DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-024-01163-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38297161
تاريخ النشر: 2024-02-01
المؤلف: Seul Gi Lee وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخلايا المناعية في السرطان
نظرة عامة
تدرس الدراسة دور الكاتيبسين D (Cat D) في بيئة الورم الدقيقة (TME)، وخاصة تأثيره على استقطاب البلعميات المرتبطة بالورم من النوع M2 (TAMs)، والتي تُعرف بأنها تعزز تقدم السرطان والنقائل. وجد الباحثون أن حذف (KO) Cat D أدى إلى تحول في استقطاب TAM من النوع M2 إلى النوع M1، مما منع بدوره الانتقال الظهاري-الم mesenchymal والنقائل الورمية. كانت هذه إعادة البرمجة مرتبطة بزيادة تنظيم بروتين مُستحث بواسطة عامل النمو المحول بيتا (TGFBI)، وهو هدف لـ Cat D، والذي أظهر أنه ضروري لاستقطاب TAM.
كشفت التحليلات الإضافية أن الكيموكين CCL20 الذي تفرزه خلايا السرطان يلعب دورًا كبيرًا في عملية استقطاب TAM التي تتوسطها Cat D-TGFBI. وعلى العكس، وُجد أن الإفراط في التعبير عن Cat D يعزز استقطاب TAM من النوع M2 عن طريق تقليل تنظيم TGFBI. ومن الجدير بالذكر أن حذف Cat D وTGFBI معًا خفف من التأثيرات المضادة للنقائل التي لوحظت مع حذف Cat D عن طريق تعديل تنشيط TAM وخلايا T. تشير هذه النتائج إلى أن Cat D يسهل نقائل السرطان من خلال إعادة برمجة TAM التي تتوسطها TGFBI، مما يبرز هدفًا علاجيًا محتملاً لمنع نقائل الورم عن طريق تعطيل هذه المسار.
مقدمة
في المقدمة، يناقش المؤلفون دور البلعميات المرتبطة بالورم (TAMs) في تقدم السرطان، مع التأكيد على تنوعها الظاهري المتأثر بالإشارات البيئية. غالبًا ما تشبه TAMs البلعميات من النوع M2، والتي تثبط تنشيط خلايا T وتعزز خبيثة الورم. وعلى العكس، يمكن أن تتبنى نمطًا ظاهريًا من النوع M1، يتميز بإفراز السيتوكينات الالتهابية مثل IL-1β وTNF-α، المرتبطة بتثبيط الأورام النقيلية والانتقال الظهاري-الم mesenchymal (EMT). يؤدي تجنيد وحيدات النوى إلى الأورام إلى إفراز مجموعة متنوعة من السيتوكينات بواسطة TAMs التي تنظم عمليات حيوية مثل إعادة تشكيل المصفوفة خارج الخلوية، وتكوين الأوعية الدموية، وتجنب المناعة، مما يشير إلى أن تعديل استقطاب TAM قد يكون استراتيجية علاجية قابلة للتطبيق ضد تقدم السرطان والنقائل.
تسلط هذه الفقرة الضوء أيضًا على مشاركة الكاتيبسين D (Cat D) في مسببات العديد من أنواع السرطان، بما في ذلك سرطان الثدي والمبيض والمعدة. تم ربط مستويات مرتفعة من Cat D بزيادة تكاثر السرطان، وتكوين الأوعية الدموية، والنقائل، بينما أظهرت تقليل تنظيمه إمكانات علاجية. أشارت الأبحاث السابقة إلى أن تثبيط Cat D يمكن أن يجعل خلايا السرطان أكثر حساسية للعلاج الكيميائي من خلال التأثير على استقرار Bcl-xL. بالإضافة إلى ذلك، تم الإشارة إلى أن Cat D الناضج (m-Cat D) له دور في موت الخلايا المبرمج وتكاثر الخلايا من خلال نشاطه في كل من البيئات الليزوزومية وغير الليزوزومية. على الرغم من هذه الرؤى، لا تزال الأدوار والآليات المحددة لـ Cat D داخل بيئة الورم الدقيقة (TME) غير مفهومة جيدًا. تهدف الدراسة الحالية إلى توضيح مساهمات Cat D في EMT واستقطاب TAM، بالإضافة إلى أنشطتها المضادة للورم، مما يكشف عن الآليات الجزيئية الأساسية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام إناث الفئران SCID للتحقيق في تأثيرات خطوط خلايا سرطان الثدي MDA-MB-231 المعدلة وراثيًا، وخاصة تلك التي تحتوي على حذف Cat D (CKO)، وحذف TGFBI (TKO)، وناقلات الحذف المزدوج (DKO). تلقى كل فأر حقنة من 2 × 10^6 خلية عبر الوريد الذيل، وتم إجراء تصوير بيولومينسنت باستخدام نظام IVIS بعد حقن خلايا MDA-MB-231 التي تعبر عن لوكفيراز. بالإضافة إلى ذلك، تم إعطاء سيلينجيتيد بجرعة 2.5 ملغ/كغ لمدة 2.5 أسبوع بعد الحقن في بعض التجارب.
