Impact of energy metabolism, paraoxonase-1, and inflammation on cancer patient’s prognosis and response to treatment

Resumen

El cáncer es una de las principales causas de mortalidad a nivel mundial y supone un gran obstáculo para aumentar la esperanza y calidad de vida de los pacientes. A pesar de los grandes avances en el diagnóstico y el tratamiento del cáncer, su compleja heterogeneidad dificulta el manejo y la eficacia de los tratamientos oncológicos. De este modo, algunos pacientes se someten a tratamientos insuficientes o excesivos que conllevan peores resultados. El estudio y la caracterización de las bases moleculares del cáncer nos permiten una mayor compresión de su compleja naturaleza y la identificación de nuevas dianas terapéuticas que son claves para lograr una medicina personalizada. En este contexto, se han llevado a cabo diferentes líneas de investigación orientadas en el estudio de las alteraciones producidas por el cáncer en procesos clave para su supervivencia y desarrollo, como son el metabolismo energético, el estrés oxidativo y la inflamación. Por un lado, las células cancerígenas son capaces de reprogramar su metabolismo para abastecer sus necesidades energéticas y mantener su elevada tasa de proliferación. A su vez, estas alteraciones metabólicas conducen a un incremento del estrés oxidativo debido a la masiva liberación de especies reactivas de oxígeno generada durante los procesos metabólicos. Por ello, la presencia de enzimas endógenas antioxidantes como la paraoxonasa 1 (PON1) desempeñan un papel crucial para reducir el ambiente prooxidante generado por las células tumorales. Por otro lado, la inflamación juega un papel clave en el desarrollo y progresión del tumor mediante la secreción de citoquinas proinflamatorias y la liberación de especias reactivas de oxígeno por parte de algunas células inmunitarias como los macrófagos. Sin embargo, a pesar de todos estos hallazgos, pocos estudios se han centrado en investigar dichas alteraciones en pacientes con cáncer, y menos aún, las han asociado con las características clinicopatológicas de los pacientes, su pronóstico y respuesta al tratamiento, con el fin de identificar potenciales marcadores biológicos relacionados con la evolución de la enfermedad. Por consiguiente, el objetivo principal de la presente tesis es identificar las diferentes firmas circulatorias del cáncer y los efectos del tratamiento asociados con el metabolismo energético, la PON1 y la inflamación para 1) estratificar nuestra población con cáncer e 2) identificar posibles potenciales marcadores biológicos de pronóstico y de respuesta al tratamiento, mediante análisis multivariantes y algoritmos de aprendizaje automático acurados. Para abordar los objetivos propuestos, la presente tesis incluye 6 estudios: 1) una revisión sistemática y un metaanálisis de estudios de casos y controles y series de casos para evaluar la evidencia científica disponible en relación con las alteraciones producidas en las actividades de la PON1 en suero de pacientes con cáncer, siguiendo las directrices PRISMA y STARLITE; 2-6) estudios de cohortes humanas conformadas por pacientes con cáncer de pulmón (n=33), cáncer de cabeza y cuello (n=28), cáncer de recto (n=32) y cáncer de mama (n=237) para evaluar las alteraciones circulatorias en las variables relacionadas con el PON1 (estudios 2, 4 y 6), el perfil de lipoproteínas (estudio 2), metabolitos implicados en el metabolismo energético (estudios del 3 al 5), y el perfil inflamatorio (estudio 6) antes y después de la administración del tratamiento y asociar estas alteraciones con las características clínicopatológicas de los pacientes, su pronóstico y respuesta al tratamiento (estudios del 2 al 6). Para llevar cabo las determinaciones se recogieron muestras de suero y plasma de pacientes con cáncer antes y después de la administración del tratamiento (radioterapia y/o quimioterapia). Como grupo de control, se analizaron muestras suero y plasma de un grupo de voluntarios sanos sin presencia de cáncer ni comorbilidades. Todos los análisis se realizaron mediante: ensayos inmunoenzimáticos y análisis colorimétricos para determinar las variables relacionadas con la PON1 y los niveles de citoquinas proinflamatorias; resonancia magnética nuclear para determinar el perfil de lipoproteínas y cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas para llevar a cabo los análisis metabolómicos dirigidos sobre el metabolismo energético. Los análisis estadísticos se realizaron mediante enfoques univariantes y multivariantes para analizar variables individuales y múltiples relacionadas con los datos clínicos, bioquímicos y metabolómicos. Se emplearon también algoritmos de aprendizaje automático para la estratificación de los pacientes y la realización de predicciones acuradas. Las conclusiones más relevantes fueron: - La revisión sistemática y el metaanálisis de los estudios observacionales concluyó que existe una consistente asociación entre el cáncer y la disminución de las actividades séricas de la PON1. - Los pacientes con cáncer de pulmón, cabeza y cuello, recto y mama mostraron una concentración y actividad de PON1 en suero más bajas antes de recibir el tratamiento en comparación con los sujetos controles. La administración del tratamiento condujo a un aumento