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Strategies to interfere with tumor metabolism through the interplay of innate and adaptive immunity
(2019)
The inflammatory tumor microenvironment is an important regulator of carcinogenesis. Tumor-infiltrating immune cells promote each step of tumor development, exerting crucial functions from initiation, early neovascularization, to metastasis. During tumor outgrowth, tumor-associated immune cells, including myeloid cells and lymphocytes, acquire a tumor-supportive, anti-inflammatory phenotype due to their interaction with tumor cells. Microenvironmental cues such as inflammation and hypoxia are mainly responsible for creating a tumor-supportive niche. Moreover, it is becoming apparent that the availability of iron within the tumor not only affects tumor growth and survival, but also the polarization of infiltrating immune cells. The interaction of tumor cells and infiltrating immune cells is multifaceted and complex, finally leading to different activation phenotypes of infiltrating immune cells regarding their functional heterogeneity and plasticity. In recent years, it was discovered that these phenotypes are mainly implicated in defining tumor outcome. Here, we discuss the role of the metabolic activation of both tumor cells and infiltrating immune cells in order to adapt their metabolism during tumor growth. Additionally, we address the role of iron availability and the hypoxic conditioning of the tumor with regard to tumor growth and we describe the relevance of therapeutic strategies to target such metabolic characteristics.
Glioblastomas (GBs) frequently display activation of the epidermal growth factor receptor (EGFR) and mammalian target of rapamycin (mTOR). mTOR exists as part of two multiprotein complexes, mTOR complex 1 (mTORC1) and 2 (mTORC2). In GBs, mTORC1 inhibitors such as rapamycin have performed poorly in clinical trials, and in vitro protect GB cells from nutrient and oxygen deprivation. Next generation ATP-competitive mTOR inhibitors with affinity for both mTOR complexes have been developed, but data exploring their effects on GB metabolism are scarce. In this study, we compared the ATP-competitive mTORC1/2 inhibitors torin2, INK-128 and NVP-Bez235 to the allosteric mTORC1 inhibitor rapamycin under conditions that mimic the glioma microenvironment. In addition to inhibiting mTORC2 signaling, INK-128 and NVP-Bez235 more effectively blocked mTORC1 signaling and prompted a stronger cell growth inhibition, partly by inducing cell cycle arrest. However, under hypoxic and nutrient-poor conditions mTORC1/2 inhibitors displayed even stronger cytoprotective effects than rapamycin by reducing oxygen and glucose consumption. Thus, therapies that arrest proliferation and inhibit anabolic metabolism must be expected to improve energy homeostasis of tumor cells. These results mandate caution when treating physiologically or therapeutically induced hypoxic GBs with mTOR inhibitors.
In vielen Tumorzellen kommt es zu einer Überexpression des Hypoxie-induzierbaren Faktor 1alpha (HIF-1alpha), was zu einer verbesserten Anpassung des Tumors an die intratumorale Hypoxie sowie zu einer Resistenz gegen Strahlen- und Chemotherapie führt. Je nach Tumor kann HIF-1alpha auf verschiedenen Wegen induziert werden. Eine Möglichkeit ist die Hemmung des Abbaus von HIF-1alpha über das 26S-Proteasom, wie z.B. beim van Hippel-Lindau (VHL)-Syndrom aufgrund einer Mutation im VHL Gen. Patienten mit VHL-Syndrom entwickeln häufig renal clearcell carcinomas (RCCs). In diesen Karzinomen kann HIF-1alpha nicht über den klassischen Weg über das 26S-Proteasom abgebaut werden. Um das Verständnis für alternative Regulationsmechanismen von HIF-1alpha zu erweitern, wurde mit RCC4-Zellen gearbeitet. