Exosomas y cáncer

EXOSOMAS Y CÁNCER PILAR MEDEL CORTÉS TRABAJO FIN DE GRADO TRABAJO FIN DE GRADO Revisión Bibliográfica EXOSOMAS Y CÁNCER Pilar Medel Cortés Universidad de Sevilla, Grado de Farmacia Departamento de Fisiología Tutora: María José Peral Rubio Sevilla, Junio 2020. 1 RESUMEN Los exosomas son vesículas extracelulares que pueden ser liberadas por cualquier tipo de célula. Su contenido es variable, pero pueden llevar proteínas, lípidos o ácidos nucleicos. Estas vesículas extracelulares participan en la comunicación entre células, manteniendo la homeostasis celular y colaborando en diversas funciones fisiológicas. Sin embargo, también pueden estar involucrados en el desarrollo de enfermedades como el cáncer. Los exosomas pueden favorecer el desarrollo del cáncer, gracias a la transmisión de proteínas o ácidos ribonucleicos (ARN). Debido a esta transmisión por parte de los exosomas, procesos como la angiogénesis o la metástasis se ven favorecidos lo que beneficia a las células cancerígenas que pueden continuar, sin problemas, su crecimiento. Pero al mismo tiempo, los exosomas pueden ser claves para las terapias anticancerígenas. Al ser vesículas tan pequeñas y no generar una respuesta del sistema inmune para atacarlos, los exosomas pueden ser utilizados para llevar fármacos a la zona del tumor. Asimismo pueden ayudar a activar el sistema inmune, favoreciendo la eliminación de las células cancerígenas, y pueden ser utilizados como biomarcadores para observar la evolución de la enfermedad. Aunque el empleo de los exosomas en las terapias anticancerígenas puede llegar a ser muy útil, se necesita aún un mayor número de ensayos clínicos que prueben la efectividad y la rentabilidad de su uso. Todo ello, junto con un mayor estudio de la participación de los exosomas en el desarrollo del cáncer, podría posicionar a los exosomas como una herramienta muy útil en la lucha contra el cáncer. Palabras clave: exosomas, cáncer, metástasis, terapia anticancerígena 2 3 ÍNDICE: GLOSARIO DE ABREVIATURAS ............................................................................. 4 INTRODUCCIÓN: ......................................................................................................... 5 OBJETIVOS ................................................................................................................. 12 METODOLOGÍA ......................................................................................................... 12 RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................. 13 Los exosomas como factores que favorecen el cáncer. .......................................... 13 Apoptosis:................................................................................................................ 13 Angiogénesis. .......................................................................................................... 14 Metástasis. ............................................................................................................... 16 Sistema inmune. ...................................................................................................... 21 Los exosomas como agentes contra el cáncer. ........................................................ 23 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 27 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 29 4 GLOSARIO DE ABREVIATURAS: A ARNm: ARN mensajero ARNmi: micro-ARN E EMT: Epithelial to Mesenchymal Transition / Transición epitelio-mesénquima ERK: Extracellular signal regulated kinases / Proteínas quinasas reguladas por señal extracelular ESCRT: Endosomal Sorting Complex Required for Transport / Complejo de clasificación endosomal requerido para transporte G GLUT1: Transportador de glucosa 1 H HIF: Hipoxia-inducible factors / Factor inducible por hipoxia I ITG: Integrinas M MAPK: Mitogen-Activated Protein Kinases / Proteínas quinasas activadas por mitógenos MVB: Multivesicular Bodies / Cuerpos multivesiculares T TGF-β1: Transforming Growth Factor Beta 1 / Factor de crecimiento transformante Beta 1 V VEGF: Vascular Endotelial Growth Factor / Factor de crecimiento endotelial vascular 5 INTRODUCCIÓN: Las células, para poder comunicarse entre ellas, necesitan un método que sea rápido y que consiga transmitir una cantidad importante de información. En el organismo