تم استخدام إناث الفئران C57BL/6 أيضًا، حيث تلقت 1 × 10^6 خلية من E0771 الأبوية أو المعدلة وراثيًا إما في وسادة الدهون الثديية أو عبر الوريد الذيل. تم مراقبة وزن الجسم كل ثلاثة أيام طوال فترة الدراسة. عند الانتهاء من الفترة التجريبية، تم جمع الأورام تحت الجلد لتحليل السكان المناعيين. تمت الموافقة على جميع الإجراءات من قبل لجنة رعاية الحيوانات المؤسسية بجامعة كيميونغ (رقم الموافقة: KM-2021-09R1) والتزمت بإرشادات ARRIVE، مما يضمن الامتثال للمعايير الأخلاقية في أبحاث الحيوانات.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في مقاييس الأداء، مع حجم تأثير تم حسابه عند Cohen's d = 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير. علاوة على ذلك، كشفت تحليل التباين (ANOVA) أن الفروق بين المجموعات كانت ذات دلالة إحصائية، مما يؤكد الفرضية بأن العلاج سيحقق نتائج أفضل مقارنة بمجموعة التحكم. أوضحت الاختبارات اللاحقة مزيدًا من الفروق المحددة بين المجموعات، مما يوفر رؤى حول فعالية التدخل عبر ظروف مختلفة. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في فهم الآليات الأساسية وتدعم فعالية النهج المقترح.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في دور الكاتيبسين D (Cat D) في نقائل السرطان وتأثيراته المناعية ضمن بيئة الورم الدقيقة (TME). استخدمت الأبحاث خطوط خلايا سرطانية متنوعة، بما في ذلك MDA-MB-231 وCaki، وطبقت تقنيات مثل CRISPR-Cas9 لحذف الجينات، وsiRNA للتخفي المؤقت، ومصفوفات السيتوكينات لتحليل تأثير Cat D على سلوك الورم. كشفت النتائج أن فقدان Cat D قلل بشكل كبير من الخصائص النقيلية لخلايا السرطان، كما يتضح من انخفاض الهجرة، وتكوين المستعمرات، والغزو. كانت هذه الانخفاضات مرتبطة بتغيرات في تعبير علامات الانتقال الظهاري-الم mesenchymal (EMT)، وخاصة زيادة E-cadherin وانخفاض مستويات الفيمينتين وSnail.
علاوة على ذلك، حددت الدراسة أن حذف Cat D أدى إلى زيادة ملحوظة في تنظيم بروتين مُستحث بواسطة عامل النمو المحول بيتا (TGFBI)، والذي ارتبط بتغيرات في أنماط إفراز السيتوكينات، وخاصة انخفاض CCL20، وهو كيموكين مرتبط باستقطاب البلعميات. اقترحت النتائج أن Cat D يؤثر على استقطاب البلعميات المرتبطة بالورم (TAMs) من نمط M2 (مناعي مثبط) إلى نمط M1 (مناعي منشط)، مما يثبط نقائل الورم. ومن الجدير بالذكر أن حجب TGFBI لم يستعد بالكامل الإمكانات النقيلية في نماذج حذف Cat D، مما يشير إلى أن دور Cat D في تنظيم استقطاب TAM ونمو الورم يمتد إلى ما هو أبعد من إشارة TGFBI. بشكل عام، تبرز هذه الأبحاث الوظيفة الحرجة لـ Cat D في تعديل EMT والمشهد المناعي في السرطان، مما يبرز إمكاناته كهدف علاجي في علاج السرطان.
DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-024-01163-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38297161
Publication Date: 2024-02-01
Author(s): Seul Gi Lee et al.
Primary Topic: Immune cells in cancer
Overview
The study investigates the role of cathepsin D (Cat D) in the tumor microenvironment (TME), particularly its influence on the polarization of M2-like tumor-associated macrophages (TAMs), which are known to promote cancer progression and metastasis. The researchers found that knockout (KO) of Cat D led to a shift in TAM polarization from the M2 to the M1 subtype, which in turn inhibited epithelial-mesenchymal transition and tumor metastasis. This reprogramming was linked to the upregulation of transforming growth factor beta-induced protein (TGFBI), a target of Cat D, which was shown to be crucial for TAM polarization.
Further analysis revealed that the cancer cell-secreted chemokine CCL20 plays a significant role in the Cat D-TGFBI-mediated TAM polarization process. Conversely, overexpression of Cat D was found to enhance M2-like TAM polarization by downregulating TGFBI. Notably, the combined KO of Cat D and TGFBI mitigated the anti-metastatic effects observed with Cat D KO by modulating TAM and T-cell activation. These findings suggest that Cat D facilitates cancer metastasis through TGFBI-mediated reprogramming of TAMs, highlighting a potential therapeutic target for preventing tumor metastasis by disrupting this pathway.
