Role of miR-99a-5p in breast cancer: Translating molecular findings into clinical tools

Abstract

[ES] La presente tesis doctoral, titulada "papel del miR-99a-5p en cáncer de mama: transformando hallazgos moleculares en herramientas clínicas" está centrada en el estudio del microRNA miR-99a-5p en cáncer de mama y en la determinación de su potencial como diana terapéutica y biomarcador para el diagnóstico de dicha enfermedad. En el primer capítulo, se lleva a cabo una revisión general del cáncer de mama y los microRNAs. A continuación, en el segundo capítulo se presentan los objetivos. En el tercer capítulo se compararon los perfiles de expresión de microRNAs de una línea celular de cáncer de mama resistente a doxorrubicina frente a la línea celular parental, dando lugar a la identificación del microRNA miR-99a-5p como el más desregulado entre ambas. A continuación, se confirmó que el miR-99a-5p aumenta la sensibilidad a doxorrubicina mediante la inhibición directa de la expresión de COX-2, que conlleva la inhibición de la expresión de la proteína ABCG2, ampliamente descrita por su papel en resistencia a fármacos. En base a los resultados obtenidos, se diseñaron nanodispositivos basados en nanopartículas mesoporosas de sílice para la liberación de miR-99a-5p y doxorrubicina en los tumores. Se confirmó la eficacia de las nanopartículas para reducir el crecimiento tumoral así como los efectos adversos asociados a la doxorrubicina libre en un modelo ortotópico murino de cáncer de mama. En el cuarto capítulo, se evaluó el potencial del miR-99a-5p como biomarcador para el diagnóstico del cáncer de mama. Se determinó la expresión del microRNA en tumores primarios de cáncer de mama y en tejidos sanos. Los resultados mostraron que el miR-99a-5p se encuentra infraexpresado en los tejidos cancerosos. A continuación, con el objeto de determinar el potencial del miR-99a-5p como biomarcador mínimamente invasivo, se determinaron los niveles de expresión en plasma de pacientes de cáncer de mama y de donantes sanos. Se encontró que el miR-99a-5p se encuentra a mayor concentración en el plasma de pacientes con cáncer de mama. Estos resultados se validaron en una cohorte independiente. Mediante el análisis en base a curvas ROC se confirmó que el miR-99a-5p es útil como biomarcador no invasivo para el diagnóstico del cáncer de mama incluso en estadíos tempranos de la enfermedad. El quinto capítulo se centra el diseño y validación de un biosensor basado en soportes de alúmina mesoporosa para la detección del miR-99a-5p en plasma. Los poros de una placa de alúmina mesoporosa se cargaron con el fluoróforo rodamina B, y se utilizaron oligonucleótidos complementarios a la secuencia del miR-99a-5p como puertas moleculares capaces de retener los fluoróforos en el interior de los poros. En presencia del miR-99a-5p, se produce liberación de rodamina B, que es posteriormente detectada ópticamente. Se confirmó la especificidad del biosensor, así como su alta sensibilidad. Además, utilizando muestras de plasma de pacientes de cáncer de mama y controles sanos, se confirmó la eficiencia del dispositivo para detectar cáncer de mama incluso en estadíos tempranos. Por último, en los capítulos cinco y seis se presentan la discusión general y las conclusiones principales extraídas. En conclusión, esta tesis doctoral demuestra que el miR-99a-5p tiene potencial como diana terapéutica y biomarcador para el cáncer de mama, y podría ser útil para mejorar el pronóstico de los pacientes con dicha enfermedad. Se ha elucidado que uno de los mecanismos por los que el miR-99a-5p está involucrado en sensibilidad a doxorrubicina es mediante la regulación del eje COX-2/ABCG2. Además, las nanopartículas diseñadas para la administración combinada de miR-99a-5p y doxorrubicina se presentan como una herramienta con gran potencial para el tratamiento oncológico. Por último, aprovechando el potencial del miR-99a-5p como biomarcador diagnóstico, se ha desarrollado un sistema de detección que podría ser una herramienta útil para mejorar la detección temprana del cáncer de mama.

