New opportunities for biophotonics and protein science in photonics cancer therapy

Abstract

Recent numbers regarding cancer epidemics reveal that every year, 12.7 million people are diagnosed with cancer and 7.6 million die from the disease. Also, it is predicted that cancer related deaths will increase up to 80% by 2030. These numbers are worrying, which motivates an urgent need to develop new anti-cancer therapies. We propose to use low dose Ultra Violet (UV) illumination as a photonic anti-cancer therapy, taking advantage of the interaction between UV light and certain proteins. The ErbB family of receptors is known to influence cell survival, adhesion, migration, proliferation and differentiation. In fact, epidermal growth factor receptor (EGFR) overexpression has been associated with several cancers, including breast, nonsmall cell lung cancer, head and neck cancers, among others. Additionally, EGFR is particularly rich in disulphide bridges in close proximity with aromatic residues. This together with the relation between EGFR overexpression and cancer development makes this receptor an interesting target for photonic therapy. The main goal of this project was to describe the effects of UV light at 280 nm (with different illuminations powers) on cancer cells that overexpress EGFR. We were particularly interested in morphologic changes in the cells, as well as changes in the expression of proteins involved in these mechanisms. For this study, A549 EGFR biosensor cell line was used, since it facilitates the morphologic studies. Basically, Sulforhdodamine B (SRB) was used to study cellular proliferation, so we could select an ideal EGF concentration for subsequent studies. Also, confocal microscopy was used for the morphological studies and for easily monitoring of EGFR activation, and western blot was used to evaluate expression of different proteins, in particular the phosphorylated form of EGFR. Overall, our results demonstrated that EGFR activation with EGF leads to a morphological shift to an invasive/migratory phenotype. Using UV light at low illumination powers (0.007 mW/cm2 and 0.021 mW/cm2), this mechanism was inhibited. Also, we showed that irradiation reduced levels of phosphorylated EGFR protein, as well as of β-actin. Thus, these results are promising but there is still a long way towards the implementation of biophotonics as an anti-cancer therapy in clinic.

Dados recentes relativos ao cancro demostram que, anualmente, 12.7 milhões de pessoas são diagnosticadas, sendo que 7.6 milhões acabam por falecer desta doença. Adicionalmente, previsões estatisticas indicam que as mortes relacionadas com cancro vão aumentar em 80% em 2030. Face a estes números preocupantes, o devenvolvimento e implementação de terapias inovadoras para esta doença é essencial. Neste projecto, propomos a utilização da radiação UV como terapia biofotónica de cancro, tirando partido da interacção entre a luz UV com determinadas proteínas. A família de receptores ErbB é conhecida pela sua associação a processos como a sobrevivência celular, migração e diferenciação. De facto, a sobrexpressão do factor de crescimento epidérmico (EGFR), foi já associada a diversos cancros, tais como mamário, pulmão, entre outros. Além disso, o EGFR é particularmente rico em pontes disulfeto próximas, espacialmente, de residuos aromáticos. Este facto, associado à sobrexpressão deste recetor em diversos tipos de cancro, torna-o um alvo interessante para terapia biofotónica. O objectivo principal deste projecto foi a descrição dos efeitos da radiação UV nos 280 nm sobre células cancerígens que sobrexpressam o EGFR, recorrendo a uma lâmpada UV. Para este trabalho, utilizamos a linha celular A549 transfectada com GFP associada ao EGFR, o que facilitou os estudos morfológicos e a visualização da ativação da sinalização EGFR. O ensaio da sulforodamina B foi usado para avaliar a proliferação celular. Além disso, recorremos à microscopia confocal para os estudos de morfologia e western blot para analisar a expressão de proteínas. Os resultados deste trabalho demonstraram que a activação do EGFR com EGF leva a uma alteração morfológica para um fenótipo invasivo. A utilização da luz UV com irradiancias relativamente reduzidas (0.007 mW/cm2 and 0.021 mW/cm2) levou à inibição deste mecanismo. Adicionalmente, demonstramos que a irradiação com luz UV reduz os níveis de EGFR e sua activação, bem como a expressão da β-actina. Assim, apesar destes resultados extremamente promissores, há ainda um longo caminho a percorrer para implementar a biofotónica como terapia de cancro na clínica.