A hialuronán kettős természetének boncolása a tumor mikrokörnyezetében

Muhan Liu

1 Biokémiai Tanszék, Nyugati Egyetem, London, ON, Kanada

Cornelia Tolg

2 London Regionális Rákprogram, Lawson Egészségügyi Kutató Intézet, London, ON, Kanada

Turley Éva

2 London Regionális Rákprogram, Lawson Egészségügyi Kutató Intézet, London, ON, Kanada

3 Onkológiai, Biokémiai és Sebészeti Tanszék, Schulich Orvostudományi és Fogorvosi Iskola, Nyugati Egyetem, London, ON, Kanada

Absztrakt

Bevezetés

A GLOBOCAN becslései szerint a rák világszerte a második vezető halálozási ok, figyelembe véve

A Hyaluronome

Az LMW-HA a tumor mikrokörnyezetében szintén elősegíti a monociták toborzását és a citotoxikus M1 altípusok differenciálódását az M2 altípusba azáltal, hogy megváltoztatja a Th1/Th2 citokin egyensúlyt, ezáltal fokozza a helyi ROS szintet, ami növeli az LMW-HA generációt és az M2 monocita felhalmozódást (76). Úgy tűnik, hogy ennek klinikai jelentősége van, mivel mind a megnövekedett M2-szerű tumorral társult makrofágok (TAM), mind az LMW-HA felhalmozódása korrelál a daganat áttétes potenciáljával és az emlőrákos betegek rossz prognózisával (54). A CD44 antitestek és az LMW-HA kötő peptidek egyaránt csökkentik a monocita aktivációt, és az M2 polarizáció azt jósolja, hogy ezeket a hatásokat az LMW-HA: CD44 kölcsönhatások modulálják (76). Ezenkívül a daganatból származó LMW-HA elősegíti a tumorsejtek toleranciáját a beszűrődő makrofágok iránt (82). Ez a tumoricid semlegesítés javasolt az IRAK-M (interleukin-1 receptorhoz társult kináz M) bevonására, LMW-HA-val mint extracelluláris modulátorral mind a TLR2,4, mind a CD44 révén (82).

A klinikai és kísérleti vizsgálatok együttesen mutatják be a tumor vagy peri-tumor stromális sejtek HA-termelésének és fragmentációjának fontosságát a tumor progressziójában. A HA célzása tehát ígéretes terápiás megközelítéseket kínálhat a rák kezelésében és kezelésében.

Terápiás megközelítések a HA termelésének és töredezettségének csökkentésére a tumorgenezis ellenőrzésére

A HA-szintézis gátlása

A 4-metil -umbelliferon (4-MU) egy olyan inhibitor, amely kimeríti a HA-szintézis egyik építőköveit (glükuronsav, GA) (83, 84). 4-MU-val kezelt emlős sejtekben az UDP-transzferáz katalizálja a GA átvitelét a 4-MU-ra, ezáltal kimerítve a citoplazmatikus UDP-GA készletét és gátolva a HA szintézist (83, 85). A 4-MU szintén csökkenti a HAS2/3 expressziót (rákos sejtvonalakban 60–80%) (86). Ezt a szuppressziót csökkent CD44 és RHAMM expresszió kíséri, ami visszacsatolási hurkot sugall, a HA szintézis és a receptor expresszió között (86). A 4-MU beadását követően a HA által közvetített downstream jelátvitel gátolt, ennek következtében csökken a rákos sejtek proliferációja, migrációja és inváziója. A 4-MU csökkenti a metasztázisokat a bőr, a tüdő, az oszteoszarkóma és az emlőrák xenograft modelljeiben (85, 87–91). A 4-MU diétás beépítése a fokozott kemo-prevencióhoz is társul: a 4-MU (450 mg/kg) napi bevitele 28 héten át a kísérleti modellekben eltörölte a prosztatarák-iniciációt és az áttéteket (91). Mindazonáltal ez a megközelítés nem specifikus a tumorral társult HA-ra és blokkolja a HMW-HA kívánatos funkcióit a normál szövetekben.

