Abstract:

Versione in italiano:

Più della metà dei pazienti oncologici affronta una sindrome dannosa chiamata cachessia, per la quale non esistono opzioni terapeutiche. Quasi un terzo dei decessi per cancro è conseguente alla cachessia. Il nostro lavoro precedente ha stabilito che le Proteine Morfogenetiche Ossee (BMP) giocano un ruolo fondamentale nell'insorgenza di questa sindrome. Abbiamo trovato che durante la crescita del cancro, gli inibitori della segnalazione delle BMP vengono indotti nei topi e negli esseri umani, causando perdita di massa muscolare e interruzione della sinapsi muscolo-nerve, la giunzione neuromuscolare (NMJ). Tra i potenziali cofattori che possono contribuire a inibire la via delle BMP e peggiorare la perdita muscolare nel cancro, la citochina pro-infiammatoria interleuchina 6 (IL-6) sembra giocare un ruolo importante. Infatti, l'IL-6 è sovraprodotta nei pazienti con cachessia da cancro ed è sufficiente a innescare l'espressione dell'inibitore BMP, Noggin, nei muscoli. Noggin inibisce l'azione delle BMP sulle fibre muscolari e sui nervi motori, causando successivamente l'interruzione della NMJ e la perdita muscolare. Ripristinare una corretta segnalazione BMP mediante approcci genetici e farmacologici è stato sufficiente per preservare la NMJ, la forza muscolare e la massa muscolare nei topi portatori di tumore. Tuttavia, le modalità di regolazione delle BMP e il legame tra IL-6 e la via BMP in relazione all'insorgenza della cachessia non sono ancora chiari. Questo progetto ha come obiettivo identificare le fonti cellulari dei diversi componenti che modulano la via BMP e analizzare come la segnalazione dell'IL-6 contribuisca a questi cambiamenti. Verranno eseguiti esperimenti di trascrittomica su singolo nucleo e ATAC-seq su muscoli di modelli murini di cachessia da cancro e biopsie di pazienti oncologici per stabilire quali tipi di cellule contribuiscono a modulare la via BMP. Incrociando i profili, miriamo anche a identificare le firme associate alla crescita del cancro nei mio-nuclei e nei nuclei delle cellule interstiziali. Per approfondire i meccanismi dell'asse IL-6-BMP, eseguiremo esperimenti simili su nuclei di muscoli di topi in cui la segnalazione dell'IL-6 è geneticamente o farmacologicamente attivata o inibita. I cambiamenti nei livelli di BMP nei diversi tipi cellulari, nonché la suscettibilità a sviluppare la cachessia, saranno monitorati in questi topi. Successivamente, verranno eseguiti esperimenti di immunoprecipitazione della cromatina (ChIP) e studi sui promotori per identificare i fattori di trascrizione a valle dell'IL-6 coinvolti nella modulazione della via BMP. Infine, per analizzare il ruolo dell'IL-6 e della via BMP sulla NMJ e sulla perdita muscolare e se un approccio farmacologico sarebbe utile, gli organoidi muscolari e neuronali derivati da 3D saranno trattati con siero di soggetti cachettici o sani, con o senza ligandi BMP o inibitori dell'IL-6. La morfologia della NMJ, la forza muscolare, le firme di espressione genica e la segnalazione saranno monitorate in questi organoidi. Questo progetto analizzerà la firma della cachessia dipendente dalle BMP nei roditori e nei pazienti, fornendo una solida giustificazione per l'uso di modulatori delle BMP in clinica per prevenire l'insorgenza della cachessia nei pazienti oncologici.

English version:

More than half of cancer patients are facing with a deleterious syndrome named cachexia for which there are no therapeutic options. Almost one third of cancer death is consequent to cachexia. Our previous work has established that Bone and Morphogenetic Proteins (BMP) plays a critical role for the onset of this syndrome. We have found that during cancer growth inhibitors of BMP signaling are induced in mice and humans causing muscle wasting and disruption of muscle-nerve synapse, the neuromuscular junction (NMJ). Among potential co-factors that can contribute to inhibit BMP pathway and exacerbate muscle loss in cancer, the pro-inflammatory cytokine interleukin 6 (IL6) seems to play an important role. In fact, IL-6 is overproduced in patients with cancer cachexia and is sufficient to trigger the expression of the BMP inhibitor, Noggin, in muscle. Noggin inhibits BMPs action on muscle  fibers and motor nerves, subsequently causing disruption of the NMJ and muscle wasting. Re-establishing a correct BMP signaling by genetic and pharmacological approaches was sufficient to preserve NMJ, muscle force and muscle mass in tumour bearing mice. However, the insights of BMP regulation and the connection between IL6 and BMP pathway in relation to cachexia onset are unclear. This project aims to identify the cellular sources of the different components that modulate BMP pathway and dissects how IL6 signaling contributes to these changes. Single nucleus transcriptomic and ATAC seq will be performed on muscles from murine models of cancer cachexia and biopsies of cancer patients to establish which cell types contribute to modulate BMP pathway. By cross-referencing the profiles, we aim also to identify the signatures that are associated to cancer growth in myonuclei and nuclei of interstitial cells. To dissect the insights of IL6-BMP axis we will perform similar experiments on nuclei form muscles of mice in which IL6 signaling is genetically or pharmacologically activated or inhibited. The changes of BMP levels in the different cell types as well as the susceptibility to develop cachexia will be monitored in these mice. Next, Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) experiments and promoter studies will be employed to identify the transcription factors downstream IL-6 that are involved in BMP pathway modulation. Finally, to dissect the role of IL-6 and BMP pathway on NMJ and muscle loss and whether a pharmacological approach would be beneficial, 3D-derived muscle and neuron organoids will be treated with serum from cachectic or healthy subjects with or without BMP ligands or inhibitors of IL6. NMJ morphology, muscle force, gene expression signatures, and signaling will be monitored in these organoids. This project will dissect the BMP-dependent cachexia signature in rodents and patients and will give a strong rationale for the use of BMP modulators in clinic to prevent cachexia onset in cancer patients.

Contatti: marco.sandri@unipd.it