Hintergrund
Für den Metastasierungsprozess haben neben den Tumorzellen auch nicht-transformierte Zellen in der Mikroumgebung zukünftiger Metastasen eine wichtige Rolle indem sie die Bildung von metastatischen Nischen fördern. Außerdem haben Blutgefäße einen erheblichen Einfluss auf die Metastasierung, der über die Nährstoffversorgung hinausgeht. Studien zeigten, dass die verstärkte Adhäsion von Krebszellen an Gefäßen und das Zusammenspiel mit den Endothelzellen den Phänotyp und die Funktion der Krebszellen bei der Metastasierung regulieren.
Zielsetzung
Die wissenschaftliche Studie analysiert die Interaktion zwischen Brustkrebszellen und Endothelzellen während der Progression von Lungenmetastasen im Mausmodell.
Methodik
Mäusen wurden durch intravenöse Gabe MDA231-LM2-Brustkrebszellen injiziert und Ekzeme aus den Lungen mit Metastasen isoliert. Metastasen in verschiedenen Stadien wurden für transkriptomische Analysen aufgereinigt und die Endothelzellen (EZ) mittels fluoreszenz-aktivierter Zellsortierung (FACS) isoliert. Diese wurden ebenfalls transkriptomischen Analysen unterzogen. Die dort gefunden Ergebnisse wurden in verschiedenen in vitro und in vivo Versuchen validiert.
Ergebnisse
Molekulare Umprogrammierung von Endothelzellen in der Lunge
Die Analyse des Endothelzellmarkers CD31 in metastatischen Knoten der Lunge zeigte, dass sich diese Knoten in der Nähe von Blutgefäßen etablierten. Blutgefäße wurden aber erst in den fortgeschrittenen Stadien von metastatischen Knoten detektiert. Dabei korrelierte die Anzahl an Endothelzellen (EZ) mit der Anzahl an Krebszellen in der Lunge, was auf eine aktive EZ-Proliferation in wachsenden Metastasen hindeutet. Insgesamt zeigten sich in 58 Genen von sekretierten Proteinen (GSP58) signifikante Veränderungen. Eine hohe Expression von GSP58 in Metastasen war mit einem schlechten metastasenfreien Überleben bei Brustkrebspatientinnen in der Lunge verbunden. Dies deutet darauf hin, dass EZ in der Lunge die Metastasierung über einige dieser sekretierten Faktoren fördern können.
GSP58 Expression in Endothelzellen ist unabhängig von der VEGF-Signalgebung
Die Inhibierung der VEGF-Signalgebung in metastatischen Mäusen mittels VEGF-Antikörper konnte erfolgreich die EZ-Proliferation verhindern aber nicht Gencluster, die mit einem schlechten Outcome der Patientinnen in Verbindung stehen. Ebenfalls wurden Entzündungsreaktionen und GSP58 nicht durch die VEGF-Inhibierung beeinflusst, was auf eine VEGF-unabhängige Regulation deutet. Verifiziert wurden diese Ergebnisse durch die Inhibierung des VEGF-Rezeptor 2.
Metastasenfördernde Genexpression sekretierter Proteine in Endothelzellen
Von den GSP58 wurden alle Gene, die stark induziert sowie VEGF-unabhängig waren, weiter analysiert und ihre Expression in verschiedenen Stromazelltypen bestimmt.
Dabei wiesen vier Gene in den Lungen-EZ eine besonders starke Aktivitätssteigerung nach 3 Wochen auf, die Proteine kodieren, die in der Mikroumgebung sezerniert werden. Diese waren Inhibin Beta B (Inhbb), Laminin Untereinheit alpha 1 (Lama1), Secretoglobin 3A1 (Scgb3a1) und Osteoprotegerin (Opg). Für die Relevanz wurden diese vier Gene in Proben von Lungenmetastasen von Brustkrebspatientinnen bestimmt. Die Expression der vier Kandidatengene korrelierte signifikant mit dem EZ-Marker VE-Cadherin (CDH5).
Weitere Untersuchungen zeigten, dass INHBB und SCGB3A1 die Stammzelleigenschaften von Brustkrebszellen induzieren und OPG und LAMA1 die Viabilität der metastasierenden Brustkrebszellen unterstützen.
Regulation der vaskulären Nische durch Makrophagen
Krebszellen können Faktoren in der vaskulären Nische nicht selbst aktivieren, sondern benötigen hierfür Endothelzellen. Metastasen mit hoher GSP58-Expresssion zeigten eine Anreicherung von Gensignaturen angeborener Immunzellen. Während Makrophagen nischenfördernde Faktoren fördern konnten, konnten Neutrophile dies nicht. Dies deutet darauf hin, dass Makrophagen als Vermittler für metastasierungsinduzierte Veränderungen in EZs fungieren könnten.
Verantwortlich für die Makrophagen-Aktivierung ist das Matrix-Glykoprotein Tenascin, das von den Brustkrebszellen exprimiert wird. Dieses bindet an den Toll-like Rezeptor 4 (TLR4) und aktiviert die Makrophagen, die in der Folge die Bildung von metastatischen Nischen fördert, indem sie NO und TNF absondern, um die Expression von Nischenkomponenten in EZs zu induzieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass EZ-Gene unterschiedlich reguliert werden können und zwar durch VEGF und durch aktivierte Makrophagen.
Fazit
Die Studie zeigte, dass die Interaktion zwischen kolonisierenden Brustkrebszellen, Makrophagen und Endothelzellen für die Lungenmetastasierung eine entscheidende Rolle hat. Die vaskuläre Regulation für die Bildung der metastatischen Nische ist nicht VEGF-induziert, sondern basiert auf einer Makrophagen-induzierten Entzündungsreaktion. INHBB, SCGB3A1 bzw. OPG und LAMA1 unterstützen die Stammzelleigenschaften sowie das Überleben der Krebszellen. Dabei werden die regulatorischen Mechanismen der vaskulären Nischenbildung nicht direkt durch Krebszellen ausgelöst, sondern über perivaskuläre Makrophagen. Die Ergebnisse zeigen ein kritisches Zusammenspiel innerhalb vaskulärer Nischen auf und unterstreichen die Bedeutung extrazellulärer Matrixproteine als Regulatoren der Mikroumgebung bei der Metastasierung.