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass in RCC4-Zellen das HIF-1alpha-Protein unter Hypoxie, in Kombination mit NO, durch die Ca2+-abhängige Protease Calpain abgebaut wird. Unter Hypoxie kam es zu einem Anstieg der Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in den Mitochondrien, die mit NO zu Peroxynitrit und weiteren reaktiven Stickstoffintermediaten (RNI) reagierten. Die kombinierte Stimulation der Zellen mit NO und O2- unter Normoxie löste ebenfalls einen Anstieg des intrazellulären Ca2+-Gehaltes und der Calpain-Aktivität aus, was gleichzeitig zu einem reduzierten HIF-1alpha-Proteingehalt führte. Der Calpain-vermittelte HIF-1alpha-Abbau konnte auch in Zellen mit funktionellem VHL-Protein (pVHL) durch NO und O2- ausgelöst werden, wenn der proteasomale Abbau gehemmt war. Diese Ergebnisse beschreiben einen neuen Regulationsmechanismus für das HIF-1alpha-Protein, der unabhängig vom Sauerstoffgehalt und vom 26S-proteasomalen Abbau durch NO/O2- und Calpain erfolgt. Bisher war noch nicht bekannt, dass HIF-1alpha anders als über das 26S Proteasom abgebaut werden kann. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Calpain-vermittelte Abbau neben dem proteasomalen Abbau zur Regulierung von HIF 1 beiträgt. In Tumorgeweben stellt nicht nur HIF-1, welches in den Tumorzellen aktiviert ist, einen Selektionsvorteil für die Zellen des Tumorgewebes dar. Ebenso tragen die Zellen des Tumorstromas, darunter die Makrophagen, die in den Tumor einwandern, zur Progression des Tumors durch die Anpassung an die hypoxischen Umgebung bei. Daher wurde im zweiten Teil dieser Arbeit die Regulation von HIF-1alpha in den durch konditioniertes Medium von apoptotischen Zellen (KMAZ) aktivierten Makrophagen und der Bedeutung der daraus resultierenden HIF-1-Aktivierung untersucht. Makrophagen, die durch apoptotische Zellen (AZ) aktiviert werden, stellen einen anti-inflammatorischen, pro-angiogenetischen Phänotyp dar, der vergleichbar mit dem der Tumor-assozierten Makrophagen (TAMs) ist. TAMs infiltrieren in das Tumorgewebe und sind essentiell am Übergang von einem avaskulären zu einem invasiven, vaskularisierten und malignen Tumor beteiligt. Unsere Arbeitsgruppe konnte in Vorarbeiten zeigen, dass Makrophagen zunächst Tumorzellen abtöten, wodurch die apoptotischen Tumorzellen Mediatoren (u.a. Sphingosin-1-Phosphat (S1P)) freisetzen, die eine Polarisierung zu einem alternativen, TAM-ähnlichen-Phänotyp der Makrophagen bewirken. Die Inkubation der Makrophagen mit KMAZ führte zu einer Induktion der HIF-1alpha-mRNA und des -Proteins unter Normoxie, was unabhängig von der Proteinstabilität auf eine gesteigerte Proteinsynthese zurückgeführt werden konnte. Weiterhin führte die Induktion von HIF-1alpha zu einer gesteigerten HIF-1-Aktivität. Die Differenzierung von Stammzellen zu CD31+-Endothelzellen wurde durch die Überstände von den durch KMAZ polarisierten Makrophagen HIF-1-abhängig hervorgerufen und ist ein Indiz für die Ausbildung des HIF 1-vermittelten pro-angiogenetischen Phänotyps der Makrophagen. Als Mediatoren, die von den AZ freigesetzt wurden und an der HIF-1alpha-mRNA-Induktion beteiligt sind, konnten S1P und transforming growth factor-beta (TGF-beta) identifiziert werden. Des Weiteren kommt es zu einer Aktivierung des nuclear factor of activated T-cells (NFAT), der an den HIF-1alpha-Promotor bindet und die Transkription induziert. Aufgrund der verstärkten Synthese kommt es zur Akkumulation von HIF-1alpha und zur Aktivierung von HIF-1. Bisher ist die Aktivierung von HIF-1 in TAMs durch die Lokalisation in hypoxischen Arealen erklärt und nicht weiter untersucht worden. Die Erkenntnisse über die Regulierung von HIF-1 durch AZ beschreiben einen neuen Mechanismus, der zur HIF-1-Aktivierung auch unter Normoxie führt. Dabei vermitteln AZ statt der beschriebenen hypoxischen Stabilisierung des HIF-1α-Proteins eine Induktion der HIF-1alpha-mRNA. Weiterhin zeigen die Ergebnisse eine Möglichkeit auf, wie TAMs bereits unter Normoxie zur Angiogenese Induktion in Tumoren beitragen können und erweitern damit das Verständnis, wie die Tumor-unterstützende Wirkung der TAMs vermittelt wird.
