eRapport

Mechanisms of tumor-induced wasting

Prosjekt
Prosjektnummer
2018083
Ansvarlig person
Tor Erik Rusten
Institusjon
Oslo universitetssykehus HF
Prosjektkategori
Åpen prosjektstøtte
Helsekategori
Cancer
Forskningsaktivitet
1. Underpinning
Rapporter
2023
80% of advanced cancer patients suffer from cancer cachexia with significant loss of muscle and fat mass. The condition is characterized by systemic inflammation, metabolic changes, and exhaustion. This reduces quality of life, prevents the use of chemotherapy, and worsens the prognosis. The mechanisms of tumor-induced wasting are poorly understood.The overall goal of the project is to understand the causes and underlying mechanisms of tumor-induced wasting. In the long term, the goal is to improve quality of life and slow cancer development and wasting in patients suffering from cancer cachexia. To understand this, we have established a model for cancer cachexia in the fruit fly, Drosophila melanogaster, which reflects all the main components of cachexia in cancer patients including insulin resistance, metabolic reprogramming, inflammation, exhaustion, catastrophic breakdown of muscle and fat tissue, and subsequent death. In collaboration with a team of experts in metabolism, gene expression, cell biology, cancer genetics, and clinical work with advanced cancer patients, we will address three main challenges: a) How does the tumor cause metabolic reprogramming and wasting in muscle and fat tissue? b) What are the cellular mechanisms that lead to wasting of muscle and fat? c) Does the breakdown of muscle and fat serve as building blocks for the growth of the tumor? Summary of results submitted for publication: Tumor cells require large amounts of nutrients as building blocks and energy sources to increase cell size and divide. To maintain energy levels and building blocks in the tumor cell, cells perform so-called self-eating, or autophagy. During autophagy, the cell eats up parts of its own content called cytoplasm with energy stores such as glycogen and fat and discards defective proteins and mitochondria that form the cell's energy in the form of ATP. This way, the tumor cell maintains its own energy level and metabolism. We have created a cancer cachexia model in the fruit fly. Using groundbreaking X-ray techniques (micro X-ray computed tomography) with high resolution, we have documented that while the tumor grows 10 times in volume, muscle ,fat tissue and other organs are partially broken down. Muscle breakdown is dependent on inflammation signaling through a transcription factor called Nuclear Factor kappa B (NFkB) and Upd2/IL6-type signaling. NFkB stimulates increased autophagy in muscles, which executes muscle wasting. Thus, we have found that organ wasting through autophagy releases amino acids and sugar into the blood. In addition to the release of amino acids and sugars, we have found that elevated lipid mobilization occurs and that maximal tumor growth depends on both mobilized circulating lipids and generating their own lipids for tumor growth (Submitted). Through the development of new groundbreaking methods for tracking natural carbon isotopes, we subsequently demonstrated that the tumor mainly uses nutrients secreted from emaciated organs and not food to grow. When wasting is prevented, tumor growth stops. Together, this supports the notion that systemic inflammation observed in patients with cancer cachexia can drive organ wasting through autophagy and that organ wasting, in turn, drives tumor growth by transferring nutrients through a form of cannibalism. We are now working to understand more about the process and how we can transfer this knowledge to drug use in patients in the future.

