Influence of hyperglycaemia and/or hyperinsulinemia on breast cancer and potential benefits from nutraceuticals obtained from eco-sustainable systems

The Western world and increasingly the developing countries are facing an obesity epidemic which is driven by poor dietary habits and physical inactivity. In particular, the Western diet, characterised by the overconsumption of highly processed foods rich in long-chain saturated fatty acids and sugar, is pivotal in driving obesity and its comorbidities, including Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM). Of note, T2DM is not merely to be considered as a metabolic disorder marked by chronic hyperglycaemia, but the metabolic aberrations linked with T2DM increase the risk of the development of other diseases, including breast cancer (BC). To the same extent, foods rich in dietary fibre, polyunsaturated fatty acids and antioxidants, like the eco-sustainable superfoods microalgae, may improve metabolic health, thereby tackling the effect of the T2DM microenvironment on BC pathogenesis. In light of this, this doctoral thesis aims to evaluate the effect of hyperglycaemia and hyperinsulinemia, both key features of T2DM, on BC cell proliferation and epigenetics. Additionally, this research project investigated whether microalgae-derived nutraceuticals could counter the effect of hyperglycaemia and hyperinsulinemia on BC cell proliferation. In the context of this doctoral thesis project, investigations were conducted utilizing two distinct BC cell lines: MDA-MB-231 and MCF-7, which differ in the expression of hormonal receptors. Initially, an acute insulin stimulus confirmed that both MCF-7 and MDA-MB-231 cells exhibit a response to insulin via the activation of the AKT pathway, validating their suitability to address the aims of the project. Chronic hyperinsulinemia induced a significant increase in MCF-7 cell proliferation while simultaneously altering cell cycle dynamics by increasing the S phase. Remarkably, insulin-induced proliferation was AKT-dependent as it was abrogated by the administration of the AKT inhibitor MK-2206 to MCF-7 cells. Furthermore, insulin enhanced the migratory potential of MDA-MB-231 cells without leading to any proliferative effect. The ability of insulin to increase MDA-MB-231 cell migration potential may be dependent on epigenetic changes triggered by this hormone. Indeed, in MDA-MB-231 cells, hyperinsulinemia modulated the expression of several microRNAs (miRNAs), including the upregulation of miR-1246, which is associated with metastasis and the downregulation of miR-26b-3p, known for its tumour-suppressor activity. Although hyperglycaemia did not induce an increase in proliferation within MDA-MB-231 cells, it independently modified miRNA expression, as demonstrated by the overexpression of miR-105-5p and miR-301a-3p, indicating a complex interplay between metabolic factors. Moreover, the nutraceuticals that are inducible in microalgae have demonstrated notable variability in their cytotoxic effects. Specifically, β-Carotene demonstrated a marked efficacy in diminishing viability in both the BC cell lines, under insulin-treated and untreated conditions. These results suggest that the integration of nutraceuticals with traditional therapies may improve clinical outcomes, particularly for patients with compromised metabolic health due to T2DM. Future investigations should explore the synergistic interactions of selected nutraceuticals with chemotherapeutic drugs across different BC subtypes to pave the way for the translation of these findings into clinical applications.

Il mondo occidentale e, sempre più, i paesi in via di sviluppo stanno affrontando un'epidemia di obesità guidata da cattive abitudini alimentari e da inattività fisica. In particolare, la dieta occidentale, caratterizzata dall'eccessivo consumo di alimenti altamente processati, ricchi di acidi grassi saturi a catena lunga e zuccheri, riveste un ruolo fondamentale nello sviluppo dell'obesità e delle sue comorbidità, incluso il Diabete Mellito di Tipo 2 (DMT2). È importante notare che il DMT2 non va considerato unicamente come un disturbo metabolico caratterizzato dalla presenza di iperglicemia cronica, poiché le alterazioni metaboliche ad esso associate incrementano il rischio di sviluppare altre patologie, fra cui il cancro al seno (CS). Allo stesso modo, alimenti ricchi di fibre, acidi grassi polinsaturi e antiossidanti, come le microalghe in quanto superfoods eco-sostenibile, possono migliorare la salute metabolica, contrastando così l'effetto del microambiente del DMT2 sulla patogenesi del CS. Alla luce di ciò, la presente tesi di dottorato si propone di valutare l'effetto dell'iperglicemia e dell'iperinsulinemia, entrambi tratti caratteristici del DMT2, sulla proliferazione cellulare e sull'epigenetica delle cellule di CS. Inoltre, il progetto di ricerca ha indagato se i nutraceutici derivati dalle microalghe possano contrastare l'effetto dell'iperglicemia e dell'iperinsulinemia sulla proliferazione delle cellule di CS. Nel contesto di questo progetto, le indagini sono state condotte utilizzando due distinte linee cellulari di CS: MDA-MB-231 e MCF-7, che differiscono per l'espressione dei recettori ormonali. Inizialmente, uno stimolo acuto con insulina ha confermato che sia le cellule MCF-7 che quelle MDA-MB-231 rispondono all'insulina mediante l'attivazione della via AKT, confermando così la loro idoneità sperimentale per gli obiettivi del progetto. L'iperinsulinemia cronica ha indotto un aumento significativo della proliferazione delle cellule MCF-7, alterando contestualmente il loro ciclo cellulare, mostrato attraverso l’incremento della fase S. Va segnalato che nelle cellule MCF-7 la proliferazione indotta dall'insulina si è rivelata dipendente dalla via AKT, poiché è stata annullata mediante trattamento un inibitore di AKT noto come MK-2206. Inoltre, nelle cellule MDA-MB-231, l'insulina ha potenziato la loro capacità di migrazione senza però provocare alcun effetto in termini di proliferazione. La capacità dell'insulina di aumentare il potenziale migratorio delle cellule MDA-MB-231 potrebbe dipendere da modificazioni epigenetiche innescate da questo ormone. Infatti, nelle cellule MDA-MB-231 l'iperinsulinemia ha modulato l'espressione di diversi microRNA (miRNA), inclusa la sovra-espressione del miR-1246, associato ai processi di metastasi, e la sotto-regolazione del miR-26b-3p, noto per la sua attività di soppressore tumorale. Sebbene l'iperglicemia non abbia indotto un incremento della proliferazione nelle cellule MDA-MB-231, ha modificato l'espressione dei miRNA, come evidenziato dalla sovra-espressione dei miR-105-5p e miR-301a-3p, indicando una complessa interazione tra fattori metabolici. In aggiunta, i nutraceutici inducibili nelle microalghe analizzati, hanno dimostrato una notevole variabilità nei loro effetti citotossici. In particolare, il β-Carotene ha mostrato una marcata efficacia nel ridurre la vitalità in entrambe le linee cellulari di CS, sia quando non trattate sia quando trattate con insulina. I risultati riportati suggeriscono che l'integrazione dei nutraceutici con le terapie farmacologiche tradizionali potrebbe migliorare gli esiti clinici, in particolare nei pazienti con una salute metabolica compromessa a causa del DMT2. Future indagini dovrebbero essere atte ad esplorare le interazioni sinergiche tra nutraceutici selezionati e farmaci chemioterapici, su differenti sottotipi di CS, al fine di condurre alla traslazione dei risultai ottenuti ad applicazioni cliniche.