La staminalità del cancro incontra l'immunità: dal meccanismo alla terapia (Parte 1)

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Le cellule staminali tumorali (CSC) sono cellule auto-rinnovanti che facilitanoinizio del tumore, promuovere le metastasi e migliorareresistenza alla terapia del cancro. Le analisi trascrittomiche in molti tipi di cancro hanno rivelato un'associazione prominente trasteloefirme immunitarie, che implica potenzialmente un'interazione biologica tra tali caratteristiche distintive del cancro. Prove sperimentali emergenti hanno confermato l'influenza delle CSC sulle cellule immunitarie, compresi i macrofagi associati al tumore, le cellule soppressori derivate dal mieloide e le cellule T, nel microambiente tumorale e, reciprocamente, l'importanza di tali cellule immunitarie nel sostenere la staminalità CSC e la sua nicchia di sopravvivenza. Questa recensione copre i meccanismi cellulari e molecolari alla base delle interazioni simbiotiche tra CSC e cellule immunitarie e come talieterotipicola segnalazione mantiene un ecosistema che promuove il tumore e informa le strategie terapeutiche intercettando questa co-dipendenza.

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INTRODUZIONE

Il paradigma delle cellule staminali tumorali (CSC) è emerso dallo studio dileucemia mieloide acuta(AML), che ha identificato una sottopopolazione di cellule CD34*/CD387 meno differenziate in possesso di capacità di rinnovamento simile alle cellule staminali e robusta capacità di inizio del tumore (Lapi-dot et al,1994). Da allora le cellule tumorali con queste proprietà biologiche sono state rilevate praticamente in tutti i tumori solidi, tra cui melanoma e tumori del cervello, del seno, del colon, della tiroide, del pancreas, della prostata, del fegato, del polmone, dell'ovaio, della testa e del collo e dello stomaco (Turdo et al, 2019). Il significato clinico e biologico delle CSC è stato rafforzato da una correlazione positiva tra le firme delle cellule staminali e la scarsa sopravvivenza (Ben-Porath et al, 2008). Sebbene le CSC condividano proprietà e marcatori di superficie con cellule staminali normali (Turdo et al., 2019), mantengono la capacità di rinnovamento attraverso specifiche vie di segnalazione alterate con modelli comuni e unici in molti tipi di tumore (Figura 1). Ad esempio, le CSC del cancro al seno mostrano il recettore del fattore di crescita derivato dalle piastrine attivato cd44 CD44 (CD44s) β del recettore del fattore di crescita derivato dalle piastrine (PDGFRβ) / trasduttore di segnale e attivatore della trascrizione 3 (STAT3), il riccio sonico attivato dalla scatola della testa di forcella C1 (FOXC1) e le vie NOTCH attivate dalla sfingosina-1-fosfato (S1P) / S1PR3 (Han et al, 2015; Hirata et al,2014; Zhang et al,2019b). Al contrario, la staminalità della CSC in altri tipi di cancro, come il glioma e i tumori del colon, gastrico e della prostata, viene mantenuta tramite fosfatidilinositolo-3-chinasi mediata da CD133-mediata (Pl3K) / proteina chinasi B (AKT, recettore 5 (LGR5) mediato da WNT / β-catenina mediato da cdanil e proteina POZ di tipo speckle (SPOP) mediato da nanoG (Morgan et al., 2018; Wang et al.,2010b,2019a; Wei et al., 2013; Zhang et al., 2019c). Tali modelli associati al CSC smentiscono un alto grado di complessità biologica e specificità del tipo di tumore.

