Background. Myocardial hypertrophy is a risk factor for cardiovascular morbidity and mortality. Independent of underlying disease, the cardiac muscle strives in different ways to compensate for an increased workload. This remodelling of the heart includes changes in the extracellular matrix which will affect systolic and diastolic cardiac function. Furthermore, signal transduction, molecular diffusion and microcirculation will be affected in the hypertrophic process. One important extracellular component is the glycosaminoglycan hyaluronan. It has been shown to play a major role in other conditions that feature cellular growth and proliferation, such as wound healing and malignancies. The aim of this thesis was to investigate hyaluronan and its role in both an experimental rat model of cardiac hypertrophy as well as in cultured mouse cardiomyocytes and fibroblasts. Methods. Cardiac hypertrophy was induced in rats by aortic ligation. Hyaluronan concentration was measured and expression of genes coding for hyaluronan synthases were quantified after 1, 6 and 42 days after operation, in cardiac tissue from the left ventricular wall. Localization of hyaluronan and its receptor CD44 was studied histochemically. Hyaluronan synthesis was correlated to gene transcription using microarray gene expression analysis. Cultures of cardiomyocytes and fibroblasts were stimulated with growth factors. Hyaluronan concentration was measured and expression of genes coding for hyaluronan synthases were detected. Hyaluronan size was measured and crosstalk between cardiomyocytes and fibroblasts was investigated. Results. Increased concentration of hyaluronan in hypertrophied cardiac tissue was observed together with an up-regulation of two hyaluronan synthase genes. Hyaluronan was detected in the myocardium and in the adventitia of cardiac arteries whereas CD44 staining was mainly found in and around the adventitia. Hyaluronan synthesis correlated to the expression of genes, regulated by transcription factors known to initiate cardiac hypertrophy. Stimulation of cardiomyocytes by PDGF-BB induced synthesis of hyaluronan. Cardiomyocytes also secreted a factor into culture media that after transfer to fibroblasts initiated an increased synthesis of hyaluronan. When stimulated with hyaluronan of different sizes, a change in cardiomyocyte gene expression was observed. Different growth factors induced production of different sizes of hyaluronan in fibroblasts. The main synthase detected was hyaluronan synthase-2. Cardiomyocytes were also shown to secrete microvesicles containing both DNA and RNA. Isolated microvesicles incubated with fibroblasts were observed by confocal microscopy to be internalized into fibroblasts. Altered gene expression was observed in microvesicle stimulated fibroblasts. Conclusion. This study shows that increased hyaluronan synthesis in cardiac tissue during hypertrophic development is a part of the extracellular matrix remodelling. Cell cultures revealed the ability of cardiomyocytes to both synthesize hyaluronan and to convey signals to fibroblasts, causing them to increase hyaluronan synthesis. Cardiomyocytes are likely to express receptors for hyaluronan, which mediate intracellular signalling causing the observed altered gene expression in cardiomyocytes stimulated with hyaluronan. This demonstrates the extensive involvement of hyaluronan in cardiac hypertrophy.

