Transizione epiteliale-mesenchimale - Epithelial–mesenchymal transition
| Transizione epiteliale-mesenchimale | |
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 Diagramma che mostra la transizione epitelio-mesenchimale
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| Particolari | |
| Precursore | endoderma |
| Identificatori | |
| Maglia | D058750 |
| Terminologia anatomica | |
La transizione epiteliale-mesenchimale ( EMT ) è un processo mediante il quale le cellule epiteliali perdono la loro polarità cellulare e l'adesione cellula-cellula e acquisiscono proprietà migratorie e invasive per diventare cellule staminali mesenchimali ; queste sono cellule stromali multipotenti che possono differenziarsi in una varietà di tipi di cellule. L'EMT è essenziale per numerosi processi di sviluppo tra cui la formazione del mesoderma e la formazione del tubo neurale . È stato anche dimostrato che l'EMT si verifica nella guarigione delle ferite , nella fibrosi d' organo e nell'inizio delle metastasi nella progressione del cancro.
introduzione
La transizione epitelio-mesenchimale è stata riconosciuta per la prima volta come una caratteristica dell'embriogenesi da Betty Hay negli anni '80. EMT e il suo processo inverso, MET ( transizione mesenchimale-epiteliale ) sono fondamentali per lo sviluppo di molti tessuti e organi nell'embrione in via di sviluppo e numerosi eventi embrionali come la gastrulazione , la formazione della cresta neurale , la formazione della valvola cardiaca , lo sviluppo del palato secondario e la miogenesi . Le cellule epiteliali e mesenchimali differiscono per fenotipo e funzione, sebbene entrambe condividano la plasticità intrinseca. Cellule epiteliali sono strettamente collegati tra loro da giunzioni strette , giunzioni e giunzioni aderenti , hanno un apico-basale polarità , polarizzazione del citoscheletro di actina e sono vincolati da una lamina basale alla loro superficie basale. Le cellule mesenchimali, invece, sono prive di questa polarizzazione, hanno una morfologia fusiforme e interagiscono tra loro solo attraverso punti focali. Le cellule epiteliali esprimono alti livelli di E-caderina , mentre le cellule mesenchimali esprimono quelli di N-caderina , fibronectina e vimentina . Pertanto, l'EMT comporta profondi cambiamenti morfologici e fenotipici in una cellula.
In base al contesto biologico, l'EMT è stato classificato in 3 tipi: sviluppo (Tipo I), fibrosi e guarigione delle ferite (Tipo II) e cancro (Tipo III).
Induttori
La perdita di E-caderina è considerata un evento fondamentale nell'EMT. Molti fattori di trascrizione (TF) che possono reprimere la E-caderina direttamente o indirettamente possono essere considerati come EMT-TF (TF che inducono EMT). SNAI1 /Snail 1, SNAI2 /Snail 2 (noto anche come Slug), ZEB1 , ZEB2 , TCF3 e KLF8 (fattore tipo Kruppel 8) possono legarsi al promotore della caderina E e reprimere la sua trascrizione, mentre fattori come Twist , Goosecoid , TCF4 (noto anche come E2.2), proteina homeobox SIX1 e FOXC2 (proteina scatola fork-head C2) reprimono indirettamente la E-caderina. I fattori SNAIL e ZEB si legano alle sequenze consenso E-box sulla regione del promotore, mentre KLF8 si lega al promotore attraverso le scatole GT. Questi EMT-TF non solo reprimono direttamente la E-caderina, ma reprimono anche a livello trascrizionale altre proteine giunzionali, comprese claudine e desmosomi , facilitando così l'EMT. D'altra parte, i fattori di trascrizione come l'omologo della proteina 2 simile a grainyhead (GRHL2) e i fattori di trascrizione correlati a ETS ELF3 ed ELF5 sono sottoregolati durante l'EMT e si trova che guidano attivamente MET quando sovraespressi nelle cellule mesenchimali. Poiché l'EMT nella progressione del cancro riprende l'EMT nei programmi di sviluppo, molti degli EMT-TF sono coinvolti nella promozione di eventi metastatici.