I tratti distintivi delle CSC sono ben consolidati e includono l'auto-rinnovamento, la capacità di inizio del tumore clonale, il potenziale di ripopolamento clonale a lungo termine e la plasticità tra stati staminali e non staminali (Plaks et al., 2015). Questa plasticità è particolarmente rilevante perché consente alle CSC di adattarsi e sopravvivere di fronte alle perturbazioni terapeutiche e agli stress biologici in continua evoluzione del microambiente tumorale (TME) durante l'evoluzione tumorale (Agliano et al., 2017; Hatina, 2012; Müller et al., 2020; Plaks et al., 2015). Meccanicamente, il ruolo delle CSC nell'inizio del tumore, nelle metastasi e nella resistenza alla terapia ha dimostrato di essere guidato dalle interazioni tracellule tumoralie cellule ospiti nella TME (Ayob e Ramasamy, 2018; Plaks et al,2015), dove le molecole e i percorsi che guidano la biologia CSC spesso alimentano più segni distintivi del cancro (Figura 1). Ad esempio, la capacità di iniziare il tumore delle CSC si riferisce alla loro staminalità guidata dalla regione di determinazione del sesso del fattore di trascrizione Y-box 2 (SOX2), che sovraregola anche i geni che governano i segni distintivi del cancro di proliferazione, sopravvivenza e invasione (Boumahdi et al., 2014; Zhou et al, 2009). Nel caso del segno distintivo delle metastasi, le firme delle cellule staminali si correlano positivamente con una maggiore propensione metastatica (Ayob e Ramasamy, 2018); inoltre, diverse vie CSC e processi biologici associati contribuiscono a ciascuna fase del processo metastatico - dalla disseminazione alla formazione di nicchie metastatiche alla crescita di organi a distanza - inducendo la transizione epiteliale-mesenchimale (EMT, stimolando la produzione di esosomi da cellule mieloidi e sovraregolando fattori derivati da nicchia, come il fattore di crescita insulino-simile-1 (IGF-1) e l'interleuchina (L)-6, rispettivamente (Agliano et al.,2017; Ayob e Ramasamy, 2018; Shiozawa et al,2013). Infatti, evidenze sperimentali e cliniche dimostrano che le CSC nei tumori primari diffondono e colonizzano i siti distali (de Sousae Melo et al.,2017) e che la loro posizione sul fronte invasivo è correlata negativamente con la sopravvivenza del paziente (Kodamaet al.,2017). Infine, per quanto riguarda la resistenza alla terapia, le vie CSC alterano le molecole di segnalazione che governano il metabolismo dei farmaci (ad esempio, alta espressione di proteine trasportatrici a cassetta che legano l'ATP che aumentanoefflusso di drogatasso), EMT (ad esempio, aumento di SOX2, fattore di trascrizione 4 legante ottameri [OCT4] ed espressione nanog) e riprogrammazione metabolica (ad esempio, trasportatore di glucosio 1 potenziato, fosforilazione ossidativa e attività delle specie reattive dell'ossigeno; Ayob e Ramasamy, 2018). La plasticità fenotipica delle CSC può contribuire ad ulteriori segni distintivi del cancro attraverso la loro capacità di transdifferenziarsi in periciti, cellule endoteliali e fibroblasti, contribuendo così all'angiogenesi tumorale, allo sviluppo di nicchia delle cellule staminali e all'infiammazione (Figura 1; Cheng et al,2013; Dongre e Weinberg, 2019; Huet al., 2016; Nair et al., 2017; Ricci-Vitiani et al.,2010; Wang et al., 2010a). Questa plasticità si riflette anche nella capacità delle cellule tumorali "differenziate" di riadottare uno stato CSC immaturo, un processo di dedifferenziazione che può essere stimolato da segnali provenienti dalla TME, inclusi macrofagi associati al tumore (TAM), cellule soppressori derivate da mieloidi (MDSC), cellule T, fibroblasti associati al cancro (CAS) e altre cellule immunitarie (Plaks et al., 2015). In particolare, la forte connessione CSC-cellula immunitaria è stata evidenziata da studi di profilazione imparziali, che mostrano una forte correlazione negativa tra staminalità delle cellule tumorali e firme immunitarie antitumorali in 21 tipi di tumori solidi (Miranda et al, 2019). In particolare, l'aumento della staminalità è stato associato a una riduzione delle cellule immunitarie anti-cancro, comprese le cellule T CD8 +, le cellule natural killer (NK) e le cellule B, e una maggiore polarizzazione dei macrofagi infiltranti (Miranda et al, 2019). Allo stesso modo, l'atlante del genoma del cancro (TCGA) e le analisi dei microarray tissutali hanno rivelato che la staminalità delle cellule tumorali è correlata negativamente con le cellule CD4 + e CD8 + attivate nei tumori solidi (Hou et al., 2019; Malta et al,2018).