existen sólo dos tipos de señales fisiológicas para compartir la información: una que recurre a las señales eléctricas (relacionadas con los potenciales de membrana) y otra que recurre a las señales químicas. Las señales químicas son moléculas secretadas por las células en el líquido extracelular. Estas moléculas secretadas pueden actuar bien sea cerca de la célula que las liberó o en otras partes distantes del organismo (Silverthorn et al., 2019). En ocasiones, para poder transportar las moléculas, las células recurren al transporte por vesículas. Estas vesículas separan a las moléculas del medio extracelular mediante una bicapa lipídica, similar a la membrana citoplasmática. (Silverthorn et al., 2019) Estas vesículas pueden entrar y salir de las células mediante dos procesos distintos: la endocitosis, para introducirse en la célula, y la exocitosis, para abandonarla (Silverthorn et al., 2019). La endocitosis (Figura 1) es el mecanismo mediante el cual las células incorporan moléculas del medio extracelular a su interior a través de la formación de vesículas de la membrana plasmática, conocidas como endosomas (Stanfield, 2011). Figura 1. Representación de la endocitosis (amarillo) y de la exocitosis (azul). Modificada de (Sadava et al., 2004). 12 OBJETIVOS El objetivo de este trabajo de revisión bibliográfica es recopilar información actualizada sobre la implicación de los exosomas en el desarrollo del cáncer así como el papel que pueden desempeñar en las terapias anticancerígenas. METODOLOGÍA Para la realización de este trabajo se han consultado diversas fuentes bibliográficas como pueden ser libros de texto de Fisiología y Anatomía Humana, artículos científicos y páginas web. Los libros de texto de Fisiología y Anatomía Humana fueron usados para comprender mejor aspectos básicos del trabajo. La búsqueda de los artículos científicos se realizó usando preferentemente la base de datos de MEDLINE, producida por la biblioteca nacional de medicina de Estados Unidos. La base de datos PubMed también fue utilizada, especialmente para revisar la bibliografía de los artículos utilizados. Respecto a los artículos científicos utilizados, se emplearon principalmente revisiones de los últimos 5-10 años, pero también se consultaron artículos científicos originales por su importancia al describir mecanismos por primera vez o la implicación de los exosomas en procesos concretos. Para realizar la búsqueda, se utilizaron combinaciones de palabras clave, como exosomes, seguido de biogenesis, cancer, metastasis, angiogenesis, apoptosis, inmune suppression o cancer therapy para poder obtener información más concreta. 13 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los exosomas como factores que favorecen el cáncer. El desarrollo tumoral es un proceso dinámico y no uniforme en el tiempo, que depende de varias señalizaciones para producirse. Los exosomas liberados por las células cancerígenas, es decir, los exosomas derivados del tumor (tumor-derived exosomes, TEX, en inglés) colaboran en el crecimiento del cáncer actuando sobre los puntos de regulación de éste. De esta manera, están implicados en diferentes procesos como son, la reprogramación celular, la modulación del sistema inmune o la angiogénesis (Tai et al., 2018). En función de donde intervengan los exosomas, se puede analizar cómo actúan y cuál es el efecto que desencadenan. Apoptosis: La apoptosis, o muerte celular programada, es un proceso fisiológico controlado genéticamente por el cual se provoca la muerte de las células como respuesta a unos determinados estímulos. Durante el cáncer, se producen alteraciones en su regulación, permitiendo a las células cancerígenas continuar su crecimiento (Pazo Cid et al., 2012). Entre las moléculas que pueden estar implicadas en la supervivencia celular se encuentran algunos factores de crecimiento. Estas proteínas de bajo peso molecular inducen la supervivencia celular, inhibiendo la apoptosis mediante la activación de genes de supervivencia y anti-apoptóticos. Uno de estos factores de crecimiento es el factor de crecimiento transformante beta 1, o TGF-β1 (Transforming Growth Factor β1) por sus siglas en inglés. A través de una liberación autocrina de este factor TGF-β1 se produce una activación de las proteínas quinasas reguladas por señal extracelular, ERK (extracellular