Role of mPGES-1-derived PGE2 in activation of breast cancer stromal fibroblasts

  • Cancer microenvironment is now recognized as a critical regulator of all stages of cancer development. Beside the tumor vasculature and tumor-infiltrating immune cells, other stromal cells such as cancer-associated fibroblasts (CAFs) regulate tumor growth. Fibroblasts are ubiquitous cells in connective tissue, where they shape the extracellular matrix (ECM). Fibroblasts are usually quiescent but get activated when tissue homeostasis is disturbed. Then, activated fibroblasts rebuild the ECM and communicate with local cells to participate in wound repair. These repair properties can go awry when being unchecked, which can lead to fibrosis and subsequently cancer development. CAFs can promote cancer development by fostering tumor cell growth, polarizing immune cells to an immunosuppressive phenotype, and crosslinking collagen to enable tumor cell invasion. Molecular mechanisms of CAF activation, thus, need to be understood to target these cells in tumors. Prostanoid prostaglandin E2 (PGE2) is viewed as a pro-tumor lipid mediator as suggested by studies pharmacologically or genetically targeting the enzymes producing PGE2, such as microsomal PGE synthase-1 (mPGES-1) in tumor models. Similar to CAFs, PGE2 drives tumor cell growth and tumor-associated immune suppression. Therefore, I hypothesized that PGE2 may play a role in CAF activation. This hypothesis was tested in two mouse models of breast cancer (orthotopic grafting model, and polyoma middle T oncogene transgenic model), besides using isolated mammary gland (MG) fibroblasts in vitro. As expected, given the pro-tumor function of PGE2, knocking out mPGES-1 reduced the growth of oncogene-driven and transplanted mammary tumors. Surprisingly, CAF density was markedly increased when mPGES-1 was depleted. Importantly, despite reduced primary tumor growth, I observed enhanced lung metastasis upon mPGES-1depletion. Using MG-derived fibroblasts in vitro furthermore revealed that treatment with PGE2 reduced a TGFβtriggered CAF-like activation state. Importantly, bioinformatics analysis of a human breast cancer patient dataset revealed a negative correlation of a PGE2 production signature with fibroblast marker genes. In a next step I investigated if the increased CAF infiltrate was connected to the reduced tumor growth upon depletion of PGE2. To unravel this, I first asked through which E prostanoid (EP) receptor PGE2 signals in fibroblasts. MG fibroblasts mainly expressed EP3, and EP3 KO fibroblasts showed a hyper-proliferative and activated phenotype, indicating EP3 as the main PGE2 receptor in MG fibroblasts. Co-injecting of EP3 KO MG fibroblasts and tumor cells in WT mice suppressed tumor growth, whereas co-injection of WT fibroblasts with tumor cell in mPGES-1 KO mice increased tumor growth. These data indicate that PGE2 restricts CAF levels through EP3, which supports tumor growth. Whole transcriptome mRNAsequencing of WT and mPGES-1 KO FACS-sorted CAFs combined with immunohistochemical data suggested a role of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) in the modulation of fibroblast activation by PGE2. In summary, I showed in two breast cancer models that mPGES-1 depletion delays breast cancer progression, which is probably driven by the EP3-PGE2 signaling axis in host stroma. PGE2 appears to be a potent anti-fibroblast activation agent in tumors via EP3 and downstream p38 MAPK signaling. This study therefore hits the dogmatic perception of the general pro-tumor nature of PGE2; showing that PGE2 might be a double-edged mediator that can promote tumor growth at the primary site by restricting CAF expansion, which may in turn hinder infiltration of tumor cells to a secondary site.
