Chemotherapeutic mechanism of action of D-Alpha-tocopheryl polyethylene glycol succinate (TPGS) in breast cancer

Abstract

Ο καρκίνος του μαστού αποτελεί την πρώτη σε διάγνωση κακοήθεια στις γυναίκες στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ευρώπη. Οι συμβατικές χημειοθεραπευτικές ουσίες συχνά δεν δρουν επιλεκτικά ενάντια στα καρκινικά κύτταρα και προκαλούν τοξικές παρενέργειες. Επομένως υπάρχει αυξημένη ανάγκη για την ανακάλυψη νέων και εξειδικευμένων θεραπειών για αυτή την ασθένεια. Δεδομένα στη βιβλιογραφία αναφέρουν ότι οι ισομορφές της Βιταμίνης Ε μπορεί να χρησιμοποιηθούν στην θεραπεία διαφόρων τύπων καρκίνου. Η Βιταμίνη Ε υπάρχει στην φύση σε 8 ισομορφές: τις α-, β-, γ- και δ- τοκοφερόλες και τοκοτριενόλες. Επιπλέον, συνθετικά παράγωγα της Βιταμίνης Ε έχουν επιδείξει ενισχυμένες προ-αποπτωτικές ιδιότητες και αντικαρκινική δράση σε ογκογόνες κυτταροσειρές αλλά και σε ζωικά μοντέλα. Οι φυσικές ισομορφές και τα συνθετικά παράγωγα της Βιταμίνης Ε μπορούν να επάγουν αποπτωτικά μονοπάτια αλλά και να αναστέλλουν τον κυτταρικό κύκλο σε καρκινικά κύτταρα. Η απόπτωση ή προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος είναι μια αυστηρά ρυθμισμένη φυσιολογική διαδικασία που παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές λειτουργίες. Ανάλογα με την εμπλοκή των κασπάσεων στο αποπτωτικό μονοπάτι, ο προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος διακρίνεται σε κασπασο-εξαρτώμενο και κασπασο-ανεξάρτητο. Το D-alpha-tocopheryl polyethylene glycol succinate (TPGS) είναι ένα παράγωγο της Βιταμίνης Ε που έχει χρησιμοποιηθεί σε συστήματα μεταφοράς φαρμάκων ώστε να ενισχύσει την διαλυτότητα και να αυξήσει την βιοδιαθεσιμότητα τους. Πρόσφατα έχει αναφερθεί ότι το TPGS μπορεί να λειτουργεί σαν αντικαρκινικός παράγοντας, δρώντας συνεργιστικά ή ενισχύοντας την δράση αντικαρκινικών φαρμάκων. Στην παρούσα εργασία, διερευνήσαμε τις αντικαρκινικές ιδιότητες και το μοριακό μηχανισμό δράσης του TPGS σε καρκινικές σειρές του μαστού. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι το TPGS μπορεί να επάγει αναστολή του κυτταρικού κύκλου στη φάση G1/S και να προκαλέσει απόπτωση σε καρκινικές σειρές του μαστού (MCF-7 και MDA-MB-231) αλλά όχι σε «φυσιολογικές», αθανατοποιημένες σειρές (MCF-10A και MCF-12F). Διερεύνηση του μηχανισμού δράσης του TPGS αποκάλυψε ότι η αναστολή του κυτταρικού κύκλου στη φάση G1/S σχετίζεται με την αύξηση στα επίπεδα των P21 και P27Kip1 πρωτεϊνών. Επαγωγή της απόπτωσης από το TPGS εμπλέκει την αναστολή της phospho-AKT και την μείωση των επιπέδων των αντι-αποπτωτικών πρωτεϊνών Survivin και Bcl-2. Τα αποτελέσματα μας δείχνουν επίσης ότι το TPGS προκαλεί τόσο κασπασο-εξαρτώμενο και κασπασο-ανεξάρτητο κυτταρικό θάνατο και ότι είναι επιλεκτικά κυτταροτοξικό σε καρκινικές σειρές του μαστού. Συγκριτικά με τον αναστολέα της Survivin YM155, το TPGS ήταν πιο επιλεκτικό για την αναστολή της αύξησης καρκινικών κυττάρων. Συνολικά τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το TPGS δεν είναι χρήσιμο μόνο ως ένα μόριο μεταφορέας φαρμάκων, αλλά επίσης επιδεικνύει αντικαρκινικές ιδιότητες. Βάση του μηχανισμού δράσης του TPGS όπως προτείνεται από την παρούσα εργασία, ο συνδυασμός του με άλλα χημειοθεραπευτικά φάρμακα μπορεί να ενισχύσει τη δράση τους και να οδηγήσει σε συνεργιστικές αλληλεπιδράσεις.

Breast cancer is the most frequently diagnosed cancer among women in the United States and Europe. Conventional chemotherapeutic agents generally do not distinguish between tumor and normal cells and often cause toxic side effects. Therefore, there is great need for the discovery of novel effective and specific therapeutic agents for this disease. Emerging evidence suggests that vitamin E isoforms may be useful in the treatment of several types of cancer. Vitamin E exists in nature as a group of 8 isoforms: α-, β-, γ-, and δ- tocopherols and α-, β-, γ-, and δ- tocotrienols. In addition, synthetic derivatives of natural Vitamin E have shown enhanced pro-apoptotic potency and anticancer action in tumorigenic cell lines and animal models. Vitamin E natural isoforms and synthetic derivatives have been found to induce pathways of apoptosis in cancer cells. Apoptosis or Programmed Cell Death (PCD) is a tightly regulated physiological cellular function that plays a critical role in various processes. Based on the implication of Caspases in the apoptotic cascade, programmed cell death can also be characterized as caspase-dependent or caspase-independent. D-alpha-tocopheryl polyethylene glycol succinate (TPGS) is a vitamin E derivative that has been intensively applied as a vehicle for drug delivery systems to enhance drug solubility and increase the oral bioavailability of anti-cancer drugs. Recently, it has been reported that TPGS acts as an anti-cancer agent alone or synergistically with chemotherapeutic drugs and increases the efficacy of nanoparticle formulations. In this study, we investigated the antitumor efficacy and the molecular mechanism of action of TPGS in breast cancer cell lines. Our results show that TPGS can induce G1/S cell cycle arrest and apoptosis in breast cancer cell lines (MCF-7 and MDA-MB-231) but not in “normal” (non-tumorigenic) immortalized cells (MCF-10A and MCF-12F). An investigation of the molecular mechanism of action of TPGS reveals that induction of G1/S phase cell cycle arrest is associated with up-regulation of P21 and P27Kip1 proteins. Induction of apoptosis by TPGS involves the inhibition of phospho-AKT and the down-regulation of the anti-apoptotic proteins Survivin and Bcl-2. Interestingly, our results also suggest that TPGS induces both caspase -dependent and -independent apoptotic signaling pathways and that this vitamin E derivative is selectively cytotoxic in breast cancer cell lines. When compared to the Survivin inhibitor YM155, TPGS was shown to be more selective for cancer cell growth inhibition. Overall our results show that TPGS in addition to being useful as a carrier molecule for drug delivery, it exerts intrinsic cancer therapeutic effects, suggesting that it may promote a synergistic interaction with formulated chemotherapeutic drugs.