We assessed the prognostic value of hypoxia (carbonic anhydrase 9; CA9), vessel density (CD31), with macrophages (CD68) and B cells (CD20) that can interact and lead to immune suppression and disease progression using scanning and histological mapping of whole-mount FFPE pancreatectomy tissue sections from 141 primarily resectable pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) samples treated with surgery and adjuvant chemotherapy. Their expression was correlated with clinicopathological characteristics, and overall survival (OS), progression-free survival (PFS), local progression-free survival (LPFS) and distant metastases free-survival (DMFS), also in the context of stroma density (haematoxylin-eosin) and activity (alpha-smooth muscle actin). The median OS was 21 months after a mean follow-up of 20 months (range, 2–69 months). The median tumor surface area positive for CA9 and CD31 was 7.8% and 8.1%, respectively. Although total expression of these markers lacked prognostic value in the entire cohort, nevertheless, high tumor compartment CD68 expression correlated with worse PFS (p = 0.033) and DMFS (p = 0.047). Also, high CD31 expression predicted for worse OS (p = 0.004), PFS (p = 0.008), LPFS (p = 0.014) and DMFS (p = 0.004) in patients with moderate density stroma. High stromal and peripheral compartment CD68 expression predicted for significantly worse outcome in patients with loose and moderate stroma density, respectively. Altogether, in contrast to the current notion, hypoxia levels in PDAC appear to be comparable to other malignancies. CD31 and CD68 constitute prognostic markers in patient subgroups that vary according to tumor compartment and stromal density. Our study provides important insight on the pathophysiology of PDAC and should be exploited for future treatments.
Background: Hypoxia is a key driver for infiltrative growth in experimental gliomas. It has remained elusive whether tumor hypoxia in glioblastoma patients contributes to distant or diffuse recurrences. We therefore investigated the influence of perioperative cerebral ischemia on patterns of progression in glioblastoma patients.
Methods: We retrospectively screened MRI scans of 245 patients with newly diagnosed glioblastoma undergoing resection for perioperative ischemia near the resection cavity. 46 showed relevant ischemia nearby the resection cavity. A control cohort without perioperative ischemia was generated by a 1:1 matching using an algorithm based on gender, age and adjuvant treatment. Both cohorts were analyzed for patterns of progression by a blinded neuroradiologist.
Results: The percentage of diffuse or distant recurrences at first relapse was significantly higher in the cohort with perioperative ischemia (61.1%) compared to the control cohort (19.4%). The results of the control cohort matched well with historical data. The change in patterns of progression was not associated with a difference in survival.
Conclusions: This study reveals an unrecognized association of perioperative cerebral ischemia with distant or diffuse recurrence in glioblastoma. It is the first clinical study supporting the concept that hypoxia is a key driver of infiltrative tumor growth in glioblastoma patients.
Aim of the study: Hepatocyte transplantation has been discussed as an alternative to liver transplantation in selected cases of acute and chronic liver failure and metabolic diseases. Immediately after infusion of hepatocytes, hypoxia-related cell injury is inevitable. N-acetylcysteine (NAC) has been suggested to attenuate hypoxic damage. This study’s objective was to evaluate NAC’s protective effect in a model of hypoxia-related hepatocyte injury.
