Open Access

Despite constant progress in basic and translational research, cancer is still one of the leading cause of death. In particular, tumors of the central nervous system (CNS) are usually associated with dismal prognosis. Although about 100 distinct subtypes of primary CNS tumors have been classified molecularly, metastases derived from primaries outside the CNS (= brain metastases, BrM) are more frequently observed across brain tumor patients. It is estimated that approximately 20 - 40 % of all cancer patients will develop BrM during their course of disease, and basically every tumor type is able to metastasize to the brain. Nevertheless, BrM are most frequently derived from primaries of the lung, breast, and skin (melanoma). Treatment options for patients with BrM are very limited, and standard of care therapies include surgery, ionizing radiation (e.g. whole brain radio-therapy, WBRT), and some systemic and immuno-therapeutic approaches. The brain represents a unique organ, which in part is due to the presence of the blood-brain barrier, a unit of the neuro-vascular interface ensuring tightly regulated exchange of nutrients, molecules, and cells. Furthermore, apart from microglia the brain parenchyma does not harbor other immune cells. Those cells however can be found at the borders of the CNS residing in the meninges, for instance. Based on recent insight on the immune landscape in the CNS, a paradigm shift occurred after which the brain is no longer regarded as immune-privileged but rather immune distinct. The phenomenon of immune cell infiltration has been described before in the context of neurological disorders including Multiple Sclerosis, as well as in brain tumors. Since the development of immune-therapeutic approaches for tumors outside the CNS that aim to evoke sustainable anti-tumor effects, it became increasingly interesting to understand and harness the immune landscape (= tumor microenvironment, TME) of brain tumors, as well. Interestingly, most of the knowledge about the TME is based on studies of primary brain tumors. However, it is known that BrM compared to primary brain tumors induce a different TME like e.g. the recruitment of much more lymphocytes, which is one of the reasons primary brain tumors are considered immunologically “cold” and poorly respond to immuno-therapies. Previous insight into the functional contribution of tumor-associated cells in BrM progression revealed for example that brain-resident cell types (e.g. astrocytes or microglia) promote BrM development and outgrowth. However, until recently a comprehensive view on the cellular composition and functional role of the brain metastases-associated TME was missing and little was known how it changes during tumor progression or standard therapy. Hence, within this thesis it was sought to describe novel aspects of the TME of preclinical BrM models, which include two xenograft and one syngeneic mouse model. BrM was induced via intra-cardiac injection of tumor cells with a high brain tropism. Both xenograft models were based on immuno-compromised nude mice (Balb/c nude) and included the melanoma-to-brain (M2B) model H1_DL2, and the lung-to-brain (L2B) model H2030. In addition the breast-to-brain model 99LN-BrM was used in wild-type mice (BL6), and therefore represented an immuno-competent, syngeneic model. First BrMs could be detected in the xenograft models at 3 weeks after injection, whereas first 99LN BrMs were detected at 5 weeks. BrM development and progression were monitored by bioluminescence imaging once per week in the xenograft models. Tumor progression in the 99LN model was examined by magnetic resonance imaging. Based on the measurement methods, and for further histologic and cytometric experiments, mice were stratified into groups with small or large BrMs, respectively. Some initial immuno-stainings confirmed previous findings, showing that brain-resident cells like astrocytes and microglia become activated in the presence of tumor cells, whereas neurons for example rather give the impression of passive bystanders. Importantly, an accumulation of IBA1+ cells was observed during BrM progression. IBA1 is a pan-macrophage marker that stains all tumor-associated macrophages (TAMs). However previous work suggested that the TAM population consists of at least two main subpopulations in BrM as well: the resident-infiltrating microglia (MG, TAM-MG), as well as the peripheral and monocytic-derived macrophages (TAM-MDM). Since both cell types within the tumor share morphological traits, and due to the lack of markers to distinguish them, an exact discrimination of both cell types was complicated in the past. Recently, an integrative lineage-tracing-based study identified the integrin CD49d as MDM-specific in the context of brain tumor-associated myeloid cells, hence enabling a reliable dissection of both TAM populations in e.g. flow cytometric experiments. One of the main aims of this thesis was to dissect the myeloid TME in the three different BrM models during tumor progression. Using a 5-marker flow cytometry (FCM) (CD45/CD11b/Ly6C/Ly6G/CD49d) approach, the following cell populations were examined in more detail: granulocytes, inflammatory monocytes, MDM, and MG. ...