Diverse vie di segnalazione ( TGF-β , FGF , EGF , HGF , Wnt / beta-catenina e Notch ) e l' ipossia possono indurre EMT. In particolare, è stato dimostrato che Ras- MAPK attiva Snail e Slug. Slug innesca le fasi di distruzione desmosomiale , diffusione cellulare e separazione parziale ai confini cellula-cellula, che comprendono la prima e necessaria fase del processo EMT. D'altra parte, Slug non può innescare la seconda fase, che include l'induzione della motilità cellulare, la repressione dell'espressione della citocheratina e l'attivazione dell'espressione della vimentina . Snail e Slug sono noti per regolare l'espressione delle isoforme di p63 , un altro fattore di trascrizione necessario per il corretto sviluppo delle strutture epiteliali. L'espressione alterata delle isoforme di p63 ha ridotto l'adesione cellula-cellula e aumentato le proprietà migratorie delle cellule tumorali. Il fattore p63 è coinvolto nell'inibizione dell'EMT e la riduzione di alcune isoforme di p63 può essere importante nello sviluppo dei tumori epiteliali. Alcuni di essi sono noti per regolare l'espressione delle citocheratine . Anche l' asse fosfatidilinositolo 3' chinasi (PI3K)/AKT, la via di segnalazione di Hedgehog , il fattore nucleare-kappaB e il fattore di trascrizione attivante 2 sono implicati nell'EMT.
La via di segnalazione Wnt regola l'EMT nella gastrulazione, nella formazione della valvola cardiaca e nel cancro. L'attivazione della via Wnt nelle cellule del cancro al seno induce il regolatore EMT LUMACA e sovraregola il marker mesenchimale, vimentina . Inoltre, la via attiva Wnt/beta-catenina è correlata con una prognosi sfavorevole nei pazienti con cancro al seno in clinica. Allo stesso modo, il TGF-β attiva l'espressione di LUMACA e ZEB per regolare l'EMT nello sviluppo del cuore, nella palatogenesi e nel cancro. La metastasi ossea del cancro al seno ha attivato la segnalazione del TGF-β, che contribuisce alla formazione di queste lesioni. Tuttavia, d'altra parte, p53 , un noto soppressore del tumore, reprime l'EMT attivando l'espressione di vari microRNA - miR-200 e miR-34 che inibiscono la produzione di proteine ZEB e LUMACA, e quindi mantengono il fenotipo epiteliale.
Nello sviluppo e nella guarigione delle ferite
Dopo la fase iniziale dell'embriogenesi, l'impianto dell'embrione e l'inizio della formazione della placenta sono associati all'EMT. Le cellule del trofectoderma vengono sottoposte a EMT per facilitare l'invasione dell'endometrio e il posizionamento appropriato della placenta, consentendo così lo scambio di nutrienti e gas all'embrione. Più tardi nell'embriogenesi, durante la gastrulazione, l'EMT consente alle cellule di entrare in un'area specifica dell'embrione: la striscia primitiva negli amnioti e il solco ventrale nella Drosophila . Le cellule di questo tessuto esprimono E-caderina e polarità apicale-basale. Poiché la gastrulazione è un processo molto rapido, la E-caderina viene repressa trascrizionalmente da Twist e SNAI1 (comunemente chiamata Snail ), e a livello proteico dalla proteina che interagisce con P38. La striscia primitiva, attraverso l'invaginazione, genera ulteriormente il mesoendoderma, che si separa per formare un mesoderma e un endoderma, sempre attraverso l'EMT. Le cellule mesenchimali della striscia primitiva partecipano anche alla formazione di molti organi epiteliali mesodermici, come notocorda e somiti, attraverso l'inverso dell'EMT, cioè la transizione mesenchimale-epiteliale . L'anfiosso forma un tubo neurale epiteliale e una notocorda dorsale ma non ha il potenziale EMT della striatura primitiva . Nei cordati superiori, il mesenchima origina dalla striatura primitiva migra anteriormente per formare i somiti e partecipa con il mesenchima della cresta neurale alla formazione del mesoderma cardiaco.