Material and methods: HepG2 cells were used as a model for hepatocytes and were cultured under standardized hypoxia or normoxia for 24 hours with or without NAC. Growth kinetics were monitored using trypan blue staining. The activation of apoptotic pathways was measured using quantitative real-time PCR for Bcl-2/Bax and p53. The proportions of vital, apoptotic and necrotic cells were verified by fluorescence activated cell sorting using annexin V-labelling. The expression of hypoxia inducible factor 1 (HIF-1) was measured indirectly using its downstream target vascular endothelial growth factor A (VEGF-A).
Results: After NAC, cell proliferation increased under both hypoxia and normoxia by 528% and 320% (p < 0.05), while VEGF-A expression decreased under normoxia by 67% and 37% (p < 0.05). Compared to cells treated without NAC under hypoxia, the Bcl-2/Bax ratio increased significantly in cells treated with NAC. This finding was confirmed by an increased number of vital cells in FACS analysis.
Conclusions: NAC protects hepatocytes from hypoxic injury and ultimately activates anti-apoptotic pathways.
Das Hormon Erythropoetin (EPO) ist ein hitzestabiles Glykoprotein, welches als wesentlicher Wachstumsfaktor an der Erythropoese beteiligt ist. EPO wird sauerstoffabhängig in Leber und Niere synthetisiert. Da EPO in Zellen nicht gespeichert wird, ist seine Sekretionsrate durch die Syntheserate bestimmt. Unter Hypoxie wird über einen hypoxieinduzierbaren Faktor (HIF-1) die Transkription des EPO-Gens angeregt. Mycophenolat Mofetil (MMF) wird erfolgreich bei transplantierten Patienten als Immunsuppressivum eingesetzt. MMF ist ein nichtkompetitiver, reversibler Hemmer der Inosinmonophosphatdehydrogenase (IMPDH), die essentiell für die de novo Purinsynthese in Lymphozyten ist. MMF soll selektiv antiproliferativ auf Lymphozyten wirken, ohne einen unspezifischen knochenmarkdepressiven Effekt zu haben. Trotzdem wurden bei bis zu 15% der nierentransplantierten und nahezu der Hälfte aller herztransplantierten Patienten unter immunsuppressiver Therapie mit MMF Anämien beschrieben. Die Genese dieser Anämien ist noch unklar und könnte durch eine reduzierte EPO-Produktion unter MMF bedingt sein. In dieser Untersuchung wird deshalb der Effekt von MMF auf die EPO-Freisetzung aus HepG2-Zellen in vitro analysiert. HepG2 und Hep3B Zellen sind ein etabliertes Zellkulturmodell zur Untersuchung der Regulierung hypoxieabhängiger EPO-Sekretion. MMF vermindert zeit- und konzentrationsabhängig die mittels ELISA gemessene EPO-Konzentration im Zellüberstand von HepG2-Zellen – im Mittel etwa auf die Hälfte des Ausgangswertes (p < 0, 001). Dieser Effekt ist signifikant ab einer Konzentration von 0,1 µM MMF und maximal bei 5 µM MMF. Eine signifikante Inhibition der EPO-Sekretion war erst nach 48stündiger Inkubation mit MMF nachweisbar. Unspezifische Effekte auf Proliferation und Proteinsynthese sowie zytotoxische Effekte wurden mittels verschiedener unabhängiger Methoden weitgehend ausgeschlossen. Der Effekt von MMF auf die EPO-Sekretion konnte durch Zugabe von Guanosin aufgehoben werden, was für eine kausale Rolle der IMPDH in diesem Zusammenhang spricht. Analog zu der sezernierten EPO-Menge verminderte sich auch die Menge der gebildeten EPO-mRNA unter MMF. Zudem ist die Aktivität von HIF-1 unter MMF gemindert. Im Gegensatz zu MMF zeigen andere Immunsuppressiva wie der Purinsynthesehemmer Azathioprin und die Calcineurininhibitoren Cyclosporin A und Tacrolimus keinen spezifischen Effekt auf die EPO-Freisetzung von HepG2-Zellen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, daß die Minderung der EPO-Sekretion im Zellkulturmodell ein Erklärungsansatz für die beobachteten Anämien unter MMF sein könnte. Eine Therapie der Anämie mittels EPO-Substitution erscheint daher sinnvoll.
