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All-trans retinoic acid enhances the anti-tumour effects of fimaporfin-based photodynamic therapy - 18/10/22

Doi : 10.1016/j.biopha.2022.113678 
Judith Jing Wen Wong a, 1, Susanne Lorenz b, Pål Kristian Selbo a, , 2
a Department of Radiation Biology, Institute for Cancer Research, The Norwegian Radium Hospital, Oslo University Hospital, P.b. 4953 Nydalen, 0424 Oslo, Norway 
b Genomics Core Facility, Department of Core Facilities, The Norwegian Radium Hospital, Oslo University Hospital, Oslo, P.b. 4953 Nydalen, 0424 Oslo, Norway 

Corresponding author.

Abstract

The vitamin A metabolite all-trans retinoic acid (ATRA; tretinoin) has anticancer potential. However, lack of clinical success has prevented its approval for solid tumours. Herein, we propose combining short-term low-dose ATRA with fimaporfin-based photodynamic therapy (ATRA+PDT) for the improved treatment of solid cancers. Compared to monotherapies, ATRA+PDT induced synergistic cytotoxic responses including promotion of apoptosis in colon and breast carcinoma cell lines. Neither enhanced activity of alkaline phosphatase (ALP) nor increased expression of CD133 was detected after ATRA treatment indicating that the improved therapeutic effect of ATRA+PDT is independent of the differentiation state of the cancer cells. In the human colorectal adenocarcinoma cell line HT-29, the effect of ATRA+PDT on gene expression was evaluated by RNA sequencing (RNA-seq). We identified 1129 differentially expressed genes (DEGs) after ATRA+PDT compared to PDT. Ingenuity Pathway Analysis (IPA) predicted the unfolded protein response (UPR), interferon (IFN) signaling and retinoic acid-mediated apoptosis signaling as strongly activated canonical pathways after ATRA+PDT compared to PDT. A validation of the RNA-sec data by RT-qPCR revealed that ATRA+PDT elevated mRNA expression of early growth response 1 (EGR1) and strongly the stress-induced activating transcription factor 3 (ATF3), of which was confirmed on the protein level. In addition, ATRA+PDT abolished mRNA expression of regenerating islet-derived protein 4 (REG4). During the first 20 days post-ATRA+PDT, we obtained significant anti-tumour responses in HT-29 xenografts, including complete responses in 2/5 mice. In conclusion, ATRA+PDT represent a novel combination therapy for solid tumours that should be further tested in immunocompetent preclinical models.

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Graphical Abstract




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Highlights

Short-term low-dose all-trans retinoic acid plus fimaporfin-photodynamic therapy.
ATRA+PDT improve therapeutic effects in ATRA-resistant colon and breast cancer cells.
ATRA+PDT block tumour cell proliferation and promote enhanced apoptotic cell death.
RNA-sequencing data confirms higher apoptosis signaling and indicate UPR.
Intratumoral delivery and ATRA+PDT induced complete responses in 2/5 mice.

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Abbreviations : ALDH1A1, ALP, ATF3, ATRA, ATRA+PDT, DEG, EGR1, GSEA, HDAC9, IFN, IGFBP6, IPA, LCN2, LD50, LPS, PCI, PDT, RAR, REG4, RNA-seq, ROS, UPR, TNF, TPCS2a, TUNEL

Keywords : ATRA, Carcinoma, Photodynamic therapy, Apoptosis, Unfolded protein response, Experimental cancer therapeutics


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