no

2022
80% of advanced cancer patients suffer from cancer cachexia with significant loss of muscle and fat mass. The condition is characterized by systemic inflammation, metabolic changes, and exhaustion. This reduces the quality of life, prevents the use of chemotherapy, and worsens the prognosis. The mechanisms of tumor-induced wasting are poorly understood.The overall goal of the project is to understand the causes and underlying mechanisms of tumor-induced wasting. In the long term, the goal is to improve quality of life and slow cancer development and wasting in patients suffering from cancer cachexia. To understand this, we have established a model for cancer cachexia in the fruit fly, Drosophila melanogaster, which reflects all the main components of cachexia in cancer patients including insulin resistance, metabolic reprogramming, inflammation, exhaustion, catastrophic breakdown of muscle and fat tissue, and subsequent death. In collaboration with a team of experts in metabolism, gene expression, cell biology, cancer genetics, and clinical work with advanced cancer patients, we will address three main challenges: a) How does the tumor cause metabolic reprogramming and wasting in muscle and fat tissue? b) What are the cellular mechanisms that lead to wasting of muscle and fat? c) Does the breakdown of muscle and fat serve as building blocks for the growth of the tumor? Summary of results submitted for publication: Tumor cells require large amounts of nutrients as building blocks and energy sources to increase cell size and divide. To maintain energy levels and building blocks in the tumor cell, cells perform so-called self-eating, or autophagy. During autophagy, the cell eats up parts of its own content called cytoplasm with energy stores such as glycogen and fat and discards defective proteins and mitochondria that form the cell's energy in the form of ATP. This way, the tumor cell maintains its own energy level and metabolism. We have created a cancer cachexia model in the fruit fly. Using groundbreaking X-ray techniques (micro X-ray computed tomography) with high resolution, we have documented that while the tumor grows 10 times in volume, muscle ,fat tissue and other organs are partially broken down. Muscle breakdown is dependent on inflammation signaling through a transcription factor called Nuclear Factor kappa B (NFkB) and Upd2/IL6-type signaling. NFkB stimulates increased autophagy in muscles, which executes muscle wasting. Thus, we have found that organ wasting through autophagy releases amino acids and sugar into the blood. In addition to the release of amino acids and sugars, we have found that elevated lipid mobilization occurs and that maximal tumor growth depends on both mobilized circulating lipids and generating their own lipids for tumor growth. Through the development of new groundbreaking methods for tracking natural carbon isotopes, we subsequently demonstrated that the tumor mainly uses nutrients secreted from emaciated organs and not food to grow. When wasting is prevented, tumor growth stops. Together, this supports the notion that systemic inflammation observed in patients with cancer cachexia can drive organ wasting through autophagy and that organ wasting, in turn, drives tumor growth by transferring nutrients through a form of cannibalism. We are now working to understand more about the process and how we can transfer this knowledge to drug use in patients in the future.

The personnel have moved on to other academic positions as their contract is finished. We are now about to submit the last remaining research manuscript on mobilization and use of fatty acids for tumor growth during cancer cachexia.

2021
80% av fremskredne kreftpasienter lider av kreft kakeksi med kraftig tap av muskel og fettmasse. Tilstanden karakteriseres av systemisk inflammasjon, metabolske forandringer og utmattelse. Dette reduserer livskvalitet, forhindrer bruk av kjemoterapi og forverrer prognosen. Mekanismene for tumor-indusert forvitring er lite kjent.Det overordnede målet for prosjektet er å forstå årsakene og de underliggende mekanismene for tumor-indusert forvitring. På lengre sikt er målet å øke livskvaliteten, og å bremse kreftutvikling og forvitring hos pasienter som lider av kreft kakeksi. For å forstå dette har vi etablert en modell for kreft kakeksi i bananfluen, Drosophila melanogaster som reflekterer alle hoveddeler av kakeksi i kreftpasienter inkludert; insulinresistens, metabolsk reprogrammering, inflammasjon, utmattelse og katastrofal nedbrytning av muskel og fettvev og påfølgende død. I samarbeid med et team av eksperter på metabolisme, genekspresjon, cellebiologi og kreftgenetikk og klinisk arbeid med fremskredne kreftpasienter vil å angripe tre hovedutfordringer: a) Hvordan forårsaker tumor metabolsk reprogrammering og forvitring and muskel og fettvev? b) Hva er de cellulære mekanismene som fører til forvitring av muskel og fett. c) Brukes nedbrytning av muskel og fett som byggesteiner for tumorens vekst? Sammendrag av resultater sendt inn for publisering: Tumorceller trenger store mengder næringsstoffer som byggesteiner og energikilde for å øke cellestørrelsen og dele seg. For å opprettholde energinivået og byggesteiner i tumorcellen utfører celler såkalt selv-spising, eller autofagi. Ved autofagi spiser cellen selv opp deler av sitt eget innhold kalt cytoplasma med energilagre som glycogen og fett og forkaster defekte proteiner og mitokondrier som danner cellens energi i form av ATP. Slik opprettholdes tumorcellen sitt eget energinivå og forbrenning. Vi har laget en kreft kakeksimodell i bananflue . Ved bruk av banebrytende røntgenteknikker (micro X- ray computed tomography) med stor oppløsning har vi dokumentert at mens tumoren vokser 10 ganger i volum, brytes muskel, fettvev og mage-tarm ned. Nedbrytningen av muskler er avhengig av inflammasjonssignalering gjennom en transkripsjonsfaktor kalt Nuclear Factor kappa B (NFkB) og Upd2/IL6 type signalering. NFkB stimulerer til økt autofagi i muskler som igjen er ansvarlig for muskelforvitring. Vi har funnet at organforvitring ved autofagi frigjør aminosyrer, og sukker til blodet. Gjennom utvikling av nye banebrytende metoder for å følge naturlige karbonisotoper kan vi demonstrere at tumoren anvender næringsstoffer skilt ut fra avmagrede organer for å vokse. Når avmagring hindres, stopper tumorveksten. Vi har derfor funnet at systemisk inflammasjon som observeres i pasienter med kreft kakeksi , kan drive organforvitring gjennom autofagi og at organforvitringen igjen driver tumorveksten ved å overføre næringsstoffer ved en form for kannibalisme. Vi jobber nå med å forstå mer av prosessen og hvordan vi kan overføre denne kunnskapen til medikamentell anvendelse hos pasienter i tiden fremover.

