I.P. Pavlov Journal of Higher Nervous ActivityI.P. Pavlov Journal of Higher Nervous ActivityЖурнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова0044-46773034-5316The Russian Academy of Sciences65211110.31857/S0044467724010097ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯResearch ArticleSpecificity of U2 and GOL1 aptamers to EGFR-positive human glioblastoma cells in vitroСпецифичность аптамеров U2 и GOL1 к EGFR – позитивным клеткам глиобластомы человека in vitroDzarievaF. M.ДзариеваФ. М.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruShamadykovaD. V.ШамадыковаД. В.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruSluchankoO. V.СлучанкоО. В.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruPavlovaS. A.ПавловаС. А.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruFabL. V.ФабЛ. В.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruRyabovaA. V.РябоваА. В.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruPanteleevD. Yu.ПантелеевД. Ю.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruKopylovA. M.КопыловА. М.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruUsachevD. Yu.УсачевД. Ю.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruGolovinA. V.ГоловинА. В.
Russian Federation
dz.fatima@mail.ruPavlovaG. V.ПавловаГ. В.
Russian Federation
lkorochkin@mail.ruInstitute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of the Russian Academy of Sciences (IHNA)ФГБУН «Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук»Pirogov Russian National Research Medical UniversityФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова» Минздрава РоссииProkhorov General Physics InstituteФГБУН ФИЦ «Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН»M.V. Lomonosov Moscow State University (MSU)ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова»N.N. Burdenko National Medical Research Center of Neurosurgery, Ministry of Healthcare of RussiaФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. академика Н. Н. Бурденко» Минздрава РоссииI.M. Sechenov First Moscow State Medical University (MSMU)ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И. М. Сеченова» Минздрава РоссииI.M. Sechenov First Moscow State Medical University (MSMU)ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И. М. Сеченова» Минздрава Росси10072024741859902022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://innoscience.ru/0044-4677/article/view/652111

Overexpression of the epidermal growth factor receptor (EGFR) or its mutations mediate signaling pathways leading to proliferation, invasion of tumor cells, as well as to an increase in their survival. Despite the success of the clinical use of antibodies against EGFR in patients with colorectal cancer and squamous cell carcinoma of the head and neck, their low effectiveness in glioblastoma has been shown. Therefore, for the treatment of gliomas, a specific EGFR drug is needed, capable of penetrating into the tumor focus in the brain, and having low immunogenicity.

In this work, aptamers – single-stranded DNA oligonucleotides specific to EGFR, U2 and Gol1 are presented as such a preparation. In this study, we obtained a cellular model of human glioma with EGFR and EGFRvIII overexpression, which showed the specificity of U2 and Gol1 aptamers to these receptors using classical methods, as well as the method of aptaimmunocytochemistry. A study of the effect of binding of the Gol1 aptamer to the EGFRvIII receptor on the next steps of the signaling pathway showed a change in the expression levels of genes associated with cell proliferation and survival (JUN, FOS, CCND1, PI3K and AKT3), while the U2 aptamer did not demonstrate a significant effect on cells in vitro.

These results showed that the Gol1 aptamer has therapeutic potential against human glioblastoma tumor cells overexpressing the EGFRvIII mutant type receptor.

Гиперэкспрессия рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) или его мутации опосредуют сигнальные пути, приводящие к пролиферации, инвазии опухолевых клеток, а также к повышению их выживаемости. Несмотря на успешность клинического применения антител против EGFR у пациентов с колоректальным раком и плоскоклеточным раком головы и шеи, показана их низкая эффективность при глиобластоме. Поэтому для терапии глиом необходим специфичный к EGFR препарат, способный проникнуть в опухолевый очаг в головном мозге и обладающий низкой иммуногенностью. В данной работе в качестве такого препарата представлены аптамеры – одноцепочечные ДНК-олигонуклеотиды, специфичные к EGFR, U2 и Gol1. В этом исследовании мы получили клеточную модель глиомы человека с гиперэкспрессией EGFR и EGFRvIII, на которой показали специфичность аптамеров U2 и Gol1 к данным рецепторам, используя классические методы, а также метод апта-иммуноцитохимии. Исследование влияния связывания аптамера Gol1 с рецептором EGFRvIII на следующие ступени сигнального пути показало изменение уровней экспрессии генов, связанных с пролиферацией и выживаемостью клеток (JUN, FOS, CCND1, PI3K и AKT3), в то время как аптамер U2 не продемонстрировал значимый эффект на клетках in vitro. Эти результаты показали, что аптамер Gol1 обладает терапевтическим потенциалом против опухолевых клеток глиобластомы человека, гиперэкспрессирующих рецептор мутантного типа EGFRvIII.