Hirnmetastasen stellen eine schwerwiegende Komplikation der häufigsten Tumorerkrankungen wie der Lungenkarzinome, der Mammakarzinome und der Kolonkarzinome dar. Die mediane Überlebenszeit nach Metastasierung in das zentrale Nervensystem beträgt trotz leitliniengerechter Therapie meist nur wenige Monate. Neue zielgerichtete Therapien zeigten bereits erfolgreich eine Wirkung in Hirnmetastasen unterschiedlicher Entitäten. Auch aus diesem Grund sind zielgerichtete Therapien, die ihre Wirkung über das Tumormikromilieu erreichen wie beispielsweise Immuncheckpoint-Inhibitoren, immer interessanter für die klinische Anwendung. Damit rückt auch das Tumormikromilieu bzw. das zellarme, bindegewebige Tumorstroma immer weiter in den Vordergrund der aktuellen onkologischen Forschung. Auch Hirnmetastasen können ein eigenes bindegewebiges Tumorstroma innerhalb des Tumormikromilieus bilden, das sich histologisch stark von der physiologischen zerebralen Mikroumgebung unterscheidet, welche sich typischerweise aus Gliazellen, Neuronen, neurovaskulären Einheiten und Mikroglia zusammensetzt. Ortständige, Stromagenerierende Fibroblasten, wie sie z.B. im Lungen- und Brustgewebe vorkommen, können daher nicht die Ursprungszellen des Tumorstromas in Hirnmetastasen sein. Es ist bislang nicht eindeutig geklärt, welche Zelltypen an der Formation des Tumorstromas beteiligt sind. Weiterhin ist bislang nicht dezidiert geklärt wie sich das Tumormikromilieu auf Zellebene in Hirnmetastasen zusammensetzt und ob bestimmte Zusammensetzungen einen Einfluss auf das Überleben von Patienten haben. In dieser Arbeit wurde aus diesem Grund mit Hilfe von immunhistochemischen Färbungen das Tumormikromilieu in einer großen Kohorte von insgesamt 244 Hirnmetastasen-Patienten genauer charakterisiert. Fokus lag darin herauszufinden, welche Zellen an der Produktion des Tumorstromas beteiligt sind. Im Anschluss wurde mit Hilfe der klinischen Daten geprüft, ob bestimmte Zusammensetzungen oder Eigenschaften des Tumormikromilieus Einfluss auf das Überleben der Patienten haben. Weiterhin wurde mithilfe der durch Immunhistochemie erhobenen Daten untersucht, ob sich das Tumormikromilieu von Patienten, bei denen die Hirnmetastase zur Erstmanifestation der Tumorerkrankung geführt hatte, im Vergleich zu Patienten mit Hirnmetastasen unterscheidet, bei denen bereits die Tumorerkrankung bekannt war. In den vorliegenden Daten ergab sich eine starke Assoziation zwischen der Expression von mesenchymalen Markern FAP, PDGFRb und Kollagen I, einem Hauptbestandteil von Stroma. Es zeigte sich wiederum keine eindeutige Assoziation zwischen Kollagen I und GFAP, dem Intermediärfilament der Gliazellen. Insgesamt konnte eine große Heterogenität in der Zusammensetzung des Tumormikromilieus zwischen den unterschiedlichen Entitäten festgestellt werden. So zeigten insbesondere die Hirnmetastasen von Nierenzellkarzinomen eine erhöhte Gefäßdichte. Zusätzlich zeigte sich in Nierenzellkarzinomen als auch Lungenkarzinomen eine erhöhte mediane Immunzellinfiltration von CD8-positiven Zellen im Vergleich zu anderen Entitäten. Das Tumormikromilieu hatte zumeist keinen Einfluss auf das Überleben der Hirnmetastasen-Patienten. Lediglich die Expression von vaskulärem PDGFRb hatte in NSCLC-Patienten einen negativen Einfluss auf das Überleben. Außerdem zeigten Kolonkarzinom-Patienten mit erhöhter FAP-Expression ein verbessertes Überleben nach Hirnmetastasen-OP. Patienten mit Hirnmetastase als Erstmanifestation der Tumorerkrankung zeigten zur Vergleichsgruppe mit Patienten, die eine Hirnmetastase unter bekannter Tumorerkrankung entwickelten, eine signifikant erhöhte PD-L1-Expression als auch Infiltration von zytotoxischen T-Zellen. Für weitere klinische oder biologische Parameter wie Geschlecht, Proliferationsrate oder Mutationsstatus fanden sich keine eindeutigen statistischen Unterschiede zwischen diesen beiden Patientengruppen. Die vorliegenden Daten bekräftigten die Idee, dass das Tumorstroma von Hirnmetastasen durch mesenchymale Zellen produziert wird. So könnte eine zielgerichtete Therapie von Stroma-produzierenden Zellen ein interessanter Angriffspunkt zur Prävention einer soliden Hirnmetastasen sein. Patienten mit Hirnmetastase als Erstmanifestation der Tumorerkrankungen sollten in Zukunft vermehrt innerhalb klinischer Studien beachtet werden, da diese aufgrund des veränderten Tumormikromilieus mit erhöhter Infiltration von zytotoxischen T-Zellen als auch PD-L1-Expression von Immuntherapien stärker profitieren könnten.