Nei vertebrati, epitelio e mesenchima sono i fenotipi tissutali di base. Durante lo sviluppo embrionale, le cellule migratorie della cresta neurale sono generate dall'EMT che coinvolge le cellule epiteliali del neuroectoderma. Di conseguenza, queste cellule si dissociano dalle pieghe neurali, acquisiscono motilità e si diffondono in varie parti dell'embrione, dove si differenziano in molti altri tipi di cellule. Inoltre, il mesenchima della cresta craniofacciale che forma il tessuto connettivo che forma la testa e il viso, è formato dall'epitelio del tubo neurale mediante EMT. L'EMT avviene durante la costruzione della colonna vertebrale fuori dalla matrice extracellulare , che deve essere sintetizzata dai fibroblasti e dagli osteoblasti che circondano il tubo neurale. La principale fonte di queste cellule sono lo sclerotomo e il mesenchima somite , nonché la striatura primitiva . La morfologia mesenchimale consente alle cellule di viaggiare verso bersagli specifici nell'embrione, dove differenziano e/o inducono la differenziazione di altre cellule.
Durante la guarigione della ferita, i cheratinociti al bordo della ferita subiscono EMT e subiscono riepitelizzazione o MET quando la ferita è chiusa. L'espressione di Snail2 sul fronte migratorio influenza questo stato, poiché la sua sovraespressione accelera la guarigione delle ferite. Allo stesso modo, in ogni ciclo mestruale, l'epitelio della superficie ovarica subisce EMT durante la guarigione della ferita post-ovulatoria.
Nella progressione del cancro e nelle metastasi
L'inizio della metastasi richiede l'invasione, che è abilitata dall'EMT. Le cellule del carcinoma in un tumore primario perdono l'adesione cellula-cellula mediata dalla repressione della caderina E e sfondano la membrana basale con aumentate proprietà invasive ed entrano nel flusso sanguigno attraverso l' intravasazione . Successivamente, quando queste cellule tumorali circolanti (CTC) escono dal flusso sanguigno per formare micrometastasi, vengono sottoposte a MET per la crescita clonale in questi siti metastatici. Pertanto, EMT e MET costituiscono l'inizio e il completamento della cascata invasione-metastasi. In questo nuovo sito metastatico, il tumore può subire altri processi per ottimizzare la crescita. Ad esempio, l'EMT è stato associato all'espressione di PD-L1 , in particolare nel cancro del polmone. L'aumento dei livelli di PD-L1 sopprime il sistema immunitario che consente al cancro di diffondersi più facilmente.
EMT conferisce resistenza oncogene indotta prematura senescenza . Twist1 e Twist2, così come ZEB1 proteggono le cellule umane e i fibroblasti embrionali di topo dalla senescenza. Allo stesso modo, il TGF-β può promuovere l'invasione del tumore e l'evasione della sorveglianza immunitaria nelle fasi avanzate. Quando il TGF-β agisce sulle cellule epiteliali mammarie attivate che esprimono Ras, l'EMT è favorito e l'apoptosi è inibita. Questo effetto può essere invertito da induttori della differenziazione epiteliale, come GATA-3.
È stato dimostrato che l'EMT è indotto dalla terapia di deprivazione androgenica nel carcinoma prostatico metastatico . L'attivazione dei programmi EMT tramite l'inibizione dell'asse degli androgeni fornisce un meccanismo mediante il quale le cellule tumorali possono adattarsi per promuovere la recidiva e la progressione della malattia. Brachyury , Axl , MEK e Aurora chinasi A sono i driver molecolari di questi programmi e gli inibitori sono attualmente in sperimentazione clinica per determinare applicazioni terapeutiche. La PKC-iota oncogenica può promuovere l'invasione delle cellule di melanoma attivando la Vimentina durante l'EMT. L'inibizione o il knockdown di PKC-iota ha comportato un aumento dei livelli di E-caderina e RhoA, riducendo al contempo la Vimentina totale, la Vimentina fosforilata (S39) e Par6 nelle cellule di melanoma metastatico. Questi risultati suggeriscono che la PKC-ι è coinvolta nelle vie di segnalazione che sovraregolano l'EMT nel melanoma.