  • Die Tumormikroumgebung ist als ein kritischer Regulator aller Stadien der Tumor-‎entwicklung anerkannt. Neben dem Tumorendothelium und Tumor-infiltrierenden ‎Immunzellen sind auch andere Zellen des Tumorstromas wie Tumor-assoziierte ‎Fibroblasten (CAFs) an der Regulation des Tumorwachstums beteiligt. Fibroblasten sind ‎ubiquitäre Zellen des Bindegewebes, die gewöhnlich inaktivsind, Sie werden jedoch ‎durch Störungen der Gewebshomöostase aktiviert. In einem solchen Fall reparieren ‎aktivierte Fibroblasten die extrazelluläre Matrix (ECM) und kommunizieren mit lokalen ‎Zellen zum Zweck der Wundheilung. Diese Reparatureigenschaften können aus dem ‎Ruder laufen, wenn sie unreguliert verlaufen, was zur Organfibrose und nachfolgend ‎zur Tumorentwicklung führen kann, CAFs können die Tumorentwicklung durch ‎Induktion des Tumorwachstums, die Polarisierung von Immunzellen zu einem ‎immunsuppressiven Phänotyp, und durch die Vernetzung von Kollagen zur ‎Tumorzellinvasion fördern. Die CAF-Aktivierung muss folglich verstanden werden, um ‎diese Zellen als therapeutische Ziele zu nutzen. Das Prostanoid Prostaglandin E2 ‎‎(PGE2) wird als ein tumorfördernder Lipidmediator angesehen, was durch Studien ‎unterstützt wird, in denen PGE2-produzierende Enzyme wie die mikrosomale PGE ‎Synthase-1 (mPGES-1) genetisch oder pharmakologisch ausgeschaltet wurde. Ähnlich ‎wie CAFs fördert PGE2 das Tumorzellwachstum und die Tumor-Immunsuppression. ‎Daher stellte ich die Hypothese auf, dass PGE2 eine Rolle bei der CAF-Aktivierung ‎spielt. ‎ Die Hypothese testete ich in zwei Mammakarzinommodellen und unter Verwendung von ‎Fibroblasten aus den Brustdrüse (MGF) in vitro. Wie erwartet reduzierte ein Knockout ‎der mPGES-1 das Wachstum von Mammakarzinomen in beiden Tumormodellen, ‎erhöhte jedoch überraschenderweise die CAF-Dichte. Trotz des reduzierten ‎Wachstums des Primärtumors war jedoch die Metastasierung in die Lunge verstärkt. ‎Unter Verwendung von MGF in vitro konnte ich zeigen, dass PGE2 die TGF-β-induzierte ‎CAF-Aktivierung hemmte. Die bioinformatische Analyse humaner Mammakarzinom-‎Datensätze offenbarte darüber hinaus, dass eine Signatur der PGE2 Produktion negativ ‎mit Fibroblastenmarkern korrelierte. In einem nächsten Schritt untersuchte ich, ob das ‎vermehrte CAF Infiltrat ursächlich mit dem reduzierten Tumorwachstum verbunden war. ‎Zunächst stellt ich die Frage welchen E Prostanoid (EP) Rezeptor PGE2 in MGF ‎aktivierte. MGF exprimieren v.a. EP3 und EP3 KO MGF zeigten einen ‎hyperproliferativen, aktivierten Phänotyp, was auf EP3 als wichtigsten PGE2 Rezeptor in ‎MGF hindeutete. Ko-Injektion von EP3 KO MGF und Tumorzellen in WT Mäuse ‎hemmte das Tumorwachstum, wohingegen die Ko-Injektion von WT MGF mit ‎Tumorzellen in mPGES-1 KO Mäuse dieses erhöhte. Diese Daten legen nahe, dass ‎PGE2 die CAF-Anzahl durch EP3 einschränkt, was das Tumorwachstum fördert. ‎Transkriptomanalysen von FACS-isolierten WT und mPGES-1 KO CAFs kombiniert mit ‎immunhistochemischen Analysen zeigten eine Rolle der p38 mitogen-activated protein ‎kinase (MAPK) bei der Fibroblastenaktivierung durch PGE2 an.‎ Zusammenfassend zeigte ich in zwei Mammakarzinommodellen dass die mPGES-1 ‎Depletion die Tumorentwicklung durch die Beeinflussung von PGE2-EP3-Signalen im ‎Stroma hemmt. PGE2 stellt sich somit als potenter Hemmstoff der ‎Fibroblastenaktivierung in Tumoren via EP3/p38 MAPK-Signalen dar. Meine Daten ‎fordern somit die aktuelle Sichtweise auf PGE2 als ein tumorförderndes Agens heraus, ‎da PGE2 zwar das Wachstum des Primärtumors durch Hemmung der CAF-Expansion ‎förderte, jedoch die Metastasierung hemmt‎e.

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Metadaten
Author:Eiman Elwakeel
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-519763
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Andreas WeigertORCiDGND, Gerd Geißlinger
Advisor:Andreas Weigert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2022/04/29
Year of first Publication:2019
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2019/11/15
Release Date:2022/04/29
Page Number:109
Last Page:109
HeBIS-PPN:495035513
Institutes:Medizin
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoArchivex. zur Lesesaalplatznutzung § 52b UrhG