You are here

    • You are here:
    • Home > Research > Colorectal cancers raise defensive barrier in response to chemotherapy

Colorectal cancers raise defensive barrier in response to chemotherapy


Tue, 08/02/2022 - 09:30

Colorectal cancers raise defensive barrier in response to chemotherapy

A side-by-side comparison of colorectal cancer cells before (left) and after (right) treatment with fluorouracil and irinotecan. The expression of mucins is shown in green. Credit: Lluís Espinosa/IMIM


Drugs which are commonly-used as the first line of treatment for colorectal cancer cause the tumour cells to oversecrete proteins known as mucins, according to a new study published today in the journal eLife. The proteins alter the mucous layer, forming a physical barrier that prevents drugs from reaching their intended target.

Using different techniques involving genetic manipulation and the use of chemical inhibitors, the research team were able to experimentally regulate mucin secretion in cancer cell lines and patient-derived organoids, paving the way for the development of future treatments that can be used alongside chemotherapy to target drug-resistant forms of colorectal cancer. The experiments also revealed potential new biomarkers for the prognosis of the disease.

The researchers studied mucins, which are heavy, sugar-coated proteins that are secreted by specialised cells in the linings of the eye, nose, airway and the digestive tract, including the colon. On average, humans secrete up to a litre of mucins per day. Mucins have gel-forming properties that mix with other biological matter to form mucous, a thick liquid that acts as a lubricant, preventing tissues from becoming dehydrated and also forming a barrier to protect cells from pathogens and other external factors.

Colorectal cancer occurs when tumours develop in the colon or rectum. Adenocarcinomas are the most common type of colorectal cancer, often growing from the cells that constitute the mucous lining of the tissue. The researchers studied whether the overexpression of mucins could create a barrier for drugs reaching the tumour cells. Experiments with fluorouracil and irinotecan, two drugs given in combination as the first-line treatment for colorectal cancer, revealed that cancer cells respond to the treatment by secreting copious amounts of mucin.

“15-20% of colorectal cancers are linked to the overproduction of mucin. In some of these cases, this is a problem because it will block drugs from reaching their intended target. What we were surprised to find is that chemotherapy itself triggers mucin secretion, potentially trapping patients in a vicious cycle requiring increasingly higher doses. This can be stopped if chemotherapy is combined with treatments that inhibit mucin secretion,” says ICREA Research Professor Vivek Malhotra, Coordinator of the Cell & Developmental Biology Programme at the CRG and author of the study.

The researchers studied different ways of blocking mucin secretion to make tumour cells more sensitive to the drugs. They first attempted to genetically manipulate levels of the protein KChIP3, previously shown by Dr. Malhotra’s research group to regulate mucin secretion. They found that colorectal cancer cells depleted of KChIP3 were four times more drug-resistant compared to cells with normal levels of KChIP3. In contrast, cells with higher than normal levels of KChIP3 were ten times more sensitive to chemotherapeutic drugs.

According to Dr. Lluís Espinosa, Coordinator of the Molecular Mechanisms of Cancer and Stemness at Hospital del Mar Medical Research Institute (IMIM), researcher at CIBER Cancer (CIBERONC) and co-author of the study, “the downside of using KChIP3 as a therapeutic target is that it requires the use of gene therapy, a technology that is still in its developmental stages and also very expensive to use.”

The authors of the study then assessed KChIP3’s potential as a biomarker for the prognosis of colorectal cancer. By studying publicly available datasets following the progression of patients with colorectal cancer patient, they found that high levels of KChIP3 indicated a longer period of time for disease-free survival, the length of time after primary treatment for a cancer ends that the patient survives without any signs or symptoms of that cancer.

According to Dr. Espinosa, further work must be carried out to develop KChIP3’s potential as a prognostic biomarker. “One of the main barriers for looking for KChIP3 in clinical settings is that we don’t have the antibodies needed to measure their levels. To include this biomarker in routine practice requires more research to develop ways of measuring it in the first place.”