È stato indicato che l'EMT è coinvolto nell'acquisizione della resistenza ai farmaci. È stato scoperto che il guadagno dei marcatori EMT è associato alla resistenza delle linee cellulari epiteliali del carcinoma ovarico al paclitaxel. Allo stesso modo, LUMACA conferisce anche resistenza a paclitaxel, adriamicina e radioterapia inibendo l'apoptosi mediata da p53. Inoltre, è stato recentemente dimostrato che l'infiammazione, che è stata associata alla progressione del cancro e della fibrosi, è correlata al cancro attraverso l'EMT indotta dall'infiammazione. Di conseguenza, l'EMT consente alle cellule di acquisire un fenotipo migratorio, nonché di indurre immunosoppressione multipla, resistenza ai farmaci, elusione dei meccanismi di apoptosi.
Alcune prove suggeriscono che le cellule che subiscono l'EMT acquisiscono proprietà simili alle cellule staminali, dando così origine alle cellule staminali del cancro (CSC). Dopo la trasfezione da parte di Ras attivato, una sottopopolazione di cellule che mostrano i presunti marcatori di cellule staminali CD44high/CD24low aumenta con la concomitante induzione di EMT. Inoltre, ZEB1 è in grado di conferire proprietà simili alle cellule staminali, rafforzando così la relazione tra EMT e staminalità. Pertanto, l'EMT può presentare un pericolo maggiore per i malati di cancro, poiché l'EMT non solo consente alle cellule del carcinoma di entrare nel flusso sanguigno, ma le conferisce anche proprietà di staminalità che aumentano il potenziale cancerogeno e proliferativo.
Tuttavia, studi recenti hanno ulteriormente spostato gli effetti primari dell'EMT dall'invasione e dalla metastasi, verso la resistenza agli agenti chemioterapici. La ricerca sul cancro al seno e sul cancro al pancreas non ha dimostrato alcuna differenza nel potenziale metastatico delle cellule dopo l'acquisizione dell'EMT. Questi sono in accordo con un altro studio che mostra che il fattore di trascrizione EMT TWIST richiede effettivamente giunzioni aderenti intatte per mediare l'invasione locale nel cancro al seno. Gli effetti dell'EMT e la sua relazione con l'invasione e la metastasi possono quindi essere altamente specifici del contesto.
Nelle linee cellulari di carcinoma uroteliale la sovraespressione di HDAC5 inibisce la proliferazione a lungo termine ma può promuovere la transizione epitelio-mesenchimale (EMT).
Piastrine nel cancro EMT
Le piastrine nel sangue hanno la capacità di avviare l'induzione di EMT nelle cellule tumorali. Quando le piastrine vengono reclutate in un sito nel vaso sanguigno possono rilasciare una varietà di fattori di crescita ( PDGF , VEGF , Angiopoietina-1 ) e citochine incluso l'induttore EMT TGF-β. Il rilascio di TGF-β da parte delle piastrine nei vasi sanguigni vicino ai tumori primari aumenta l'invasività e promuove la metastasi delle cellule tumorali nel tumore. Gli studi che esaminano le piastrine difettose e la riduzione della conta piastrinica in modelli murini hanno dimostrato che la funzione piastrinica alterata è associata a una ridotta formazione metastatica. Nell'uomo, la conta piastrinica e la trombocitosi all'interno dell'estremità superiore del range di normalità sono state associate a cancro allo stadio avanzato, spesso metastatico, nel cancro della cervice uterina, cancro ovarico, cancro gastrico e cancro esofageo. Sebbene sia stata applicata una grande quantità di ricerca allo studio delle interazioni tra cellule tumorali e piastrine, non è stata ancora stabilita una terapia del cancro mirata a questa interazione. Ciò può essere in parte dovuto alla ridondanza delle vie protrombotiche che richiederebbero l'uso di molteplici approcci terapeutici al fine di prevenire eventi pro-metastatici tramite l'induzione di EMT nelle cellule tumorali da parte delle piastrine attivate.