No

2020
80% av fremskredne kreftpasienter lider av kreft kakeksi med kraftig tap av muskel og fettmasse. Tilstanden karakteriseres av systemisk inflammasjon, metabolske forandringer og utmattelse. Dette reduserer livskvalitet, forhindrer bruk av kjemoterapi og forverrer prognosen. Mekanismene for tumor-indusert forvitring er lite kjent.Tittel: Mechanisms of tumor-induced wasting Ingress: 80% av fremskredne kreftpasienter lider av kreft kakeksi med kraftig tap av muskel og fettmasse. Tilstanden karakteriseres av systemisk inflammasjon, metabolske forandringer og utmattelse. Dette reduserer livskvalitet, forhindrer bruk av kjemoterapi og forverrer prognosen. Mekanismene for tumor-indusert forvitring er lite kjent. Innlegg Det overordnede målet for prosjektet er å forstå årsakene og de underliggende mekanismene for tumor-indusert forvitring. På lengre sikt er målet å øke livskvaliteten, og å bremse kreftutvikling og forvitring hos pasienter som lider av kreft kakeksi. For å forstå dette har vi etablert en modell for kreft kakeksi i bananfluen, Drosophila melanogaster som reflekterer alle hoveddeler av kakeksi i kreftpasienter inkludert; insulinresistens, metabolsk reprogrammering, inflammasjon, utmattelse og katastrofal nedbrytning av muskel og fettvev og påfølgende død. I samarbeid med et team av eksperter på metabolisme, genekspresjon, cellebiologi og kreftgenetikk og klinisk arbeid med fremskredne kreftpasienter vil å angripe tre hovedutfordringer: a) Hvordan forårsaker tumor metabolsk reprogrammering og forvitring and muskel og fettvev? b) Hva er de cellulære mekanismene som fører til forvitring av muskel og fett. c) Brukes nedbrytning av muskel og fett som byggesteiner for tumorens vekst? Sammendrag av resultater sendt inn for publisering: Tumorceller trenger store mengder næringsstoffer som byggesteiner og energikilde for å øke cellestørrelsen og dele seg. For å opprettholde energinivået og byggesteiner i tumorcellen utfører celler såkalt selv-spising, eller autofagi. Ved autofagi spiser cellen selv opp deler av sitt eget innhold kalt cytoplasma med energilagre som glycogen og fett og forkaster defekte proteiner og mitokondrier som danner cellens energi i form av ATP. Slik opprettholdes tumorcellen sitt eget energinivå og forbrenning. Vi har laget en kreft kakeksimodell i bananflue . Ved bruk av banebrytende røntgenteknikker (micro X- ray computed tomography) med stor oppløsning har vi dokumentert at mens tumoren vokser 10 ganger i volum, brytes muskel og fettvev ned. Nedbrytningen av muskler er avhengig av inflammasjonssignalering gjennom en transkripsjonsfaktor kalt Nuclear Factor kappa B (NFkB) og Upd2/IL6 type cytokinsignalering. NFkB stimulerer til økt autofagi i muskler som kan utføre muskelforvitring. Vi har funnet at organforvitring ved autofagi frigjør aminosyrer, og sukker til blodet. Gjennom utvikling av nye banebrytende metoder for å følge naturlige karbonisotoper kan vi demonstrere at tumoren anvender næringsstoffer skilt ut fra avmagrede organer for å vokse. Når avmagring hindres, stopper tumorveksten. Vi har derfor funnet at systemisk inflammasjon som observeres i pasienter med kreft kakeksi, kan drive organforvitring gjennom autofagi og at organforvitringen igjen driver tumorveksten ved å overføre næringsstoffer ved en form for kannibalisme.