The researchers studied other methods to block mucin secretion without resorting to genetic manipulation, such as using chemical inhibitors. Previous work by Vivek Malhotra’s research group had shown that inhibitors that block the function of sodium and calcium channels, known as NCX blockers, also inhibit the secretion of mucins.

The researchers chose an NCX blocker known as SN-6 for their experiments, which has previously been studied for its potential in treating heart arrhythmias. They tested SN-6 in organoids derived from patients, finding that it made colorectal cancer cells 40 times more sensitive to chemotherapeutic drugs.

According to Dr. Gerard Cantero, who performed this work at CRG and is now a principle investigator at Vall d’Hebron Research Institute (VHIR), the findings highlight a potential new treatment strategy. “SN-6 is a highly specific inhibitor, meaning it’s less likely to result in side effects compared to other NCX blockers. We found that SN-6 specifically inhibits the secretion of the mucins that are triggered by chemotherapy. Clinical trials are needed to confirm our findings, but combining SN-7 with chemotherapy is of great interest to overcome the side effects of chemotherapy.”

Though this study addressed the problem of colorectal cancer cells, the approach could benefit patients with mucinous cancers or adenocarcinomas in general. “Mucin is produced in many parts of the body, not just the digestive tract. Further research should explore whether the inhibitors can affect treatment of other types of chemotherapy-resistant cancers that involve a mucous layer,” concludes Dr. Cantero.

The findings are the result of a joint collaboration between the Centre for Genomic Regulation (CRG) and the Hospital del Mar Medical Research Institute (IMIM) in Barcelona. The work was funded by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and the Instituto de Salud Carlos III. Patient-derived organoids were provided by MARBiobanc.


Los cánceres colorectales levantan una barrera defensiva en respuesta a la quimioterapia

Según un nuevo estudio publicado hoy en la revista eLife, los fármacos que se utilizan habitualmente como primera línea de tratamiento del cáncer colorrectal hacen que las células tumorales segreguen en exceso unas proteínas llamadas mucinas. Las proteínas alteran la capa mucosa, formando una barrera física que impide que los fármacos lleguen a su objetivo.

Mediante diferentes técnicas de manipulación genética y el uso de inhibidores químicos, el equipo de investigación ha logrado regular experimentalmente la secreción de mucina en líneas celulares de cáncer y en organoides derivados de pacientes, hecho que abre el camino al desarrollo de futuros tratamientos que puedan utilizarse junto con la quimioterapia para combatir las formas de cáncer colorrectal resistentes a los fármacos. Los experimentos también revelaron posibles nuevos biomarcadores para el pronóstico de la enfermedad.

Los investigadores han estudiado las mucinas, que son proteínas pesadas y recubiertas de azúcar segregadas por células especializadas del revestimiento de los ojos, la nariz, las vías respiratorias y el trato digestivo, incluido el colon. En promedio, el ser humano segrega hasta un litro de mucinas al día. Las mucinas tienen propiedades gelificantes que se mezclan con otras materias biológicas para formar la mucosa, un líquido espeso que actúa como lubricante, lo que evita que los tejidos se deshidraten y también forma una barrera para proteger las células de los patógenos y otros factores externos.

El cáncer colorrectal se produce cuando se desarrollan tumores en el colon o en el recto. Los adenocarcinomas son el tipo más frecuente de cáncer colorrectal y suelen crecer a partir de las células que forman el revestimiento mucoso del tejido. Los investigadores han estudiado si la sobreexpresión de mucinas podría crear una barrera para que los fármacos no lleguen a las células tumorales. Los experimentos con fluorouracilo e irinotecano, dos fármacos que se administran en combinación como tratamiento de primera línea para el cáncer colorrectal, han revelado que las células cancerosas responden al tratamiento segregando cantidades abundantes de mucina.

