Gliomas são tumores do sistema nervoso central caracterizados por alta invasibilidade e mortalidade. Inúmeros esforços foram feitos nas últimas décadas para melhorar a sobrevida dos pacientes, porém o último marco no tratamento se deu pela implementação da temozolomida (TMZ) combinada a ressecção cirúrgica e a radioterapia (RTX) em 2005. O projeto do atlas do genoma humano do câncer (TCGA) sequenciou tumores de mais de 500 pacientes com diagnóstico de glioblastoma (GBM) e categorizou os tumores em quatro subtipos moleculares, baseados na expressão, mutações e deleções de genes. Essas alterações genéticas já foram correlacionadas à melhora na sobrevida e à sensibilidade a terapia, porém, até o momento estudos prospectivos falham em direcionar o tratamento dos pacientes baseados nas características moleculares. Em busca de melhorar o entendimento sobre a correlação entre a sensibilidade a terapia in vitro e características genotípicas e fenotípicas, nós realizamos culturas primárias de células derivadas de tumores do sistema nervoso central de 23 pacientes (24 biopsias diferentes). As células foram crescidas em DMEM/F12 suplementado com soro fetal bovino e expostas aos tratamentos em doses e tempos semelhantes aos encontrados na clínica. Foram realizadas análises de viabilidade celular sete dias após o início do tratamento para 11 culturas primárias, ou as culturas foram tratadas por cinco dias em combinação, ou não, com RTX (sem RTX: 16 culturas; com RTX: 9 culturas) seguidos de sete dias em meio livre de droga, ao fim dos quais as células remanescentes foram contadas. A radioterapia e fármacos que agem sobre o citoesqueleto (vincristina, vimblastina, paclitaxel e mebendazole) sozinhos foram os tratamentos mais eficientes em reduzir a população celular. Uma segunda rodada de tratamento com TMZ, paclitaxel e a combinação de procarbazina, CCNU e vincristina (PCV) sugere que a resistência não é estável, e sucessivas exposições ao mesmo, ou a um fármaco diferente, podem ter seus efeitos somados na diminuição do crescimento populacional ou na massa tumoral final. Ao administrar PCV e paclitaxel nas células em cultura observamos um aumento nos níveis de autofagia que correlaciona com o declínio da população. Combinações desses fármacos com concentrações plasmáticas de um bloqueador da autofagia (cloroquina) não são capazes alterar o crescimento populacional. Resultados de análises do banco disponibilizado pelo TCGA mostram que alguns pacientes não apresentam aumento na sobrevida após tratamento com TMZ, e que essa falha no tratamento correlaciona com a baixa expressão de alguns genes nos seus tumores, por exemplo, aqueles com baixa expressão de FGFR3 e AKT2. As culturas primárias e linhagens celulares com menor expressão desses genes foram sensíveis in vitro a combinação de TMZ com dois fármacos que agem sobre o citoesqueleto: vimblastina e mebendazole (TVM). Essa associação retarda o crescimento de linhagens e culturas primárias resistentes a TMZ, além de induzir parada no ciclo celular, senescência e aumento da expressão de Notch3. Devido a falha na terapia padrão, ao baixo custo e aos resultados promissores essa associação de TVM poderia ser testada em pacientes cujos tumores apresentam baixos níveis de AKT2 e FGFR3. / Gliomas are tumors of the central nervous system with high invasiveness and mortality. Efforts have been done in last decades to improve patients overall survival, but the last treatment gain was given by the introduction of temozolomide (TMZ) combined with surgical resection and radiotherapy (RTX), in 2005. The cancer genome atlas (TCGA) consortion sequenced tumors from 500 patients with glioblastoma diagnosis and clustered tumors into four molecular subtypes, based on gene expression, mutations and deletions. Theses genetic alterations are associated with improved overal survival and sensitivity to therapy, but up to date, prospective studies have failed to address patients’ treatment based on molecular characteristics. In order to better understand the correlation among sensitivity in vitro and genotypic and phenotypic characteristics, we performed patient-derived cell cultures of central nervous system tumors from 23 patients (24 biopsies). Cells were grown in DMEM/F12 supplemented with fetal bovine serum and treated at doses and times similars to those administered in patients. Cell viability analyses were performed seven days after start of treatment for 11 cultures or cultures were treated for five days plus RTX (without RTX: in 16 cultures; with RTX: in 9 cultures) followed by seven day in drug-free medium, at the end, the