Translational Research in Personalized Medicine with Special References to Gastric Cancer and Obesity

Abstract

Translational research in personalized medicine with special references to gastric cancer and obesity Background: Translational research in medical science is essential because the rapid progression of science and technology has led to “the valley of death” between basic science and clinical practice. Cancer is one of the main leading causes of morbidity and mortalityworldwide, and gastric cancer is mthe 5th most common cancer and the 3rd leading cause of cancer mortality (8.2% of all cancer deaths). Over the past decades, early diagnosis and minimal invasive surgery have been successfully applied in gastric cancer patients, however the treatment of patients with advanced gastric cancer still remains a challenging, as the current standard treatment such as chemotherapy is effective only in a small proportion of the patients due to high heterogeneity of gastric cancer. Thus, the development of new and personalized therapy for gastric cancer is needed. Several reports have demonstrated the importance of crosstalk between tumor cells and nerves, and vagus nerve is well-known to play an important role in the regulation of gastrointestinal function and gastric epithelial cell proliferation, indicating the potential role of vagus nerve in gastric tumorigenesis. Obesity is one of the risk factors to develop gastric cancer and the bariatric surgery is effective treatment for weight loss as well as reducing the cancer risk in obese patients, however the mechanisms underlying various bariatric procedures remain unclear, and thus it is important to elucidate the underlying mechanisms for personalized bariatric surgery. Aims: Overall aim of this thesis is to conduct translational research with attempt to develop personalized therapies for gastric cancer (Part I) and obesity (Part II). The specific objectives included: (i) to investigate the role of vagus nerve on gastric tumorigenesis, and to develop new treatment based on the elucidated underlying mechanism, (ii) to elucidate the mechanisms of bariatric surgeries such as vagotomy with pyloroplasty (VTPP), sleeve gastrectomy (SG), duodenal switch (DS) and gastric bypass (GB). Methods: In Part I, pathological evaluation, immunohistochemical analyses and gene expression profiling were performed using three different mouse models of gastric cancer (i.e., genetically-, chemically- or infection-induced gastric cancer models). Mice underwent denervation by VTPP (including unilateral vagotomy, UVT) or local injection of botulinum toxin type A (Botox). In vitro gastric organoids were also used. Three cohort studies were performed on human primary gastric cancer and gastric stump cancer. In Part II, rats were subjected to VTPP, PP, SG, DS, SG+DS, GB and laparotomy (as controls), and monitored by comprehensive laboratory animal monitoring system (CLAMS). Results: In Part I, denervation of the stomach markedly inhibited gastric cancer initiation and progression, particularly in the denervated portion of the stomach (such as after UVT and unilateral Botox injection), in all three independent mouse models of gastric cancer. Denervation also enhanced the anti-tumor effects of chemotherapy and prolonged survival. Denervation-induced suppression of tumorigenesis was associated with suppression of the stem cell expansion by inhibiting Wnt signaling via muscarinic acetylcholine receptor M3 (M3R). In gastric cancer patients, tumor stage and lymph node metastasis correlated with neural density and activated Wnt signaling, whereas vagotomy reduced the risk of gastric cancer. In Part II, VTPP did not affect body weight, eating behavior and metabolic parameters. SG reduced body weight in short-term but not long-term, and transiently increased energy expenditure without reduction of food intake. DS regardless of whether it was accompanied by SG caused remarkable and continuous body weight loss, which was associated with increased energy expenditure, reduction of food intake and malabsorption. GB induced persistent body weight loss which was associated with increased energy expenditure without altered eating behavior and malabsorption. Conclusions: In Part I, denervation suppresses gastric cancer initiation as well as progression through inhibition of the cancer stem cell niche by down-regulation of Wnt signaling pathway via M3R. These findings could be translated to clinical trials using endoscopic Botox injection, and the therapy should be personalized depending on Wnt signaling expression on each gastric cancer patient. In Part II, weight loss after each bariatric surgical procedure differs in terms of degree, duration and the underlying mechanisms, pointing to the need of personalized bariatric surgery.

