melatonina
potenció los efectos del CDDP en cuanto a reducción del tumor. En
concordancia con estos resultados, la melatonina aumentó los niveles de LPO y de proteínas oxidadas, tanto sola como en combinación con CDDP,
e incrementó significativamente la apoptosis en los tumores Cal-27. La
melatonina al 3% también redujo los niveles de CD98, lo que sugiere un
incremento de la diferenciación de las células tumorales.
Por otro lado, teniendo en cuenta que una de las principales dianas
de la melatonina es la mitocondria, estudiamos la morfología y la
distribución de las mitocondrias mediante microscopía electrónica. Las
imágenes obtenidas mostraron que las mitocondrias de los tumores
tratados eran más grandes y se encontraban en la periferia de las células
y no alrededor del núcleo, lo que se ha relacionado con un mejor
diagnóstico.
A continuación, se desarrollaron modelos celulares y de xenoinjertos
derivados de pacientes a partir de biopsias de HNSCC. Los resultados
demostraron que la melatonina redujo la proliferación celular y la
formación de esferoides en el modelo celular y, además, disminuyó
drásticamente el crecimiento tumoral en los ratones con tumores
primarios, procedentes de pacientes en los 3 modelos analizados. Finalmente, se demostró que la melatonina redujo la migración y las
propiedades invasivas de las líneas celulares Cal-27 y SCC-9, además de
alterar la expresión de los marcadores de transición epitelio-mesénquima
en el modelo celular derivado de paciente.
Como conclusión, nuestro estudio ha elucidado el papel de la
melatonina en la reducción del crecimiento tumoral, tanto sola como en
combinación con CDDP, proponiendo la melatonina como una posible
opción terapéutica frente al cáncer. Concretamente, la combinación de
CDDP y melatonina podría ser un tratamiento prometedor en la terapia
frente al HNSCC, abriendo la puerta a un futuro ensayo clínico con
pacientes oncológicos para establecer un tratamiento con melatonina
con aplicación clínica.},
abstract = {Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is an aggressive
malignancy, representing the sixth most common cancer worldwide and
accounting for nearly 500,000 deaths every year. Current mainstay
HNSCC treatment is the combination of surgery, cisplatin (CDDP)-based
chemotherapy and concurrent locoregional radiotherapy. However,
these treatments are associated with important related-toxicities and the
development of resistance, leading to treatment failure and to the death
of patients.
The poor outcomes for HNSCC demonstrate the need for novel
therapies with less toxicity and more efficacy. Because of its oncostatic
influence and lack of association with adverse effects, melatonin is of
relevance to the development of innovative cancer treatments. Several
studies have demonstrated that melatonin not only shows synergistic
anticancer activity with other treatments, but also reduce the general
toxicity arising from other treatments. This could be due to the “dual
effect” of melatonin. On one hand, melatonin protects normal cells from
a variety of insults due to its antioxidant effect in these cells, and on the
other, melatonin suppresses tumor cell growth due to its pro-oxidant
effect in these cells. Its oncostatic properties include pro-oxidant, anti-proliferative, pro-apoptotic, anti-angiogenic and antimetastatic actions in
tumor cells. Nevertheless, although a great deal of clinical evidence has
confirmed the anticancer effects of melatonin, some conflicting results
also exist when it is applied in vivo. One possible explanation is that high
concentrations of melatonin within the tumor are necessary to exert its
oncostatic effect, being therefore necessary to search for an alternative
administration route to improve bioavailability and establish the optimal
dosage for cancer treatment.
On the other hand, an important factor for failure in clinical trials
is the inadequate biology of preclinical models. Traditionally, established
human cancer cell lines have been the fundamental tool in cancer
research. However, the genetic composition and behavior of established
cancer cell lines has been altered after thousands of generations in
culture, not faithfully representing real patient´s tumors. To solve this
problem, the concept of patient-derived models emerged and gained
extensive acceptance in cancer research. Since they proceed directly and
recently from a patient´s tumor, these models might better retain the
heterogeneity and molecular characteristics of patient tumors and be a
better alternative to study cancer biology and drug sensitivity. Therefore, the utilization of patient-derived models significantly increased in the
recent 5 years. However, literature about the oncostatic effect of
melatonin in patient-derived tumor models is scant.
