Antiproliferative and pro-apoptotic effect of purple prickly pear peel extract on cancer: a focus on human colorectal cancer HCT 116 cells

Cancer has become a crucial public health challenge, leading cause of death worldwide in countries of all income levels. Traditional therapeutic approaches such as chemotherapy and radiation therapy have burdened cancer patients with onerous physical and psychological challenges. Encouragingly, the landscape of tumor treatment has undergone a comprehensive and remarkable transformation. In this sense, natural products provide a sustainable source with considerable efficacy to treat and overcome several disorders and fatal diseases, including cancer. Regarding this, Opuntia ficus-indica are known to possess antioxidant and antiproliferative activities among other health benefits. The main objective of the present work was to evaluate the in vitro effect of purple prickly pear peel extract on the proliferation of two cancer cell lines (HCT 116 and SKBR3), with focus on colorectal cancer. Two cell lines were used: human colon cancer cells HCT 116 and HER2-overexpressing SKBR3 breast cancer cells. Purple prickly pear peel and fruit were characterized in terms of betanin, total phenolic compounds, flavonoids and vitamin C content, carotenoids, as well as total antioxidant capacity and radical scavenging activity were determined. The identification and quantification of purple prickly pear peel polyphenols were carried out by HPLC-ESI-QTOF-MS/MS and betanin identification by UHPLC-PDA-MS system. In order to rule out the antiproliferative effect of purple prickly pear peel extract on the cell lines, cell viability, cell cycle, apoptosis, intracellular reactive oxygen species (ROS) production and extracellular reactive nitrogen spices (RNS) production assay were performed. In a second step, oxidative stress was assessed through the determination of antioxidant enzyme activities and the expression at gene level of some oxidative stress markers. In addition, the expression of proteins and genes related to apoptotic, endoplasmic reticulum (ER) stress and EGFR signalling was determined by western blotting or qPCR. Finally, the anti-metastatic recurrence effects of purple prickly pear peel extract on human colon cancer cells through colony formation assay was assayed. The results showed that purple prickly pear peel represents a good source of phenolic compounds, betacyanin, vitamin C and antioxidant capacity and the values were higher in peel compared with pulp. Regarding the in vitro biological activity purple prickly pear peel exhibited profound inhibitory effects on the growth of human colon and breast cancer cells, showing significantly less toxic effect on normal non-cancer cells. At increasing concentrations, a strong induction of apoptosis was observed in both cell lines but significantly cell cycle arrest and accumulation of ROS/RNS was observed only on HCT 116. Treatment increased the protein expression of p53, mRNA expression of pro-apoptotic BAX, CASP9, BID, CYCS genes and significantly, decreasing BCL2 gene expression. In addition, EGFR and Her2 protein expression and also gene expression of PI3K and mTOR were downregulated. Furthermore, protein levels of p-p38MAPK were increased and Erk1/2 decreased after purple prickly pear peel treatment in HCT 116. Other effects observed after treatment were the suppression at gene level of nuclear factor erythroid 2-related factor 2 and glutathione peroxidase. Besides, the activity of glutathione reductase and transferase were reduced by purple prickly pear peel treatment. Another effect was that ER stress seemed to be induced due to the elevation of XBP1 protein expression. Finally, the colony formation abilities of HCT 116 cell line were reduced after purple prickly pear peel exposure. From the above-mentioned findings purple prickly pear peel exposure in cancer cell lines, especially in colorectal cancer, reduce significantly the proliferation of them and the effect could be related with the modulation of different pathways and their crosslink.

