Molecular mechanisms and relevance of angiogenesis induced by low-dose ionizing radiation

• Author(s): Simões, Joana Sofia de Sousa
• Date: 2011
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/7787
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Bioquímica Médica; Teses de mestrado - 2011
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Constantino, Susana; Afonso, Carla Sofia Fernandes do Amaral Real, 1976-
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado em Bioquímica (Bioquímica Médica), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011

A radioterapia é usada no tratamento de tumores malignos caracterizados por um crescimento descontrolado e capacidade de invadir tecidos adjacentes e metastizar. Todavia, observações clínicas e experimentais sugerem que a radiação ionizante (RI) pode aumentar a agressividade do tumor e a metastização. Contrariamente ao que se pensou durante muito tempo, a progressão tumoral durante ou após a radioterapia não resulta necessariamente do desenvolvimento de células tumorais resistentes. Diferentes estudos identificam os mecanismos pelos quais a RI activa alvos celulares, contribuindo de forma significativa para a invasão e metastização. As doses de RI que causam estes efeitos são administradas diariamente, em pequenas fracções, até que a dose potencialmente curativa seja acumulada no interior da área a tratar, com o objectivo de minimizar o dano provocado nos tecidos saudáveis. Para além disso, a administração em baixas doses e a distribuição homogénea das curvas de isodose em radioterapia de feixe externo contribuem para que existam ainda menores doses de RI fora da área a tratar. Recentemente foi demonstrado que baixas doses de RI, (menor ou igual a 0.8 Gy), unicamente presentes nos tecidos que rodeiam a área tumoral, induzem angiogénese e, consequentemente, promovem o crescimento tumoral e o aparecimento de metástases. Durante este estudo, procurámos identificar os mecanismos moleculares pelos quais baixas doses de RI induzem uma resposta pró‐angiogénica e avaliar a sua contribuição na progressão tumoral. Os nossos resultados mostram que, quer in vitro, quer in vivo, baixas doses de RI induzem a expressão de factores pro‐angiogénicos, como por exemplo o receptor 1 e 2 do factor de crescimento de endotélio vascular (VEGF), Angiopoietin‐2, Cyr61, FGF2, TGFβ2, mas modulam também a expressão e localização subcelular de proteínas do citoesqueleto e envolvidas na migração celular, como a vinculina e a paxilina. Usando peixes zebra, mostramos igualmente que baixas doses de RI induzem angiogénese e consequentemente aceleram o desenvolvimento de larvas. Finalmente, e utilizando como modelo peixes zebra com a mutação p53 BRAFV600E, estudámos o efeito de baixas doses de RI no desenvolvimento do melanoma. Os resultados obtidos sugerem que as baixas doses de RI aceleram o desenvolvimento de melanoma e modulam a agressividade do tumor, sendo os melanomas em peixes zebra expostos a radiação mais invasivos do que os desenvolvidos em animais não irradiados. Os resultados obtidos contribuem para uma melhor compreensão do potencial pró‐metastático da RI, levando a progressos significativos no conhecimento desta área e sendo da maior importância para a optimização do actuais protocolos de radioterapia.

Radiotherapy is a protocol of choice for the treatment of malignant tumors. However, there is evidence suggesting that ionizing radiation (IR) may enhance tumor aggressiveness and promote metastasis. Contrary to what we thought before, tumor progression during or after radiotherapy is not necessarily due to the appearance of resistant tumor cells. Different studies show the mechanisms by which IR activates cellular targets potentially contributing to invasion and metastasis. Doses of IR causing such stimulating effects are classically delivered inside the tumor target volume in daily small fractions; in order to limit the damage to healthy tissues and until a potentially curative dose has accumulated inside the tumor volume. Furthermore, the delivery in small fractions and the isodose distribution of external beam radiotherapy result in even lower doses of IR outside the tumor target volume. It was demonstrated that low doses of IR (ranging from zero to 0.8 Gy), only present on the surrounding tumor target, can enhance angiogenesis and consequently promote tumor growth and metastasis. We investigated the molecular mechanisms by which low‐dose IR induces a pro‐angiogenic response and its contribution to tumor progression. We show in vitro and in vivo that exposure to low doses of IR up‐regulate the expression of angiogenic factors, such as vascular endothelial growth factor (VEGF) receptor 1 and 2, Angiopoietin‐2, CYR61, FGF2, TGFβ2, as well as the expression and subcellular localization of proteins implicated in the cytoskeleton, like paxillin and vinculin. We also demonstrate that low doses of IR accelerate angiogenesis and consequently zebrafish larvae development. Finally, we used a p53 mutated BRAFV600E zebrafish model to study low‐dose IR effects on tumor development. Our results suggest that low doses of IR accelerate melanoma development, enhancing its invasive capacity. Taken together, the results obtained provide new contributions to understand the potential pro‐metastatic effect of IR, leading to significant breakthroughs, advancing the state of the art in the field and being of utmost importance to improve current radiotherapy protocols.