Nei

2019
80% av fremskredne kreftpasienter lider av kreft kakeksi med kraftig tap av muskel og fettmasse. Tilstanden karakteriseres av systemisk inflammasjon, metabolske forandringer og utmattelse. Dette reduserer livskvalitet, forhindrer bruk av kjemoterapi og forverrer prognosen. Mekanismene for tumor-indusert forvitring er lite kjent.Innlegg Det overordnede målet for prosjektet er å forstå årsakene og de underliggende mekanismene for tumor-indusert forvitring. På lengre sikt er målet å øke livskvaliteten, og å bremse kreftutvikling og forvitring hos pasienter som lider av kreft kakeksi. For å forstå dette har vi etablert en modell for kreft kakeksi i bananfluen, Drosophila melanogaster som reflekterer alle hoveddeler av kakeksi i kreftpasienter inkludert; insulinresistens, metabolsk reprogrammering, inflammasjon, utmattelse og katastrofal nedbrytning av muskel og fettvev og påfølgende død. I samarbeid med et team av eksperter på metabolisme, genekspresjon, cellebiologi og kreftgenetikk og klinisk arbeid med fremskredne kreftpasienter vil å angripe tre hovedutfordringer: a) Hvordan forårsaker tumor metabolsk reprogrammering og forvitring and muskel og fettvev? b) Hva er de cellulære mekanismene som fører til forvitring av muskel og fett. c) Brukes nedbrytning av muskel og fett som byggesteiner for tumorens vekst? Sammendrag av resultater sendt inn for publisering: Tumorceller trenger store mengder næringsstoffer som byggesteiner og energikilde for å øke cellestørrelsen og dele seg. For å opprettholde energinivået og byggesteiner i tumorcellen utfører celler såkalt selv-spising, eller autofagi. Ved autofagi spiser cellen selv opp deler av sitt eget innhold kalt cytoplasma med energilagre som glycogen og fett og forkaster defekte proteiner og mitokondrier som danner cellens energi i form av ATP. Slik opprettholdes tumorcellen sitt eget energinivå og forbrenning. Vi har laget en kreft kakeksimodell i bananflue . Ved bruk av banebrytende røntgenteknikker (micro X- ray computed tomography) med stor oppløsning har vi dokumentert at mens tumoren vokser 10 ganger i volum, brytes muskel og fettvev ned. Nedbrytningen av muskelvevet foregår ved inflammasjonssignalering gjennom en transkripsjonsfaktor kalt Nuclear Factor kappa B (NFkB). NFkB stimulerer til økt autofagi i muskler som igjen er ansvarlig for muskelforvitring. Organforvitring ved autofagi frigjør aminosyrer, og sukker til blodet. Gjennom utvikling av nye banebrytende metoder for å følge naturlige karbonisotoper kan vi demonstrere at tumoren anvender næringsstoffer skilt ut fra avmagrede organer for å vokse. Når avmagring hindres, stopper tumorveksten. Vi har derfor funnet at systemisk inflammasjon som observeres i pasienter med kreft kakeksi , kan drive organforvitring gjennom autofagi og at organforvitringen igjen driver tumorveksten ved å overføre næringsstoffer ved en form for kannibalisme. Vi jobber nå med å forstå mer av prosessen og hvordan vi kan overføre denne kunnskapen til medikamentell anvendelse hos pasienter i tiden fremover.