Ο καρκίνος του παχέος εντέρου αποτελεί αναμφισβήτητα ένα παγκόσμιο πρόβλημα, όντας η δεύτερη αιτία θανάτου από καρκίνο. Τα γεγονότα που οδηγούν σε καρκίνο του παχέος εντέρου ακολουθούν στις περισσότερες περιπτώσεις συγκεκριμένη αλληλουχία. Έτσι, ξεκινώντας από υπερπλαστικό επιθήλιο, εξελίσσεται σε αδένωμα/δυσπλασία, σε ενδοεπιθηλιακή νεοπλασία και καταλήγει σε καρκίνο. Κατά την εξέλιξη σε καρκίνο σημαντικές αλλαγές λαμβάνουν χώρα στη σύσταση και οργάνωση του εξωκυττάριου χώρου του εντερικού τοιχώματος. Για το λόγο αυτό απαιτείται μελέτη του μεταβολισμού των εξωκυττάριων μακρομοριακών συστατικών, με στόχο την κατανόηση και διασαφήνιση της διηθητικής και μεταστατικής συμπεριφοράς των κακοήθων νεοπλασιών του παχέος εντέρου. Στην παρούσα εργασία κρίθηκε χρήσιμη η μελέτη των ενζύμων μεταβολισμού του υαλουρονικού οξέος (ΗΑ), συστατικό του εξωκυττάριου χώρου που φαίνεται να εμπλέκεται στο μηχανισμό της ανάπτυξης του όγκου, της διείσδυσης των καρκινικών κυττάρων και στη διάδοση των μεταστάσεων. Για τον παραπάνω λόγο μελετήθηκε η δραστικότητα των υαλουρονιδασών (Hyals) με ζυμογράφημα-ΗΑ, σε εκχυλίσματα ιστών και σε ορούς, και των συνθασών του ΗΑ (HAS-1, HAS-2) καθώς και του υποδοχέα του ΗΑ, CD44, με RT-PCR ανάλυση. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από το ζυμογράφημα-ΗΑ σε εκχυλίσματα ιστών συναινούν σε αυξημένη δραστικότητα των Hyals σε καρκινικά σε σύγκριση με τα μακροσκοπικώς φυσιολογικά δείγματα στην πλειονότητα των σταδίων, ενώ και οι δύο δραστικότητες είναι σημαντικά αυξημένες σε σχέση με τα δείγματα υγιών ιστών. Όσον αφορά τα δείγματα ορών, τα επίπεδα των Hyals φαίνεται να μειώνονται αισθητά 7 ημέρες μετεγχειρητικά σε σχέση με την ημέρα πριν την εγχείρηση, ενώ 1, 3 και 6 μήνες μετά εμφανίζεται και πάλι σταδιακή αύξηση των επιπέδων τους. Σε γονιδιακό επίπεδο, τα επίπεδα της HAS-1, HAS-2 και του CD44 εμφανίζονται αυξημένα στα καρκινικά δείγματα έναντι των μακροσκοπικώς φυσιολογικών. / Colon cancer is indisputably a great problem, being the second cause of death by cancer. The facts that lead to colon cancer have certain concatenation. Thereby, starting most of the times as hyperplastic epithelium, it develops to endoepithelium adenoma, and it finally leads to cancer. During this development important changes happen at the constitution and organization of the extracellular matrix of the intestinal tract. For this purpose, study of the metabolism of the extracellular matrix constituents is required, so as to understand the metastatic behaviour of the malignant tumors of colon cancer. The present study focuses on the metabolism enzymes of hyaluronic acid (HA), a constituent of the extracellular matrix that seems to be involved in the tumor growth mechanism, the infiltration of the cancerous cells and metastasis. Particularly, hyaluronidases (Hyals) activity (HA-zymography) and hyaluronan synthases (HAS-1, HAS-2) as well as hyaluronan receptors (CD44) expression (RT-PCR analysis) are studied at this study. The results of the study show increased Hyals levels in cancerous samples compared to the macroscopically normal ones, in all anatomic sites of colon examined, while both activities remain significantly increased compared to healthy samples.. as far as it concerns Hyals levels in sera, they seem to decrease perceptibly 7 days postoperatively, while 1, 3 and 6 months afterwards gradually increased to reach the amount preoperatively. In gene level, HAS-1, HAS-2 and CD44 expression levels were increased in cancerous samples compared to the macroscopically normal ones.

Οι καρκίνοι του γαστρεντερικού συστήματος είναι από τους πιο συνηθισμένους τύπους καρκίνου στον αναπτυγμένο κόσμο. Ο καρκίνος του παχέος εντέρου είναι εκείνος με τη μεγαλύτερη συχνότητα εμφάνισης, αλλά αντιμετωπίζεται με αρκετά καλή πρόγνωση. Αντίθετα, ο καρκίνος του παγκρέατος είναι εκείνος με τη χειρότερη πρόγνωση και πολλές φορές δεν αντιμετωπίζεται. Τα τελευταία χρόνια αναπτύσσεται εκτεταμένη έρευνα στα εξωκυττάρια μακρομόρια των καρκινικών ιστών και στο ρόλο τους στην ανάπτυξη και εξέλιξη του καρκίνου, όπως επίσης και στις δυνατότητες επηρεασμού των παραγόντων