Per migliorare le possibilità di sviluppo di una metastasi tumorale, una cellula cancerosa deve evitare di essere rilevata e mirata dal sistema immunitario una volta entrata nel flusso sanguigno. Le piastrine attivate hanno la capacità di legare glicoproteine e glicolipidi ( leganti di P-selectina come PSGL-1 ) sulla superficie delle cellule tumorali per formare una barriera fisica che protegge la cellula tumorale dalla lisi mediata dalle cellule killer naturali nel flusso sanguigno. Inoltre, le piastrine attivate promuovono l'adesione delle cellule tumorali alle cellule endoteliali attivate che rivestono i vasi sanguigni utilizzando molecole di adesione presenti sulle piastrine. I ligandi della P-selectina sulla superficie delle cellule tumorali devono ancora essere chiariti e potrebbero fungere da potenziali biomarcatori per la progressione della malattia nel cancro.
Terapie contro il cancro EMT
Molti studi hanno proposto che l'induzione dell'EMT sia il meccanismo principale attraverso il quale le cellule tumorali epiteliali acquisiscono fenotipi maligni che promuovono la metastasi. Lo sviluppo di farmaci mirati all'attivazione dell'EMT nelle cellule tumorali è quindi diventato un obiettivo delle aziende farmaceutiche.
Inibitori di piccole molecole
Sono in fase di sviluppo piccole molecole in grado di inibire l'EMT indotta da TGF-β. Silmitasertib (CX-4945) è una piccola molecola inibitrice della proteina chinasi CK2, che è stata supportata per essere collegata con l'EMT indotta da TGF-β ed è attualmente in studi clinici per il colangiocarcinoma (tumore del dotto biliare), nonché in fase di sviluppo preclinico per neoplasie ematologiche e linfoidi. Nel gennaio 2017, Silmitasertib ha ottenuto lo status di farmaco orfano dalla Food and Drug Administration statunitense per il colangiocarcinoma ed è attualmente in uno studio di fase II . Silmitasertib è stato sviluppato da Senhwa Biosciences. Un altro inibitore di piccole molecole Galunisertib (LY2157299) è un potente inibitore della chinasi del recettore TGF-β di tipo I che ha dimostrato di ridurre le dimensioni, il tasso di crescita dei tumori e il potenziale di formazione del tumore in linee cellulari di carcinoma mammario triplo negativo utilizzando xenotrapianti di topo . Galunisertib è attualmente in fase di sviluppo da parte di Lilly Oncology ed è in sperimentazione clinica di fase I/II per il carcinoma epatocellulare, il cancro del pancreas non resecabile e il glioma maligno. Si suggerisce che gli inibitori a piccole molecole dell'EMT non agiscano come sostituti degli agenti chemioterapici tradizionali, ma è probabile che mostrino la massima efficacia nel trattamento dei tumori se usati insieme ad essi.
