Dialogo diretto del cancro / Cancer Crosstalk

 Dialogo diretto del cancro /  Cancer Crosstalk

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa /  Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Illustrazione 3D di una coppia di cellule tumorali. /   3D illustration of a pair of cancer cells.

Per diffondersi, le cellule del cancro ovarico cooperano.

Ogni dato tumore è composto da una moltitudine di tipi di cellule che possono apparire o comportarsi in modo diverso dai suoi vicini. Un corpo di ricerca emergente suggerisce che queste differenze possono influenzare la progressione della malattia o il modo in cui un tumore risponde ai farmaci.

Ora, un nuovo studio degli scienziati della Harvard Medical School mostra che tale diversità cellulare può anche svolgere un ruolo fondamentale nella capacità di un cancro di invadere siti distanti in tutto il corpo, un processo noto come metastasi.

La ricerca, condotta sui topi e pubblicata su Nature Communications , identifica un'interazione transitoria e cooperativa tra le cellule del cancro ovarico che consente alle cellule tumorali altrimenti non metastatiche di metastatizzare.

Il gruppo ha isolato sottopopolazioni di cellule da tumori ovarici umani e ha scoperto che nessuna aveva la capacità di formare tumori metastatici da sola. Ma quando alcune sottopopolazioni si sono mescolate, un'interazione biochimica cooperativa tra le cellule ha agito come un interruttore che ha innescato la metastasi.

I risultati fanno luce su un nuovo meccanismo che guida la diffusione del tumore ed apre nuovi percorsi di studio per prevenire o progettare trattamenti mirati contro una delle caratteristiche più letali del cancro.

"Il dialogo diretto tra cellule altrimenti innocue all'interno di un tumore può svolgere un ruolo chiave nel determinare la capacità metastatica di un cancro", ha detto l'autore senior dello studio Joan Brugge , professore di biologia cellulare Louise Foote Pfeiffer presso il Blavatnik Institute dell'HMS.

"Questo meccanismo deve essere considerato nel tentativo di identificare bersagli terapeutici rilevanti per la sfida estremamente difficile del blocco delle metastasi", ha detto Brugge, che è anche co-direttore del Ludwig Center di Harvard.

Mentre gli scienziati lavorano per comprendere meglio il ruolo della diversità cellulare all'interno dei tumori, le prove hanno suggerito che le cellule possono cooperare per aumentare i tassi di crescita e diffusione. I dettagli di come ciò avvenga, tuttavia, erano rimasti poco chiari.

Per indagare, Brugge e colleghi, guidati dal primo autore Suha Naffar-Abu Amara , ricercatore HMS in biologia cellulare, hanno studiato le caratteristiche dei singoli e delle miscele di sottopopolazioni di cellule tumorali prelevate dallo stesso tumore.

Si sono concentrati su una linea cellulare derivata dal cancro ovarico umano, che era noto per formare tumori metastatici quando trapiantato nei topi. Il gruppo ha isolato numerose singole cellule ed ha espanso ciascuna cellula in una popolazione di cloni identici. Sulla base delle differenze nella forma e nella crescita delle cellule, hanno selezionato 11 di queste popolazioni per lo studio.

Lavoro di gruppo transitorio

Quando il gruppo ha iniettato una miscela di tutte le 11 popolazioni clonali nell'addome dei topi, ha osservato una crescita robusta e la formazione di tumori solidi metastatici su diversi organi come previsto.

Tuttavia, quando ogni popolazione è stata iniettata individualmente, solo un clone, chiamato CL31, ha mostrato una crescita significativa. Il resto era stagnante, diminuito di numero o si estinse del tutto.

Sorprendentemente, nessuno dei cloni, incluso CL31, era in grado di formare da solo tumori metastatici solidi.

"Tutti i cloni tranne uno sono appena morti se iniettati individualmente, e l'unico modo per ottenere metastasi era mescolare le popolazioni insieme", ha detto Brugge. "Non avevamo idea che avremmo osservato quello che abbiamo fatto, e questo è stato il fenomeno che ci ha spinto per anni a capire meglio".

Per identificare il modo in cui le cellule tumorali miste hanno portato alla diffusione del tumore mentre le singole sottopopolazioni no, il gruppo ha etichettato ogni clone con un codice a barre del DNA univoco e ha esaminato la composizione dei tumori metastatici.