remaining amount of cells were counted. RTX and drugs acting on cytoskeleton (vincristine, vinblastine, paclitaxel and mebendazole) alone were the most efficient treatments to reduce the population. A second round of treatment with TMZ, paclitaxel and the combination of procarbazine, CCNU and vincristine (PCV) suggests that the resistance is not stable, and repeated exposures to the same, or to another drug, could have additional effects in population or tumor mass reduction. PCV and paclitaxel treated cells showed an increase in autophagy levels correlated with reduction in population. Combining these drugs with plasmatic concentrations of an autophagy inhibitor (chloroquine) did not change population growth. Results from TCGA databank showed that some patients did not benefit in overal survival after TMZ treatment and this correlates with expression of some genes, for example, those harboring tumors with FGFR3 and AKT2 low expression. Patient-derived cultures and cell lines with low expression of these genes were sensitive in vitro to the combination of TMZ with two drugs that act on cytoskeleton: vinblastine and mebendazole (TVM). This association slowed the growth of patient-derived and cell lines tolerant to TMZ, besides inducing cell cycle arrest, senescence and increased Notch3 expression. In the case of failure of standard therapy, low cost and promising results, TVM association could be tested in patients harboring FGFR3Low/AKT2Low tumors.

Introdução: A complexidade das populações de células do sistema imunológico infiltrando tumores humanos com seus efeitos sinérgicos ou antagônicos pode influenciar os tumores de forma diferente. Embora as células do sistema imunológico sejam encontradas dentro do sítio tumoral, a razão para incapacidade do sistema imunológico em eliminar o tumor foram pouco elucidadas. Objetivo: Avaliar a importância das diferentes populações de células no sistema imunológico presentes no microambiente tumoral de glioblastoma e seus efeitos sobre as demais células em relação ao prognóstico dos pacientes. Metodologia: Foram utilizados dados de transcriptoma e dados clínicos gerados pelo The Cancer Genome Atlas (TCGA) e meta-assinaturas representando diferentes células do sistema imunológico previamente descritas. A relação entre as meta-assinaturas foi avaliada através de análises de mapa de calor e correlação de Pearson. As análises de sobrevida foram realizadas através de gráficos de Kaplan-Meier das meta-assinaturas individualmente, com dois e três elementos. Resultados e Discussão: Assinaturas transcricionais de diversas populações do sistema imunológico com papel imunossupressor foram encontradas infiltrando tumores de pacientes com glioblastoma, tais como macrófagos, células NK e NK T, MDSCs e Tregs e correlacionaram com um pior prognóstico dos pacientes. As meta-assinaturas T CD8+ e CD4+ não foram capazes de predizer o prognóstico dos pacientes sozinhas. No entanto, na ausência de elementos de imunossupressão, os pacientes com alta expressão da meta-assinatura de células T CD8+ mostraram melhor sobrevida em relação aos demais. Observamos uma divisão das meta-assinaturas em 4 conjuntos distintos, sendo um deles formado por Macrófagos, MDSCs e Tregs demonstrando pior prognóstico e outro cluster contendo CD4 e CD8 conferindo um melhor prognóstico, ambos quando altamente expressos. Esses resultados não se repetiram para gliomas de grau II e III. Conclusão: Se considerarmos as assinaturas transcricionais dos diferentes aspectos da resposta imunológica de forma integrada, teremos um impacto preditivo sobre a sobrevivência com papel positivo para a meta-assinatura referente a linfócitos CD8 e negativos para as meta-assinaturas de macrófagos, MDSC, Tregs, NK e NK T em pacientes com glioblastoma pacientes. A compreensão acerca desses diversos fatores reguladores e estimuladores do sistema imunológico no paciente, bem como no microambiente tumoral, é essencial para delinear uma estratégia eficaz com o objetivo de aumentar a resposta imune antitumoral e gerar benefícios clínicos reais. / Introduction: The complexity of immune cell populations infiltrating human tumors with their synergistic or antagonistic effects may influence tumors differently. Although immune cells are found within the tumor site, the reason for the incapacity of the immune system in eliminating the tumor has hardly been elucidated. Objective: To evaluate the importance of different immune cell populations present in the glioblastoma tumor microenvironment and its effects on the other immune cells. Methodology: Transcriptome and clinical data