Preclinical study of the antitumor effect of melatonin in different head and neck cancer models: evaluation of the role of mitochondria and oxidative stress

Resumen

El carcinoma de células escamosas de cabeza y cuello (HNSCC) es el sexto cáncer más común a nivel mundial, con casi 500.000 muertes cada año. El tratamiento actual del HNSCC es la combinación de cirugía, quimioterapia y radioterapia local. Sin embargo, estos tratamientos presentan importantes efectos secundarios y es frecuente el desarrollo de resistencia frente a los mismos, lo que conduce al fallo de las terapias y a la muerte del paciente. Por tanto, es necesario el desarrollo de nuevas terapias con mayor eficacia y menores efectos adversos que los tratamientos ya existentes. En el desarrollo de terapias innovadoras destaca la melatonina, ya que carece de efectos secundarios y posee importantes efectos oncostáticos. Numerosos estudios han demostrado que la melatonina no solo potencia los efectos de los tratamientos existentes, sino que, además, reduce la toxicidad de estos. Esto se debe a que la melatonina tiene un efecto dual, disminuyendo el estrés oxidativo en las células sanas y aumentándolo en las células tumorales, donde, además, presenta efectos antiproliferativos, pro-apoptóticos, anti-angiogénicos y anti-metastásicos. Sin embargo, a pesar de los numerosos estudios que demuestran los efectos anti-tumorales de la melatonina, existen resultados contradictorios cuando se utiliza en modelos in vivo. Una posible causa podría ser que, para ejercer sus efectos oncostáticos, son necesarios niveles altos de melatonina en el tumor, siendo, por tanto, necesaria la búsqueda de una ruta de administración alternativa que permita aumentar la disponibilidad de la melatonina en el tumor y así establecer un tratamiento efectivo. Por otro lado, un factor determinante en el fallo de los ensayos clínicos es el modelo preclínico empleado. Tradicionalmente, las líneas celulares ya establecidas han sido la herramienta más utilizada en la investigación contra el cáncer. Sin embargo, tras años en cultivo, la composición genética y el comportamiento de estas células se encuentra alterada y, como consecuencia, no son una representación real de los tumores de los pacientes. Para solventar este problema, en los últimos años se han desarrollado los modelos preclínicos derivados de pacientes, que proceden directamente de tumores de pacientes y, por tanto, mantienen la heterogeneidad y las características moleculares de los mismos. Estos modelos son más adecuados para estudiar la efectividad de los diferentes tratamientos y, por ello, en los últimos años ha aumentado significativamente su uso. Sin embargo, los estudios de melatonina en modelos derivados de pacientes son prácticamente inexistentes. Por tanto, nuestra hipótesis es que la melatonina, debido a sus propiedades oncostáticas demostradas in vitro, podría ser un agente prometedor como nuevo tratamiento frente al HNSCC o como terapia adyuvante de las terapias ya existentes. Sin embargo, es necesario el desarrollo de una nueva formulación o vía de administración que permita alcanzar altos niveles de melatonina en el tumor, necesarios para ejercer sus efectos oncostáticos. Estos estudios, además, deben desarrollarse no solo en los modelos preclínicos tradicionales sino también en los modelos derivados de pacientes, facilitando así la traslación a la clínica. Para ello, el objetivo de este estudio ha sido analizar los efectos de diferentes formulaciones de melatonina in vivo, en diferentes modelos de ratones con xenoinjertos de células HNSCC. Analizamos los efectos de la melatonina en ratones con xenoinjertos de células Cal-27 y SCC-9, dos líneas celulares ya establecidas de HNSCC, y en ratones con xenoinjertos de tumores procedentes de pacientes. Estos ratones se trataron con diferentes formulaciones de melatonina, administrada intratumoralmente cada 24 horas durante 63 días. La melatonina fue administrada sola o en combinación con cisplatino (CDDP), uno de los tratamientos actuales más empleados frente al HNSCC. Tras sacrificar los animales, se analizaron histológicamente los tumores para evaluar los efectos oncostáticos de la melatonina. También se analizaron la morfología y distribución de las mitocondrias, los niveles de ROS y la apoptosis. Además, se estudiaron los efectos de la melatonina en el proceso de migración, tanto en las líneas celulares ya establecidas como en células tumorales procedentes del tumor de un paciente. Los resultados demostraron que la administración intratumoral de melatonina al 3% redujo el crecimiento tumoral en ratones con xenoinjertos de células Cal-27 y SCC-9, lo que se correlacionó con un aumento significativo de los niveles de melatonina en el tumor. El análisis histológico de los tumores tratados con melatonina confirmó una disminución de las áreas tumorales activas y mostró un aumento de la cápsula de colágeno que rodea al tumor, así como una diminución de las áreas adenoescamosas, lo cual se ha relacionado con un mejor pronóstico del cáncer. Además, la administración intratumoral de melatonina potenció los efectos del CDDP en cuanto a reducción del tumor. En concordancia con estos resultados, la melatonina aumentó los niveles de LPO y de proteínas oxidadas, tanto sola como en combinación con CDDP, e incrementó significativamente la apoptosis en los tumores Cal-27. La melatonina al 3% también redujo los niveles de CD98, lo que sugiere un incremento de la diferenciación de las células tumorales. Por otro lado, teniendo en cuenta que una de las principales dianas de la melatonina es la mitocondria, estudiamos la morfología y la distribución de las mitocondrias mediante microscopía electrónica. Las imágenes obtenidas mostraron que las mitocondrias de los tumores tratados eran más grandes y se encontraban en la periferia de las células y no alrededor del núcleo, lo que se ha relacionado con un mejor diagnóstico. A continuación, se desarrollaron modelos celulares y de xenoinjertos derivados de pacientes a partir de biopsias de HNSCC. Los resultados demostraron que la melatonina redujo la proliferación celular y la formación de esferoides en el modelo celular y, además, disminuyó drásticamente el crecimiento tumoral en los ratones con tumores primarios, procedentes de pacientes en los 3 modelos analizados. Finalmente, se demostró que la melatonina redujo la migración y las propiedades invasivas de las líneas celulares Cal-27 y SCC-9, además de alterar la expresión de los marcadores de transición epitelio-mesénquima en el modelo celular derivado de paciente. Como conclusión, nuestro estudio ha elucidado el papel de la melatonina en la reducción del crecimiento tumoral, tanto sola como en combinación con CDDP, proponiendo la melatonina como una posible opción terapéutica frente al cáncer. Concretamente, la combinación de CDDP y melatonina podría ser un tratamiento prometedor en la terapia frente al HNSCC, abriendo la puerta a un futuro ensayo clínico con pacientes oncológicos para establecer un tratamiento con melatonina con aplicación clínica.