Guz stemness spotyka się z odpornością: od mechanizmu do terapii (część 1)

Aby dowiedzieć się więcej informacji, skontaktuj się z namidavid.wan@wecistanche.com

Rakowe komórki macierzyste (CSC) są samoodnowiącymi się komórkami, które ułatwiająinicjacja guza, promują przerzuty i wzmacniająoporność na terapię przeciwnowotworową. Analizy transkryptomiczne wielu typów nowotworów ujawniły wyraźny związek międzyłodygaisygnatury immunologiczne, potencjalnie sugerujące biologiczną interakcję między takimi charakterystycznymi cechami raka. Pojawiające się dowody eksperymentalne potwierdziły wpływ CSC na komórki odpornościowe, w tym makrofagi związane z nowotworem, komórki supresorowe pochodzące z szpiku i limfocyty T, w mikrośrodowisku guza oraz, wzajemnie, znaczenie takich komórek odpornościowych w podtrzymywaniu macierzystości CSC i jej niszy przetrwania. Niniejszy przegląd obejmuje mechanizmy komórkowe i molekularne leżące u podstaw symbiotycznych interakcji między CSC a komórkami odpornościowymi oraz sposób, w jaki takieheterotypowysygnalizacja utrzymuje ekosystem promujący nowotwór i informuje o strategiach terapeutycznych przechwytujących tę współzależność.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o Cistanche

WPROWADZENIE

Paradygmat rakowych komórek macierzystych (CSC) wyłonił się z badań nadostra białaczka szpikowa(AML), który zidentyfikował subpopulację mniej zróżnicowanych komórek CD34 * / CD387 posiadających zdolność odnowy podobną do komórek macierzystych i solidną zdolność inicjowania guza (Lapi-dot i in., 1994). Komórki nowotworowe o tych właściwościach biologicznych zostały wykryte praktycznie we wszystkich guzach litych, w tym czerniaku i nowotworach mózgu, piersi, okrężnicy, tarczycy, trzustki, prostaty, wątroby, płuc, jajnika, głowy i szyi oraz żołądka (Turdo i in., 2019). Kliniczne i biologiczne znaczenie CSC zostało wzmocnione przez pozytywną korelację między sygnaturami komórek macierzystych a słabym przeżyciem (Ben-Porath i in., 2008). Chociaż CSC mają wspólne właściwości i markery powierzchniowe z normalnymi komórkami macierzystymi (Turdo i in., 2019), utrzymują zdolność odnowy poprzez specyficzne zmienione szlaki sygnałowe ze wspólnymi i unikalnymi wzorcami w wielu typach nowotworów (ryc. 1). Na przykład CSC raka piersi wykazują cd44 standardowy izoforma spawu (CD44s) aktywowany płytkowym receptorem czynnika wzrostu β (PDGFRβ) / przetwornik sygnału i aktywator transkrypcji 3 (STAT3), aktywowany jeż dźwiękowy C1 (FOXC1) (SHH) i szlaki NOTCH aktywowane sfingozyno-1-fosforanem (S1P) / S1PR3 aktywowane SZLAKI NOTCH (Han i in., 2015; Hirata i wsp., 2014; Zhang i in., 2019b). Natomiast macierzystość CSC w innych typach nowotworów, takich jak glejak i rak okrężnicy, żołądka i prostaty, jest utrzymywana przez kinazę fosfatydyloinozytol-3 (Pl3K) za pośrednictwem CD133 / kinazę białkową B (AKT, bogaty w leucynę receptor sprzężony z białkiem G 5 (LGR5) za pośrednictwem WNT / β-kateniny i białka POZ typu plamki (SPOP) szlaki NANOG (Morgan i in., 2018; Wang et al.,2010b,2019a; Wei i in., 2013; Zhang i wsp., 2019c). Takie wzorce związane z CSC przeczą wysokiemu stopniowi złożoności biologicznej i specyficzności typu nowotworu.