«El 15-20% de los cánceres colorectales están relacionados con la sobreproducción de mucina. En algunos de estos casos, esto es un problema porque impedirá que los medicamentos lleguen a su objetivo. Lo que nos ha sorprendido es que la propia quimioterapia activa la secreción de mucina, lo que puede atrapar a los pacientes en un círculo vicioso que requiere dosis cada vez mayores. Esto puede detenerse si la quimioterapia se combina con tratamientos que inhiben la secreción de mucina», afirma Vivek Malhotra, profesor de investigación en ICREA, coordinador del Programa de Biología Celular y del Desarrollo del CRG y autor del estudio.

Los investigadores han estudiado diferentes formas de bloquear la secreción de mucina para que las células tumorales sean más sensibles a los fármacos. En primer lugar, intentaron manipular genéticamente los niveles de la proteína KChIP3, que según demostró anteriormente el grupo de investigación del Dr. Malhotra regula la secreción de mucina. Descubrieron que las células de cáncer colorrectal que carecían de KChIP3 eran cuatro veces más resistentes a los fármacos que las células con niveles normales de KChIP3. Por el contrario, las células con niveles de KChIP3 superiores a los normales eran diez veces más sensibles a los fármacos quimioterápicos.

Según el Dr. Lluís Espinosa, Coordinador del grupo de investigación de mecanismos moleculares del cáncer y de las células madre en el Instituto Hospital del Mar de Investigaciones Médicas (IMIM) e investigador del CIBERONC y coautor del estudio, «el inconveniente de utilizar KChIP3 como diana terapéutica es que requiere el uso de la terapia génica, una tecnología que todavía está en fase de desarrollo y que además es muy cara de utilizar».

A continuación, los autores del estudio evaluaron el potencial de KChIP3 como biomarcador para el pronóstico del cáncer colorrectal. Mediante el estudio de conjuntos de datos disponibles públicamente que seguían la evolución de pacientes con cáncer colorrectal, descubrieron que los niveles elevados de KChIP3 indicaban un período más largo de supervivencia libre de enfermedad, es decir, el período de tiempo después de finalizar el tratamiento primario de un cáncer en el que el paciente sobrevive sin ningún signo ni síntoma de ese cáncer.

Según el Dr. Espinosa, es necesario continuar trabajando para desarrollar el potencial de KChIP3 como biomarcador pronóstico. «Uno de los principales obstáculos para buscar KChIP3 en entornos clínicos es que no disponemos de los anticuerpos necesarios para medir sus niveles. Para incluir este biomarcador en la práctica rutinaria se necesita investigar más para desarrollar formas de medirlo en primera instancia».

Los investigadores han estudiado otros métodos para bloquear la secreción de mucina sin recurrir a la manipulación genética, como el uso de inhibidores químicos. Un trabajo anterior del grupo de investigación de Vivek Malhotra había demostrado que los inhibidores que bloquean la función de los canales de sodio y calcio, conocidos como bloqueadores NCX, también inhiben la secreción de mucinas.

Los investigadores eligieron para sus experimentos un bloqueador NCX conocido como SN-6, que se ha estudiado previamente por su potencial en el tratamiento de las arritmias cardíacas. Probaron el SN-6 en organoides derivados de pacientes y descubrieron que hacía que las células del cáncer colorrectal fueran 40 veces más sensibles a los fármacos quimioterápicos.

Según el Dr. Gerard Cantero, que desarrolló este trabajo en el CRG y ahora es investigador principal en el Vall d'Hebron Instituto de Investigación (VHIR), los resultados ponen de manifiesto una posible nueva estrategia de tratamiento. «El SN-6 es un inhibidor altamente específico, que significa que es menos probable que produzca efectos secundarios en comparación con otros bloqueadores NCX. Descubrimos que el SN-6 inhibe específicamente la secreción de las mucinas provocadas por la quimioterapia. Se necesitan ensayos clínicos para confirmar nuestros hallazgos, pero la combinación del SN-6 con quimioterapia es de gran interés para superar los efectos secundarios de la quimioterapia».

