Rol de Hemo oxigenasa 1 (HO-1) en la progresión ósea del cáncer de próstata

Abstract

El cáncer de próstata (CaP) es el segundo tipo de cáncer másfrecuentemente diagnosticado en hombres. En estadíos avanzados laenfermedad puede diseminarse siendo el hueso el principal sitio de metástasis.Este no es un evento aleatorio, sino que se generan loops regulatorios de retroalimentación entre las células de CaP y las células del microambiente de lametástasis, interrumpiendo la homeostasis del hueso. El hueso es un tejidodinámico que se somete a una remodelación mediada por el balance deosteoblastos y osteoclastos. La disrupción de este equilibrio por la presencia decélulas tumorales convierte el nicho óseo normal en un nicho tumoral ometastásico.Como en otras malignidades la generación de daño oxidativo amacromoléculas y componentes celulares, y el proceso inflamatorio asociado,promueven la carcinogénesis prostática y su progresión. Se ha demostrado quelas células óseas producen factores que aumentan el crecimiento y sobrevida delas células tumorales y que esta interacción, a su vez, favorece la progresiónmetastásica. Sin embargo, la naturaleza molecular de dicha interacción aún nose conoce completamente y existen pocos modelo experimentales apropiadospara estudiar dicha interacción.La inducción de Hemo oxigenasa 1 (HO-1) surge como un proceso dedefensa celular fundamental frente a estímulos de estrés e inflamatorios.Previamente demostramos que HO-1 cumple funciones críticas antitumorales enla carcinogénesis prostática.Nuestra hipótesis se basa en que HO-1 modifica el microambientetumoral modulando la expresión de factores inflamatorios y angiogénicosalterando la interacción entre la célula prostática y la ósea.Los objetivos de este trabajo de tesis fueron: evaluar el impacto fisiológicoin vivo de la carencia de HO-1 en el metabolismo óseo de ratones Knock-out(KO) para Hmox-1 (gen de HO-1); determinar el perfil transcripcional de genesinvolucrados tanto en la tumorigénesis como en la remodelación ósea en unsistema de co-cultivo donde células de CaP compartían el medio con cultivosprimarios de osteoblastos de ratón (PMOs) aislados de ratones BALB/c Hmox-1+/+, +/- o -/-; o en co-cultivo con células precursoras de osteoblastos (MC3T3) uosteoclastos (Raw264.7). También analizamos mediante proteómica el5secretoma en los medios condicionados del co-cultivo de células de CaP conprecursores óseos.El análisis histomorfométrico de los fémures de ratones transgénicos paraHmox-1 reveló una disminución de la densidad ósea concomitante con la pérdidade copias de este gen. En línea con esto se observó un menor número y actividadde osteoblastos y osteoclastos, indicando un metabolismo óseo disminuido. Seobservó una correlación entre los niveles de expresión de Hmox-1 y diferentesgenes implicados en la diferenciación de osteoblastos o en la regulación de lafisiología ósea como Runx2, Col1a1, Csf-1 y Opg, coincidiendo no solo con elmenor número y actividad de osteoblastos, sino también con la disminucióngeneral del metabolismo óseo antes mencionada.Mediante citometría de flujo se detectaron dos poblaciones de PMOs condiferentes niveles de ROS; la población con niveles altos estabasignificativamente reducida en los animales KO, demostrando que estas célulaspresentaban una tolerancia restringida al estrés oxidativo.En líneas generales, el co-cultivo con células PC3 derivó en un perfil deexpresión génica pro-osteolítico en las células óseas, el cual fue parcialmenterevertido cuando las células tumorales se encontraban pre-tratadas con Hemina,inductor farmacológico de HO-1. Entre los principales factores alterados seencuentran PTHrP, OPG, RANKL y RUNX2, todos ellos fuertemente implicadosen el proceso de remodelación ósea.En resumen, los niveles de HO-1 impactan sobre la expresión de factoresosteoblastogénicos y osteoclastogénicos, impactando en el balance óseo yalterando la comunicación entre las células del CaP y las células óseas.

Prostate cancer (PCa) is the second leading cause of cancer-associated death in men. Bone is the most common and frequently the unique site of PCa progression. This is not a random event, regulatory feedback loops are generated between PCa cells and the cells in the metastatic microenvironment, interrupting bone homeostasis. Similar to others malignances the oxidative stress damage in macromolecules and cellular components and the associated inflammatory process, promote prostate carcinogenesis and subsequent progression. It has been demonstrated that bone cells produce factors that increase the growth and survival of tumor cells, and this interaction in turn favors metastatic progression. However the molecular nature of this interaction is not yet fully known and there are scarce experimental models to study such interaction. Heme oxygenase 1 (HO-1) induction appears as an essential process for cellular defense against inflammatory and stressor stimuli. We have previously demonstrated that HO-1 plays a critical anti-tumoral role in PCa. Our hypothesis is that HO-1 modifies the tumor microenvironment modulating the expression of inflammatory and angiogenic factors, disrupting the bone and PCa cell interaction. The aims of this work were: 1) to evaluate in vivo the pathophysiologic implications of HO-1 absence in bone metabolism of Hmox-1 (HO-1 gene) Knock-out (KO) mice; 2) to determine the transcriptional profile of genes involved in tumorigenesis and bone turn over & remodeling, in a co-culture system in which PCa cells share the culture medium with primary mouse osteoblast (PMOs) isolated from BALB/c Hmox-1 +/+, +/- or -/- mice; or in co-culture with osteoblast (MC3T3) or osteoclasts (Raw264.7) precursor cell lines; 3) to assess the secretome of the conditioned medium of PCa and bone progenitor co-culture systems. The histomorphometric analysis of the Hmox-1 transgenic mice femurs showed significant bone density reduction concomitant with the Hmox-1 copy loss. A positive significant correlation was observed between Hmox-1 expression levels and different genes implicated in the osteoblast differentiation or in bone physiology regulation such as Runx2; Col1a1; Mcsf1 and Opg. Accordingly, lower number and activity of osteoblasts and general decrease in bone metabolism was observed under the same conditions. Flow cytometry analysis, revealed two PMOs populations with different ROS levels. The population with high levels were significantly reduced in KO animals, showing that these cells have a restricted tolerance to oxidative stress. In summary, co-culture systems of PCa cells with bone cells resulted in a proosteolytic gene expression in the bone cells, which was partially reversed when tumor cells were pre-treated with Hemin (HO-1 specific pharmacological inductor). Among the main altered factors are PTHrP, OPG, RANKL and RUNX2, all of them strongly involved in bone turnover. Altogether, HO-1 levels critically alters the expression of osteoblastic/osteoclastic factors, affecting bone balance and the communication between bone and prostate tumor cells.