LMW-HA megcélzása

A hialuronidáz aktivitás blokkolása

A HYAL izoformákat megcélzó természetes származékokat (azaz heparint, glicirrizinsavat és nátrium-aurotiomalátot) és gyógyszereket (azaz fenoprofent) terápiás szerként vizsgálták (26, 85, 88). Eredetileg vizelet HYAL inhibitorokként írták le, az O-szulfatált HA származékok (sHA) a HYAL1 aktivitás gátlását (IC50: 0,0083-0,019 μM) mutatják az alloszterikus helyekhez való kötődés révén (92, 93). Ezenkívül az sHA hatékonyabb nem kompetitív gátlást mutat, mint kompetitív gátlás, ami azt sugallja, hogy hatékonyságát nem akadályozná a tumorszövetekben megnövekedett HA-koncentráció. Egy prosztatarákos állatmodellben az sHA-alkalmazás gátolta a HYAL1 aktivitását és kiváltotta az apoptózist az extrinsic útvonalon keresztül (70). A HYAL1 downregulációja korrelált a csökkent CD44 és RHAMM expresszióval, valamint a PI3K/AKT szignalizációval, ami visszacsatolási mechanizmust sugall a HA degradációja és a tumorsejtekben történő szignalizáció között. A prosztatarák sejtjeinek proliferatív és invazív képességei szintén jelentősen csökkentek az sHA-kezelés után (69).

Ezzel szemben a hasnyálmirigyrákban a sztroma HA fokozott lebomlása a PEGPH20 (egy pegilezett hialuronidáz) hatására lebontja a HA-kapszulát, amely felhalmozódik ezeknek a daganatos sejteknek, hogy a tumorsejtek jobban ki legyenek téve kemoterápiának és felszabaduljon a neo-angiogenezis szuppressziója (94). A PEGPH20 hatékonyságát a hasnyálmirigy daganatos sejtjeinek kemoterápiára adott válaszának elősegítésében jelenleg a metasztatikus hasnyálmirigy duktális adenokarcinóma 3. fázisú klinikai vizsgálataiban vizsgálják (ClinicalTrials.gov) (94). A PEGPH20 alkalmazása hasnyálmirigyrák állatmodelljeiben vaszkuláris összeomlást váltott ki a daganatokban, és drámai módon megemelte az intersticiális folyadék nyomását, fokozva a perfúziót és kemoterápiás gyógyszerek bejuttatását a szilárd tumorba (71). Így a PEGPH20 és más kemoterápia (i, e: gemcitabin) együttes alkalmazása apoptózis kiváltásával és a proliferáció elnyomásával elősegítette a túlélést és csökkentette a tumor növekedését egérmodellekben (71).

Sequestering HA töredékek

HMW-HA, hialuronidáz és CD44, mint tumor megelőzési mechanizmusok

Míg a fenti vizsgálatok megjósolják a HMW-HA funkcióit, amelyek hozzájárulhatnak a rákra hajlamos fajok, például egerek és emberek tumorrezisztenciájához, a rákrezisztens meztelen vakond-patkány (Heterocephalus glaber) szolgáltatta az első közvetlen bizonyítékot a HMW-HA-ra a karcinogén okozta tumorgenezis elnyomása (24, 105). H. glaber-ben a HAS2 túlexpresszió, az erősen csökkent hialuronidáz aktivitás és a CD44-en keresztüli jelzés kombinációja ellenállást nyújt számos rákkeltő sértéssel szemben, beleértve az UVB-t és az aktivált RAS-t (24). Érdekes módon a HMW-HA felhalmozódik egyes szövetekben, nevezetesen a bőrben, és magas marad az állat egész élete során (24). Ezzel szemben a HMW-HA csökken az életkor előrehaladtával (106–110) és az emberi és az egér bőrében és a legtöbb szövetben, valamint krónikus UVB-expozíció után, amely a keratinocita tumorokat okozó domináns rákkeltő anyag.

A meztelen patkány-patkány számos tumorrezisztencia-mechanizmust alkalmaz, beleértve a HMW-HA által szabályozott mechanizmust, amelyet korai kontakt gátlásnak (ECI) neveznek, amely a kontakt gátlás robusztus formája, amely magában foglalja a p16 INK4A új izoformájának expresszióját (105). A HA korai expressziót indukál a p16 INK4A lokuszban CD44 kötés révén, ami az Rb blokkolt foszforilezését és a sejtciklus gyengülését eredményezi. A hialuronidáz jelenlétében tenyésztett meztelen patkány-fibroblasztok nem mutatnak ECI-t és csökkentik a p16 INK4A expresszióját (16). A HMW-HA ezen hatását a CD44: NF2 jelátvitel közvetíti (24, 105) (2A. Ábra). Az NF2 növekedést gátló, nem foszforilezett formája dominál a tenyésztett meztelen patkánysejtekben, de a hialuronidáz hozzáadása stimulálja az NF2-t foszforiláció, amely elősegíti a sejtek növekedését (24).