αυτών φαρμακευτικά. Η παρούσα Διατριβή έχει δύο στόχους, ο πρώτος σχετίζεται με τη μελέτη των εξωκυττάριων πρωτεογλυκανών στον καρκίνο του παγκρέατος και ο δεύτερος με τη μελέτη του μεταβολισμού του υαλουρονικού οξέος στον καρκίνο του παχέος εντέρου μέσω της μελέτης των βιοσυνθετικών και καταβολικών του ενζύμων. Ο πρώτος στόχος διερευνήθηκε με συνδυασμό βιοχημικών και ανοσοϊστοχημικών τεχνικών, από τα αποτελέσματα των οποίων διαπιστώθηκε ότι μόνο δύο πρωτεογλυκανικά μόρια ανευρίσκονται στο παγκρεατικό καρκίνωμα, η versican και η decorin. Και οι δύο πρωτεογλυκάνες εντοπίστηκαν στο στρώμα και απουσίαζαν πλήρως από τα καρκινικά κύτταρα, γεγονός που υποστηρίζει ότι παράγονται από τις ινοβλάστες του στρώματος. Ήταν σημαντική η αύξηση των ποσοτήτων των δύο πρωτεογλυκανών στο παγκρεατικό καρκίνωμα, σε σχέση με το φυσιολογικό πάγκρεας και μεγάλη η διαφορά που εμφάνιζαν μεταξύ τους. Η versican αυξήθηκε 27 φορές και η decorin 7 φορές, σε σχέση με το φυσιολογικό πάγκρεας. Η μεγαλύτερη αύξηση της versican σχετίζεται με τις ιδιότητες της πρωτεογλυκάνης, τόσο δομικές, ενυδατικές, χωροπληρωτικές, όσο και λειτουργικές, εφ’ όσον πρόκειται για πολυλειτουργικό μόριο. Επί πλέον, η versican συμβάλλει στην κατακόρυφη αύξηση του κυτταρικού πολλαπλασιασμού, ενώ παράλληλα συμβάλλει και στις αντι-προσκολλητικές ιδιότητες των κυττάρων, παρέχοντας τη δυνατότητα για υπέρμετρη, και πολλές φορές ανεξέλεκτη, κυτταρική ανάπτυξη σε τοπικό επίπεδο. Το γεγονός της χαμηλότερης αύξησης της συγκέντρωσης της decorin, σε σχέση με εκείνη της versican, θα μπορούσε να αποτελεί ένα μέτρο της επιθετικότητας του καρκίνου ή ακόμα, ένα μέτρο της κακοήθειας. Η αύξηση των πρωτεογλυκανών συνοδευόταν από σημαντικότατες αλλαγές στη βιοχημική δομή τους σε επίπεδο υδροδυναμικού μεγέθους, βαθμού και προτύπου θείωσης, όπως επίσης και επιμερίωσης του γλυκουρονικού σε ιδουρονικό. Οι αλλαγές αυτές θα μπορούσε να οφείλονται σε πολλαπλές αλλοιώσεις των βιοσυνθετικών μονοπατιών τους. Ο δεύτερος στόχος διερευνήθηκε με συνδυασμό ενζυμολογικών, ανοσοενζυμικών και μοριακών τεχνικών, από τα αποτελέσματα των οποίων διαπιστώθηκε σε όλα τα δείγματα η παρουσία των ισομορφών υαλουρονιδάσης Hyal1 και ΡΗ20, και σε πολλαπλές μορφές, αλλά και των Hyal2 και Hyal3, όμως μόνο σε προχωρημένο στάδιο, ως επίσης και η παρουσία των τριών συνθασών του υαλουρονικού. Παρατηρήθηκε σημαντική μεταβολή της έκφρασης με το καρκινικό στάδιο. Η Hyal1 εκφραζόταν σε πολύ χαμηλά επίπεδα σε μακροσκοπικώς φυσιολογικά δείγματα παχέος εντέρου με καρκίνο σταδίου Α, όμως η έκφρασή της ήταν πάνω από δέκα φορές μεγαλύτερη στα αντίστοιχα καρκινικά, υποστηρίζοντας ότι η Hyal1 παράγεται από τα καρκινικά κύτταρα. Το γεγονός ότι η έκφραση της Hyal1 στα καρκινικά δείγματα εμφάνιζε σταδιο-εξαρτώμενη μείωση, σε συνδυασμό με το δεδομένο ότι η δράση της οδηγεί στην παραγωγή αγγειογενετικών θραυσμάτων υαλουρονικού, έρχεται σε συμφωνία με το δεδομένο ότι η διαδικασία της αγγειογένεσης απαιτείται κυρίως στα αρχικά στάδια της καρκινικής εξαλλαγής. Από την άλλη πλευρά, η ΡΗ20 εμφάνιζε υψηλότερη έκφραση, σε σχέση με την Hyal1, στα μακροσκοπικώς φυσιολογικά δείγματα σταδίου Α, η οποία όμως αυξανόταν τέσσερις φορές στα αντίστοιχα καρκινικά, υποδεικνύοντας και τη δική της συμμετοχή στη 10 διαδικασία της αγγειογένεσης. Στα επόμενα στάδια υπήρχε μεν αύξηση στην έκφραση της ΡΗ20, αυτή όμως ήταν μικρή, και πιθανόν να λειτουργεί με σκοπό την ακόμα μεγαλύτερη αποικοδόμηση του υαλουρονικού ώστε να χαλαρώσει η δομή του εξωκυττάριου χώρου και να δοθεί η δυνατότητα ανάπτυξης του καρκίνου ή μετάστασης των καρκινικών κυττάρων. Παράλληλα, διαπιστώθηκε μικρή αύξηση της έκφρασης της ΡΗ20 στα μακροσκοπικώς φυσιολογικά δείγματα σταδίου Β και πολύ μεγαλύτερη σε εκείνα σταδίου C. Από τον έλεγχο της έκφρασης των συνθασών του υαλουρονικού