de la concentración de PON1 en todos los tipos de cáncer y a una disminución de la actividad de PON1 en pacientes con cáncer de pulmón, cabeza y cuello y mama. - Los pacientes con cáncer de pulmón y cabeza y cuello mostraron un perfil lipoproteico proaterogénico caracterizado por mayores concentraciones de triglicéridos en todas las fracciones lipoproteicas (VLDL, IDL, LDL y HDL). Sin embargo, estos resultados no se mantuvieron cuando se ajustaron por la edad y el sexo de los pacientes. Los pacientes con cáncer de pulmón, cabeza y cuello, recto y mama mostraron alteraciones significativas en las concentraciones de los metabolitos relacionados con el balance energético en circulación. Los análisis multivariantes revelaron un aumento de los niveles de glutamato antes del tratamiento en los pacientes con cáncer de pulmón y cabeza y cuello, una disminución de los niveles de alfa-cetoglutarato en los pacientes con cáncer de recto y una disminución de los niveles de serina, leucina e isoleucina en los pacientes con cáncer de mama en comparación con los controles. La administración del tratamiento se asoció con la normalización parcial de las concentraciones de los aminoácidos serina, leucina e isoleucina en los pacientes con cáncer de pulmón y mama. - Los algoritmos de aprendizaje automático identificaron el aumento de la interleuquina-4 antes del tratamiento y la disminución del recuento de linfocitos después del tratamiento, como las alteraciones inflamatorias que mejor discriminaban entre los pacientes con cáncer de mama y los sujetos control. - Bajas concentraciones séricas de PON1 antes del tratamiento se asociaron con la presencia de más de un ganglio afectado por el cáncer en los pacientes con cáncer de recto, mientras que altas concentraciones de PON1 antes del tratamiento se asociaron con la presencia de epitelitis y toxicidad pulmonar tras el tratamiento en los pacientes con cáncer de pulmón. Además, los pacientes con cáncer de cabeza y cuello con un tumor de estadio III presentaron altas actividades de PON1 antes del tratamiento. Por otra parte, una disminución en los niveles de fumarato y de amino ácidos esenciales de cadena ramificada pre-tratamiento se asoció con tumores más alejados del margen anal, mientras que los pacientes que presentaron una mayor toxicidad al tratamiento, mostraron altos niveles de alfa-cetoglutarato y beta-hidroxibutirato pretratamiento. Tras el tratamiento, el aumento de las concentraciones de amino ácidos esenciales de cadena ramificada se asoció con el subtipo molecular de cáncer de mama triple negativo. - Aquellos pacientes con cáncer de pulmón que respondieron completamente al tratamiento presentaron bajas concentraciones de PON1 pretratamiento, mientras que aquellos pacientes con el mismo tipo de cáncer que desarrollaron metástasis post-tratamiento, mostraban altas actividades de PON1 pretratamiento. Además, altos niveles de beta-hidroxibutirato antes del tratamiento en los pacientes con cáncer de pulmón se asoció con la aparición de metástasis después del tratamiento, mientras que el aumento de los niveles de glutamina en los pacientes con cáncer de cabeza y cuello y de succinato en los pacientes con cáncer de recto se asoció con una recaída local del tumor después de la administración completa del tratamiento. Además, tras el tratamiento, aquellos pacientes con cáncer de pulmón que presentaron altos niveles de glutamato y las pacientes con cáncer de mama que mostraron un alto recuento de neutrófilos tuvieron un peor pronóstico. No obstante, todos estos hallazgos relacionados con el pronóstico y la respuesta al tratamiento de los pacientes deberían validarse como posibles marcadores biológicos candidatos para el pronóstico y la respuesta predictiva al tratamiento en estudios de cohortes más amplios y con un seguimiento más largo. Finalmente, la conclusión general es que los pacientes con diferentes tipos de cáncer muestran diversas alteraciones circulatorias en las concentraciones de los metabolitos relacionados con el balance energético, las variables relacionadas con la PON1 y los parámetros inflamatorios en comparación con los controles. Algunas de estas alteraciones se relacionaron con las características clinicopatológicas, incluidas las características del tumor, permitiendo una mejor estratificación de los pacientes. La administración de tratamientos como la radioterapia y/o la quimioterapia, condujo a una normalización parcial de los niveles circulatorios de los metabolitos implicados en el equilibrio energético y en el metabolismo de los amino ácidos, mostrando concentraciones de metabolitos similares a las de los controles. Además, la administración de estos tratamientos se asoció con un aumento de la concentración de PON1 y con una marcada disminución de las actividades de PON1 y de los marcadores inflamatorios en comparación con los valores previos al tratamiento. Los análisis multivariantes y los algoritmos de aprendizaje automático proporcionaron información relevante sobre las alteraciones metabólicas producidas por el cáncer, así como también revelaron posibles potenciales marcadores biológicos útiles para estratificar los pacientes con cáncer según su pronóstico y respuesta al tratamiento. Sin embargo, se necesitarán más estudios para confirmar y validar estos hallazgos.