L’inquinamento atmosferico, aggravato da attività industriali, traffico e urbanizzazione incontrollata, rappresenta una delle principali minacce per la salute umana. L’esposizione prolungata agli inquinanti provoca danni a vari organi, favorendo malattie respiratorie, cardiovascolari, gastrointestinali e altre disfunzioni sistemiche. Tra i tessuti maggiormente coinvolti vi è la pelle, prima barriera fisica tra organismo e ambiente, costantemente esposta a radiazioni ultraviolette (UV) ed altri inquinanti, tra cui i metalli pesanti. Questo progetto di Dottorato si è concentrato sul cadmio (Cd), metallo pesante altamente tossico e classificato dallo IARC come cancerogeno umano, e sulla sua interazione con i raggi UV, con l’obiettivo di analizzarne gli effetti su tessuti sani e modelli tumorali, con particolare attenzione al melanoma metastatico, forma aggressiva e spesso resistente ai trattamenti convenzionali. Per studiare gli effetti del Cd sulla pelle e sull’endotelio è stato impiegato un modello di co-coltura costituito da espianti cutanei umani e cellule endoteliali HUVEC, trattati con CdCl₂ da solo o in combinazione con UV. Questo modello ha permesso di valutare sia le risposte dei tessuti ai singoli agenti inquinanti, sia le loro reciproche interazioni. I risultati hanno mostrato una tossicità tempo-dipendente del CdCl₂, con riduzione della vitalità cellulare dopo 72 ore, accumulo di perossidazione lipidica (4HNE) e attivazione di vie antiossidanti (NRF2), effetti che risultano amplificati quando CdCl2 e UV agiscono in combinazione, suggerendo un’azione sinergica dei due inquinanti. CdCl₂ ha inoltre influenzato la melanogenesi nei melanociti, aumentando la produzione di melanina e alterando l’espressione di Tirosinase-1 e Tyrosinase-Related Protein 1 (TYRP1). L’uso dell’antiossidante VAS2870 (Vas) ha ridotto tutti questi effetti, confermando il ruolo centrale dello squilibrio redox nella tossicità del Cd. Gli effetti del Cd sono stati poi studiati a livello di cellule di melanoma metastatico HT-144, coltivate sia in modelli bidimensionali (2D) sia tridimensionali (3D) sotto forma di sferoidi tumorali ottenuti con la tecnica dell’hanging drop. Basse concentrazioni di CdCl₂ hanno stimolato proliferazione, migrazione e aggregazione tridimensionale, probabilmente tramite un aumento transitorio delle specie reattive dell’ossigeno (ROS) mitocondriali, mentre dosi elevate si sono rivelate citotossiche. L’uso di un antiossidante mitocondriale selettivo, MitoTEMPO, ha ridotto gli effetti tossici e proliferativi, rafforzando il legame tra stress ossidativo e progressione tumorale. Gli effetti del Cd sono stati infine analizzati anche su cellule HT-144 resistenti al farmaco PLX4032 (Vemurafenib), inibitore selettivo della mutazione BRAF V600E. Queste cellule hanno mostrato maggiore vitalità e resistenza non solo al farmaco, ma anche all’esposizione al Cd, e gli sferoidi tumorali presentavano morfologia più compatta, suggerendo l’attivazione di meccanismi adattativi avanzati, probabilmente mediti dalla comunicazione intercellulare tramite microvescicole. Lo stress ossidativo cronico e il rimodellamento cellulare si sono rivelati centrali nell’acquisizione della chemioresistenza. Complessivamente, questa tesi offre una visione integrata degli effetti del Cd su cute sana, melanoma metastatico e melanoma farmaco-resistente, fornendo nuovi dati sulla tossicità del metallo pesante e aprendo la strada a studi futuri volti a identificare pathways molecolari alterati e sviluppare strategie terapeutiche mirate per prevenire danni tissutali e superare la chemioresistenza nei casi di melanoma avanzato.
Air pollution, exacerbated by industrial activities, traffic, and uncontrolled urbanization, represents one of the main threats to human health. Prolonged exposure to pollutants contributes to damage to different organs, promoting respiratory, cardiovascular, gastrointestinal diseases and other systemic dysfunctions. Among the most affected tissues is the skin, the primary physical barrier between the body and the environment, which is constantly exposed to ultraviolet (UV) radiation and airborne pollutants such as heavy metals. This PhD project focused on cadmium (Cd), a highly toxic heavy metal classified by the IARC as a human carcinogen, and explored its interaction with UV radiation, to evaluate its effects on healthy tissues and tumor models, with particular attention to metastatic melanoma, an aggressive cancer often resistant to conventional treatments. To study the effects of Cd on skin and endothelium, a co-culture model consisting of human skin explants and HUVEC endothelial cells was employed. Cells and explants were treated with CdCl₂ alone or in combination with UV radiation. This model allowed evaluation of both individual tissue responses to pollutants and their reciprocal interactions. The results showed a time-dependent toxicity of CdCl₂, characterized by reduced cell viability after 72 hours, augmented lipid peroxidation (4HNE), and activation of the antioxidant response (NRF2). These effects were amplified when CdCl₂ and UV were applied together, suggesting a synergistic interaction between the two pollutants. CdCl₂ also modulated melanogenesis in melanocytes, increasing melanin production and altering the expression of Tyrosinase-1 and Tyrosinase-Related Protein 1 (TYRP1). Interesting, pre-treatment with the antioxidant VAS2870 (Vas) attenuated all these effects, confirming the central role of redox imbalance in Cd toxicity. The effects of Cd were further assessed in metastatic melanoma HT-144 cells, cultured in both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) spheroids models, the latter generated by the hanging drop technique. Low CdCl₂ concentrations stimulated proliferation, migration, and 3D cell aggregation, likely through a transient increase in mitochondrial reactive oxygen species (ROS), whereas high concentrations were cytotoxic. The use of mitochondrial antioxidants, such as MitoTEMPO, mitigated both cytotoxic and pro-proliferative effects, further highlighting the involvement of oxidative stress in tumor progression. Cd effects were also evaluated in HT-144 cells resistant to PLX4032 (Vemurafenib), a selective BRAF V600E inhibitor. These resistant cells exhibited higher viability and resistance not only to the drug but also to Cd exposure. The tumor spheroids displayed a more compact morphology, suggesting activation of advanced adaptive mechanisms, including intercellular communication mediated by microvesicles. Chronic oxidative stress and cellular remodeling seemed to contribute to the acquisition of chemoresistance. Overall, this thesis provides an integrated view of Cd effects on healthy skin, metastatic melanoma, and drug-resistant melanoma cells. The obtained results offer new insights into metal toxicity and established the basis for future studies aimed at identifying altered molecular pathways and developing targeted therapeutic strategies to prevent tissue damage and overcome chemoresistance in advanced melanoma.