signal-regulated kinases) y de la proteína quinasa B o AKT. Estas proteínas forman respectivamente la ruta MAPK por sus siglas en inglés Mitogen-Activated Protein Kinases (proteínas quinasas activadas por mitógenos) y la ruta PI3K/Akt. 14 Estas rutas están implicadas en la activación de genes de supervivencia y anti-apoptóticos. Se ha observado que los exosomas liberados por las células cancerígenas, que llevan este factor TGF-β1, promueven la supervivencia de la célula, impidiendo la apoptosis (Raimondo et al., 2015). Angiogénesis. Para que el cáncer puede avanzar y seguir creciendo, se deben formar nuevos vasos sanguíneos que proporcionen a las células cancerígenas nutrientes, oxígeno y factores de crecimiento (Aslan et al., 2019) . Esta angiogénesis, que debe ocurrir para el desarrollo tumoral, se ha relacionado especialmente con los niveles de exosomas que produce el tumor (Ludwig and Whiteside, 2018). En un estudio realizado en 2015, se demostró que los exosomas de células epiteliales oncogénicas sometidas a una transición epitelio-mesénquima, proceso por el cual las células epiteliales se transforman gradualmente en células de tipo mesenquimal, eran capaces de promover la angiogénesis (Gopal et al., 2016). En concreto en el glioblastoma, un tipo de cáncer cerebral muy agresivo, se demostró la presencia de exosomas cuyo contenido contribuía a la proliferación de las células endoteliales, lo que lleva a la formación de nuevos vasos sanguíneos (Skog et al., 2008). Por lo tanto, los exosomas son capaces de promover la angiogénesis actuando sobre las células endoteliales. Tras ser los exosomas internalizados por parte de estas células (Figura 5), principalmente por endocitosis, se produce la reprogramación de estas células (Ludwig and Whiteside, 2018). Esta reestructuración es debida al contenido de los exosomas, principalmente ARN mensajero (ARNm), micro-ARN (ARNmi) y proteínas, que llevan a cabo cambios estables en las células endoteliales (Skog et al., 2008). 15 Figura 5. Representación esquemática donde los exosomas de células tumorales liberan su contenido en las células endoteliales. En ella se puede observar el contenido que pueden llevar los exosomas en su interior. Además del material genético (ARNm, ARNmi o ADN), pueden llevar proteínas como la metaloproteínasa de la matriz extracelular-2 (MMP2), la molécula de adhesión intercelular-1 (ICAM-1), la proteína transportadora 3 del factor de crecimiento similar a la insulina (IGFBP-3) o la interleucina 8 (IL-8) (Ludwig and Whiteside, 2018) Estos cambios se producen gracias a que los exosomas alteran la actividad de las rutas moleculares ya existentes en las células, reorganizando los componentes que participan en ellas (Ludwig and Whiteside, 2018). Gracias a esto, los exosomas regulan los genes relacionados con la angiogénesis permitiendo a las células endoteliales mejorar su migración y aumentar la proliferación y el nacimiento de nuevos vasos sanguíneos (Ludwig and Whiteside, 2018). Este contenido de ARNm, ARNmi o proteínas de los exosomas puede estar condicionado por la situación de hipoxia que hay en la masa tumoral (Tadokoro et al., 2013). Para poder regular la respuesta celular a la falta de oxígeno, se encuentra la familia del factor inducible por hipoxia, en inglés hipoxia-inducible factors (HIF). 16 En condiciones de hipoxia, el dímero formado por las isoformas HIF-1α y HIF-2α se une a sus genes diana proangiogénicos y aumenta su transcripción (Shao et al., 2018), estimulando la expresión de factores proangiogénicos, como el factor de crecimiento endotelial vascular o VEGF por sus siglas en inglés, (Vascular Endotelial Growth Factor), el transportador de glucosa 1 (GLUT1), o la anhidrasa carbónica 9 (Aslan et al., 2019). Varios estudios en diferentes tumores han demostrado la presencia de exosomas cuyo contenido se ha relacionado con un aumento de la angiogénesis. En el cáncer de mama, por ejemplo, se demostró la presencia de la proteína anexina II en exosomas, y como está favorece la angiogénesis (Maji et al., 2017). En el caso del cáncer de pulmón, se evidenció la presencia de microARN 21, que una vez dentro de las células receptoras, aumentaba la expresión de VEGF y consecuentemente estimulaba la angiogénesis (Aslan et al., 2019). También se ha demostrado en este tipo de tumor, la presencia de