Cechy charakterystyczne CSC są dobrze ugruntowane i obejmują samoodnowę, zdolność inicjacji guza klonalnego, klonalny długoterminowy potencjał ponownego zaludnienia oraz plastyczność między stanami macierzystymi i nie-macierzystymi (Plaks i in., 2015). Ta plastyczność jest szczególnie istotna, ponieważ umożliwia CSC adaptację i przetrwanie w obliczu perturbacji terapeutycznych, a także stale zmieniających się stresów biologicznych mikrośrodowiska guza (TME) podczas ewolucji guza (Agliano i in., 2017; Hatina, 2012; Müller i wsp.,2020; Plaks i in., 2015). Mechanicznie wykazano, że rola CSC w inicjacji guza, przerzutach i oporności na terapię jest napędzana przez interakcje międzykomórki nowotworowei komórki gospodarza w TME (Ayob i Ramasamy, 2018; Plaks et al, 2015), gdzie cząsteczki i szlaki napędzające biologię CSC często zasilają wiele cech raka (ryc. 1). Na przykład zdolność CSC do inicjowania nowotworów odnosi się do ich macierzystości napędzanej przez region Y-box 2 (SOX2) określający płeć czynnika transkrypcyjnego, który również reguluje geny regulujące cechy raka proliferacji, przeżycia i inwazji (Boumahdi i in., 2014; Zhou i in., 2009). W przypadku cechy przerzutów sygnatury komórek macierzystych korelują dodatnio ze zwiększoną skłonnością do przerzutów (Ayob i Ramasamy, 2018); ponadto zróżnicowane szlaki CSC i związane z nimi procesy biologiczne przyczyniają się do każdego etapu procesu przerzutowego - od rozprzestrzeniania się do tworzenia nisz przerzutowych do wzrostu odległych narządów - poprzez indukowanie przejścia nabłonkowo-mezenchymalnego (EMT, stymulowanie produkcji egzosomów z komórek szpikowych i upregulowanie czynników niszowych, takich jak insulinopodobny czynnik wzrostu-1 (IGF-1) i interleukina (L)-6, odpowiednio (Agliano i in., 2017; Ayob i Ramasamy, 2018; Shiozawa i in., 2013). Rzeczywiście, dowody eksperymentalne i kliniczne pokazują, że CSC w guzach pierwotnych rozprzestrzeniają się i kolonizują miejsca dystalne (de Sousae Melo i in., 2017) oraz że ich lokalizacja na froncie inwazyjnym koreluje negatywnie z przeżyciem pacjenta (Kodamaet al., 2017). Wreszcie, w odniesieniu do oporności na terapię, szlaki CSC zmieniają cząsteczki sygnałowe regulujące metabolizm leków (np. Wysoka ekspresja białek transporterowych kaset wiążących ATP, które zwiększająwypływ lekówczęstość), EMT (np. zwiększony SOX2, czynnik transkrypcyjny wiążący oktamer 4 [OCT4] i ekspresja NANOG) oraz przeprogramowanie metaboliczne (np. zwiększony transporter glukozy 1, fosforylacja oksydacyjna i reaktywna aktywność form tlenu; Ayob i Ramasamy, 2018). Plastyczność fenotypowa CSC może przyczyniać się do dodatkowych cech charakterystycznych raka poprzez ich zdolność do transdyferencjacji na perycyty, komórki śródbłonka i fibroblasty, przyczyniając się w ten sposób do angiogenezy guza, rozwoju nisz komórek macierzystych i stanu zapalnego (ryc. 1; Cheng i wsp., 2013; Dongre i Weinberg, 2019; Huet al.,2016; Nair i wsp., 2017; Ricci-Vitiani et al.,2010; Wang et al.,2010a). Ta plastyczność znajduje również odzwierciedlenie w zdolności "zróżnicowanych" komórek nowotworowych do ponownego przyjęcia niedojrzałego stanu CSC, procesu różnicowania, który może być stymulowany przez sygnały emanujące z TME, w tym makrofagi związane z nowotworem (TAM), komórki supresorowe pochodzenia szpikowego (MDSC), limfocyty T, fibroblasty związane z rakiem (CAF) i inne komórki odpornościowe (Plaks i in., 2015). Przede wszystkim silne połączenie komórek odpornościowych CSC zostało udowodnione przez bezstronne badania profilowania, wykazujące silną negatywną korelację między macierzystością komórek nowotworowych a sygnaturami odporności przeciwnowotworowej w 21 typach guzów litych (Miranda i in., 2019). W szczególności zwiększona macierzystość była związana ze zmniejszonymi przeciwnowotworowymi komórkami odpornościowymi, w tym limfocytami T CD8 +, komórkami NK i komórkami B oraz zwiększoną polaryzacją infiltrujących makrofagów (Miranda i in., 2019). Podobnie, atlas genomu raka (TCGA) i analizy mikromacierzy tkanek ujawniły, że macierzystość komórek nowotworowych koreluje negatywnie z aktywowanymi komórkami CD4 + i CD8 + T w guzach litych (Hou i in., 2019; Malta i in., 2018).