were generated by The Cancer Genome Atlas (TCGA) and meta-signatures representing different cells of the immune system previously described were used. The relationship between meta-signatures was evaluated through heat-map analysis and Pearson's correlation. Survival analysis were performed through Kaplan-Meier plots of meta-signatures individually, with two and with three elements. Results and discussion: Infiltrating immune cells with immunosuppressive role were found in patients with glioblastoma, such as macrophages, NK and NK T cells, MDSCs and Tregs, and were correlated with poorer prognosis of patients. The CD8 + and CD4 + T meta-signatures were not able to predict patients’ prognosis alone. However, in the absence of immunosuppressive elements, patients with higher levels of CD8 + T-cell meta-signatures showed better survival than the opposite expression profile. We observed a division of meta-signatures into four clusters. The cluster consisting of macrophages, MDSCs and Tregs demonstrated the worst prognosis and the cluster containing CD4 and CD8 conferred the best prognosis, when both meta-signatures were highly expressed. These results were not reproduced for grade II and III gliomas. Conclusion: If we consider the transcriptional signatures of the different response immunological aspects in an integrated way, they will have a predictive impact on survival with positive role for CD8 and negative roles for macrophages, MDSC, Tregs, NK and NK T meta-signatures in glioblastoma patients. Understanding these regulatory factors and stimulators of the patients' immune system, as well as the tumor microenvironment, is essential to delineate an effective strategy to increase the anti-tumor immune response and generate real clinical benefits.

Os tumores cerebrais primários mais comuns são os gliomas. Os gliomas representam 31% de todos os tumores cerebrais diagnosticados nos Estados Unidos sendo 81% destes tumores malignos. O glioblastoma (GBM) é o tumor mais comum entre os gliomas, sua taxa de incidência varia de 0,59 a 3,69 a cada 100.000 pessoas, dependendo da idade e do país. A ecto-5’-nucleotidase regula os níveis extracelulares de AMP e adenosina, a qual tem sido amplamente descrita como fator indutor de proliferação celular. Estudos demonstraram que a atividade da enzima ecto-5’-nucleotidase foi aumentada em linhagens de células de glioma, quando comparada aos astrócitos. Também, o tratamento com 1 μM de APCP, um inibidor competitivo da ecto-5'-nucleotidase, causou uma redução significativa de 30% na proliferação das células de glioma. Através de estudos de modelagem molecular foi possível planejar três compostos com perfil farmacológico adaptado para o tratamento do glioblastoma. As moléculas LaSOM 281, LaSOM 282 e LaSOM 287, apresentaram um baixo risco toxicológico, capacidade de atravessar a barreira hematoencefálica e afinidade ao alvo pela predição realizada. Os compostos planejados foram sintetizados com bom rendimento e grau de pureza. No entanto os testes de atividade enzimática realizados para a enzima ecto-5’-nucleotidase das células de glioma, mostraram que os três compostos sintetizados não apresentaram ação inibitória, possivelmente por sua pouca solubilidade em meio aquoso. / The most common primary brain tumors are gliomas. Gliomas represent 31% of all brain tumors diagnosed in the United States and 81% of these tumors are malignant. Glioblastoma (GBM) is the most common tumor among gliomas, with an incidence rate ranging from 0.59 to 3.69 per 100,000 people, depending on the age and country. The ecto-5'-nucleotidase regulates the extracellular levels of AMP and adenosine, which has been widely described as a cell proliferation inducing factor. Studies have shown that the activity of the enzyme ecto-5'-nucleotidase was increased in glioma cell lines when compared to astrocytes. Also, treatment with 1 μM APCP, a competitive inhibitor of ecto-5'-nucleotidase, caused a significant 30% reduction in glioma cell proliferation. Through molecular modeling studies it was possible to plan three compounds with pharmacological profile adapted for the treatment of glioblastoma. The molecules LaSOM 281, LaSOM 282 and LaSOM 287 showed a low toxicological risk, ability to cross the blood brain barrier and affinity to the target by the prediction. The planned compounds were synthesized in good yield and purity. However, the enzymatic activity tests performed for the ecto-5'-nucleotidase enzyme of glioma cells showed that the three compounds did not present an inhibitory action, possibly due to their low solubility in aqueous medium.