A HMW-HA a tumor megelőzésében működik. (A) LMW-HA: CD44 kölcsönhatások elősegítik a proliferációt, míg a HMW-HA: CD44 kölcsönhatások elnyomják a proliferációt, amelyet a CD44 és a Merlin (NF2) tumor szupresszorral való összefüggés közvetíthet. HMW-HA: A CD44 jelek sejtciklus leállást eredményeznek, és az egyik mechanizmus a rákra való hajlam csökkentésére. (B) Az UVB-nek kitett keratinocita tumorra fogékony egerek hátsó bőre, amelyet helyileg HMW-hialuronán-foszfatidil-etanol-aminnal (HA-dúsított) kezeltek, nem képeznek daganatot, magasabb HMW-HA (felső panelek) és CD44 (alsó panelek) szinteket halmoznak fel, és alacsonyabb szinteket hialuronidázok, mint az UVB-besugárzott kontrollok. Az epidermális HA-t (barna) egy HA-kötő biotinilezett fehérjével detektálják a paraffinba ágyazott szöveteken, amelyeket hematoxilinnel (kék) festenek. A CD44-et (piros) és az RHAMM-et (zöld) pan-antitestek segítségével detektáljuk DAPI-val (kék) festett egerek hátsó bőrén.

A HMW-HA mint kemoprevenciós stratégia

A mai napig a HMW-HA-t nem alkalmazták kemoprevenciós stratégiának, bár az orális fogyasztás korlátozza a szövetek gyulladását, nevezetesen a bélben (111). A HMW-HA helyi alkalmazásának akadálya történelmileg az volt, hogy korlátozottan áthaladt az epidermisz külső korniás rétegén. Azonban a közelmúltban kifejlesztett nagy molekulatömegű hialuronán-foszfatidil-etanol-amin polimerek [E. Turley (2010), szabadalmi szám: US20130059769A1], amelyek átjutnak az epidermiszen, és rétegeket képeznek a keratinociták és a dermális sejtek körül (112), lehetővé teszik annak értékelését, hogy a bőr HMW-HA növekedése képes-e csökkenteni a bőr hajlamát a tumorigenesisre rákra fogékony fajok (2B. ábra).

Következtetések

Összefoglalva, az LMW-HA növeli a tumorsejtek proliferációs és migrációs képességét, míg a HMW-HA csökkenti a tumorigenitást és a rák ellenállását biztosítja a proliferáció korlátozásával, a gyulladás korlátozásával, a neo-angiogenezissel és esetleg a DNS károsodásával. További kutatásokra van szükség az LMW-HA polimerek célzásának teljes terápiás potenciáljának kinyeréséhez és a HMW-HA tumorrezisztencia tulajdonságainak felhasználásához. A HA méretfüggő biológiai hatásait fokozó mechanizmusok jobb megértése valószínűleg elősegíti az új terápiás fejlődést a tumorgenezis korlátozására.

Szerző közreműködései

Az ML biztosította a kézirat első tervezetét, amelyet az ET és a CT szerkesztett. CT és ML szolgáltatta az adatokat az ábrákhoz. Az ET összeállította a jelen áttekintésben bemutatott összes ábrát.

Összeférhetetlenségi nyilatkozat

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást bármilyen kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolat hiányában végezték, amely potenciális összeférhetetlenségként értelmezhető.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a munkát egy Cancer Research Society Grant (# 22491) támogatta az ET számára. Az ET-t és az ML-t a Translational Breast Cancer Research Unit támogatta a Kanadai Breast Cancer Society révén. Az ML-t támogatta az Interdiszciplináris Fejlesztési Kezdeményezés az őssejtekben és a Regeneratív Orvostudomány ösztöndíja (R3170A15) a Western University révén.