Open Access

Isabell Brandenburger

• Metabolites such as lactate and free fatty acids (FFAs) abundantly occur in high concentrations in tumor and stromal cells of solid malignancies. Their known functions comprise the allocation of nutrients and intermediates for the generation of cell components, the evasion of immune destruction, the induction of vessel formation and the stimulation of cell migration in order to promote tumor growth, progression and metastasis. However, the role of metabolites as signaling molecules and the downstream mechanisms of metabolite receptor mediated signaling in tumor and stromal cells is poorly understood. Our study confirms the expression of Hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCA1) in solid human breast tumors and the expression of Free fatty acid receptor 4 (FFA4) in solid human colorectal tumors. In addition, the expression of HCA1 in human breast cancer cell lines as well as the expression of FFA4 in human colorectal cancer cell lines was proved. Moreover, our research reveals the expression HCA2, FFA2 and FFA4 in tumor associated macrophages (TAMs). To test whether the loss of any of the metabolite receptors affects tumor growth and progression we utilized a syngeneic Lewis lung cancer (LLC1) tumor model, an azoxymethane (AOM) – dextran sulfate (DSS) colorectal cancer model and a Mouse mammary tumor virus Polyoma Virus middle T antigen (MMTV-PyMT) breast cancer model. The loss of HCA2 did not lead to a changed outcome compared to wild type littermates in any of the models. Likewise, the deletion of FFA4 had no influence on the LLC1 model and, surprisingly, tumor number and area in the AOM-DSS model also remained unaltered. The impact of HCA1 deficiency was investigated utilizing the MMTV-PyMT model and revealed a moderately improved tumor growth. The absence of FFA2 did not affect tumor growth in the LLC1 model but led to an increased number of colorectal tumors in the AOM-DSS model while the tumor area remained unchanged. The most compelling results were obtained upon the deletion of FFA2 in the MMTV-PyMT model. Here, we demonstrate that the loss of FFA2 significantly reduces tumor latency and also significantly improves tumor growth. Nevertheless, the formation of metastases in the LLC1 model and the MMTV-PyMT model did not show any changes upon the loss of any of the metabolite receptors. Together, our results describe a tumor-protective effect of FFA2 with an unclear impact on metastatic processes. Considerations about putative mechanisms of short chain fatty acid (SCFA) mediated FFA2 signaling suggest potential targets for pharmacological interventions to treat mammary tumors.
• Tumorzellen sind seit langem dafür bekannt, dass sie hohe Konzentrationen von Stoffwechselprodukten, sogenannter Metaboliten, enthalten können. Diese Metaboliten beinhalten zum Beispiel Laktat und freie Fettsäuren (FFAs). Bisherige Forschungsergebnisse zeigen, dass die Metaboliten wichtige Funktionen zur Förderung des Tumorwachstums, der Tumorentwicklung und bei der Entstehung von Metastasen erfüllen. Unter anderem stellen sie Energielieferanten und Zwischenprodukte für die Bildung von Zellbestandteilen dar. Sie können die Hauptakteure der Immunantwort hemmen und die Bildung neuer Blutgefäße sowie die Zellmigration fördern. Die Funktionen der Metaboliten als Signalmoleküle und als Liganden für ihre jeweiligen Rezeptoren sowie auch die nachgelagerten Signalkaskaden sind kaum untersucht. In ihrer Funktion als Liganden können die Metaboliten G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) aktivieren. Diese Studie betrachtet insbesondere zwei Gruppen von GPCRs, die im Metabolismus von entscheidender Bedeutung sind: Hydroxycarboxyl- säurerezeptoren (HCARs) und Rezeptoren für freie Fettsäuren (FFARs). Die vorliegende Arbeit verfolgt die Hypothese, dass die autokrine oder parakrine Aktivierung metabolischer Rezeptoren durch die entsprechenden Metaboliten zu einer Modulation des Wachstums und der Entwicklung von Tumoren beitragen können. Unser Ziel war es, die Expression der metabolischen Rezeptoren in Tumor- und Tumorstromazellen zu analysieren und zu überprüfen, ob der Verlust eines der Rezeptoren Wachstum, Entwicklung und Metastasierung von Tumoren beeinflussen kann. Unsere Ergebnisse zeigen die Expression von HCA1 in der cDNA von humanen Brusttumorproben sowie die Expression von FFA4 in Kolonkarzinomproben. Des Weiteren stellten wir die Expression von HCA1 in humanen Brustkrebszelllinien und die Expression von FFA4 in humanen Kolonkarzinomzelllinien fest. In vivo konnten wir die Expression von HCA2, FFA2 und FFA4 in tumorassoziierten Makrophagen (TAMs) zeigen. Um den Einfluss des Verlustes eines der metabolischen Rezeptoren zu untersuchen, verwendeten wir ein syngenes Lewis lung cancer (LLC1) Tumormodell, ein Azoxymethan (AOM) – Dextransulfat (DSS) Kolonkarzinommodell und ein Mouse mammary tumor virus Polyoma Virus middle T antigen (MMTV-PyMT) Brusttumormodell. In HCA2-defizienten Tieren konnten wir in allen drei Modellen keine signifikante Veränderung gegenüber den Wildtypkontrollen beobachten. Gleichermäßen führte ein Knockout von FFA4 im LLC1-Modell und auch im AOM-DSS-Modell zu keiner signifikanten Veränderung. Zur Untersuchung der Auswirkungen eines Verlusts von HCA1 verwendeten wir das MMTV-PyMT-Modell und konnten ein leicht verbessertes Tumorwachstum feststellen. Das Fehlen von FFA2 hatte keinen Einfluss auf die Tumorentwicklung im LLC1-Modell, aber im AOM-DSS-Modell zeigte sich eine erhöhte Anzahl von Tumoren bei gleichbleibender Darmfläche, die von den Tumoren besiedelt war. Die eindrücklichsten Ergebnisse erzielten wir durch den Knockout von FFA2 im MMTV-PyMT- Modell. Wir wiesen nach, dass der Verlust von FFA2 zu einer signifikant kürzeren Tumorlatenz führt und das Tumorwachstum signifikant verbessert. Nichtsdestotrotz konnten wir keine Auswirkungen des Verlusts metabolischer Rezeptoren im LLC1- oder im MMTV-PyMT-Modell auf die Metastasierung in die Lunge beobachten. Zusammengefasst beschreiben wir einen tumorprotektiven Effekt von FFA2 mit unklarem Einfluss auf die Metastasierung. Betrachtungen zu möglichen Mechanismen, wie kurzkettige Fettsäuren eine FFA2-mediierte Signalkaskade auslösen könnten, zeigen potentielle Interventionspunkte für eine pharmakologische Therapie von Brusttumoren auf.