The impact of doxorubicin and trastuzumab on the molecular remodeling of striated muscle

Abstract

In the last few decades, there has been a significant increase in the survival rate of cancer patients, mainly due to the use of ever-improving treatment modalities, such as chemotherapy and immunotherapy. However, the use of these treatments, such as the ones involving doxorubicin and trastuzumab, have been accompanied by severe toxicity, especially with serious cardiac toxicity. To better understand the toxicity induced by doxorubicin plus trastuzumab, in the first part of this thesis, it is presented a review integrating the molecular mechanisms harbored in the different cardiac cell types and regulated by these therapeutic approaches. This analysis emphasizes the involvement of ROS and HER2 signaling in the damaging effect of this combined treatment, but other pathways intervene. In addition to cardiotoxicity, doxorubicin may also impact skeletal muscle function, consequently affecting the quality of life of cancer patients. Thus, to better understand the toxicity induced by doxorubicin in skeletal muscle, adult male mice were exposed to treatment with doxorubicin for 3 weeks (cumulative dose of 9mg/Kg or 18mg/Kg). At the end of the protocol, soleus and gastrocnemius muscles were collected. Our study focused on the molecular remodeling of the soleus muscle since macroscopic signs of atrophy induced by doxorubicin were observed. The biochemical analysis focused on the effect of doxorubicin on soleus metabolic adaptations and regulatory mechanisms involved. Data revealed a significant increase in GAPDH and PFK1 levels, after doxorubicin administration, indicating a metabolic shift in favor of glycolysis for energetic purposes. This metabolic adaptation was not accompanied by changes in mitochondrial dynamics and in the regulation of ubiquitin-proteasome pathway. In conclusion, our study shows that doxorubicin treatment in mice promotes the remodeling of soleus muscle, mainly at the metabolic level; however, more pathways should be evaluated to better comprehend the molecular adaptations promoted by doxorubicin in skeletal muscle and their functional impact.

Nas últimas décadas tem-se verificado um aumento significativo na taxa de sobrevivência em doentes com cancro, principalmente devido ao uso de novas modalidades de tratamento, envolvendo a quimioterapia e a imunoterapia. No entanto, a utilização de muitos destes tratamentos, como os que envolvem a administração de doxorrubicina e trastuzumab, é limitada pela sua toxicidade. Com o objetivo de melhor compreender a toxicidade associada ao tratamento com doxorrubicina e trastuzumab, na primeira parte desta dissertação procedeu-se a uma revisão dos mecanismos moleculares regulados por estes tratamentos nas diferentes células que constituem o coração. Enfase é dado ao envolvimento da sinalização mediada por ROS e HER2 na cardiotoxicidade induzida por esta abordagem terapêutica, mas outras vias moleculares são criticamente analisadas. Para além do impacto negativo que exerce na função cardíaca, o tratamento com doxorrubicina também pode comprometer a função do músculo esquelético, afetando a qualidade de vida dos pacientes oncológicos. Com o objetivo de compreender melhor a toxicidade induzida pela doxorrubicina no músculo esquelético, procedeu-se a um estudo experimental com ratinhos macho adultos expostos a tratamento com doxorrubicina durante 3 semanas (dose cumulativa de 9mg/Kg ou 18mg/Kg). No final do protocolo animal recolheram-se os músculos soleus e gastrocnemius. Uma vez que o músculo soleus foi o que evidenciou sinais macroscópicos de atrofia, procedeu-se à sua análise bioquímica, com particular destaque para as adaptações metabólicas e mecanismos regulatórios envolvidos. De facto, os nossos resultados revelaram um aumento significativo dos níveis das enzimas glicolíticas GAPDH e PFK1, após a administração de doxorrubicina, indicando uma maior dependência metabólica do músculo soleus pela glicólise para fins energéticos. Curiosamente, esta adaptação metabólica não foi acompanhada por alterações na dinâmica mitocondrial e na via ubiquitina proteassoma. Em conclusão, o nosso estudo mostra que o tratamento com doxorrubicina promove a remodelação do músculo soleus, principalmente a nível metabólico. No entanto, serão necessárias mais análises para melhor compreender os mecanismos reguladores subjacentes à remodelação molecular promovida pela doxorrubicina no músculo esquelético.