Inizialmente, tutti gli 11 cloni erano presenti all'incirca nello stesso numero dopo il trapianto nel topo. Ma dopo poche settimane, più dell'80% delle cellule erano cloni CL31. Entro la settimana 10 si erano formati tumori metastatici composti quasi interamente da CL31. Questa scoperta, unita ad ulteriori esperimenti, ha fornito una forte evidenza che le interazioni tra le popolazioni clonali stavano in qualche modo permettendo alle cellule CL31 di diventare metastatiche.

Le analisi genetiche hanno rivelato che le cellule CL31 possedevano esclusivamente livelli amplificati del gene ERBB2, che codifica per un fattore di crescita chiamato HER2 che è stato implicato in alcuni tipi di cancro al seno. In particolare, quando il tumore originale è stato analizzato geneticamente in massa, i ricercatori hanno visto piccole popolazioni di cellule con ERBB2 amplificato , confermando che l'approccio della clonazione di una singola cellula ha identificato con successo cellule rare dal tumore originale.

Alla ricerca di fattori che attivano ERBB2 nelle cellule CL31, i ricercatori si sono concentrati su una proteina di segnalazione chiamata amfiregulina, che si trova in quantità elevate nei tumori ovarici avanzati ed è stata associata a prognosi sfavorevole.

Il gruppo ha identificato una specifica popolazione clonale che esprime alti livelli di amfiregulina. Quando iniettata insieme a CL31, la miscela di queste due sottopopolazioni cellulari era sufficiente a causare metastasi. Questa interazione cooperativa che coinvolge l'amfiregulina ha aiutato la CL31 a invadere e colonizzare altri organi. Ma questo lavoro di gruppo è stato solo temporaneo, poiché CL31 ha presto superato il suo partner. Dopo alcune settimane, solo le cellule CL31 sono rimaste nei tumori.

Ulteriori esperimenti hanno rivelato che l'esposizione all'amfiregulina solo per un breve periodo di tempo dopo l'iniezione di CL31 è sufficiente per agire come un interruttore che consente a CL31 di formare tumori metastatici.

"Identificare il meccanismo molecolare alla base della cooperazione clonale è stata una sfida", ha detto Naffar-Abu Amara. “Molte ipotesi di lavoro sono sorte e sono morte, ma alla fine i pezzi del puzzle hanno iniziato a sistemarsi. Guardare alla fine l'allineamento degli elementi costitutivi è stata una fase molto eccitante e soddisfacente della nostra ricerca ".

Lunga strada

L'identificazione di questo meccanismo precedentemente sconosciuto che guida le metastasi ora apre nuove linee di studio per comprendere meglio il processo e trovare nuovi approcci per controllarlo, hanno detto gli autori.

Il gruppo ha condotto esperimenti che hanno dimostrato che il blocco della capacità delle cellule CL31 di riconoscere l'amfiregulina potrebbe interferire con la formazione di tumori metastatici solidi. Tuttavia, secondo Brugge e colleghi, è necessario rispondere a una miriade di domande prima di prendere in considerazione potenziali applicazioni cliniche.

I risultati dello studio si basavano su modelli cellulari e murini e sono necessarie ulteriori ricerche per confermare se il meccanismo è simile negli esseri umani. A differenza della maggior parte degli altri tumori, le cellule del cancro ovarico crescono e si diffondono nel fluido della cavità addominale, formando tumori metastatici solidi sulle superfici di siti come il diaframma ed il pancreas. Sono necessari ulteriori studi per rivelare se meccanismi simili svolgono un ruolo nei tumori che si diffondono nel sangue o nei sistemi linfatici.

I risultati informano anche gli sforzi per comprendere meglio i comportamenti e le interazioni di diversi tipi di cellule all'interno dei tumori, secondo gli autori. Queste dinamiche sono sempre più implicate come causa di sensibilità ai farmaci imprevedibile, resistenza ai farmaci e proprietà come le metastasi. La metastasi del cancro ovarico offre quindi un modello interessante per studiare le dinamiche evolutive della cooperazione tra le cellule tumorali, hanno scritto gli autori.

