Glioblastoma-educated mesenchymal stem-like cells promote GBM infiltration via extracellular matrix remodeling in the tumor microenvironment

Abstract

Glioblastoma (GBM) also known as grade 4 glioma is the most lethal human tumor and the most common and malignant primary brain cancer. GBM treatment uses surgical, chemical, and radiotherapy, but still has not been conquered, and the median survival rate is less than 15 months. Although efforts have been made to increase the survival rate of patients, such as targeted molecular therapy, therapeutic drugs that focus on the intrinsic properties of cancer cells did not enhance the survival rate. Accordingly, it will be urgent to overcome treatment failure with a new concept. As mentioned earlier, current treatment methods have been reflected in the treatment by focusing on the intrinsic properties of cancer cells. However, solitary mass tumors do not exist alone, instead form a complex with non-cancerous cells (such as fibroblasts, endothelial cells, pericytes, immune, and inflammatory cells) to form a tumor microenvironment (TME) and crosstalk with each other. Emerging evidence suggests that crosstalk between tumor cells and TME is closely related to cancer progression. Mesenchymal stem cells (MSCs), a type of multipotent stromal stem cells, can differentiate into mesenchymal tri-lineage differentiation (chondrocytes, adipocytes, and osteoblasts). Moreover, there are several studies showing that MSCs migrate to the TME site of the tumor and show the dual ability to perform tumor-promoting and tumor-suppressing, so it remains unclear. The extracellular matrix (ECM), one of the components of TME, controls the development, survival, and invasion of cells by providing biochemical and biomechanical cues to the cells. Also, the accumulation and crosslinking of ECM molecules are critically involved in cancer biological activity and cell signaling. It is known that MSC and ECM constituting this TME are related to each other. In previous studies, it has been studied that the effects of MSC and GBM isolated-mesenchymal stem-like cell (MSLC) on GBM chemically and through shrinkage of the extracellular matrix in TME. Importantly, I found that, (1) in the presence of MSLCs in the GBM microenvironment, GBM cells more infiltrated the surrounding ECM due to an increase in MSLC-secreted LOX and COL1A1. So I thought there would be crosstalk between MSLC and GBM. also I found (2) GBM cells secrete CD40L to educate MSLC, and MSLC reconstitutes the ECM by increasing the expression of lysyl oxidase (LOX) and COL1A1 through activation of CD40/NFkB2 signaling axis. I found that the molecularly reconstituted ECM promotes infiltration of GBM cells. My findings demonstrate that the GBM and its surrounding microenvironment are closely crosstalking and creating an environment favorable to GBM promotion. Collectively, this study demonstrated molecularly, structurally, and pathologically that not only crosstalked tumor cells and stromal cells but also tertiarily crosstalked the ECM constituting TME. |4등급 신경교종으로도 알려진 교모세포종 (GBM)은 가장 치명적인 인간 종양이자 가장 흔하고 악성 원발성 뇌암이다. GBM 치료는 여전히 외과적, 화학적, 방사선 요법을 사용하지만 여전히 정복되지 않았고 중앙 생존율은 15개월 미만이다. 표적분자치료 등 환자의 생존율을 높이려는 노력이 있었지만 암세포의 고유한 특성에 초점을 맞춘 치료제는 생존율을 높이지 못했다. 따라서 치료실패 극복을 위한 새로운 개념 도입이 시급할 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 현재의 치료법은 암세포의 고유한 특성에 초점을 맞춰 치료에 반영되어 왔다. 그러나 고립성 종양는 단독으로 존재하는 것이 아니라 비암성 세포(섬유아세포 (fibroblasts), 혈관내피세포 (endothelial cells), 혈관주위세포 (pericytes), 면역 및 염증세포 (immune and inflammatory cells )등)와 복합체를 형성하여 종양미세환경(tumor microenvironment; TME)을 형성하고 서로 crosstalk한다. 여러 새로운 증거들은 종양 세포와 TME 사이의 crosstalk이 암 진행과 밀접하게 관련되어 있음을 시사합니다. 다능성 간질 줄기세포의 일종인 중간엽 줄기세포 (MSC)는 중간엽 삼계통 분화(연골세포 (chondrocytes), 지방세포 (adipocytes), 조골세포 (osteoblasts))로 분화할 수 있다. 또한, MSC가 TME으로 이동하고 종양 촉진 및 종양 억제를 수행하는 이중 능력을 보인다는 여러 연구가 있으나 여전히 여러 의견이 충돌하고 있고 여전히 논란이 있다. TME의 구성요소 중 하나인 세포외기질 (ECM)은 세포에 생화학적 및 생체역학적 신호를 제공하여 세포의 발달, 분화, 생존 및 침입을 조절하는 중요한 인자이다. 또한, ECM 분자의 축적 및 가교는 암 생물학적 활성 및 세포 신호전달에 결정적으로 관여한다. 이TME을 구성하는 MSC와 ECM은 서로 연관되어 있는 것으로 알려져 있으며 여전히 이와 관련한 연구는 계속 진행 중에 있다. 이와 관련해 세포끼리의 crosstalk에 의한 결과로 ECM의 재구성에 의한 영향을 추가로 검증하고자 하였다. 그래서 이전 연구에서 GBM 미세환경에서 분리한 MSLC의 영향에 대해 연구를 진행 해왔으며, MSLC 단독으로 ECM을 물리적으로 수축시키는 것에 대한 내용을 발표하였으며 ECM은 물리적인 변화 외에도 효소에 의한 변화 또한 중요한 ECM 재구성 요소이며 이것을 GSEA분석을 통해 확인하였고 실제 공배양, 3D collagen-based 직접 배양 및 공배양, collagen concentration-dependent transwell invasion 및 LOX concentration-dependent traswell invasion을 이용하여 확인하였다. 그 결과 GBM과 MSLC와의 crosstalk으로 MSLC에서 LOX와 COL1A1의 발현의 증가를 확인할 수 있었다. 그리고 실제 LOX와 COL1A1의 증가가 GBM의 침습과 연관이 있는지 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 세포간의 crosstalk의 결과로 분비 인자 (secretion factor)에 의한 결과로 해석할 수 있었고, 이와 관련한 분비 인자의 규명 및 실제 MSLC에서 작용하는 signaling pathway를 증명하기 위해 cytokine array를 수행하여 GBM에서 CD40L의 분비가 CD40/NFκB2신호의 활성화를 통해 LOX의 분비를 증가시키는 것을 확인하였고, 실제 동물실험을 통해서 neutralizing CD40L Ab를 이용한 CD40L의 억제가 LOX의 발현 억제, ECM의 가교 억제, GBM 침습 억제로 이어지는 치료 효과 또한 증명하였다. 종합해서, 본 연구는 종양 세포와 기질 세포가 crosstalk뿐만 아니라 TME를 구성하는 ECM과의 crosstalk을 분자적, 구조적, 병리학적으로 검증하였다. 또한 CD40L의 억제는 교모세포종 치료에 타겟으로의 가능성을 증명하였다.