Aunque este estudio trató el problema de las células de cáncer colorrectal, el enfoque podría beneficiar a los pacientes con carcinomas mucinosos o adenocarcinomas en general. «La mucina se produce en muchas partes del cuerpo, no sólo en el tracto digestivo. Nuevos estudios deberían explorar si los inhibidores pueden influir en el tratamiento de otros tipos de cánceres resistentes a la quimioterapia que afectan a una capa mucosa», concluye el Dr. Cantero.

Los resultados son fruto de la colaboración entre el Centro de Regulación Genómica (CRG) y el Instituto Hospital del Mar de Investigaciones Médicas (IMIM) de Barcelona. El estudio ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España y el Instituto de Salud Carlos III. Los organoides derivados de pacientes han sido proporcionados por el MARBiobanc.


Els càncers colorectals aixequen una barrera defensiva en resposta a la quimioteràpia

Segons un nou estudi publicat avui a la revista eLife, els fàrmacs que s’utilitzen habitualment com a primera línia de tractament del càncer colorectal fan que les cèl·lules tumorals segreguin en excés unes proteïnes anomenades mucines. Les proteïnes alteren la capa mucosa, formant una barrera física que impedeix que els fàrmacs arribin al seu objectiu.

Mitjançant diferents tècniques de manipulació genètica i l’ús d’inhibidors químics, l’equip de recerca ha aconseguit regular experimentalment la secreció de mucina en línies cel·lulars de càncer i en organoides derivats de pacients, fet que obre el camí al desenvolupament de futurs tractaments que puguin utilitzar-se juntament amb la quimioteràpia per combatre les formes de càncer colorectal resistents als fàrmacs. Els experiments també han revelat possibles nous biomarcadors per al pronòstic de la malaltia.

Els investigadors han estudiat les mucines, que són proteïnes pesades i recobertes de sucre que són segregades per cèl·lules especialitzades del revestiment dels ulls, el nas, les vies respiratòries i el tracte digestiu, inclòs el còlon. De mitjana, l’ésser humà segrega fins a un litre de mucines al dia. Les mucines tenen propietats gelificants que es barregen amb altres matèries biològiques per formar la mucosa, un líquid espès que actua com a lubrificant, la qual cosa evita que els teixits es deshidratin i també forma una barrera per protegir les cèl·lules dels patògens i altres factors externs.

El càncer colorectal es produeix quan es desenvolupen tumors al còlon o al recte. Els adenocarcinomes són el tipus més freqüent de càncer colorectal i solen créixer a partir de les cèl·lules que formen el revestiment mucós del teixit. Els investigadors han estudiat si la sobreexpressió de mucines podria crear una barrera perquè els fàrmacs no arribin a les cèl·lules tumorals. Els experiments amb fluorouracil i irinotecan, dos fàrmacs que s’administren en combinació com a tractament de primera línia per al càncer colorectal, han revelat que les cèl·lules canceroses responen al tractament segregant quantitats abundants de mucina.

«El 15-20 % dels càncers colorectals estan relacionats amb la sobreproducció de mucina. En alguns d’aquests casos, això és un problema perquè impedirà que els medicaments arribin al seu objectiu. El que ens ha sorprès és que la mateixa quimioteràpia activa la secreció de mucina, la qual cosa pot atrapar als pacients en un cercle viciós que requereix dosis cada vegada més altes. Això pot detenir-se si la quimioteràpia es combina amb tractaments que inhibeixen la secreció de mucina», afirma Vivek Malhotra, professor de recerca a l’ICREA, coordinador del Programa de Biologia Cel·lular i del Desenvolupament del CRG i autor de l’estudi.

Els investigadors han estudiat diferents maneres de bloquejar la secreció de mucina perquè les cèl·lules tumorals siguin més sensibles als fàrmacs. En primer lloc, van intentar manipular genèticament els nivells de la proteïna KChIP3, que segons va demostrar anteriorment el grup de recerca del Dr. Malhotra regula la secreció de mucina. Van descobrir que les cèl·lules de càncer colorectal que mancaven de KChIP3 eren quatre vegades més resistents als fàrmacs que les cèl·lules amb nivells normals de KChIP3. En canvi, les cèl·lules amb nivells de KChIP3 superiors als normals eren deu vegades més sensibles als fàrmacs quimioteràpics.