Abstract in Norwegian Translasjonsforskning i personalisert medisin med fokus på magekreft og fedme Introduksjon: Translasjonsforskning innen medisin er viktig fordi den raske utviklingen av vitenskap og teknologi har ført til et gap mellom grunnforskning og klinisk praksis. Kreft er en av de største årsakene til sykdom og dødelighet over hele verden, og magekreft er den femte vanligste krefttypen og den tredje ledende årsaken til kreftdødelighet. I løpet av de siste tiårene har tidlig diagnose og minimal invasiv kirurgi vært vellykket hos pasienter med magekreft. Samtidig er behandlingen av pasienter med avansert magekreft fortsatt utfordrende, siden nåværende standard behandling som inkludererer cellegift, kun er effektiv i en mindre andel av pasientene på grunn av høy heterogenitet i magekreft. Dermed er det behov for utvikling av en ny og mer individuelt rettet terapi for magekreft. Flere rapporter har beskrevet viktigheten av samspillet mellom tumorceller og nerver, og vagusnerven har blitt vist å spille en sentral rolle i regulering av gastrointestinale funksjoner og celleproliferasjon i gastroepitelcellevev, og videre en mulig rolle i gastrisk tumorigenese. Fedme utgjør en av risikofaktorene for å utvikle magekreft og bariatrisk kirurgi er en effektiv behandling for vekttap i tillegg til å redusere kreftrisikoen hos overvektige pasienter. Samtidig er de underliggende mekanismene for de forskjellige bariatriske prosedyrene fortsatt uklare som derfor argumenterer for et behov av å belyse disse for en økt forståelse av mekanismene for personlig bariatrisk kirurgi. Hensikt: Hovedmålet i dette doktorgradsarbeidet var å utføre translasjonsforskning med fokus på å utvikle personaliserte terapier for magekreft (del I) og fedme (del II). Delmålene var: (i) å undersøke vagusnervens rolle i gastrisk tumorigenese, og å utvikle ny behandling basert på en økt forståelse av underliggende mekanismer, (ii) å avdekke mekanismene i bariatriske kirurgiske metoder som vagotomi med pyloroplasti (VTPP), gastrisk sleeve (SG), duodenal switch (DS) og gastrisk bypass (GB). Metode: I del I ble patologisk evaluering, immunhistokjemiske analyser og genuttrykkprofilering utført ved bruk av tre ulike musemodeller som utvikler magekreft (genetisk-, kjemisk- eller infeksjonsindusert magekreftmodeller). Musene gjennomgikk denervering av VTPP (inkludert ensidig vagotomi, UVT) eller lokal injeksjon av botulinum toxin type A (Botox). In vitro gastriske organoider ble også benyttet. Tre kohortstudier ble utført på human primær magekreft og gastrisk stumpkreft. I del II gjennomgikk rotter VTPP, PP, SG, DS, SG+DS, GB og laparotomi (som kontrollgruppe) og monitorert av et omfattendeovervåkningssystem for forsøksdyr (CLAMS). Resultat: Del I: denervering av magen inhiberte initiering og progresjon av magekreft. Tumorreduksjon ble obeservert spesielt i den denerverte delen av magesekken som en følge av UVT og unilateral Botoxinjeksjon, i samtlige tre musemodeller testet. Denerveringen forsterket også antitumoreffektene av cellegift og bidro til økt overlevelsesrate. Det ble videre vist en nedgang i stamcelle ekspansjon ved inihibering av Wnt-signalsporet via muscarinic acetylkolinreseptor M3 (M3R). Hos pasienter med magekreft korrelerte tumorstadium og lymfeknutemetastase med nevraltetthet og aktivert Wnt-signalering, mens vagotomi reduserte sannsynlighet for magekreft. I del II ble det vist at VTPP ikke påvirket kroppsvekt, spiseatferd og metabolske parametere. SG reduserte kroppsvekten på kort sikt, men ikke på lang sikt, og ga en forbigående økning i energiforbruk uten at dette reduserte matinntak. DS både med og uten SG forårsaket et bemerkelsesverdig og kontinuerlig vekttap, noe som var forbundet med et økt energiforbruk, reduksjon av matinntak og malabsorpsjon. GB induserte vedvarende vekttap som var assosiert med et økt energiforbruk uten endret spiseatferd og malabsorpsjon. Konklusjon: Del I av dette studiet viste at denervering inhiberer både initiering og progresjonav magekreft ved å inhibere kreftstamcellenisje ved nedregulering av Wnt-signalspor gjennom M3R. Disse funnene foreslås som overførbare til kliniske studier ved bruk av endoskopisk Botoxinjeksjon, sammen med en individuelt tilpasset behandling avhengig av genuttrykk av Wnt-signalspor hos den enkelte pasient. I del II fant vi at vekttapet etter bariatrisk kirurgiske prosedyrer varierer med grad, varighet og de underliggende mekanismene, noe som peker på behovet for individuelt tilpasset bariatrisk kirurgi.