διαπιστώθηκε ότι υπάρχει σημαντική σταδιο-εξαρτώμενη αύξηση της HAS1, η οποία οδηγεί στη βιοσύνθεση υαλουρονικού μεγάλου μοριακού μεγέθους, υποστηρίζοντας ότι ο καρκίνος συντονίζει την παραγωγή υαλουρονικού με μέγεθος τέτοιο που, σύμφωνα με τις χωροπληρωτικές και ενυδατικές του ιδιότητες, μπορεί να βοηθήσει την ενυδάτωση του εξωκυττάριου χώρου και την κυτταρική ανάπτυξη. Από την άλλη πλευρά, η HAS2 εμφάνιζε μικρή σταδιο-εξαρτώμενη αύξηση, μόνο στα καρκινικά δείγματα, η οποία μπορεί να οδηγήσει στη βιοσύνθεση μεγαλομοριακού υαλουρονικού, που απαιτείται για τη σωστή και οργανωμένη ανάπτυξη του καρκινικού όγκου. Τέλος, η HAS3 εμφάνιζε μικρή σταδιο-εξαρτώμενη μείωση, υποδηλώνοντας ότι η παρουσία της είναι απαραίτητη σε σχεδόν σταθερό βαθμό για την ανάπτυξη και εξέλιξη του καρκίνου και τούτο γιατί το προϊόν της είναι μικρότερου μοριακού μεγέθους σε σχέση με τις υπόλοιπες συνθάσες. Αυτό εξ άλλου υποστηρίζεται και από το γεγονός ότι η HAS3 εμφανίζει τη μεγαλύτερη έκφραση σε σχέση με τις άλλες συνθάσες σε δείγματα σταδίου Α, στάδιο που είναι κρίσιμο για την αγγειογένεση και την υποβοήθηση της διατροφής των καρκινικών κυττάρων. Συμπερασματικά, γίνεται φανερό ότι τα καρκινικά κύτταρα συνδυάζουν πολλούς μηχανισμούς για την ανάπτυξη, τη διήθηση και την επέκταση του καρκίνου και τα εξωκυττάρια μακρομόρια μπορεί να έχουν κομβικό ρόλο σ’ αυτούς. Οι μηχανισμοί αυτοί, όπως μελετήθηκαν στην παρούσα διατριβή, είναι: ελεγχόμενη αύξηση της συγκέντρωσης των πρωτεογλυκανών versican και decorin, εξειδικευμένες τροποποιήσεις στη βιοχημική δομή των γλυκοζαμινογλυκανών, ελεγχόμενη έκφραση των βιοσυνθετικών και καταβολικών ενζύμων του υαλουρονικού. Όλες αυτές οι μεταβολές συντονίζονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να εξυπηρετήσουν τις απαιτήσεις του καρκίνου είτε στο επίπεδο της αγγειογένεσης είτε στο επίπεδο της οργάνωσης του εξωκυττάριου χώρου. Οι μελλοντικές μελέτες θα πρέπει να προσανατολιστούν ακόμα περισσότερο στη συσχέτιση χημικής δομής και λειτουργικότητας των αλυσίδων θειικής χονδροϊτίνης/δερματάνης, ώστε να γίνουν πλήρως αντιληπτοί οι ρόλοι αυτών των μακρομορίων, όπως επίσης στους ρυθμιστικούς μηχανισμούς που ελέγχουν την έκφραση των ενζύμων του μεταβολισμού του υαλουρονικού, με απώτερο στόχο την ειδικότερη και πληρέστερη φαρμακευτική αντιμετώπιση του καρκίνου. / Cancers of gastrointestinal tract are the most common type of cancers in developed world. Colorectal cancer has the highest incidence, however it is treated with rather good prognosis. On the other hand, pancreatic cancer has very bad prognosis and in most cases it cannot be treated. The last years extended research focused to the extracellular macromolecules of cancer, their role in cancer progression and their possible use as drug targets. The present Thesis aimed to study the extracellular proteoglycans structure in pancreatic cancer and the hyaluronan metabolism in colorectal cancer. The first was investigated by using a combination of biochemical and immunohistochemical techniques, and from their results it was found that two extracellular proteoglycans were present in pancreatic carcinoma, versican and decorin. Both proteoglycans were detected in the stroma and were absent from cancer cells, suggesting their biosynthesis from normal fibroblasts. In addition, their amounts were highly increased in pancreatic carcinoma, as compared with normal pancreas. Their increase in cancer was disproportional. Versican was increased 27 times and decorin 7 times, as compared with normal pancreas. Versican increase is related to its structural, hydration and space-filling properties, as well as to its function, since it is a multifunctional macromolecule. Versican enhances cell proliferation, and together with its anti-adhesive properties, allows mainly