Inoltre, lo studio sottolinea l'importanza dei modelli animali nello studio del cancro. Tipicamente, la ricerca sulle metastasi comporta confronti tra il tumore primario ed un tumore metastatico, che può omettere le informazioni sulle interazioni sensibili al tempo.

"Poiché questa interazione era transitoria, gli approcci standard di confronto dei tumori primari e metastatici non sono fattibili", ha detto Brugge. "Saremmo ciechi a questo tipo di meccanismo senza impiegare modelli animali e singole popolazioni clonali di cellule".

Altri autori dello studio includono Hendrik Kuiken, Laura Selfors, Timothy Butler, Marco Leung, Cheuk Leung, Elaine Kuhn, Teodora Kolarova, Carina Hage, Kripa Ganesh, Richard Panayiotou, Rosemary Foster, Bo Rueda, Athena Aktipis, Paul Spellman, Tan Ince , Joanne Xiu, Matthew Oberley, Zoran Gatalica, Nicholas Navin, Gordon Mills e Rodrick Bronson.

Lo studio è stato sostenuto dal National Cancer Institute (sovvenzione CA181543), dal dott.Miriam e Sheldon G. Adelson Medical Research Foundation, MD Anderson (concede R50 CA221675, R33CA214310 e OC130649), dal Knight Cancer Institute e dal National Institute of Neurological Disorders e Corsa (concede NS072030, 5T32GM07133 e 129098-RSG-16-092-01-TBG).

ENGLISH

In order to spread, ovarian cancer cells cooperate.

Any given tumor is composed of a multitude of cell types that can each look or behave differently from its neighbors. An emerging body of research suggests that these differences can influence disease progression or the way a tumor responds to drugs.

Now, a new study by Harvard Medical School scientists shows that such cell diversity can also play a critical role in a cancer’s ability to invade distant sites throughout the body, a process known as metastasis.

The research, conducted in mice and published in Nature Communications, identifies a transient, cooperative interaction between ovarian cancer cells that allows otherwise nonmetastatic tumor cells to metastasize.

The team isolated subpopulations of cells from human ovarian tumors and found that none had the ability to form metastatic tumors on its own. But when certain subpopulations commingled, a cooperative biochemical interaction between the cells acted as a switch that triggered metastasis.

The findings shed light on a novel mechanism that drives tumor spread and opens new paths of study to prevent or design targeted treatments against one of cancer’s deadliest features.

“Crosstalk between otherwise innocuous cells within a tumor can play a key role in determining the metastatic capacity of a cancer,” said senior study author Joan Brugge, the Louise Foote Pfeiffer Professor of Cell Biology in the Blavatnik Institute at HMS.

“This mechanism needs to be considered in efforts to identify relevant therapeutic targets for the extremely difficult challenge of blocking metastasis,” said Brugge, who is also co-director of the Ludwig Center at Harvard.

As scientists work to better understand the role of cell diversity within tumors, evidence has hinted that cells can cooperate to increase rates of growth and spread. The details of how this occurs, however, had thus far remained unclear.

To investigate, Brugge and colleagues, led by first author Suha Naffar-Abu Amara, HMS research fellow in cell biology, studied the characteristics of individual and mixtures of cancer cell subpopulations taken from the same tumor.

They focused on a cell line derived from human ovarian cancer, which was known to form metastatic tumors when transplanted into mice. The team isolated numerous single cells and expanded each cell into a population of identical clones. Based on differences in cell shape and growth, they selected 11 of these populations for study.

Transient teamwork

When the team injected a mixture of all 11 clonal populations into the abdomens of mice, they observed robust growth and the formation of metastatic solid tumors on different organs as expected.

However, when each population was injected individually, only one clone, called CL31, exhibited significant growth. The rest were either stagnant, decreased in number or died off entirely.

Remarkably, none of the clones, including CL31, were capable of forming solid metastatic tumors on their own.

“All the clones except one just died when injected individually, and the only way to get metastases was to mix the populations together,” Brugge said. “We had no idea we would observe what we did, and this was the phenomenon that drove us for years to better understand.”

To identify how mixed cancer cells led to tumor spread whereas individual subpopulations did not, the team labeled each clone with a unique DNA barcode and looked at the composition of metastatic tumors.