PhD kandidat Royjar Khezri som deltar på prosjektet i min forskningsgruppe men finansiert av Norges Forskningsråd har hatt et forskningsopphold i Israel i perioden 10.10.2018-24.10.2018. R. Khezri lærte og utførte metabolomics i laben til Eyal Gottlieb, an verdensledende ekspert på metabolisme i kreftutviking.

2018
80% av fremskredne kreftpasienter lider av kreft kakeksi med kraftig tap av muskel og fettmasse. Tilstanden karakteriseres av systemisk inflammasjon, metabolske forandringer og utmattelse. Dette reduserer livskvalitet, forhindrer bruk av kjemoterapi og forverrer prognosen. Mekanismene for tumor-indusert forvitring er lite kjent.Det overordnede målet for prosjektet er å forstå årsakene og de underliggende mekanismene for tumor-indusert forvitring. På lengre sikt er målet å øke livskvaliteten, og muligens bremse kreftutvikling og forvitring hos pasienter som lider av kreft kakeksi. For å forstå dette har vi etablert en modell for kreft kakeksi i bananfluen som reflekterer alle hoveddeler av kakeksi i kreftpasienter inkludert insulinresistens, metabolsk reprogrammering, inflammasjon, utmattelse og katastrofal nedbrytning av muskel og fettvev med påfølgende død. I samarbeid med et team av eksperter på metabolisme, genekspresjon, cellebiologi og kreftgenetikk og klinisk arbeid med fremskredne kreftpasienter vil å angripe tre hovedutfordringer: a) Hvordan forårsaker tumor metabolsk reprogrammering og forvitring and muskel og fettvev? b) Hva er de cellulære mekanismene som fører til forvitring av muskel og fett. c) Brukes nedbrytning av muskel og fett som byggesteiner for tumorens vekst? Hovedmål 1: Funksjonell karakterisering av tumor-verts interaksjon. Ved bruk av Omics' teknikker på gen-, protein- og metabolittnivå danner vi oss et globalt bilde av forandringene som tumor setter i gang i organismen. Postdoktor Petter Holland (finansiert av dette prosjektet) har erfaring fra både cellebiologi og bioinformatisk analyse av store datasett med genekspresjon. Innledende analyse av genekspresjon (RNASeq) av tumor, fett og muskelvev har gitt oss et godt bilde på forandringene og mulige mekanismer som fører til tumor-indusert forvitring. Disse forandringene er sammenfallende med bildet fra kreftpasienter. PhD student Rojyar Khezri har vært på forskningsopphold hos prof. Eyal Gottlieb, Israel (verdensledene laboratorium på kreftmetabolisme) og etablert metoder for metabolsk analyse på bananfluer som vi nå anvender for å belyse tumor-induserte metabolske endringer i blod/hemolymfe og vevsprøver. I samarbeid med prof. Jorrit Enserink i vårt felles Senter for Fremragende forskning (CanCell) har vi også utført phosphoproteomikk som belyser global aktiviseringsstatus for en rekke signalveier ved kakeksi. Vi formulerer nå hypoteser om mekanistiske årsakssammenhenger in silico for eksperimentell testing. Hovedmål 2: Mekanismer for tumor-indusert forvitring Basert på våre analyser og litteratur forfølger vi nå flere hypoteser og årsakssammenhenger på tumor-vertkommunikasjon, metabolsk reprogrammering og cellebiologiske mekanismer. Postdoktor S. Takats e rnylig tilsatt på dette prosjektet (Desember 2018) og har lang erfaring med genetisk analyse av katabolske prosesser i bananflue og vil med bistand av R. Schimasnki (tekniker 50% på dette prosjektet) forfølge mekanismene for kreft kakeksi. Brukergruppen, forskere og klinikere vil i 2019 delta aktivt i det planleggende og utførende arbeidet.
Vitenskapelige artikler
Holland P, Quintana EM, Khezri R, Schoborg TA, Rusten TE

Computed tomography with segmentation and quantification of individual organs in a D. melanogaster tumor model.