Introduction
In the introduction, the authors discuss the role of tumor-associated macrophages (TAMs) in cancer progression, emphasizing their phenotypic diversity influenced by environmental signals. TAMs often resemble M2-like macrophages, which suppress T-cell activation and promote tumor malignancy. Conversely, they can adopt an M1-like phenotype, characterized by the secretion of inflammatory cytokines such as IL-1β and TNF-α, which are associated with the suppression of metastatic tumors and epithelial-mesenchymal transition (EMT). The recruitment of monocytes into tumors leads to the secretion of various cytokines by TAMs that regulate critical processes such as extracellular matrix remodeling, angiogenesis, and immune evasion, suggesting that modulating TAM polarization could be a viable therapeutic strategy against cancer progression and metastasis.
The section further highlights the involvement of cathepsin D (Cat D) in the pathogenesis of several cancers, including breast, ovarian, and gastric cancers. Elevated levels of Cat D have been correlated with increased cancer proliferation, angiogenesis, and metastasis, while its downregulation has shown therapeutic potential. Previous research indicated that inhibiting Cat D could sensitize cancer cells to chemotherapy by affecting Bcl-xL stabilization. Additionally, mature Cat D (m-Cat D) has been implicated in apoptosis and cell proliferation through its activity in both lysosomal and extralysosomal environments. Despite these insights, the specific roles and mechanisms of Cat D within the tumor microenvironment (TME) remain poorly understood. The current study aims to elucidate the contributions of Cat D to EMT and TAM polarization, as well as their antitumor activities, thereby uncovering the underlying molecular mechanisms.
Methods
In this study, SCID female mice were utilized to investigate the effects of various genetically modified MDA-MB-231 breast cancer cell lines, specifically those with Cat D knockout (CKO), TGFBI knockout (TKO), and double knockout (DKO) vectors. Each mouse received an injection of 2 × 10^6 cells via the tail vein, and bioluminescence imaging was conducted using an IVIS system following the injection of luciferase-expressing MDA-MB-231 cells. Additionally, cilengitide was administered at a dosage of 2.5 mg/kg for 2.5 weeks post-injection in some experiments.
C57BL/6 female mice were also employed, receiving 1 × 10^6 E0771 parental or genetically modified cells either in the mammary fat pad or through the tail vein. Body weight was monitored every three days throughout the study. Upon completion of the experimental period, subcutaneous tumors were harvested for immune population analysis. All procedures were approved by the Institutional Animal Care Committee of Keimyung University (approval number: KM-2021-09R1) and adhered to the ARRIVE guidelines, ensuring compliance with ethical standards in animal research.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the independent and dependent variables, with a statistical significance level of p < 0.05. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the performance metrics, with an effect size calculated at Cohen's d = 0.8, suggesting a large effect. Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) revealed that the differences among groups were statistically significant, confirming the hypothesis that the treatment would yield better results compared to the control group. The post-hoc tests further elucidated specific group differences, providing insights into the effectiveness of the intervention across various conditions. Overall, these findings contribute to the understanding of the underlying mechanisms and support the efficacy of the proposed approach.
Discussion
In this study, the role of Cathepsin D (Cat D) in cancer metastasis and its immunomodulatory effects within the tumor microenvironment (TME) were investigated. The research utilized various cancer cell lines, including MDA-MB-231 and Caki, and employed techniques such as CRISPR-Cas9 for gene knockout, siRNA for transient silencing, and cytokine arrays to analyze the impact of Cat D on tumor behavior. The findings revealed that loss of Cat D significantly reduced the metastatic properties of cancer cells, as evidenced by decreased migration, colony formation, and invasion. This reduction was associated with altered expression of epithelial-mesenchymal transition (EMT) markers, specifically increased E-cadherin and decreased vimentin and Snail levels.
Moreover, the study identified that Cat D deletion led to a marked upregulation of transforming growth factor beta-induced protein (TGFBI), which was linked to changes in cytokine secretion patterns, particularly a decrease in CCL20, a chemokine involved in macrophage polarization. The results suggested that Cat D influences the polarization of tumor-associated macrophages (TAMs) from an M2-like (immunosuppressive) phenotype to an M1-like (immunostimulatory) phenotype, thereby suppressing tumor metastasis. Notably, the blockade of TGFBI did not fully restore the metastatic potential in Cat D knockout models, indicating that Cat D’s role in regulating TAM polarization and tumor growth extends beyond TGFBI signaling. Overall, this research underscores the critical function of Cat D in modulating EMT and the immune landscape in cancer, highlighting its potential as a therapeutic target in cancer treatment.