Metabolomics Investigation of Cancer Cells by High Field NMR
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Abstract EN:
Metabolomics has become an established tool for oncology and cancer biology research studies. Cell metabolomics is a rapidly growing field that addresses fundamental aspects of cancer biology and provides mechanistic insights into disease development, progression and response to therapies. We developed and applied cell metabolomics approaches by liquid nuclear magnetic resonance (NMR) at very high fields to study the effect of different factors on cancer cells metabolic profiles and ultimately their response to therapy. First we developed a fast, rigorous and ergonomic extraction protocol of adherent mammalian cells for NMR-based metabolomics studies. Then we investigated the effect of adipocytes on HER2-positive cancer cells exo- and endometabolomes. Adipocytes were previously shown to act on HER2-positive cells to decrease their sensitivity to targeted therapy in co-culture. Addition of a lipolysis stimulator (isoprenaline, a β-adrenoreceptor agonist) to the system led to resistance of HER2-positive cells to targeted therapy at least as strong as in the case of adipocytes alone. Conversely, addition of a lipolysis inhibitor (non-selective β-blocker propranolol) rescued the response to therapy. Investigation of supernatants of HER2-positive cells cultures exposed to conditioned media from adipocytes showed strong metabolic alterations in cancer cells exometabolomes. Quantitative analysis of HER2-positive cell footprints shows that tumor cells switched their metabolism from aerobic glycolysis to scavenging various metabolites such as lactate and glycerol. A pharmaco-metabolomic investigation of adipocytes and HER2-positive cancer cells co-cultures and associated controls, conducted with or without addition of propranolol and isoprenaline, confirmed the observed metabolic shift. It revealed changes occurring in adipocytes and HER2-positive cancer cells following exposition to lipolysis modulators. Overall, this metabolomics investigation provides new insights into the mechanisms by which pharmacological modulation of lipolysis via β-adrenoreceptors impact on HER2-positive cancer cell metabolism. Finally, we studied the effect of the knockdown of AIF/CHCHD4 import machinery on colon cancer cells. Defects in oxidative energy metabolism is linked to several mitochondrial diseases that remain poorly understood. While no robust discrimination between control and CHCHD4 knockdown groups was observed, we identified a number of confounding factors that may be controlled for further investigation of oxidative energy metabolism in CHCHD4 knocked down cells.
Abstract FR:
La métabolomique a acquis au cours des dernières années une place privilégiée en oncologie et en recherche sur la biologie du cancer. La métabolomique cellulaire offre un grand potentiel pour élargir notre champs de connaissance sur les mécanismes du développement tumoral et sur les aspects fondamentaux de la biologie du cancer. Nous avons utilisé l’approche métabolomique par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour caractériser les profils métaboliques de lignées cellulaires de cancer suite à leur exposition à des facteurs influençant leur réponse aux traitements. Premièrement, nous avons développé une méthodologie rigoureuse, rapide et ergonomique d’extraction des métabolites pour l’analyse métabolomique à partir de cultures cellulaires adhérentes mammifères. Par la suite, l’approche métabolomique a été utilisée pour étudier l’effet des adipocytes, constituants du microenvironnement tumoral, sur les exo- et endo-métabolomes des cellules cancéreuses HER2-positif. Il a été auparavant démontré que les adipocytes agissent sur les cellules cancéreuses HER2-positif en co-culture par l’intermédiaire de leurs facteurs sécrétés en induisant une résistance aux thérapies ciblées. L’ajout d’un stimulateur de lipolyse (isoprénaline, agoniste des récepteurs adrénergiques) au système de co-culture induit une résistance aux thérapies ciblées au moins aussi importante qu’en présence d’adipocytes seuls. Au contraire, l’ajout du propranolol (β-bloquant non sélectif) permet de retrouver la sensibilité de cellules cancéreuses aux thérapies ciblées. L’analyse métabolomique permet d’élucider les aspects mécanistiques mises en jeu lors de cette interaction en étudiant ses conséquences sur les profils métaboliques des cellules cancéreuses. L’analyse quantitative des métabolites présents dans les surnageants de culture montre une forte altération du métabolisme des cellules cancéreuses HER2-positif incubées en milieu conditionné d’adipocytes. Les cellules cancéreuses ne dépendent plus de la glycolyse aérobie mais privilégient l’utilisation d’autres carburants tels que le lactate et le glycérol. L’étude pharmaco-métabolomique des adipocytes et des cellules cancéreuses HER2-positif en présence de modulateurs de lipolyse confirme ces résultats et permet d’observer les changements métaboliques au niveau intracellulaire. Un dernier axe de ce travail porte sur l’étude des profils métaboliques des cellules du cancer de côlon suite à la déplétion de la machinerie AIF/CHCHD4. Les déficits du métabolisme mitochondrial oxydatif sont associées à de nombreuses maladies. Bien qu’une discrimination robuste n’ait pu être observée entre les groupes contrôle et déplété CHCHD4, nous avons identifié un nombre de variables confondantes dont le contrôle est nécessaire pour des études avancées sur le métabolisme oxydatif des cellules cancéreuses avec déplétion de CHCHD4.