Butirato e radioterapia no cancro colorretal

Abstract

O cancro colorretal é uma das maiores causas de morte no mundo. As elevadas taxas de incidência têm sido associadas ao aumento da adoção de dietas tipicamente ocidentais, caracterizadas por elevadas quantidades de proteína e de gorduras de origem animal. Por outro lado, uma dieta rica em frutos e vegetais resulta no aumento da ingestão de fibras dietéticas relacionadas com um baixo risco de desenvolvimento desta neoplasia. A fermentação bacteriana das fibras dietéticas no cólon produz ácidos gordos de cadeia curta, nomeadamente o butirato, o qual tem uma função essencial no metabolismo celular e na manutenção da homeostasia do epitélio do cólon. Uma das opções terapêuticas disponíveis para o tratamento do cancro colorretal é a radioterapia, sendo utilizada principalmente quando os tumores se localizam no reto. A radioterapia consiste na utilização da radiação ionizante para a indução de morte celular nas células tumorais. Contudo, um dos problemas principais é a resistência aos efeitos da radiação, não só devido ao facto de se tratar dum cancro sólido mas também devido à radiorresistência adquirida por uma percentagem de células do tumor, que impossibilita a previsão da resposta tumoral à radioterapia. Por esta razão, a utilização de agentes químicos radiossensibilizadores, nomeadamente os inibidores das histona deacetilases, constitui uma estratégia que potencia os efeitos da radioterapia. A inibição das histona deacetilases promove a relaxação da cromatina e a exposição das cadeias de DNA, com alteração da estabilidade da dupla hélice durante um período de tempo mais longo, o que contribui para uma maior sensibilização das células tumorais a terapias que induzam danos no DNA. O butirato é considerado um inibidor das histona deacetilases e tem a capacidade de induzir a apoptose e a diferenciação seletiva nas células tumorais, ao contrário da promoção de um efeito protetivo que se verifica nas células normais. O butirato tem assim as características ideais para ser utilizado na radiossensibilização de cancros colorretais e, deste modo, aumentar a eficácia da radioterapia. Assim, pretendeuse neste trabalho avaliar não só a interferência do butirato em alterações no metabolismo glicolítico de uma linha celular radiorresistente, como o seu efeito na radiossensibilização de duas linhas celulares humanas de cancro colorretal. Primeiramente, verificou-se que o butirato interferiu com o metabolismo da linha celular radiorresistente WiDr/10x, com indução de uma diminuição ligeira na produção de lactato. Na segunda parte do trabalho, os resultados demonstraram que, quando a linha celular WiDr/10x é tratada com butirato e posteriormente irradiada, a proliferação celular diminuiu de forma dependente da dose de radiação. Este efeito foi mais evidente na linha celular nativa WiDr e provou que o butirato sensibiliza as células aos efeitos da radiação. Os efeitos da radiação podem promover a morte celular ou também a senescência das células. A radiossensibilização com o butirato induziu a diminuição da viabilidade da linha celular WiDr às 72 horas, bem como o aumento da apoptose, interferindo na razão BAX/BCL-2. Na linha celular WiDr/10x a radiossensibilização resultou na diminuição da sobrevivência celular a longo prazo, com diminuição do DL50, e observou-se uma tendência para o aumento da apoptose às 72 horas. Por esta razão, as células radiorresistentes aparentaram tornar-se senescentes após a indução de danos no DNA, resultando numa morte celular tardia. Além disso, às 72 horas, a radiossensibilização com o butirato induziu um bloqueio do ciclo celular na fase G2/M mais acentuado relativamente ao tratamento de radioterapia isoladamente, bem como um aumento do stresse oxidativo às 24 horas, interferindo com a produção de espécies oxidativas em ambas as linhas celulares em estudo. Estes efeitos estão correlacionados com a diminuição da proliferação e da viabilidade celulares, sendo maiores com o aumento do tempo de incubação, e estão relacionados com a senescência das células. A reversão da radiorresistência induzida na linha celular WiDr/10x demonstra o potencial do butirato na sensibilização de células com uma natureza radiorresistente. Podemos concluir com este trabalho que o butirato foi capaz de influenciar a radiorresistência tumoral, aumentando a sensibilidade das células aos efeitos da radiação ionizante. Uma dieta rica em fibra dietética poderá sensibilizar os tumores colorretais aos efeitos da radiação, melhorando assim a eficácia da radioterapia.

Colorectal cancer is a major cause of death worldwide. Its high incidence has been associated with the adoption of Western diets, rich in animal protein and fat. On the other hand, a diet rich in fruit and vegetables increases the intake of dietary fiber, which is associated with a low risk of developing this carcinoma. Bacterial fermentation of dietary fiber in colon produces short-chain fatty acids, particularly butyrate, which has an essential function in cell metabolism and in the maintenance of the colon epithelium homeostasis. One of the most common therapies currently used for the treatment of colorectal cancer is radiotherapy, mainly used when tumors are located in the rectum. Radiotherapy involves the use of ionizing radiation to induce cell death in tumor cells. However, one of the main problems is the radioresistance acquired by a percentage of tumor cells, making it difficult to predict tumor response in patients. For this reason, the use of radiosensitizers, in particular inhibitors of histone deacetylases, constitutes a strategy to enhance the effects of radiotherapy. The inhibition of histone deacetylases promotes the relaxation of chromatin and the exposure of DNA strands, altering the double-helix stability over a longer period of time and contributing to a higher sensitization of tumor cells to DNA damaging agents. Butyrate is stated as an inhibitor of histone deacetylases and it has the ability to induce apoptosis and differentiation selectively in tumor cells, plus stimulating a protective effect in normal cells. Thus, butyrate has ideal characteristics that make it useful to radiosensitize colorectal tumors to the effects of radiation, increasing radiotherapy efficacy. In this work, it was intended to evaluate the interference of butyrate in glycolytic metabolism of a radioresistant cell line and its capability to radiosensitize two human colorectal cancer cell lines. Firstly, it was found that butyrate interferes with the metabolism of the radioresistant cell line WiDr/10x, inducing a slight decrease on lactate production. In the second part, the results showed that, when the radioresistant cell line WiDr/10x is treated with butyrate and after irradiated with increasing radiation doses, cell proliferation decreases in a dosedependent way. This effect is marked in the native cell line WiDr and proves that butyrate can sensitize cells to the radiation effects. Radiation effects can promote cell death or induce senescence. After 72 hours, the irradiation effects in the presence of butyrate had also promoted the reduction of cell viability in WiDr cell line, and the increase of apoptosis by interfering with BAX and BCL-2 expression. In WiDr/10x cell line, radiotherapy combined with butyrate resulted in the decrease of cell survival on long term, allowing the reduction of DL50, and also showing a tendency to the increase of apoptosis after 72 hours. Radioresistant cells appear to become senescent after DNA damage, which results in a late cell death. Furthermore, after 72 hours, radiation treatment in combination with butyrate lead to a marked blockage of cell cycle at G2/M phase relative to the radiotherapy alone, and increased oxidative stress after 24 hours, by interfering with the production of oxidative species, for both cell lines. These effects correlate the decrease of cell proliferation and viability, becoming marked after 96 hours. These effects are also related with cell senescence. The regression of the radioresistance induced phenotype in WiDr/10x cell line, demonstrates butyrate’s potential in sensitizing radioresistant cells. With this work, we conclude that butyrate can influence tumor radioresistance, increasing the sensitivity of cells to the effects of ionizing radiation. A diet rich in dietary fiber could sensitize colorectal tumors to radiation effects, thereby improving the effectiveness of radiotherapy.