A high-throughput screening system to identify modulators of cancer stem cells and improve chemotherapy sensitization

Tese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2018Over the last decades, cancer has become a major public health concern worldwide with an estimate of approximately 18 million new cancer cases and 9.6 million deaths from cancer in 2018. In fact, cancer is expected to be the leading cause of death in every country in the 21st century. The overall ageing of the world population is a key risk factor, although several other factors including the economic development and associated life style play an important role in disease incidence. Cancer stem cells (CSCs) are a subset of cancer cells within the tumour niche. They are characterized not only by long-lasting properties but also by the ability to resist to conventional anti-cancer therapies. In fact, conventional anti-cancer therapies that affect the tumor bulk, apart from their generalized cytotoxic activity, are ineffective in CSCs in the long-term. Therefore, the identification of CSCs as tumour initiating cells offers the possibility of CSC targeted therapies, which may lead to tumour differentiation and eventually its complete eradication. This project aimed to optimize and validate a novel screening platform that allows the identification of compounds that target CSCs, by inducing either CSC differentiation or elimination. We were able to establish a high-throughput screening (HTS) system to find molecules that selectively target CSCs through the use of human colon cancer HT-29-derived tumourspheres in 96-well plates subjected to metabolism-based viability assays. By using this particular screening platform, we pursued our studies by further investigating hit compound 307 as an anti-CSC agent that impacts on tumoursphere formation, and significantly reduces tumoursphere size and stemness-associated gene expression. Moreover, analysis of protein steady-state and mRNA levels indicate that 307 also increases the differentiation process. Finally, given the relevance of CSCs in tumour recurrence, the potential of combined therapy of 307 and conventional chemotherapeutics was also investigated. Interestingly, 307 did not enhance chemotherapeutic sensitivity but, in combination with FOLFIRI, decreased the size of tumourspheres in a synergistic manner, suggesting a potential role in repressing tumour self-renewal. Altogether, these results not only offer a novel HTS platform to test a wide range of candidate compounds to target CSCs, but also allowed the identification of a hit molecule. Future work should further characterise precise molecular mechanism of action and prioritise hit-to-lead development studies in medicinal chemistry.Ao longo das últimas décadas, o combate contra o cancro tornou-se um problema universal de saúde pública estimando-se que surjam cerca de 18 milhões de novos casos em 2018 e 9.6 milhões de mortes associadas a esta doença. O envelhecimento geral da população tem sido identificado como o principal impulsionador para o aparecimento desta patologia, ainda que outros fatores tenham também um papel importante na incidência da doença, incluindo o grau de desenvolvimento económico e o estilo de vida. As células estaminais cancerígenas (CSCs) constituem uma sub-população celular da massa tumoral. Estas células caracterizam-se, não só pela sua longevidade, mas também pela capacidade de resistência às terapias convencionais anticancerígenas. Na verdade, as terapias tradicionais que afetam a massa tumoral, para além da sua elevada toxicidade, são muitas vezes ineficientes a longo prazo, conduzindo frequentemente a recidivas. Assim, a identificação das CSCs como células tumorigenicamente mais agressivas oferece a possibilidade de aplicação de terapias inovadoras, mais direcionadas às CSCs, com o objetivo de induzir diferenciação tumoral e, subsequentemente, completa eliminação do tumor. Este projeto teve como objetivo geral otimizar e validar uma plataforma de screening em larga escala que permita a identificação de compostos seletivos para as CSCs, quer por indução de diferenciação, quer por eliminação. Os resultados deste trabalho permitiram estabelecer um modelo eficaz de triagem de alto rendimento para a identificação de moléculas seletivas para as CSCs através do uso de esferas tumorais derivadas de células humanas de cancro do cólon HT-29 em placas de 96 poços e de ensaios de viabilidade baseados no metabolismo celular. Por outro lado, a utilização desta plataforma de triagem permitiu a identificação de um composto de interesse, a molécula 307, como agente anti-CSCs, o qual influenciou a formação de esferas tumorais, reduzindo significativamente o seu tamanho e a expressão de genes associados a propriedades estaminais. Além disso, a análise dos níveis de proteína e de mRNA pareceram também indicar um aumento do processo de diferenciação das esferas tumorais pelo composto 307. Por fim, tendo em conta a relevância das CSCs na recorrência tumoral, foi também investigado o seu potencial uso como sensibilizador de agentes quimioterapêuticos convencionais. Curiosamente, o 307 não aumentou a sensibilidade à morte celular induzida por estes compostos, mas em combinação com o FOLFIRI, diminuiu sinergicamente o tamanho das esferas tumorais, sugerindo um potencial papel desta molécula na inibição da autor-regeneração tumoral. Em suma, estes resultados demonstraram o potencial de uma nova plataforma de triagem de alto rendimento para a identificação de moléculas anti-tumorais que tenham como alvo as CSCs e permitiram a identificação de uma molécula direcionada para CSCs. Trabalhos futuros deverão caracterizar mais detalhadamente o mecanismo molecular de ação deste composto e dar prioridade ao desenvolvimento de estudos hit-to-lead de química medicinal.The work presented in this thesis was developed at the Research Institute for Medicines (iMed.ULisboa), Faculty of Pharmacy, Universidade de Lisboa and received funding support from Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), and from European Structural and Investment Funds through the COMPETE Program from National Funds through FCT (SAICTPAC/0019/2015)