Il cancro è diventato una sfida cruciale per la salute pubblica, principale causa di morte in tutto il mondo nei paesi a basso, medio e alto reddito. Gli approcci terapeutici tradizionali come la chemioterapia e la radioterapia hanno gravato i pazienti oncologici con onerose sfide fisiche e psicologiche. Incoraggiante è il fatto che il panorama del trattamento dei tumori abbia subito una trasformazione completa e notevole. In questo senso, i prodotti naturali forniscono una fonte sostenibile con notevole efficacia per trattare e superare diversi disturbi e malattie mortali, tra cui il cancro. A questo proposito, è noto che l'Opuntia ficus-indica possiede attività antiossidanti e antiproliferative tra gli altri benefici per la salute. L'obiettivo principale del presente lavoro è stato valutare l'effetto in vitro dell'estratto di buccia di fico d'India viola sulla proliferazione di due linee cellulari tumorali, con particolare attenzione al cancro del colon-retto. Sono state utilizzate cellule di cancro al colon umano HCT 116 e cellule di cancro al seno SKBR3 con sovraespressione di HER2. La buccia e il frutto del fico d'india viola sono stati caratterizzati in termini di betanina, composti fenolici totali, flavonoidi e contenuto di vitamina C, carotenoidi, inoltre capacità antiossidante totale e attività di neutralizzazione dei radicali. È stata inoltre effettuata una identificazione e quantificazione mediante HPLC-ESI-QTOF-MS/MS dei composti fenolici e mediante UHPLC-PDA-MS per betanina. Per valutare l'effetto antiproliferativo dell'estratto di buccia di fico d'India viola sulle linee cellulari, sono stati eseguiti test di vitalità cellulare, ciclo cellulare, apoptosi, produzione intracellulare di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e specie reattive dell'azoto (RNS). In una seconda fase, lo stress ossidativo è stato valutato attraverso la determinazione delle attività degli enzimi antiossidanti e l'espressione a livello genico di alcuni marcatori dello stress ossidativo. L'espressione di proteine e geni correlati all'apoptosi, allo stress del reticolo endoplasmatico (ER) e alla via molecolare EGFR è stata determinata tramite western blotting o qPCR. Infine, sono stati analizzati gli effetti anti-metastatici dell'estratto di buccia di fico d'India viola sulle cellule del cancro del colon umano attraverso il test di formazione delle colonie. I risultati hanno mostrato che la buccia di fico d'india viola rappresenta una buona fonte di composti fenolici, betacianina, vitamina C e capacità antiossidante e i valori erano più alti nella buccia rispetto alla polpa. Per quanto riguarda l'attività biologica in vitro, la buccia di fico d'india viola ha mostrato profondi effetti inibitori sulla crescita delle cellule tumorali del colon e del seno umano, mostrando un effetto significativamente meno tossico sulle cellule normali non tumorali. A concentrazioni crescenti, è stata osservata una forte induzione dell'apoptosi in entrambe le line cellulari, ma un arresto significativo del ciclo cellulare e un accumulo di ROS/RNS sono stati osservati solo sulle cellule HCT 116. Il trattamento ha aumentato l'espressione proteica di p53, l'espressione di mRNA dei geni pro-apoptotici BAX, CASP9, BID, CYCS e ha ridotto significativamente l'espressione genica di BCL2. Inoltre, l'espressione proteica di EGFR ed Her2 e anche l'espressione genica di PI3K e mTOR sono state sottoregolate. Inoltre, i livelli proteici di p-p38MAPK sono aumentati e Erk1/2 è diminuito dopo il trattamento con buccia di fico d'india viola in HCT 116. Altri effetti osservati dopo il trattamento sono stati la soppressione a livello genico del fattore nucleare eritroide 2-correlato fattore 2 e glutatione perossidasi. Inoltre, l'attività di glutatione reduttasi e transferasi è stata ridotta dal trattamento con buccia di fico d'india viola. Un altro effetto è stato che lo stress ER sembrava essere indotto a causa dell'aumento dell'espressione della proteina XBP1. Infine, le capacità di formazione di colonie della linea cellulare HCT 116 sono state ridotte dopo l'esposizione alla buccia di fico d'india viola. Dai risultati sopra menzionati emerge che l'esposizione alla buccia di fico d'India viola nelle linee cellulari tumorali, in particolare nel cancro del colon-retto, ne riduce significativamente la proliferazione e l'effetto potrebbe essere correlato alla modulazione di diversi percorsi e al loro crosslink.