Open Access

Adele Mikheal Nicolas

• Standard cancer therapy research targets tumor cells while not considering the damage on the tumor microenvironment (TME) and its associated implications in impairing therapy response. Employing patients-derived organoids (PDOs) and matched stroma cells or a novel murine preclinical rectal cancer model of local radiotherapy, it was demonstrated that tumor cells-derived IL-1α polarizes cancer-associated fibroblasts towards an inflammatory (iCAFs) phenotype. While numerous studies in different tumor entities highlighted the molecular heterogeneity of CAFs, so far there are no clear findings on their functional heterogeneity and relevance in therapy resistance and response. The present study molecularly characterized iCAFs subpopulation among RCA patients as well as the preclinical mouse model and importantly unraveled the detailed molecular mechanism underlying their contribution to impair therapy response. Mechanistically, iCAFs were demonstrated to be characterized by an upregulation of nitric oxide synthase (iNOS) which triggered accumulation of reactive nitrogen species (RNS) and subsequently an oxidative DNA damage response (DDR). Such a baseline IL-1α-driven DNA damage further sensitized iCAFs to a p53-mediated therapy induced senescence (TIS) causing extensive extracellular matrix (ECM) changes and induction of senescence associated secretory phenotype (SASP) that favored tumor progression and hindered tumor cell death. Moreover, iCAFs reversibility and repolarization into more quiescent like phenotype was demonstrated upon IL-1 signaling inhibition by anakinra, a recombinant IL-1 receptor antagonist (IL1RA). Accordingly, treating mice with anakinra or specific deletion of Il1r1 in CAFs sensitized stroma-rich resistant tumors to chemoradiotherapy (CRT). Similarly, targeting CAFs senescence by senotherapy (venetoclax chemical) or employing Trp53 deficient mice reverted therapy resistance among non-responsive tumors in vivo by reducing ECM deposition and consequently favoring CD8+ T cells intratumoral infiltration posttherapy. Importantly, rectal cancer patients that do not completely respond to neoadjuvant therapy displayed an iCAFs senescence program post-CRT. Moreover, these patients presented a baseline increased CAFs content, a dominant iCAFs signature that correlated with poorer disease-free survival (DFS) and a significantly reduced circulating IL1RA serum levels. While reduced pretherapeutic IL1RN gene expression predicted poor prognosis among RCA patients, IL1RA serum levels were associated with rs4251961 (T/C) single nucleotide polymorphism (SNP) in the IL1RN gene. Finally, functional validation assays revealed that conditioned media of PDOs drove inflammatory polarization of fibroblasts and consequently rendered them sensitive to RNS-mediated DNA damage and TIS. Collectively, the study highlighted a crucial and novel role of a CAFs subset, iCAFs, in therapy resistance among RCA patients, shedding light on their functional relevance by identifying IL-1 signaling as an appealing target for their repolarization and successful targeting. Therefore, it makes sense to combine the newly demonstrated and thoroughly proven therapeutic approach of targeting IL-1 signaling in combination with conventional CRT and possibly immunotherapy. This might have a major impact on RCA therapy and be of immense relevance for other stroma-rich tumors.
• Das Tumor Mikroenvironment (TME) spielt eine Schlüsselrolle in der Tumorgenese und der Antwort auf Krebstherapien (Greten and Grivennikov, 2019). Therapie gegen rektalen Krebs (rectal cancer, RCA) ist ein Beispiel für eine erfolgreiche Anwendung einer multimodalen Krebsbehandlung (Rodel et al., 2016). Die neoadjuvante Chemoradiotherapie (CRT) vor der chirurgischen Resektion war ein Wendepunkt in der RCA-Therapie, die teilweise zu verbessertem Überleben führte (Sauer et al., 2012; van Gijn et al., 2011). Trotz übereinstimmender Tumorhistologie und –stadien variieren die Reaktionen der Patienten auf CRT deutlich (Fokas et al., 2020). Diese Variabilität wird durch die Klassifizierung von ypTNM (d.h. Tumorstadium nach neoadjuvanter Behandlung) bewertet, wobei die pCRReaktion (pCR, pathological complete response, d.h. vollständige Tumorregression und Fehlen verbleibender Lymphknotenmetastasen: ypT0N0M0) nach CRT signifikant mit einem besseren krankheitsfreien Überleben (DFS) und Gesamtüberleben (OS) korreliert im Vergleich zu Patienten ohne pCR (Nicht-pCR) (Fokas et al., 2018; Fokas et al., 2020; Fokas et al., 2017). Es fehlt jedoch eine geeignete Identifizierung der molekularen Grundlagen, die das individuelle Ansprechen auf die Therapie vorhersagt. Die kürzlich etablierte Klassifizierung der molekularen Subtypen (consensus molecular subtype, CMS) für Darmkrebs (CRC) basierend auf transkriptomischen Profilen ganzer Tumoren zeigte, dass die Tumorsubtypisierung eine Prognosevorhersage ermöglicht und dass eine mesenchymale Signatur (CMS4) im Vergleich zu den anderen Subtypen mit einem schlechteren Überleben korreliert. (Eide et al., 2017; Guinney et al., 2015), was die Bedeutung von krebsassoziierten Fibroblasten (CAFs) für das Überleben von CRC-Patienten unterstreicht. Aufgrund ihrer relativen Nähe zu Krebszellen sowie ihrer Reaktion auf die Aktivierung von IL-1R oder TGF-R polarisieren CAFs entweder in einen entzündlichen (iCAFs) oder einen myofibroblastenähnlichen Zustand (myCAFs) (Biffi et al., 2019; Ohlund et al., 2017) die durch unterschiedliche immunmodulierende Sekretome oder matrixproduzierende, kontraktile Phänotypen gekennzeichnet sind. Bisher ist nicht bekannt, ob und wie diese unterschiedlichen CAF-Phänotypen zur Krebstherapie beitragen.