exosomas con microARN 210 y microARN 23a, y como estos favorecían la angiogénesis (Ludwig and Whiteside, 2018). Metástasis. La metástasis, o las consecuencias de su tratamiento, se encuentra, como la principal causa de muerte por cáncer (Steeg, 2016).Esta metástasis consiste en la migración de células tumorales primarias desde el sitio de origen del tumor a otras zonas del cuerpo, su proliferación en ese lugar y, por último, la formación de un nuevo tumor en esa zona (Tian et al., 2019). Su desarrollo tiene cuatro pasos principales (Figura 6) que incluyen la intravasación del tumor a los vasos sanguíneos, la extravasación desde la circulación sanguínea al sitio de metástasis, la latencia tumoral y la formación, en primer lugar, de una micrometástasis y luego de una macrometástasis (Tian et al., 2019). 17 Figura 6. Esquema de las etapas de la metástasis (Tian et al., 2019). Los exosomas tienen varias funciones, entre las que se incluyen contribuir a la organotropicidad de la metástasis, a la formación del nicho premetastásico así como influir en las células tumorales y en el microambiente tumoral (Tian et al., 2019). La organotropicidad de la metástasis se ha relacionado con las integrinas (ITG), que lleven los exosomas. Así, por ejemplo, exosomas provenientes de un tumor que contengan ITGα6β4 y ITGα6β1, están relacionados con una metástasis pulmonar, mientras que los exosomas con ITGβ3, están relacionados con una metástasis cerebral (Figura 7) (Tian et al., 2019). Pasos para el desarrollo de metástasis Intravasación del tumor Extravasación al sitio de metástasis Latencia Micrometástasis y Macrometástasis 18 Figura 7. Papel de las integrinas procedentes de exosomas tumorales en la organotropicidad de la metástasis. Los exosomas con ITGα6β4 o ITGα6β1 se dirigen al pulmón. Los exosomas con ITGαvβ5 se dirigen al hígado. Los exosomas con ITGα4β1 o ITGαvβ3 se dirigen al hueso. Los exosomas con ITGβ3 o ITGα2β se dirigen al cerebro. Por último los exosomas con ITGα4 se dirigen a los ganglios linfáticos. Modificada de (Tian et al., 2019). La interacción, mediada por las integrinas, se produce entre los exosomas y células residentes específicas del órgano diana, de esta manera, por ejemplo, los exosomas tumorales dirigidos al hígado interaccionarán con las células hepáticas de Kupffer y los exosomas tumorales que se dirijan al cerebro interaccionarán con las células endoteliales del cerebro (Tian et al., 2019). Una vez los exosomas llegan a la célula diana, las integrinas que transportaban se encargan de regular la función de esta. 19 Esta regulación se produce gracias a que medían la activación del protooncogén de la tirosina-proteína quinasa Src (Src) y aumentan la expresión de los genes S100, familia de genes que codifican proteínas S100, lo que lleva a un aumento de las moléculas S100, que tienen características pro-inflamatorias y pro-migratorias. Así, las integrinas favorecen la expresión de genes implicados en facilitar la metástasis tumoral (Hoshino et al., 2015). En cuanto a la formación del nicho premetastásico, los ARNmi de exosomas tumorales han mostrado interferir con el perfil de ARNmi de las células diana, contribuyendo al establecimiento del nicho premetastásico (Wu et al., 2019). Al transferir ARNmi o ARN largo no codificante (lncRNAs) a células del microambiente, como pueden ser las células endoteliales, los macrófagos o los fibroblastos, contribuyen a aumentar la inflamación de la zona y a la obtención de fenotipos celulares inflamatorios asociados a tumores (Tian et al., 2019). Esta obtención de fenotipos inflamatorios, de las células epiteliales o de los macrófagos, es conseguido mediante la estimulación del receptor tipo toll-like (TLR) por parte de los ARNs, que llevan los exosomas (Tian et al., 2019). Igualmente, estos ARNs puede promover la progresión de la metástasis actuando sobre el factor nuclear potenciador de las cadenas ligeras kappa de las células B activadas (NF-KB) o sobre la vía de la proteína quinasas activada por mitógeno (MAPK) (Tian et al., 2019). 