Segons el Dr. Lluís Espinosa, Coordinador del grup de recerca Mecanismes moleculars del càncer i de les cèl·lules mare a l’Institut Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM), investigador del CIBERONC i coautor de l’estudi, «l’inconvenient d’utilitzar KChIP3 com a diana terapèutica és que requereix l’ús de la teràpia gènica, una tecnologia que encara està en fase de desenvolupament i que a més és molt cara d’utilitzar».

A continuació, els autors de l’estudi van avaluar el potencial de KChIP3 com a biomarcador per al pronòstic del càncer colorectal. Mitjançant l’estudi de conjunts de dades disponibles públicament que seguien l’evolució de pacients amb càncer colorectal, van descobrir que els nivells elevats de KChIP3 indicaven un període més llarg de supervivència lliure de malaltia, és a dir, el període de temps després de finalitzar el tractament primari d’un càncer en el qual el pacient sobreviu sense cap signe ni símptoma d’aquest càncer.

Segons el Dr. Espinosa, cal continuar treballant per desenvolupar el potencial de KChIP3 com a biomarcador pronòstic. «Un dels obstacles principals per buscar KChIP3 en entorns clínics és que no disposem dels anticossos necessaris per mesurar-ne els nivells. Per incloure aquest biomarcador en la pràctica rutinària es necessita investigar més per desenvolupar maneres de mesurar-lo en primera instància».

Els investigadors han estudiat altres mètodes per bloquejar la secreció de mucina sense recórrer a la manipulació genètica, com l’ús d’inhibidors químics. Un treball anterior del grup de recerca de Vivek Malhotra havia demostrat que els inhibidors que bloquegen la funció dels canals de sodi i calci, coneguts com a blocadors NCX, també inhibeixen la secreció de mucines.

Els investigadors van triar per als seus experiments un blocador NCX conegut com SN-6, que s’ha estudiat prèviament pel seu potencial en el tractament de les arrítmies cardíaques. Van provar l’SN-6 en organoides derivats de pacients i van descobrir que feia que les cèl·lules del càncer colorectal fossin 40 vegades més sensibles als fàrmacs quimioteràpics.

Segons el Dr. Gerard Cantero, que va desenvolupar aquest treball al CRG i ara és investigador principal al Vall d’Hebron Institut de Recerca (VHIR), els resultats posen de manifest una possible nova estratègia de tractament. «L’SN-6 és un inhibidor altament específic, que vol dir que és menys probable que produeixi efectes secundaris en comparació amb altres blocadors NCX. Vam descobrir que l’SN-6 inhibeix específicament la secreció de les mucines provocades per la quimioteràpia. Calen assajos clínics per confirmar les nostres troballes, però la combinació de l’SN-6 amb quimioteràpia és de gran interès per superar els efectes secundaris de la quimioteràpia».

Encara que aquest estudi va tractar el problema de les cèl·lules de càncer colorectal, l’enfocament podria beneficiar als pacients amb carcinomes mucinosos o adenocarcinomes en general. «La mucina es produeix en moltes parts del cos, no només al tracte digestiu. Nous estudis haurien d’explorar si els inhibidors poden influir en el tractament d’altres tipus de càncers resistents a la quimioteràpia que afecten una capa mucosa», conclou el Dr. Cantero.

Els resultats són fruit de la col·laboració entre el Centre de Regulació Genòmica (CRG) i l’Institut Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM) de Barcelona. L’estudi ha estat finançat pel Ministeri d’Economia i Competitivitat d’Espanya i l’Institut de Salut Carles III. Els organoides derivats de pacients han estat proporcionats per el MARBiobanc.