Te odkrycia in silico w ludzkim raku dobrze pasują do pojawiających się wyników eksperymentalnych z badań różnych mysich modeli ludzkiego raka. Wykazano, że odsetek CSC w czerniaku zależy od specyficznego szczepu myszy z upośledzoną odpornością, co sugeruje ważną rolę układu odpornościowego w regulacji CSC (Quintana i in., 2008). Z drugiej strony, CSC mogą kształtować specyficzny TME poprzez regulację komórek odpornościowych. Na przykład ekspresja markera CSC i regulatora kinazy podobnej do podwójnej korytyny 1 (Westphalen i in., 2014) koreluje pozytywnie z obfitością TAM i limfocytów T regulatorowych (limfocyty T-reg) oraz podwyższoną ekspresją czynników hamujących aktywność komórek Tcell CD8 + (Wu i in., 2020). 6 transbłonowych domen MARVEL podobnych do CKLF, które ulegają ekspresji na błonach plazmatycznych komórek nowotworowych, może zwiększać macierzystość CSC poprzez szlak WNT / β-kateniny, tłumić odporność przeciwnowotworową poprzez zaprogramowaną regulację w górę ligandu śmierci 1 (PD-L1) i zmniejszać limfocyty T CD8 * i CD4 * w wielu typach raka, w tym w raku płaskonabłonkowym głowy i szyi (SCCHN) (Chen et al., 2020a), czerniak i rak piersi (Burr i wsp., 2017; Mezzadraet al,2017). Białko związane z masą tłuszczu i otyłością (FTO) jest demetylazą m° A i wykazuje nadekspresję w AML. Hamowanie FTO upośledza zdolność macierzystą komórek macierzystych białaczki i przeprogramowuje odpowiedź immunologiczną poprzez tłumienie genów immunologicznego punktu kontrolnego, takich jak LILRB4 (podrodzina receptorów immunoglobulinowych leukocytów członek B 4), uwrażliwiając w ten sposób komórki AML na cytotoksyczność za pośrednictwem komórek T (Suet al,2020). Podobnie, analizy sekwencjonowania jednokomórkowego RNA (RNA-seq) AML ujawniły subpopulację komórek AML podobnych do macierzystych, które współekspresjonują geny związane z macierzystością i mieloidami (van Galen i in., 2019). Ponadto egzosomy pochodzące z CSC, które przenoszą ładunek między komórkami (Mathieu i in., 2019), mogą zwiększyć przeżycie supresyjnych neutrofili w celu promowania wzrostu raka okrężnicy (Hwang i in., 2019). Ten wspólny profil tamiący i immunologiczny profil transkrypcyjny są zgodne z niedawnym odkryciem, że brak Dligandów z grupy 2 naturalnych zabójców, który definiuje komórki macierzyste białaczki, przyczynia się do ich selektywnej ucieczki z nadzoru immunologicznego za pośrednictwem komórek NK (Paczulla i in., 2019). Oprócz tych komórek odpornościowych, CAGR i ich interakcje z CSC są również ważne dlanowotworzenieioporność na terapię(Chan i in., 2019). Łącznie odkrycia te podkreślają intymny związek między cząsteczkami i mechanizmami rządzącymi biologią CSC a odpornością guza w wielu typach nowotworów.