Considering all above, our hypothesis is that melatonin, due to its
oncostatic properties, is a promising agent in anticancer therapy, as new
therapeutic approach and as a coadjutant therapy in HNSCC treatment.
However, to establish a melatonin treatment with proper application in
clinical practice, it is necessary to search for an alternative formulation or
an alternative route of administration, which ensures a high
bioavailability of melatonin in the tumor. These studies should be
conducted not only in established HNSCC cell line models, but also in
patient-derived models, which further resemble real tumors and ensure
clinical translation.
Concerning this hypothesis, the general objective of this study was to
analyze the effect of different formulations of melatonin in vivo in
different HNSCC mice models. We analyzed the effect of melatonin in
mice bearing established HNSCC Cal-27 and SCC-9 cell line xenografts or
patient-derived tumor xenografts. Mice were treated with different
formulations of melatonin, administered intratumorally each 24 hours for 63 days. Melatonin was administered alone or in combination with CDDP,
one of the most common HNSCC treatment. After mice sacrifice, tumors
were histologically analyzed to assess the oncostatic effects of melatonin.
Mitochondria morphology and distribution, apoptosis and ROS levels
were also measured in tumors. Finally, melatonin effects in migration
process were also studied, both in established and patient-derived cells.
Results showed that intratumoral treatment with melatonin 3%
reduced tumor growth in Cal-27 and SCC-9 xenografts, which correlated
with a significant increase of melatonin levels in the tumors. The histology
of tumors treated with intratumoral melatonin showed a decrease in
tumor active areas, as well as an increase in collagen-rich capsule
surrounding the tumors and a reduction of adenosquamous
differentiation areas, which has been associated with a better cancer
prognosis. Intratumoral injection of melatonin also potentiated the
effects of CDDP reducing tumor growth. In line with these results,
melatonin increased LPO levels and oxidized protein expression in Cal-27
tumors, alone or in combination with CDDP, and noticeably triggered
ROS-dependent apoptosis, which resulted in an increase in the Bax/Bcl-2
ratio and TUNEL-positive nuclei. Moreover, melatonin 3% reduced CD98 levels compared to the control and CDDP groups, suggesting an increase
in tumor cell differentiation.
On the other hand, considering that one of the main targets of
melatonin is the mitochondria, we evaluated mitochondrial morphology
and distribution by electron microscopy. According to previous in vitro
results, in melatonin-treated tumors, mitochondria were larger and
localized in the periphery of the cells and not in the perinucleus, which
has been associated with a better cancer outcome.
Next, it was attempted to generate patient-derived cells (PDC) and
patient-derived xenografts (PDX) from HNSCC tumor biopsies. Results
demonstrated that melatonin reduced cell proliferation and spheroid
formation in the PDC model. In addition, the intratumoral administration
of melatonin 3% reduced tumor growth in the three PDXs analyzed.
Finally, it was demonstrated that melatonin impaired migration and
invasive capacities of Cal-27 and SCC-9 cell lines, as well as altered
epithelial to mesenchymal transition markers in the PDC model.
As a conclusion, our study elucidated the roles of intratumoral
melatonin reducing tumor growth and synergizing CDDP, proposing melatonin as a possible therapeutic option for cancer treatment.
Specifically, the combined treatment with melatonin and CDDP may be a
promising clinical approach to treat patients with HNSCC, encouraging a
future clinical trial in cancer patients to establish a new melatonin
treatment with proper clinical application.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {Ministerio de Ciencia e Innovación PID2020-115112RB-I00},
organization = {Consejería de economía, innovación y ciencia. Junta de Andalucía P18-RT-3222},
organization = {University of Granada PPJIB2020-10},
organization = {Ministerio de Economía y Hacienda SAF2017-85903-P},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Preclinical study of the antitumor effect of melatonin in different head and neck cancer models: evaluation of the role of mitochondria and oxidative stress},
author = {Martínez Ruiz, Laura},
}