EGFREGFRvIIIglioblastomaaptamerglioma cell modelaptaimmunocytochemistryEGFREGFRvIIIглиобластомааптамерклеточная модель глиомыапта-иммуноцитохимияМинистерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075–15–2021–1343Каприн А. Д. Злокачественные новообразования в России в 2021 г. МНИОИ им. П. А. Герцена – филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России. 2022.Babic I., Anderson E. S., Tanaka K., Guo D., Masui K., Li B., Zhu S., Gu Y., Villa G. R., Akhavan D., Nathanson D., Gini B., Mareninov S., Li R., Camacho C. E., Kurdistani S. K., Eskin A., Nelson S. F., Yong W. H., Cavenee W. K.,Cloughesy T. F., Christofk H. R., Black D. L., Mischel P. S. EGFR mutation-induced alternative splicing of max contributes to growth of glycolytic tumors in brain cancer. Cell Metabolism. 2013. 17 (6): 1000–1008. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2013.04.013Brand T. M., Iida M., Luthar N., Starr M. M., Huppert E. J., Wheeler D. L. Nuclear EGFR as a molecular target in cancer. Radiother. Oncol. 2013. 108 (3): 370–377. https://doi.org/10.1016/j.radonc.2013.06.010Ciznadija D., Liu Y., Pyonteck S. M., Holland E. C., Koff A. Cyclin D1 and Cdk4 mediate development of neurologically destructive oligodendroglioma. Cancer Res. 2011. 71 (19): 6174–6183. https://doi.org/10.1158/0008– 5472.CAN-11–1031.Cooper A. J., Sequist L. V., Lin J. J. Third-generation EGFR and ALK inhibitors: mechanisms of resistance and management. Nat. Rev. Clin. Oncol. 2022. 19 (8): 499– 514. https://doi.org/10.1038/s41571–022–00639–9Cvrljevic A. N., Akhavan D., Wu M., Martinello P., Furnari F. B., Johnston A. J., Guo D., Pike L., Cavenee W. K., Scott A. M., Mischel P. S., Hoogenraad N. J., Johns T. G. Activation of Src induces mitochondrial localisation of de 2–7EGFR (EGFRvIII) in glioma cells: implications for glucose metabolism. Journal of Cell Science. 2011. 124 (17): 2938–2950. https://doi.org/10.1242/jcs.083295David J.-P., Mehic D., Bakiri L., Schilling A. F., Mandic V., Priemel M., Idarraga M. H., Reschke M. O., Hoffmann O., Amling M., Wagner E. F. Essential role of RSK2 in c-Fos–dependent osteosarcoma development. J Clin. Invest. 2005. 115 (3): 664–672. https://doi.org/10.1172/ JCI22877Feng H., Hu B., Jarzynka M. J., Li Y., Keezer S., Johns T. G., Tang, C. K., Hamilton, R. L., Vuori, K., Nishikawa, R., Sarkaria, J. N., Fenton, T., Cheng, T., Furnari, F. B., Cavenee, W. K., Cheng, S.-Y. Phosphorylation of dedicator of cytokinesis 1 (Dock180) at tyrosine residue Y722 by Src family kinases mediates EGFRvIII-driven glioblastoma tumorigenesis. Proc. Nat. Acad. Sci. 2012. 109 (8): 3018–3023. https://doi.org/10.1073/pnas.1121457109Fiano V., Ghimenti C., Schiffer D. Expression of cyclins, cyclin-dependent kinases and cyclin-dependent kinase inhibitors in oligodendrogliomas in humans. Neurosci. Letters. 2003. 347 (2): 111–115. https://doi.org/10.1016/ S0304–3940(03)00615–3Goto N., Suzuki, H., Tanaka T., Ishikawa K., Ouchida T., Kaneko M. K., Kato Y. EMab-300 detects mouse epidermal growth factor receptor-expressing cancer cell lines in flow cytometry. Antibodies (Basel, Switzerland). 2023. 12 (3): 42. https://doi.org/10.3390/antib12030042Hammer S., Tschiatschek B., Flamm C., Hofacker I. L., Findeiß S. RNAblueprint: flexible multiple target nucleic acid sequence design. Bioinformatics. 2017. 33 (18): 2850–2858. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/ btx263Hammer S., Wang W., Will S., Ponty Y. Fixed-parameter tractable sampling for RNA design with multiple target structures. BMC Bioinformatics. 2009. 20 (1): 209. https://doi.org/10.1186/s12859–019–2784–7Hanahan D. Hallmarks of cancer: new dimensions. Cancer Discovery. 2022. 12 (1): 31–46. https://doi.org/ 10.1158/2159–8290.CD-21–1059Hanahan D., Weinberg R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 2011. 144 (5): 646–674. https://doi. org/10.1016/j.cell.2011.02.013Horvath S., Zhang B., Carlson M., Lu K. V., Zhu S., Felciano R. M., Laurance M. F., Zhao W., Qi S., Chen Z., Lee Y., Scheck A. C., Liau L. M., Wu H., Geschwind D. H., Febbo P. G., Kornblum H. I., Cloughesy T. F., Nelson S. F., Mischel P. S. Analysis of oncogenic signaling networks in glioblastoma identifies ASPM as a molecular target. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2006. 103(46: 17402–17407. https://doi.org/10.1073/ pnas.0608396103Kappelmann M., Bosserhoff A., Kuphal S. AP-1/c-Jun transcription factors: Regulation and function in malignant melanoma. Eur. J. Cell Biol. 2014. 93 (1–2): 76–81. https://doi.org/10.1016/j.ejcb.2013.10.003Kopylov A. M., Fab L. V., Antipova O., Savchenko E. A., Revishchin A. V., Parshina V. V., Pavlova S. V., Kireev I. I., Golovin A. V., Usachev D. Y., Pavlova G. V. RNA aptamers for theranostics of glioblastoma of human brain. Biochemistry (Moscow). 2021. 86(8): 1012–1024. https://doi.org/10.1134/S0006297921080113Lao Y.-H., Phua K. K.L., Leong K. W. Aptamer nanomedicine for cancer therapeutics: barriers and potential for translation. ACS Nano. 2015. 9 (3), 2235–2254. https://doi. org/10.1021/nn507494pLinder M., Glitzner E., Srivatsa S., Bakiri L., Matsuoka K., Shahrouzi P., Dumanic M., Novoszel P., Mohr T., Langer O., Wanek T., Mitterhauser M., Wagner E. F., Sibilia M. EGFR is required for FOS‐dependent bone tumor development via RSK2/CREB signaling. EMBO Mol. Med. 2018. 10: e9408. (11). https://doi.org/10.15252/ emmm.201809408Mayer I. A., Arteaga C. L. The PI3K/AKT pathway as a target for cancer treatment. Ann. Rev. Med. 2016. 67 (1): 11–28. https://doi.org/10.1146/annurev-med-062913–051343Odajima T., Sasaki Y., Tanaka N., Kato-Mori Y., Asanuma H., Ikeda T., Satoh M., Hiratsuka H., Tokino T., Sawada N. Abnormal β-catenin expression in oral cancer with no gene mutation: correlation with expression of cyclin D1 and epidermal growth factor receptor, Ki-67 labeling index, and clinicopathological features. Hum. Pathol. 2005. 36 (3): 234–241. https://doi.org/10.1016/j. humpath.2004.12.009Oprita A., Baloi S.-C., Staicu G.-A., Alexandru O., Tache D. E., Danoiu S., Micu E. S., Sevastre A.-S. Updated insights on EGFR signaling pathways in glioma. Int. J. Mol. Sci. 2021. 22 (2): 587. https://doi.org/10.3390/ijms22020587Pavlova G., Kolesnikova V., Samoylenkova N., Drozd S., Revishchin A., Usachev D., Kopylov A. Novel weapon to conquer human glioblastoma: G-quadruplexes and neuro-inducers. 2021.Pawson T. Specificity in signal transduction. Cell. 2004. 116 (2): 191–203. https://doi.org/10.1016/S0092–8674(03) 01077–8Peng L., Liang Y., Zhong X., Liang Z., Tian Y., Li S., Liang J., Wang R., Zhong Y., Shi Y., Zhang X. Aptamer-conjugated gold nanoparticles targeting epidermal growth factor receptor variant III for the treatment of glioblastoma. Int. J. Nanomed. 2020. 15: 1363– 1372. https://doi.org/10.2147/IJN.S238206Peurala E., Koivunen P., Haapasaari K.