uncontrolled cellular growth locally. The lower increase of decorin, as compared with that of versican, could explain aggressiveness and malignancy of pancreatic cancer. Proteoglycans increase was followed by extensive alterations in their biochemical structure, namely, hydrodynamic size, sulphation pattern, and epimerization of glucuronate to iduronate. These should be attributed to multiple alterations of their biosynthetic pathways. The second was investigated by using a combination of enzymatic, immunoenzymatic and molecular techniques, and from their results it was found that multiple forms of Hyal1 and PH20 were present in all samples, as well as all hyaluronan synthases (HASs). Hyal2 and Hyal3 were present in some samples of advanced stage of cancer. Changes in expression with cancer stage were observed. Hyal1 expressed in low levels in apparently macroscopically normal parts of stage A samples, and its expression was 10 times greater in the respective cancerous. This finding suggested that Hyal1 is produced from cancer cells. Hyal1 expresssion showed a stage-related decrease and since its activity results to hyaluronan fragments of angiogenetic size, it could be concluded that Hyal1 is required at early stage of cancer. PH20 expressed in a higher rate than Hyal1 in apparently macroscopically normal parts of stage A samples, and its expression was 4 times greater in the respective cancerous, suggesting its participation in angiogenesis. In advanced stages, PH20 expression was slightly increased, suggesting its participation in extracellular matrix disorganization to permit cancer growth and progression, as well as metastasis. This was also observed in apparently macroscopically normal parts of samples of advanced stages. From the examination of the expression of the various HASs, a great and stage-related increase of HAS1 was found. This enzyme is responsible for the biosynthesis of hyaluronan of very high molecular size and thus it could be suggested that cancer regulates hyaluronan biosynthesis in such a way to fulfill cancer requirements in matrix hydration. HAS2 expression was also increased in a stage-related order only in cancerous samples, but the increase was lower than that of HAS1. This enzyme is responsible for the biosynthesis of hyaluronan of high molecular size which might be required for well-organized cancer growth. HAS3 expression was slightly decreased in a stage-related order, suggesting that its presence is stably required for the correct cancer growth and progression, since its biosynthetic product is of lower hydrodynamic size, as compared with that of HAS1 and 12 HAS2. Moreover, HAS3 expression was higher than that of both other HASs in samples of stage A, a stage very critical for angiogenesis. From the results obtained, it could be concluded that cancer cells combine a variety of multiple mechanisms for cancer growth, progression and invasion, and that extracellular macromolecules might play a very critical role. The mechanisms, as studied in the present Thesis, are: selective and highly regulated increase of the proteoglycans versican and decorin, selective modifications of glycosaminoglycans biochemical structure, selective and highly regulated expression of biosynthetic and catabolic enzymes related to hyaluronan. All these changes coordinate to fulfill cancer requirements for either angiogenesis or extracellular matrix organization, depending on its stage. Future studies will be oriented to chondroitin/dermatan sulphate structure/function relationship for better understanding of the role of these macromolecules in cancer, and of the regulatory mechanisms implicated in the expression of the enzymes involved in hyaluronan metabolism, aiming at the cancer treatment.