Antagomir e imitatori di microRNA hanno guadagnato interesse come potenziale fonte di terapie per colpire le metastasi indotte da EMT nel cancro e per curare molte altre malattie. Gli Antagomir sono stati inizialmente sviluppati per colpire il miR-122 , un microRNA che era abbondante e specifico per il fegato, e questa scoperta ha portato allo sviluppo di altri antagomir che possono accoppiarsi con specifici microRNA presenti nel microambiente tumorale o nelle cellule tumorali. È stato scoperto che un microRNA che imita miR-655 sopprime l'EMT attraverso il targeting del fattore di trascrizione che induce l'EMT ZEB1 e del recettore 2 del TGF-β in una linea cellulare di cancro del pancreas. La sovraespressione del mimo miR-655 nella linea di cellule tumorali Panc1 ha sovraregolato l'espressione della caderina E e ha soppresso la migrazione e l'invasione delle cellule tumorali simil-mesenchimali. L'uso di imitazioni di microRNA per sopprimere l'EMT si è esteso ad altre linee cellulari tumorali e ha un potenziale per lo sviluppo di farmaci clinici. Tuttavia, i mimici e gli antagomir di microRNA soffrono di una mancanza di stabilità in vivo e mancano di un sistema di consegna accurato per indirizzare queste molecole alle cellule tumorali o ai tessuti per il trattamento. Miglioramenti alla stabilità mimica di antagomir e microRNA attraverso modifiche chimiche come oligonucleotidi di acido nucleico bloccato (LNA) o acidi nucleici peptidici (PNA) possono impedire la rapida eliminazione di queste piccole molecole da parte delle RNasi . La consegna di antagomir e mimici di microRNA nelle cellule racchiudendo queste molecole in nanoparticelle liposomiali ha generato interesse, tuttavia le strutture liposomiali soffrono dei loro inconvenienti che dovranno essere superati per il loro uso efficace come meccanismo di somministrazione di farmaci. Questi inconvenienti delle nanoparticelle liposomiali includono l'assorbimento non specifico da parte delle cellule e l'induzione di risposte immunitarie. Il ruolo che i microRNA svolgono nello sviluppo e nelle metastasi del cancro è oggetto di molte indagini scientifiche e deve ancora essere dimostrato se i mimici o gli antagomiri di microRNA possano servire come trattamenti clinici standard per sopprimere l'EMT o i microRNA oncogeni nei tumori.
Generazione di cellule progenitrici endocrine da isole pancreatiche
Simile alla generazione di cellule staminali tumorali, è stato dimostrato che l'EMT genera cellule progenitrici endocrine da isole pancreatiche umane . Inizialmente, le cellule progenitrici derivate dalle isole umane (hIPC) sono state proposte come precursori migliori poiché la progenie di cellule in queste hIPC eredita i segni epigenetici che definiscono una regione attiva del promotore dell'insulina. Tuttavia, in seguito, un'altra serie di esperimenti ha suggerito che le cellule β marcate si de-differenziano in un fenotipo simile al mesenchimale in vitro , ma non riescono a proliferare; avviando così un dibattito nel 2007.
Poiché questi studi sulle isole umane mancavano di un'analisi del tracciamento del lignaggio, questi risultati da cellule beta irreversibilmente etichettate nei topi sono stati estrapolati alle isole umane. Pertanto, utilizzando un doppio sistema di tracciamento del lignaggio lentivirale e genetico per etichettare le cellule , è stato dimostrato in modo convincente che le cellule delle isole umane adulte subiscono EMT e proliferano in vitro . Inoltre, questi risultati sono stati confermati nelle cellule produttrici di insulina pancreatica fetale umana e le cellule mesenchimali derivate dalle isole pancreatiche possono subire il contrario di EMT - MET - per generare aggregati cellulari simili a isole. Pertanto, il concetto di generazione di progenitori da cellule che producono insulina mediante EMT o generazione di cellule staminali cancerose durante l'EMT nel cancro può avere un potenziale per la terapia sostitutiva nel diabete e richiedere farmaci mirati all'inibizione dell'EMT nel cancro.
EMT parziale o fenotipo ibrido E/M
Non tutte le cellule subiscono un EMT completo, cioè perdono la loro adesione cellula-cellula e acquistano caratteristiche di migrazione solitaria. Invece, la maggior parte delle cellule subisce EMT parziale, uno stato in cui mantengono alcuni tratti epiteliali come l'adesione cellula-cellula o la polarità apico-basale e acquisiscono tratti migratori, quindi le cellule in questo fenotipo ibrido epiteliale/mesenchimale (E/M) sono dotate con proprietà speciali come la migrazione cellulare collettiva. Sono stati proposti due modelli matematici, tentando di spiegare l'emergere di questo fenotipo ibrido E/M, ed è altamente probabile che linee cellulari diverse adottino stati ibridi diversi, come dimostrato da esperimenti in linee cellulari MCF10A, HMLE e H1975. Sebbene uno stato ibrido E/M sia stato definito "metastabile" o transitorio, recenti esperimenti nelle cellule H1975 suggeriscono che questo stato può essere mantenuto stabilmente dalle cellule.