Autofagia é um processo de degradação fisiológico aumentado em diferentes condições de estresse, em que proteínas e organelas não funcionais são direcionadas ao lisossomo, onde são degradadas e os produtos da degradação reutilizados pela célula. Senescência é o processo em que as células param de dividir e entram em um estado de parada celular irreversível. Os dois processos, autofagia e senescência, podem ser induzidos na presença de dano no DNA, porém a maquinaria molecular que realiza a intermediação neste processo ainda é incerta. Temozolomida (TMZ) é um agente alquilante, usado para tratar pacientes com Glioblastoma, que induz dano no DNA. Lesões produzidas por TMZ ativam a resposta ao dano no DNA (DDR), uma sinalização complexa que medeia as respostas celulares, tais como a dinâmica do ciclo celular, autofagia, senescência e morte celular, ao dano genotóxico. Dada a importância desses mecanismos, esse trabalho objetiva avaliar o impacto da inibição da cinase Ataxia Telangiectasia mutada dependente de Rad3 (ATR), reguladora chave da DDR, na proliferação, autofagia e senescência em células de glioblastoma tratadas com TMZ. Para tal, nós utilizamos um inibidor farmacológico para ATR (VE-821), bem como shRNA para ATR com vetor lentiviral em células U87. A inibição farmacológica da proteína ATR não alterou o estado autofágico e de senescência em comparação com as células tratadas somente com TMZ. Esses resultados foram obtidos usando o método Laranja de Acridina (AO) e a ferramenta de Análise Morfométrica Nuclear (NMA). Na ausência de uma sinalização dependente de ATR, obtida pelas células shATR tratadas com TMZ, também não observamos alteração significativa em relação a esses processos. No entanto, nós observamos um acúmulo da proteína SQSTM1/p62, substrato da autofagia, nas células silenciadas para ATR. Esta alteração não se refletiu em aumento de foci intracelulares da proteína SQSTM1/p62. Em conclusão, ATR não parece participar diretamente da ativação da Autofagia e da Senescência induzidas por TMZ. / Autophagy is a catabolic process, that shows increased levels in stressful situations, whereby dysfunctional proteins and organelles are engulfed and targeted to lysosomes for degradation and recycled back to the cell. Senescence is the process by which cells stop dividing and enter a state of growth arrest. Both processes, autophagy and senescence, can be induced by DNA damage, however, the molecular machinery that mediates this process is still uncertain. Temozolomide (TMZ) is an alkylating agent, used to treat patients with Glioblastoma, that drives DNA damage. Lesions produced by TMZ activate the DNA damage response (DDR), a complex signalling pathway, that mediates cellular outcomes such as cell cycle distribution, autophagy, senescence and cellular death, to genotoxic damage. Given the importance of such mechanisms, this work aims to evaluate the impact of inhibiting the Ataxia telangiectasia and Rad3 related (ATR) kinase, key regulator of the DDR, on cellular proliferation, autophagy and senescence, on Glioblastoma (GBM) cells treated with TMZ. In order to do that, we used a pharmacological inhibitor for ATR (VE-821) as well as shRNA to ATR, in U87 cells using lentiviral vectors. The pharmacological inhibition of ATR did not alter the autophagic or senescence status in comparison with the cells treated with TMZ only. Such results were obtained by Acridine Orange (AO) assessment and Nuclear Morphometric Analysis (NMA) tool. In the absence of an ATR dependent signalling, assessed through shATR cells treated with TMZ, no significant alteration in relation to such processes was seen. However, we observed an accumulation of the SQSTM1/p62 protein, a selective autophagy substrate, on cells silenced for ATR. This accumulation did not reflect in increased intracellular foci formation of SQSTM1/p62 protein. In conclusion, ATR doesn't seem to play a direct role in the Autophagy and Senescence induced by TMZ.