Podsumowując, coraz więcej dowodów translacyjnych i eksperymentalnych podkreśla niezliczone interakcje i splecione biologiczne role nowotworów CSC i komórek odpornościowych, w szczególności komórek szpikowych (TAM i MDSC) oraz limfocytów T. Niniejszy przegląd podsumowuje aktualną wiedzę na temat przesłuchu molekularnego i funkcjonalnego wpływu tych symbiotycznych interakcji na cechy rozpoznawcze raka. W odniesieniu do komórek szpikowych podkreślamy TAM i MDSC indywidualnie, chociaż mają one tę samą komórkę pochodzenia i podobne funkcje w celu stłumienia odporności przeciwnowotworowej za pośrednictwem komórek T (Engblom i in., 2016). Te pojawiające się spostrzeżenia stanowią mapę drogową dla rozwoju nowych przeciwnowotworowych strategii terapeutycznych, które zakłócają ten dynamiczny obwód w określonych typach nowotworów.

CSC-TAM Przesłuch

Wpływ CSC na biologię makrofagów

Wiadomo, że czynniki wydzielane przez różne typy komórek w TME, w tym CSC, rekrutują i polaryzują TAM (Chen et al.,2017,2019a,2020b; Colegio i wsp., 2014). Te TAM pochodzą z makrofagów pochodzących ze szpiku kostnego (BMDM) i lokalnych makrofagów rezydujących w tkankach (np. mikrogleju w mózgu, komórek Kupffera w wątrobie i makrofagów pęcherzykowych w płucach), które pochodzą z krwiotwórczych komórek macierzystych i progenitorów wysiewających się w tkankach embrionalnych (np. woreczek żółtkowy dla mikrogleju i wątroba płodowa dla komórek Kupffera i makrofagów pęcherzykowych), (rysunek 2; Pathriaet al.,2019). Rekrutacja TAM jest napędzana przez różne chemokiny, w tym ligand chemokinowy motyw C-C 2 (CCL2), CCL3, ligand chemokinowy motywu C-X-C 14 (CXCL14) i oksydazę lizylową (LOX), które są wydzielane przez komórki nowotworowe, makrofagi i inne komórki zrębu w TME (Chen i in., 2019a; Pathria i wsp., 2019; Wei i in., 2020. Coraz więcej dowodów wskazuje, że CSC przyczyniają się również do infiltracji makrofagów i mikrogleju poprzez odrębne cząsteczki i mechanizmy w różnych nowotworach (ryc. 2; Tabela 1). Warto zauważyć, że niektóre z tych chemokin są specjalnie wytwarzane przez CSC, co podkreśla wyjątkową rolę CSC w regulacji infiltracji TAM. Na przykład periostyna (POSTN) jest preferencyjnie wyrażana i wydzielana przez CSC w glejaku (GBM) i raku cholangiocarcinoma (CCA), który z kolei rekrutuje BMDM poprzez wiązanie z integryną xvB3 (Zeng i in., 2018; Zhou i in., 2015).

Zmiany genetyczne i epigenetyczne w CSC regulują produkcję chemokin. Na przykład PTENdeficiencyor AKToverexpression w GSC i nerwowych komórkach macierzystych reguluje LOX i CXCL12B, które rekrutują TAM poprzez integrynę β1 (Chen et al., 2019a) i receptor chemokinowy motywu C-X-C 4 (CXCR4) (Chia i in., 2018), odpowiednio. Optyczne GSC odizolowane od Nf1loxneo; Model myszy z glejakiem niskiej jakości GFAP-Cre wydziela CX3CL1 i CCL5 do rekrutacji mikrogleju, a efekt ten jest dodatkowo wzmacniany przez utratę Pten (Guo i in., 2019b). Podobnie, niedobór F1 w ludzkich GSC może sprzyjać infiltracji makrofagów i mikrogleju, chociaż chemokiny regulowane przez NF1 nie są znane (Wang i in., 2017). W wielu typach nowotworów amplifikacja i mutacja receptora naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) może promować obecność CSC i rekrutację makrofagów (An i in., 2018; McCann i in., 2018; Rutkowska i in., 2019). W raku wątroby aktywacja EGFR / AKT aktywuje kompleks czynników transkrypcyjnych związanych z białkami (YAP) / członkiem rodziny domen TEA (TEAD) w CSC, który z kolei reguluje czynniki rekrutacji makrofagów CCL2 i czynnik stymulujący kolonie makrofagów (M-CSF) (Guo i in.。 2017). W niedrobnokomórkowym raku płuc (NSCLC) zwiększona proteaza specyficzna dla ubikwityny 17, deubikwitynaza wymagana do handlu i aktywności onkogennej zmutowanego EGFR (McCann i in., 2018), zwiększa macierzystość komórek nowotworowych, co z kolei podnosi infiltrację makrofagów poprzez zwiększoną produkcję cytokin, w tym czynnika martwicy nowotworów (TNF)-a, IL-1β i IL-6 (Lu i in., 2018). W raku pęcherza moczowego mutacje utraty funkcji genu modyfikatora histonów lizyny (K) specyficznej dla demetylazy 6A (KDM6A) promują macierzystość CSC i wydzielanie IL-6 i CCL2, co z kolei zwiększa rekrutację makrofagów (Kobatake i in., 2020). W GBM, okołodobowe cykle wyjściowe ruchu kaput (CLOCK), epigenetyczny i okołodobowy regulator wzmocniony w 5% przypadków, zwiększa łodygę GSC i wydzielanie chemo-kinowego białka wlfaktomedyny 3 (OLFML3), które rekrutuje mikroglej do TME (Chen et al., 2020b). Wreszcie, zastrzeżenie emptor, chociaż wiele badań wykazało udział czynników pochodnych CSC w infiltracji makrofagów, zaobserwowano również odwrotność ze względu na specyficzny genotyp CSC i jego unikalne TME. Na przykład zmutowane TP53 i odporne na cisplatynę CSC z raka płuc hamują infiltrację makrofagów do TME (Xu i in., 2019).