Sci Rep 2022 Feb 08;12(1):2056. Epub 2022 feb 8

PMID: 35136137

Khezri R, Holland P, Schoborg TA, Abramovich I, Takáts S, Dillard C, Jain A, O'Farrell F, Schultz SW, Hagopian WM, Quintana EM, Ng R, Katheder NS, Rahman MM, Teles Reis JG, Brech A, Jasper H, Rusan NM, Jahren AH, Gottlieb E, Rusten TE

Host autophagy mediates organ wasting and nutrient mobilization for tumor growth.

EMBO J 2021 09 15;40(18):e107336. Epub 2021 jul 26

PMID: 34309071

Holland P, Hagopian WM, Jahren AH, Rusten TE

Natural abundance isotope ratios to differentiate sources of carbon used during tumor growth in vivo.

BMC Biol 2021 05 10;19(1):85. Epub 2021 mai 10

PMID: 33966633

Fang EF, Hou Y, Lautrup S, Jensen MB, Yang B, SenGupta T, Caponio D, Khezri R, Demarest TG, Aman Y, Figueroa D, Morevati M, Lee HJ, Kato H, Kassahun H, Lee JH, Filippelli D, Okur MN, Mangerich A, Croteau DL, Maezawa Y, Lyssiotis CA, Tao J, Yokote K, Rusten TE, Mattson MP, Jasper H, Nilsen H, Bohr VA

NAD

Nat Commun 2019 11 21;10(1):5284. Epub 2019 nov 21

PMID: 31754102

Dillard C, Rusten TE

Cell Competition Triggers Suicide by Autophagy.

Dev Cell 2019 Oct 07;51(1):4-5.

PMID: 31593651

Khezri R, Rusten TE

Autophagy and Tumorigenesis in Drosophila.

Adv Exp Med Biol 2019;1167():113-127.

PMID: 31520352

Kumar S, Gu Y, Abudu YP, Bruun JA, Jain A, Farzam F, Mudd M, Anonsen JH, Rusten TE, Kasof G, Ktistakis N, Lidke KA, Johansen T, Deretic V

Phosphorylation of Syntaxin 17 by TBK1 Controls Autophagy Initiation.

Dev Cell 2019 04 08;49(1):130-144.e6. Epub 2019 feb 28

PMID: 30827897

Kumar S, Jain A, Farzam F, Jia J, Gu Y, Choi SW, Mudd MH, Claude-Taupin A, Wester MJ, Lidke KA, Rusten TE, Deretic V

Mechanism of Stx17 recruitment to autophagosomes via IRGM and mammalian Atg8 proteins.

J Cell Biol 2018 Mar 05;217(3):997-1013. Epub 2018 feb 2

PMID: 29420192

Deltagere
  • Preeti Jain Prosjektdeltaker
  • Geir Bjørkøy Prosjektdeltaker
  • Tove Nakken Brukerrepresentant
  • Erna Hogrenning Brukerrepresentant
  • Heinrich Jasper Prosjektdeltaker
  • Eyal Gottlieb Prosjektdeltaker
  • Anne Simonsen Prosjektdeltaker
  • Harald Alfred Stenmark Prosjektdeltaker
  • Andreas John Carl Brech Prosjektdeltaker
  • Johannes Eivind Hovig Prosjektdeltaker
  • Stein Kaasa Prosjektdeltaker
  • Åslaug Helland Prosjektdeltaker
  • Riccarda Schimanski Prosjektdeltaker
  • Scabolz Takats Postdoktorstipendiat (finansiert av denne bevilgning)
  • Petter Holland Postdoktorstipendiat (finansiert av denne bevilgning)
  • Rojyar Khezri Doktorgradsstipendiat (annen finansiering)
  • Tor Erik Rusten Prosjektleder

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til eRapport

Personvern  -  Informasjonskapsler