20 Una de las etapas claves para que la metástasis pueda suceder es la transición epiteliomesénquima o EMT, por sus siglas en inglés Epithelial to Mesenchymal Transition, (Wu et al., 2019). Durante esta transición epitelio-mesénquima (EMT) las células epiteliales, pierden su funcionalidad epitelial y sus rasgos moleculares característicos, en favor del aumento de la capacidad migratoria e invasiva, propia de las células mesenquimales (Figura 8) (Nieszporek et al., 2019). Figura 8. Características de la transición epitelio-mesenquimal. Esto permite a las células cancerígenas diseminarse desde el lugar del tumor primario, invadir tejidos adyacentes y provocar metástasis al colonizar sitios distantes (Nieszporek et al., 2019). Desde un punto de vista mecánico, los exosomas pueden desencadenar esta transición epitelio-mesénquima través de la ruta de señalización MAPK/ERK (Chen et al., 2018). En el trabajo llevado a cabo por Chen et al., 2018 se inhibió la liberación de exosomas de células de carcinoma hepatocelular con la eliminación de la proteína Rab27a. Al hacerlo, aumentó la expresión en estas células de los marcadores mesenquimales, como la cadherina-N o la vimentina, y disminuyó la de los marcadores epiteliales, como la cadherina-E, demostrando que los exosomas favorecían la EMT. Al mismo tiempo, observaron que la fosforilación de las quinasas ERK 1/2 aumentaba. Después, para poder comprobar que la EMT se llevaba a cabo a través de la ruta MAPK/ ERK, trataron a estas células con un inhibidor de ERK. 21 Tras esto, la fosforilación de las quinasas ERK 1/2 se anuló. Al no fosforilarse estas quinasas, la ruta MAPK/ERK no podía activarse. Esta inhibición de la ruta MAPK/ERK, provocaba a su vez un aumento de la expresión de marcadores epiteliales (cadherina-E), y una disminución de la de marcadores mesenquimales (vimentina) (Chen et al., 2018). Además, los exosomas liberados por las células tumorales pueden promover esta transición epitelio-mesénquima al llevar en su interior moléculas de señalización transductoras de EMT, como pueden ser TGFβ, la caveolina-1, la β-catenina o HIF-1α, aumentado la capacidad invasiva y migratoria de las células que las reciben. (Syn et al., 2016). Sistema inmune. Una de las funciones fundamentales que llevan a cabo los exosomas de las células cancerígenas es el control del sistema inmune. Según el perfil fenotípico que lleven estos exosomas podrían tanto suprimir como estimular el sistema inmune (esto se comentará más adelante), dependiendo del entorno al que sean liberados por sus células parentales (Whiteside, 2016). Los exosomas pueden provocar la supresión del sistema inmune directamente llevando señales supresoras, o inductoras de apoptosis, a las células inmunes activadas. La supresión del sistema inmune también pueden llevarla a cabo indirectamente induciendo la diferenciación de las células T reguladoras y de las células mieloides supresoras (MDSC, por sus siglas en inglés, myeloid-derived suppressor cells), y promoviendo su expansión (Whiteside, 2016). Entre otros mecanismos mediados por exosomas para inhibir el sistema inmune, se encuentra la capacidad de inhibir las respuestas de las células T específicas de antígeno e inducir la apoptosis, mediante la activación de las vías extrínsecas e intrínsecas, de las células T CD8+ activadas. Los exosomas derivados de tumores intervienen, además, inhibiendo la diferenciación de los monocitos (Whiteside, 2016). 28 6. Los exosomas tienen por tanto un papel muy importante en el cáncer, tanto por contribuir a su desarrollo como por ser útiles en las terapias anticancerígenas. Aunque en los últimos años se ha avanzado mucho en el conocimiento de estas vesículas y su intervención en el cáncer, todavía se necesita conocer mejor la implicación de los exosomas en el desarrollo de esta enfermedad. Esto podría permitir una mejora en el diagnóstico, tratamiento y pronóstico del cáncer. 7. Asimismo para poder incluir a los exosomas en las terapias anticancerígenas, se deben realizar un mayor número de ensayos clínicos que permitan poder cuantificar el éxito real que puede tener su uso en el tratamiento del tumor, así como poder comparar las ventajas y desventajas que tiene su utilización, con respecto a otros tipos de tratamiento ya disponibles. 29 BIBLIOGRAFÍA  Aslan C, Maralbashi S, Salari F, Kahroba H, Sigaroodi F, Kazemi T, et al. Tumorderived exosomes: Implication in angiogenesis and antiangiogenesis cancer therapy. J Cell Physiol 2019;234:16885–903. https://doi.org/10.1002/jcp.28374.  Baixauli F, López-Otín C, Mittelbrunn M. 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