Unravelling the pivotal metabolic pathways of malignant gliomas

Abstract

RESUMO:Glioblastomas (GBM) são o subtipo tumoral mais frequente do sistema nervoso central. Apesar das opções terapêuticas actuais e inespecíficas, os GBM são caracterizados pela sua elevada morbidade e mortalidade. Posto isto, é necessário desenvolver terapias mais eficazes. Neste contexto, o metabolismo de tumores é um alvo atraente para novas terapias. O metabolismo tumoral permite que o tumor progrida, nas mais diversas condições, sendo o resultado da interação entre diversos factores, nomeadamente o tecido de origem e o microambiente tumoral. Compostos como glucose, glutamina, glutamata e acetoacetato, essenciais ao normal funcionamento do cérebro, são interessantes no contexto de GBM. O objetivo desta tese é revelar as principais vias metabólicas de GBM. Para o atingir, estudámos a influência da disponibilidade dos diferentes nutrientes sobre as características celulares de GBM, o seu metabolismo e a expressão de genes metabólicos importantes. Para tal, foram utilizadas como modelos in vitro de GBM as linhas celulares U-251 e U-87. Os nossos resultados revelaram que a glucose e a glutamina mostram ter um papel central no fenótipo em ambas linhas celulares. Em linha com isto, nós observámos que a proliferação celular apenas aumentou na presença de glucose. No entanto, apenas glucose não é suficiente sendo também necessário a presença de glutamina ou glutamato, sugerindo papéis complementares na proliferação celular. Para além disso, mostramos que a capacidade migratória de células de GBM é promovida pela glucose e glutamina. A nível metabólico, a metabolómica, baseada em NMR, revelou que o metabolismo é suficiente para distinguir as duas linhas celulares. Além disto, enquanto as amostras de U-87 não agruparam de acordo com nutriente específico, revelando plasticidade metabólica reduzida, o metabolismo das células U-251 foi afetado pela presença glucose ou glutamina. Curiosamente, em amostras com glucose encontrámos metabolitos aumentados, como a alanina, glicina, e acetato, que podem explicar o aumento da proliferação e migração. Além disto, a análise à expressão genética revelou que as principais vias desreguladas, de ambas as linhas celulares, estão envolvidas no metabolismo da glucose e glutamina. Isto mostra que as adaptam-se à biodisponibildade do composto orgânico Este estudo revela que as duas linhas celulares são distintas ao nível de malignidade e de metabolismo, sublinhando assim a heterogeneidade existente entre subtipos tumorais. Os nossos resultados demonstram um possível papel da via dos fosfatos de pentose e do metabolismo de um carbono nestes tumores. Apesar de serem específicos à linha celular, as nossas observações destacam as características individuais e detalhes metabólicos que podem ser importantes no tratamento de GBM, num contexto de medicina personalizada.

ABSTRACT:Glioblastomas (GBM) are the most frequent tumor sub-type in the central nervous system. Despite current and unspecific therapy options, GBM are still characterized by high morbidity and mortality. As such, there is a need to develop new therapies. In recent years, cancer metabolism as grown as an attractive target for the design of new therapies. Cancer metabolism and metabolic remodeling are important mechanisms that allow tumors to grow and progress, even in unfavorable conditions. Cancer metabolism is a result of important factors that include selective pressures from the microenvironment and the tissue of origin. Thus, the setting in which the tumor develops is important. Due to their origin, the metabolism of important metabolites for the physiological brain function are interesting in the context of GBM. These compounds include glucose, glutamine, glutamate and acetoacetate. The objective of this thesis is to disclose the main metabolic pathways of GBM. To achieve our aim, we studied if the bioavailability of glucose, glutamine, glutamate and acetoacetate influenced the characteristics of GBM cells, their metabolism and the expression of important genes in the metabolism of the previous organic compounds. Therefore, an in vitro study was developed using two GBM cell lines, U-251 and U-87. Our results revealed that glucose and glutamine appear to have a central role in the GBM cells. We found that proliferation only increased when glucose was available. However, it was not enough since glutamine or glutamate were also required, suggesting complementary roles, to sustain cellular proliferation. Furthermore, we also show that the migratory capacity of GBM cells is promoted by glucose and glutamine. At the metabolic level, NMR-based metabolomics revealed that cellular metabolism was sufficient to distinguish between cell lines. Furthermore, while U-87 samples did not cluster according to a particular nutrient, revealing reduced metabolic plasticity, the metabolism of U-251 cells was specifically affected by the presence of glucose or glutamine. In glucose-containing samples we found important metabolites, such as alanine, glycine, and acetate to be increased, which might underlie the increase in proliferation and migratory rates. Furthermore, gene expression analysis revealed that the main deregulated pathways are involved with the metabolism of glucose and glutamine, in both cells. This observation reinforces the ability of cells to adjust to the bioavailability of organic compounds. This study revealed that both cell lines are distinct in terms of malignancy and metabolism, highlighting the heterogeneity in tumor sub-types. In addition, the pentose phosphate pathway and the one carbon metabolism appeared to have an important role in these tumors. Although cell line-specific, our results underscore, in the context of personalized medicine, that specific individual traits and metabolic details can be important for the treatment of GBM.