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Apesar dos progressos na compreensão da biologia dos Glioblastomas (GBM), poucos avanços terapêuticos foram obtidos, desde que a Temozolomida (TMZ) foi implementada, em 2005, como quimioterápico padrão no tratamento de GBMs. Uma das justificativas para o insucesso de novas terapias, pode estar relacionada com a condução equivocada dos experimentos in vitro, que utilizam doses exorbitantes dos fármacos e curtos períodos de tempo para avaliar sua eficácia terapêutica, não refletindo a realidade clínica da doença. Desta forma, o objetivo deste trabalho é caracterizar in vitro os efeitos da TMZ, mimetizando parâmetros clínicos, como dose plasmática e regime de tratamento em pacientes, e investigar possíveis fármacos de ação adjuvante à TMZ. Primeiramente, uma nova metodologia de análise de ensaios de proliferação celular a longo prazo foi proposta, a fim de quantificar os efeitos antitumorais crônicos de diferentes intervenções in vitro e in vivo. Em seguida, foram confirmados os principais mecanismos agudos desencadeados por TMZ e constatou-se a conservação do seu efeito antitumoral até uma semana após o fim do período de exposição ao fármaco. Apesar disso, em todas células de GBM testadas, houve a manutenção de subpopulações sobreviventes que readquiriram sua capacidade proliferativa, dentro do período de 28 dias. Aplicando a nova metodologia proposta, constatou-se que nenhum mecanismo ou ensaio utilizado neste trabalho foi capaz de predizer o comportamento proliferativo das células sobreviventes, mostrando a importância da análise crônica in vitro para avaliar a eficácia terapêutica de um tratamento. Então, o potencial adjuvante de Vimblastina (VBL) e Mebendazole (MBZ) foi testado e ambos causaram redução inicial na população, seguida de um recrescimento das células sobreviventes. Quando combinadas com TMZ, viu-se um completo bloqueio na proliferação durante todo o período analisado, menos em U138 e C6, que apresentaram efeitos semelhantes à utilização isolada de VBL ou MBZ. Já a combinação de MBZ, TMZ e VBL (MTV) reduziu consideravelmente a proliferação de C6 e U138, em 28 dias de análise. Portanto, a análise da proliferação celular in vitro a longo prazo, através desta nova abordagem proposta, parece ser uma forma mais adequada de investigar a eficácia terapêutica novos regimes de tratamento, e as combinações entre TMZ, VBL e MBZ parecem representar uma estratégia terapêutica promissora de ser testada em ensaios in vivo, como nova sugestão de tratamento para este tipo tumoral. / Despite the progress in understanding the biology of glioblastoma (GBM), little therapeutic improvements has been achieved, since the Temozolomide (TMZ) was implemented in 2005 as a standard chemotherapeutic agent in the treatment of GBMs. One of the reasons for the failure of new therapies may be related to the mistaken conduct of in vitro experiments, using exorbitant doses of drugs and short periods of time to evaluate their therapeutic efficacy, not matching the clinical reality of the disease. Thus, the objective of this study is to characterize the in vitro effects of TMZ, mimicking clinical parameters, such as plasma concentration and the drug schedule regimen in patients, in addition to investigate a possible adjuvant drug to combine with TMZ. First, a new method to analyze long-term in vitro and in vivo outcomes was proposed in order to quantify the antitumor effects of different interventions. Then, the major acute mechanisms triggered by TMZ were confirmed and its antitumor effects were preserved until one week after the end of drug exposure period. Nevertheless, all tested GBM cells maintained a survival subpopulation after TMZ treatment that recovered it proliferative capacity within 28 days. Through the new proposed methodology, it was concluded that none tested mechanism or assay in this work was able to predict the proliferative behavior of the surviving cells, showing the importance of in vitro chronic analysis to evaluate the therapeutic effectiveness of a treatment. After, Vinblastine (VBL) and Mebendazole (MBZ) were tested as a potential adjuvant drug to be used in combination with TMZ and both presented a strong initial decrease in the proliferation, followed by a regrowth of the surviving subpopulation. However, when combined with TMZ, they caused a complete blockade in cell proliferation along the analyzed period (60 days), except in U138 and C6 cell lines, which exhibited similar decrease when VBL or MBZ were used alone. Next, MBZ, TMZ and VBL (MTV) were combined in a single treatment to be tested in C6 and U138 and the cell proliferation was significantly decreased in 28 days for both GBM cell lines. Therefore, analyzing the chronic effects using this new analytical approach seems to be a more suitable way to investigate the therapeutic effectiveness of a new treatment regimen and the combination of TMZ, VBL and MBZ appear to represent a promising therapeutic strategy to be in vivo tested, as new suggestion treatment for this tumor type.