Dissecting cadmium cutaneous damage and its role in Metastatic Melanoma Chemoresistance
CASONI, ALICE
2026
Abstract
L’inquinamento atmosferico, aggravato da attività industriali, traffico e urbanizzazione incontrollata, rappresenta una delle principali minacce per la salute umana. L’esposizione prolungata agli inquinanti provoca danni a vari organi, favorendo malattie respiratorie, cardiovascolari, gastrointestinali e altre disfunzioni sistemiche. Tra i tessuti maggiormente coinvolti vi è la pelle, prima barriera fisica tra organismo e ambiente, costantemente esposta a radiazioni ultraviolette (UV) ed altri inquinanti, tra cui i metalli pesanti. Questo progetto di Dottorato si è concentrato sul cadmio (Cd), metallo pesante altamente tossico e classificato dallo IARC come cancerogeno umano, e sulla sua interazione con i raggi UV, con l’obiettivo di analizzarne gli effetti su tessuti sani e modelli tumorali, con particolare attenzione al melanoma metastatico, forma aggressiva e spesso resistente ai trattamenti convenzionali. Per studiare gli effetti del Cd sulla pelle e sull’endotelio è stato impiegato un modello di co-coltura costituito da espianti cutanei umani e cellule endoteliali HUVEC, trattati con CdCl₂ da solo o in combinazione con UV. Questo modello ha permesso di valutare sia le risposte dei tessuti ai singoli agenti inquinanti, sia le loro reciproche interazioni. I risultati hanno mostrato una tossicità tempo-dipendente del CdCl₂, con riduzione della vitalità cellulare dopo 72 ore, accumulo di perossidazione lipidica (4HNE) e attivazione di vie antiossidanti (NRF2), effetti che risultano amplificati quando CdCl2 e UV agiscono in combinazione, suggerendo un’azione sinergica dei due inquinanti. CdCl₂ ha inoltre influenzato la melanogenesi nei melanociti, aumentando la produzione di melanina e alterando l’espressione di Tirosinase-1 e Tyrosinase-Related Protein 1 (TYRP1). L’uso dell’antiossidante VAS2870 (Vas) ha ridotto tutti questi effetti, confermando il ruolo centrale dello squilibrio redox nella tossicità del Cd. Gli effetti del Cd sono stati poi studiati a livello di cellule di melanoma metastatico HT-144, coltivate sia in modelli bidimensionali (2D) sia tridimensionali (3D) sotto forma di sferoidi tumorali ottenuti con la tecnica dell’hanging drop. Basse concentrazioni di CdCl₂ hanno stimolato proliferazione, migrazione e aggregazione tridimensionale, probabilmente tramite un aumento transitorio delle specie reattive dell’ossigeno (ROS) mitocondriali, mentre dosi elevate si sono rivelate citotossiche. L’uso di un antiossidante mitocondriale selettivo, MitoTEMPO, ha ridotto gli effetti tossici e proliferativi, rafforzando il legame tra stress ossidativo e progressione tumorale. Gli effetti del Cd sono stati infine analizzati anche su cellule HT-144 resistenti al farmaco PLX4032 (Vemurafenib), inibitore selettivo della mutazione BRAF V600E. Queste cellule hanno mostrato maggiore vitalità e resistenza non solo al farmaco, ma anche all’esposizione al Cd, e gli sferoidi tumorali presentavano morfologia più compatta, suggerendo l’attivazione di meccanismi adattativi avanzati, probabilmente mediti dalla comunicazione intercellulare tramite microvescicole. Lo stress ossidativo cronico e il rimodellamento cellulare si sono rivelati centrali nell’acquisizione della chemioresistenza. Complessivamente, questa tesi offre una visione integrata degli effetti del Cd su cute sana, melanoma metastatico e melanoma farmaco-resistente, fornendo nuovi dati sulla tossicità del metallo pesante e aprendo la strada a studi futuri volti a identificare pathways molecolari alterati e sviluppare strategie terapeutiche mirate per prevenire danni tissutali e superare la chemioresistenza nei casi di melanoma avanzato.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