[CA] La present tesis doctoral, titulada "paper del miR-99a-5p en càncer de mama: transformant descobriments moleculars en eines clíniques" està centrada en l'estudi del microRNA miR-99a-5p en càncer de mama i en la determinació del seu potencial com a diana terapèutica i biomarcador per al diagnòstic d'aquesta malaltia. En el primer capítol, es du a terme una revisió general del càncer de mama i els microRNAs. A continuació, en el segon capítol es presenten els objectius. En el tercer capítol es van comparar els perfils d'expressió de microRNAs d'una línia cel·lular de càncer de mama resistent a doxorrubicina amb la seua línia parental, donant lloc a la identificació del microRNA miR-99a-5p com el més desregulat entre ambdues. A continuació, es va confirmar que el miR-99a-5p augmenta la sensibilitat al fàrmac mijançant la inhibició directa de l'expressió de COX-2 de forma directa, que comporta la inhibició de l'expressió de la proteïna ABCG2 que està àmpliament descrita pel seu paper en resistència a fàrmacs. Basant-se en els resultats obtinguts, es van dissenyar nanodispositius basats en nanopartícules mesoporoses de sílice per a l'alliberament d'una combinació de miR-99a-5p i doxorrubicina en els tumors. L'eficacia dels sistemes per a reduir el creixement tumoral així com els efectes adversos associats a la doxorrubicina lliure es va confirmar en un model ortotòpic murí de càncer de mama. En el quart capítol, es va avaluar el potencial del miR-99a-5p com a biomarcador per al diagnòstic del càncer de mama. Es va determinar l'expressió del microRNA en tumors primaris de càncer de mama i en teixits sans. Els resultats van mostrar que el miR-99a-5p es troba infraexpressat en els teixits cancerosos. A continuació, amb l'objectiu de determinar el potencial del miR-99a-5p com a biomarcador mínimament invasiu, es van determinar els nivells d'expressió en plasma de pacients de càncer de mama i de donants sans. Es va trobar que el miR-99a-5p es troba a major concentració en el plasma de pacients amb càncer de mama. Aquestos resultats es van validar en una cohort independent. Per mitjà de l'anàlisi basant-se en corbes ROC es va confirmar que el miR-99a-5p és útil com a biomarcador no invasiu per al diagnòstic del càncer de mama inclús en estadis primerencs de la malaltia. El quint capítol es centra en el disseny i validació d'un biosensor basat en suports d'alúmina nanoporosa per la detecció del miR-99a-5p en plasma. Els porus d'una placa d'alúmina es van carregar amb l'indicador fluorescent rodamina B, i es van utilitzar oligonucleòtids complementaris a la seqüència del miR-99a-5p com a portes moleculars amb la capacitat de retindre els fluoròfors a l'interior dels porus. En presència del miR-99a-5p, es produeix l'alliberament de rodamina B, que serà posteriorment detectada òpticament. Es va confirmar l'especificitat del biosensor, així com la seua alta sensibilitat. A més, utilitzant mostres de plasma de pacients de càncer de mama i controls sans, es va confirmar l'eficiència del dispositiu per a detectar càncer de mama inclús en estadis primerencs. Finalment, en els capítols sis i set es presenten la discussió general i les conclusions principals. En conclusió, aquesta tesi doctoral demostra que el miR-99a-5p té potencial com a diana terapèutica i biomarcador per al càncer de mama, i podria ser útil per a millorar el pronòstic dels pacients amb dita malaltia. S'ha elucidat que un dels mecanismes pels quals el miR-99a-5p està involucrat en sensibilitat a doxorrubicina és per mitjà de la regulació de l'eix COX-2/ABCG2. A més, les nanopartícules dissenyades per a l'administració combinada de miR-99a-5p i doxorrubicina es presenta com una ferramenta amb gran potencial per al tractament oncològic. Finalment, aprofitant el potencial del miR-99a-5p com a biomarcador diagnòstic, s'ha desenvolupat un sistema de detecció que podria ser una ferramenta útil per a millorar la detecció primerenca del càncer de mama.

[EN] This PhD thesis, entitled "Role of miR-99a-5p in breast cancer: translating molecular findings into clinical tools" is focused on the study of the microRNA miR-99a-5p in breast cancer and in determining its potential as a therapeutic target and biomarker for the diagnosis of this disease. In the first chapter, a general review of breast cancer is carried out and microRNAs are also introduced. Next, in the second chapter, the objectives are detailed. In the third chapter, the microRNA expression profile of a doxorubicin-resistant breast cancer cell line was compared with its parental cell line, leading to the identification of the microRNA miR-99a-5p as the most deregulated between the two of them. Subsequently, it was confirmed that miR-99a-5p increases drug sensitivity through directly targeting COX-2, which leads to the inhibition of the expression of the ABCG2 protein, widely described to be involved in drug resistance. Based on the obtained results, nanodevices based on mesoporous silica nanoparticles were designed for the combined release of miR-99a-5p and doxorubicin in tumors. The ability of the systems to specifically target the CD44 receptor, which is overexpressed in breast cancer tumors, as well as to release the cargo specifically after internalization, were tested in vitro. Furthermore, the efficacy of the nanoparticles to reduce tumor growth and the adverse effects associated with free doxorubicin was confirmed in a murine orthotopic model of breast cancer. In the fourth chapter, the potential of miR-99a-5p as a biomarker for the diagnosis of breast cancer was evaluated. First, microRNA expression was determined in primary breast cancer tumors and compared with healthy tissues. The results showed that miR-99a-5p is downregulated in breast cancer tissues. Next, to determine the potential of the microRNA as a minimally invasive biomarker, the expression levels of miR-99a-5p in plasma of breast cancer patients and healthy donors were determined. In this case, it was found that miR-99a-5p is at higher concentrations in the plasma of breast cancer patients. These results were validated in an independent cohort. Through the ROC curve analysis, it was confirmed that miR-99a-5p is useful as a non-invasive biomarker for the diagnosis of breast cancer even at early stages. The fifth chapter focus on the design and validation of a biosensor based on nanoporous alumina supports for the detection of miR-99a-5p in plasma. The pores of the alumina plate were loaded with the fluorescent indicator rhodamine B, and oligonucleotides with a sequence complementary to the miR-99a-5p were used as molecular gates able to maintain fluorophores inside the pores. In the presence of miR-99a-5p, the capping oligonucleotide is displaced, leading to the opening of the pores and the release of rhodamine B, which is subsequently optically detected. The specificity and high sensitivity of the biosensor were confirmed. Furthermore, the efficiency of the device to detect breast cancer even at early stages was confirmed using plasma samples from breast cancer patients and healthy controls. Finally, chapters five and six present the general discussion and conclusions. In conclusion, this PhD thesis demonstrates that miR-99a-5p is a molecule with potential as a therapeutic target and biomarker for breast cancer, and it could be useful to improve the prognosis of patients. It has been elucidated that one of the mechanisms by which miR-99a-5p is involved in doxorubicin sensitivity is through the regulation of the COX-2/ABCG2 axis. Furthermore, nanoparticles designed for the combined administration of miR-99a-5p and doxorubicin are presented as a tool with great potential for cancer treatment and could be useful for the administration of microRNAs as therapy. Finally, taking advantage of the potential of miR-99a-5p as a diagnostic biomarker, a detection system has been developed and could be a useful tool to improve early detection of breast cancer.