Gliomas malignos compreendem o subtipo mais comum e devastador de tumores primários do sistema nervoso central (SNC), sendo o Glioblastoma Multiforme (GBM) a forma mais agressiva e mortífera. Pacientes com este tipo de tumor apresentam um prognóstico de sobrevida que não ultrapassa os 18 meses, após o diagnóstico. Isso é decorrente do fato de que os GBMs possuem elevada resistência aos tratamentos de quimio e radioterapia, além de serem altamente infiltrativos e neurologicamente destrutivos. Um importante fator que contribui para essa resistência é a superexpressão da proteína XIAP (X-linked Inhibitor of Apoptosis), o mais potente inibidor de apoptose da família das IAPs. Este atua inibindo diretamente a ativação das Caspases 3, 7 e 9. P53 é considerada uma das mais potentes proteínas supressoras tumorais, uma vez que esta atua como reguladora central em diversas vias de sinalização de mecanismos celulares distintos, como a via de controle do ciclo celular, reparo ao DNA, apoptose, senescência, autofagia, entre outras. Isto justifica o fato de p53 estar frequentemente mutada, nos mais variados tipos de cânceres. Portanto, o objetivo do presente trabalho foi estudar os efeitos resultantes da interação entre a superexpressão da proteína supressora tumoral p53 e o silenciamento da proteína anti-apoptótica XIAP na proliferação, na sobrevivência de GBMs. Quando p53 foi superexpressa (P+) na linhagem de glioma U87 silenciada para XIAP (Xi), através de RNAi, a taxa de proliferação celular reduziu significativamente em relação às células com as intervenções isoladas (U87Xi e U87wtP+) ou em relação ao controle selvagem U87wt, ao longo de dez dias. O ensaio de citotoxicidade LDH revelou um aumento na desestabilização da membrana citoplasmática nas células com a manipulação gênica combinada (U87XiP+) em relação os controles U87Xi e U87wtP+. O ensaio com AnexinaV/PI demonstrou uma elevação na marcação de células U87XiP+ com os dois marcadores, indicando uma maior indução de morte celular em relação aos controles. Além disso, como consequência da modulação combinada de p53 e XIAP, os níveis das proteínas pró-apoptóticas Bax e PUMA aumentaram tanto na linhagem U87wt, quanto na linhagem U87Xi, ao superexpressar p53. Além disso, os níveis de p21 e da proteína anti-apoptótica Bcl-xL foram reduzidos na linhagem U87Xi em relação ao controle U87wt. Outra constatação importante foi o aumento dos níveis de caspase-3 na linhagem U87Xi em relação ao controle U87wt e um aumento ainda maior nas células com a intervenção combinada (U87XiP+). Todos estes dados convergem para o fato de que a combinação do silenciamento de XIAP e superexpressão de p53 é mais efetiva na redução da proliferação e indução de morte na linhagem de glioma U87, do que as manipulações gênicas realizadas de forma isoladas, além de sugerir uma possível via de integração entre XIAP e p53, tendo como ponto de conexão o controle dos níveis citoplasmáticos da proteína p21 tanto por p53, quanto por XIAP, mostrando que a modulação combinada de proteínas da via apoptótica é capaz de potencializar os efeitos produzidos pelas intervenções de forma isoladas, representando uma nova e promissora estratégia no desenvolvimento de novas terapias para o tratamento de Gliomas.

Thesis (Ph.D.)--Kent State University, 2008. / Title from PDF t.p. (viewed Sept. 28, 2009). Advisor: Saikh Jaharul Haque. Keywords: GBM; Differentiation; Myc; Stat3; GFAP. Includes bibliographical references (p. 153-189).

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