Oprócz stymulowania rekrutacji TAM, CSC mogą wpływać na stan biologiczny tych makrofagów. Wiadomo, że makrofagi wykazują spektrum fenotypów, od fenotypu przeciwnowotworowego do pro-nowotworowego (dawniej określanego jako M1 i M2; Pathria i in., 2019). Gdy makrofagi przenikają do nowotworów, zazwyczaj ulegają polaryzacji w kierunku fenotypu pronowotworowego, procesu napędzanego przez chemokiny (np. IL-4 i IL-13) i metabolity (np. Mleczan), które pochodzą zarówno z komórek nowotworowych, jak i komórek gospodarza w TME (Chen i in., 2017; Colegio i wsp., 2014; Qian i Pollard, 2010). Kilka linii dowodów wskazuje, że CSC mogą dodatkowo wywoływać polaryzację makrofagów przeciw- do protumorowych. Po pierwsze, po kokulturze z CSC, pronowotworowe markery makrofagów (np. CD206, IL-10 i arginaza 1) są regulowane w górę, podczas gdy przeciwnowotworowe markery makrofagów (np. TNF-α, syntaza tlenku azotu 2 [NOS2] i CD86) są regulowane w dół (Deng i in., 2015). Po drugie, CSC mogą wydzielać różne rozpuszczalne czynniki, które indukują polaryzację w kierunku fenotypu pro-nowotworowego (ryc. 2; Tabela 1). Na przykład indukowane Wnt białko sygnalizacyjne 1 (WSP1) jest preferowane przez GSC w GBM, co sprzyja przeżyciu pro-nowotworowych TAM poprzez aktywację szlaku integryny / AKT x6β1 na makrofagach (Tao i in., 2020). Podobnie, IL-6 i IL-10 pochodzące z CSC mogą wypaczyć TAM w kierunku fenotypu pronowotworowego w raku jajnika (Raghavan i in., 2019), raku pęcherza moczowego (Kobatake i in., 2020), GBM (Wu i in., 2010; Yao i in., 2016) oraz raka piersi (Weng i in., 2019). Oprócz czynników wydzielanych, GSC uwalniają egzosomy zawierające eukariotyczny czynnik inicjacji 2, ssaczy cel rapamycyny (mTOR) i szlaki sygnałowe efryny B, które są domem dla błony monocytów i promują polaryzację pro-nowotworową makrofagów (Gabrusiewiczet al, 2018). Wreszcie, w kontekście martwicy nowotworów w GBM, cząstki pochodzące z GSC, zdefiniowane jako "produkty podobne do autoschizis", mogą zostać pochłonięte przez TAM, które z kolei regulują L-12 w górę, aby spolaryzować te TAM W kierunku fenotypu przeciwnowotworowego (Tabu i in., 2020). W ten sposób CSC wydzielają różnorodne produkty, które zachęcają do polaryzacji makrofagów.