Quantitative MRI allows to probe tissue properties by measuring relaxation times and may thus detect subtle changes in tissue composition. In this work we analyzed different relaxation times (T1, T2, T2* and T2′) and histological features in 321 samples that were acquired from 25 patients with newly diagnosed IDH wild-type glioma. Quantitative relaxation times before intravenous application of gadolinium-based contrast agent (GBCA), T1 relaxation time after GBCA as well as the relative difference between T1 relaxation times pre-to-post GBCA (T1rel) were compared with histopathologic features such as the presence of tumor cells, cell and vessel density, endogenous markers for hypoxia and cell proliferation. Image-guided stereotactic biopsy allowed for the attribution of each tissue specimen to its corresponding position in the respective relaxation time map. Compared to normal tissue, T1 and T2 relaxation times and T1rel were prolonged in samples containing tumor cells. The presence of vascular proliferates was associated with higher T1rel values. Immunopositivity for lactate dehydrogenase A (LDHA) involved slightly longer T1 relaxation times. However, low T2′ values, suggesting high amounts of deoxyhemoglobin, were found in samples with elevated vessel densities, but not in samples with increased immunopositivity for LDHA. Taken together, some of our observations were consistent with previous findings but the correlation of quantitative MRI and histologic parameters did not confirm all our pathophysiology-based assumptions.
In solid tumors, tumor‐associated macrophages (TAMs) commonly accumulate within hypoxic areas. Adaptations to such environments evoke transcriptional changes by the hypoxia‐inducible factors (HIFs). While HIF‐1α is ubiquitously expressed, HIF‐2α appears tissue‐specific with consequences of HIF‐2α expression in TAMs only being poorly characterized. An E0771 allograft breast tumor model revealed faster tumor growth in myeloid HIF‐2α knockout (HIF‐2αLysM−/−) compared with wildtype (wt) mice. In an RNA‐sequencing approach of FACS sorted wt and HIF‐2α LysM−/− TAMs, serine protease inhibitor, Kunitz type‐1 ( Spint1) emerged as a promising candidate for HIF‐2α‐dependent regulation. We validated reduced Spint1 messenger RNA expression and concomitant Spint1 protein secretion under hypoxia in HIF‐2α‐deficient bone marrow–derived macrophages (BMDMs) compared with wt BMDMs. In line with the physiological function of Spint1 as an inhibitor of hepatocyte growth factor (HGF) activation, supernatants of hypoxic HIF‐2α knockout BMDMs, not containing Spint1, were able to release proliferative properties of inactive pro‐HGF on breast tumor cells. In contrast, hypoxic wt BMDM supernatants containing abundant Spint1 amounts failed to do so. We propose that Spint1 contributes to the tumor‐suppressive function of HIF‐2α in TAMs in breast tumor development.
The TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator (TIGAR) has been shown to decrease glycolysis, to activate the pentose phosphate pathway, and to provide protection against oxidative damage. Hypoxic regions are considered characteristic of glioblastoma and linked with resistance to current treatment strategies. Here, we established that LNT-229 glioma cell lines stably expressed shRNA constructs targeting TIGAR, and exposed them to hypoxia, irradiation and temozolomide. The disruption of TIGAR enhanced levels of reactive oxygen species and cell death under hypoxic conditions, as well as the effectiveness of irradiation and temozolomide. In addition, TIGAR was upregulated by HIF-1α. As a component of a complex network, TIGAR contributes to the metabolic adjustments that arise from either spontaneous or therapy-induced changes in tumor microenvironment.