Initially, all 11 clones were present in roughly the same numbers following transplantation into the mouse. But after a few weeks, more than 80 percent of cells were CL31 clones. By week 10, metastatic tumors had formed that were almost entirely composed of CL31. This finding, coupled with additional experiments, provided strong evidence that interactions between clonal populations were somehow allowing CL31 cells to become metastatic.

Genetic analyses revealed that CL31 cells exclusively possessed amplified levels of the gene ERBB2, which encodes a growth factor called HER2 that has been implicated in certain types of breast cancer. Notably, when the original tumor was genetically analyzed in bulk, the researchers saw small populations of cells with amplified ERBB2, confirming that the single-cell cloning approach successfully identified rare cells from the original tumor.

Searching for factors that activate ERBB2 in CL31 cells, the researchers homed in on a signaling protein called amphiregulin, which is found in elevated amounts in advanced ovarian cancers and has been associated with poor prognosis.

The team identified a specific clonal population that expresses high levels of amphiregulin. When injected together with CL31, the mixture of these two cell subpopulations was sufficient to cause metastases. This cooperative interaction involving amphiregulin helped CL31 invade and colonize other organs. But this teamwork was only temporary, as CL31 soon outcompeted its partner. After a few weeks, only CL31 cells remained in the tumors.

Further experiments revealed that exposure to amphiregulin for only a short window of time after injection of the CL31 is sufficient to act as a switch that allows CL31 to form metastatic tumors.

“Identifying the molecular mechanism underlying the clonal cooperation was challenging,” Naffar-Abu Amara said. “Many working hypotheses arose and died, but eventually pieces of the puzzle started to fall into place. Watching the building blocks ultimately align was a very exciting and satisfying phase in our research.”

Long road

The identification of this previously unknown mechanism driving metastasis now opens new lines of study to better understand the process and find new approaches to control it, the authors said.

The team conducted experiments that showed blocking the ability of CL31 cells to recognize amphiregulin could interfere with the formation of solid metastatic tumors. However, myriad questions must be answered before any potential clinical applications can be considered, according to Brugge and colleagues.

The study findings were based on cell and mouse models, and additional research is required to confirm whether the mechanism is similar in humans. Unlike most other cancers, ovarian cancer cells grow and spread in the fluid of the abdominal cavity, forming solid metastatic tumors on the surfaces of sites such as the diaphragm and pancreas. Further studies are needed to reveal if similar mechanisms play a role in cancers that spread through the blood or lymphatic systems.

The results also inform efforts to better understand the behaviors and interactions of different cell types within tumors, according to the authors. These dynamics are increasingly implicated as a cause in unpredictable drug sensitivity, drug resistance and properties such as metastasis. Ovarian cancer metastasis therefore offers an intriguing model for studying the evolutionary dynamics of cooperation among cancer cells, the authors wrote.

In addition, the study highlights the importance of animal models in the study of cancer. Typically, research on metastases involves comparisons between the primary tumor and a metastatic tumor, which can omit information about time-sensitive interactions.

“Because this interaction was transient, standard approaches of comparing primary and metastatic tumors are not feasible,” Brugge said. “We would be blind to this kind of mechanism without employing animal models and individual clonal populations of cells.”

Additional authors on the study include Hendrik Kuiken, Laura Selfors, Timothy Butler, Marco Leung, Cheuk Leung, Elaine Kuhn, Teodora Kolarova, Carina Hage, Kripa Ganesh, Richard Panayiotou, Rosemary Foster, Bo Rueda, Athena Aktipis, Paul Spellman, Tan Ince, Joanne Xiu, Matthew Oberley, Zoran Gatalica, Nicholas Navin, Gordon Mills and Rodrick Bronson.

The study was supported by the National Cancer Institute (grant CA181543), Dr. Miriam and Sheldon G. Adelson Medical Research Foundation, MD Anderson (grants R50 CA221675, R33CA214310 and OC130649), the Knight Cancer Institute and the National Institute of Neurological Disorders and Stroke (grants NS072030, 5T32GM07133 and 129098-RSG-16-092-01-TBG).

Da:

https://hms.harvard.edu/news/cancer-crosstalk?utm_source=Silverpop&utm_medium=email&utm_term=field_news_item_2&utm_content=HMNews11232020