Breast carcinoma is the most commonly diagnosed cancer among women worldwide, with approximately 1 in 7 expected to be affected during her lifetime. The spread of breast cancer to secondary sites is generally incurable. Bone is the preferred site of metastasis, where the development of a secondary tumour causes severe osteolysis, hypercalcemia and a considerable pain burden. However, how breast cancer cells establish supportive interactions with bone cells is not well understood. We have examined the effects of factors released from MDA-MB-231 and 4T1 breast cancer cells on the differentiation of C57BL6 mouse bone marrow cells. Treatment with cancer-derived factors resulted in a sustained 40–60% decrease in osteoblast differentiation markers, and induced an osteoclastogenic change in the ratio of receptor activator of NF-κB ligand (RANKL) to osteoprotegerin (OPG). Importantly, exposure of bone cells to breast cancer-derived factors stimulated the subsequent attachment of cancer cells to immature osteoblasts. Inhibition of γ-secretase using pharmacological inhibitors DAPT and Compound E completely reversed cancer-induced osteoclastogenesis as well as cancer-induced enhancement of cancer cell attachment, identifying γ-secretase activity as a key mediator of these effects. We next evaluated the effects of breast cancer cells on the energy metabolism of bone cells. Treatment of bone marrow cells with conditioned medium from 4T1 breast cancer cells resulted in an increase in glucose consumption by bone cells, higher mitochondrial transmembrane potential, and a 2.3-fold rise in cellular ATP content. In addition, breast cancer derived factors stimulated the expression of mRNA and protein levels of metabolic sensor, AMP-regulated protein kinase (AMPK). To assess if such change in cell bioenergetics may have consequences for cell differentiation and activity, we used defined models of osteoclastogenesis, and increased precursor metabolic activity by providing excess energy substrates. We have found that an increase in mitochondrial transmembrane potential and cellular ATP levels during osteoclastogenesis resulted in the formation of larger osteoclasts that demonstrate higher resorptive activity. Thus, we have uncovered that osteoblasts act as a critical intermediate of premetastatic signalling by breast cancer cells, and pinpointed γ-secretase as a robust target for developing therapeutics potentially capable of reducing both the homing and progression of cancer metastases to bone. In addition, we have discovered heightened energetics in bone cells exposed to breast cancer cell-released factors, which may contribute to the formation of larger, more active osteoclasts. Modification of the AMPK pathway may prove an important therapeutic target for breast cancer metastasis to bone. / Le cancer du sein est le cancer plus diagnostiqué chez les femmes. On estime qu'environ une femme sur sept en sera affectée. La diffusion du cancer du sein aux emplacements secondaires est généralement incurable. L'os est l'emplacement préféré de la métastase, où le développement d'une tumeur secondaire cause de l'osteolyse, de l'hypercalcemie, et une douleur considérable. Cependant, comment les cellules de cancer du sein établissent des interactions supportifs avec des cellules d'os n'est pas bien compris. Nous avons examiné les effets des facteurs libérés des cellules du cancer du sein MDA-MB-231 et 4T1 sur la différentiation des cellules de moelle de la souris C57BL6. Le traitement avec des facteurs cancer-dérivés a produit une diminution de 40-60% des marqueurs de différentiation d'osteoblast, comparé au traitement par l'acide ascorbique, et a induit un changement osteoclastogenique dans le rapport du RANKL/osteoprotegerin. L'exposition des cellules d'os à des facteurs dérivés du cancer du sein a ensuite stimulé l'attachement des cellules cancéreuses aux osteoblasts non mûrs. L'inhibition du γ-secretase utilisant les inhibiteurs pharmacologiques DAPT et le Compound E a complètement inversé l'osteoclastogenise cancer-induit aussi bien que le perfectionnement cancer-induit de l'attachement de cellules cancéreuses, identifiant l'activité de le γ-secretase comme étant le médiateur principal de ces effets. Nous avons ensuite évalué les effets des cellules cancereuse sur le métabolisme énergétique des cellules d'os. Le traitement des cellules de moelle avec le medium conditionné des cellules du cancer du sein 4T1 a eu comme conséquence une augmentation des mitochondries à haut-potentiel de membrane, une augmentation de 2.3 fois le contenu cellulaire de triphosphate d'adénosine, et une consommation plus rapide du glucose. Ce changement de l'énergétique a été accompagné d'une stimulation d'AMPK dans la protéine et l'ADN messagère. Pour évaluer les effets du statut de haute énergie dans les osteoclasts, nous avons élevé l'énergique des osteoclasts avec du pyruvate de sodium. Cette addition a causée une croissance des osteoclasts, avec des plus grands nucleus, et la résorption de plus de substrat. Ainsi, nous avons découvert l'osteoblast comme étant un intermédiaire clé à la signalisation prémetastatique par des cellules du cancer du sein. Nous avons aussi indiqué le γ-secretase comme cible robuste pour le developpement de thérapeutique potentiellement capable de réduire l'autoguidage et la progression des métastases de cancer à l'os. Additonellement, nous avons découvert l'énergétique intensifiée chez les cellules d'os exposées aux facteurs cellule-libérés par le cancer du sein, qui mène à une osteoclastogenesise plus active et plus importante. La modification de la voie d'AMPK peut s'avérer être une cible thérapeutique importante pour que la métastase de cancer du sein aux os.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104758 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Fong, Jenna |
| Contributors | Svetlana Komarova (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Faculty of Dentistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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