-M., Bloigu R., Jukkola-Vuorinen A. The prognostic significance and value of cyclin D1, CDK4 and p16 in human breast cancer. Breast Cancer Res.. 2013. 15 (1): R5. https://doi. org/10.1186/bcr3376Ratushny, V., Astsaturov, I., Burtness, B.A., Golemis, E.A., & Silverman, J. S. Targeting EGFR resistance networks in head and neck cancer. Cell. Signal. 2009. 21 (8): 1255–1268. https://doi.org/10.1016/j.cellsig.2009.02.021Reuter J. S., Mathews D. H. RNA structure: software for RNA secondary structure prediction and analysis. BMC Bioinformatics. 2010. 11 (1): 129. https://doi.org/ 10.1186/1471–2105–11–129Shen Q., Uray I. P., Li Y., Krisko T. I., Strecker T. E., Kim H.-T., Brown P. H. The AP-1 transcription factor regulates breast cancer cell growth via cyclins and E2F factors. Oncogene. 2008. 27 (3): 366–377. https://doi.org/ 10.1038/sj.onc.1210643Sugawa N., Ekstrand A. J., James C. D., Collins V. P. Identical splicing of aberrant epidermal growth factor receptor transcripts from amplified rearranged genes in human glioblastomas. Proc. Nat. Acad. Sci. 1990. 87 (21): 8602–8606. https://doi.org/10.1073/pnas.87.21.8602Wan Y., Kim Y., Li N., Cho S. K., Bachoo R., Ellington A. D., Iqbal S. M. Surface-immobilized aptamers for cancer cell isolation and microscopic cytology. Cancer Res. 2010. 70 (22): 9371–9380. https://doi.org/10.1158/ 0008–5472.CAN-10–0568Ward A. F., Braun B. S., Shannon K. M. Targeting oncogenic Ras signaling in hematologic malignancies. Blood. 2012. 120 (17): 3397–3406. https://doi.org/10.1182/ blood-2012–05–378596Wilson T., Karajannis M., Harter D. Glioblastoma multiforme: State of the art and future therapeutics. Surg. Neurol. Int. 2014. 5 (1): 64. https://doi.org/10.4103/ 2152–7806.132138Wu X., Liang H., Tan Y., Yuan C., Li S., Li X., Li G., Shi Y., Zhang X. Cell-SELEX aptamer for highly specific radionuclide molecular imaging of glioblastoma in vivo. PLoS ONE. 2014. 9 (3): e90752. https://doi.org/10.1371/ journal.pone.0090752Xia W., Wei Y., Du Y., Liu J., Chang B., Yu Y.-L., Huo L.-F., Miller S., Hung M.-C. Nuclear expression of epidermal growth factor receptor is a novel prognostic value in patients with ovarian cancer. Mol. Carcinogen. 2009. 48 (7): 610–617. https://doi.org/10.1002/mc.20504Yu J. S. L., Cui W. Proliferation, survival and metabolism: the role of PI3K/AKT/mTOR signalling in pluripotency and cell fate determination. Development. 2016. 143 (17): 3050–3060. https://doi.org/10.1242/dev.137075Zhang X., Zhao M., Huang A., Fei Z., Zhang W., Wang X. The effect of cyclin D expression on cell proliferation in human gliomas. J. Clin. Neurosci. 2005. 12 (2), 166–168. https://doi.org/10.1016/j.jocn.2004.03.036Zhou J., Wu Z., Wong G., Pectasides E., Nagaraja A., Stachler M., Zhang H., Chen T., Zhang H., Liu J. Bin, Xu X., Sicinska E., Sanchez-Vega F., Rustgi A. K., Diehl J. A., Wong K.-K., Bass A. J. CDK4/6 or MAPK blockade enhances efficacy of EGFR inhibition in oesophageal squamous cell carcinoma. Nat. Commun. 2017. 8 (1): 13897. https://doi.org/10.1038/ncomms13897Zhu G., Chen X. Aptamer-based targeted therapy. Adv. Drug Del. Rev. 2018. 134: 65–78. https://doi.org/ 10.1016/j.addr.2018.08.005Zok T., Antczak M., Zurkowski M., Popenda M., Blazewicz J., Adamiak R. W., Szachniuk M. RNApdbee 2.0: multifunctional tool for RNA structure annotation. Nucl. Acids Res. 2018. 46 (W1): W30–W35. https://doi.org/ 10.1093/nar/gky314