Impact of SGLT2 inhibitor therapy on the nanomechanical properties of cancer cell line A549 under hyperglycemic conditions

Stan hiperglikemii towarzyszący cukrzycy typu II sprzyja powstawaniu chorób współistniejących, w tym nowotworów. Leki stosowane w tej chorobie, mają za zadanie obniżenie poziomu glukozy we krwi, ale także zmniejszenie ryzyka powstawania nowotworów. W niniejszej pracy skupiono się na zbadaniu działania leków przeciwcukrzycowych takich jak metformina i flozyna, w kontekście ich wpływu na komórki nowotworowe linii A549. Motywacja pracy wynikała z przeprowadzanych powszechnie badań nad alternatywnym wykorzystaniem leków stosowanych w leczeniu cukrzycy typu II. W celu kompleksowego porównania wpływu stężenia glukozy oraz odziaływania leków na komórki nowotworowe, przebadano dwie równoległe linie komórek o niskim stężeniu glukozy i wysokim stężeniu glukozy. Obie linie poddano oddzielnie krótkotrwałej inkubacji z metforminą i flozyną. Kluczowym zadaniem w analizie wyników było zbadanie zmian właściwości nanomechanicznych, w tym elastyczności i parametrów glikokaliksu. Do przeprowadzenia badań zastosowano mikroskopie sił atomowych (AFM) z użyciem zarówno ostrego, jak i kulistego próbnika. Analiza otrzymanych map elastyczności opierała się na modelu Hertza, a ostatecznie średni parametru elastyczności dla próbki wyznaczano z histogramów charakterystycznych dla tej metody. Na podstawie analizy wyników uzyskanych przy użyciu ostrego próbnika, wyznaczono elastyczność obszaru centralnego komórki w pełnym zakresie indentacji, a także początkowego obszaru wnikania przez próbnik w komórkę. Pomiary próbnikiem kulistym, pozwoliły na otrzymanie parametru elastyczności części przybłonowej komórki, a także charakteryzacje parametrów glikokaliksu. Zastosowanie metody mikroskopii fluorescencyjnej, dało możliwość porównania wyników elastyczności ze strukturą cytoszkieletu i warstwą glikokaliksu. W tym celu wykonano barwienie filamentów aktynowych odpowiedzialnych za organizację sieci cytoszkieletu oraz specyficzne wiązanie molekuł glikokaliksu znakowanych barwnikiem. Wyniki wykazały istotne różnice w odziaływaniu związków metforminy i flozyny na komórki nowotworowe w stanie hiperglikemii. Komplementarna analiza wyników otrzymanych z obu metod (mikroskopii AFM i mikroskopii fluorescencyjnej), obejmująca porównanie elastyczności na rożnym poziomie komórki oraz ocenę zmian strukturalnych zachodzących w cytoszkielecie i w warstwie glikokaliksu, pozwoliła na szersze poznanie mechanizmu działania metforminy i flozyny na komórki nowotworowe.

Hyperglycemia associated with type II diabetes might promote the development of comorbidities, including cancers. Antidiabetic drugs, beyond their primary role of lowering blood glucose levels, are also believed to reduce the risk of cancer progression. This study investigate the effects of antidiabetic drugs such as metformin and flozin, with the aim of their impact on A549 cancer cells. The motivation for this work stemmed from growing interest in the repurposing of type II diabetes medications for oncology applications. To comprehensively compare the influence of glucose concentration and drug treatment on cancer cells, two parallel cell lines with low and high glucose concentrations were studied. Both types of probes were separately subjected to short-term incubation with metformin and flozin. The primary focus of the analysis was to examine changes in nanomechanical properties, such as cell elasticity and glycocalyx parameters. Atomic force microscopy (AFM) was employed using both sharp and spherical probes. Elasticity maps generated from AFM measurements were analyzed using the Hertz model, with the average elasticity parameters for the sample derived from histograms characteristic of the method. Based on the analysis of the results obtained using the sharp probe, the elasticity of the central region of the cell was determined across the entire indentation range, as well as the initial phase of probe indentation into the cell. Measurements with the spherical probe allowed for the determination of the elasticity parameter of the perimembranous region of the cell and enabled the characterization of the glycocalyx properties. Fluorescence microscopy was used in conjunction with AFM to correlate elasticity results with the structural organization of the cytoskeleton and glycocalyx. This involved staining actin filaments, which are critical for cytoskeletal network formation and specific binding of glycocalyx molecules labeled with a fluorescent dye. The results showed significant differences in the responses of cancer cells to metformin and flozin under hyperglycemic conditions. A complementary analysis combining AFM and fluorescence microscopy methods, which included the elasticity measurements at various cellular levels and the assessment of structural changes in the cytoskeleton and the glycocalyx layer, provided a broader understanding of the mechanism of action of metformin and flozin on cancer cells.