Questi risultati in silico nel cancro umano si allineano bene con i risultati sperimentali emergenti da studi su vari modelli murini di cancro umano. È stato dimostrato che la proporzione di CSC nel melanoma dipende dallo specifico ceppo di topo immuno-compromesso impiegato, suggerendo un ruolo importante del sistema immunitario nella regolazione delle CSC (Quintana et al., 2008). D'altra parte, le CSC possono modellare una TME specifica mediante la loro regolazione delle cellule immunitarie. Ad esempio, l'espressione del marcatore CSC e della chinasi regolatrice doublecortin-like 1 (Westphalen et al., 2014) è correlata positivamente con un'abbondanza di TAM e cellule T regolatorie (cellule T-reg) e un'elevata espressione di fattori che inibiscono l'attività delle cellule T CD8+ (Wu et al,2020). CKLF-like MARVEL transmembrane-domain-containing 6, che è espresso sulle membrane plasmatiche delle cellule tumorali, può migliorare la staminalità CSC attraverso la via WNT / β-catenina, sopprimere l'immunità antitumorale tramite l'upregulation programmata del ligando di morte 1 (PD-L1) e ridurre le cellule T CD8 * e CD4 * in molti tipi di cancro, incluso il carcinoma a cellule squamose della testa e del collo (SCCHN) (Chen et al., 2020a), melanoma e cancro al seno (Burr et al,2017; Mezzadraet al,2017). La proteina associata alla massa grassa e all'obesità (FTO) è una demetilasi m°A e sovraespressa nella LMA. L'inibizione dell'FTO compromette la staminalità delle cellule staminali della leucemia e riprogramma la risposta immunitaria sopprimendo i geni del checkpoint immunitario, come LILRB4 (sottofamiglia del recettore simile alle immunoglobuline leucocitarie membro B 4), sensibilizzando così le cellule AML alla citotossicità mediata dalle cellule T (Suet al,2020). Allo stesso modo, le analisi di sequenziamento dell'RNA a singola cellula (RNA-seq) della LMA hanno rivelato una sottopopolazione di cellule AML simili allo staminale che co-esprimono geni correlati allo staminamento e all'innesco mieloide (van Galen et al, 2019). Inoltre, gli esosomi derivati da CSC, che trasferiscono il carico tra le cellule (Mathieu et al, 2019), possono migliorare la sopravvivenza dei neutrofili soppressivi per promuovere la crescita del cancro del colon (Hwang et al, 2019). Questo profilo trascrizionale condiviso di staminalità e immunotrastrazione si allinea con la recente scoperta che la mancanza di Dligands, membro del gruppo 2 natural killer, che definisce le cellule staminali leucemiche, contribuisce alla loro fuga selettiva dalla sorveglianza immunitaria mediata dalle cellule NK (Paczulla et al., 2019). Oltre a queste cellule immunitarie, le CAS e le loro interazioni con le CSC sono importanti anche pertumorigenesieresistenza alla terapia(Chan et al,2019). Insieme, questi risultati evidenziano un legame intimo tra le molecole e i meccanismi che governano la biologia CSC e l'immunità tumorale in molti tipi di tumore.

In sintesi, la crescente evidenza traslazionale e sperimentale sottolinea la miriade di interazioni e ruoli biologici tumorali intrecciati delle CSC e delle cellule immunitarie, in particolare le cellule mieloidi (TAM e MDSC) e le cellule T. Questa revisione riassume le attuali conoscenze del crosstalk molecolare e l'impatto funzionale di queste interazioni simbiotiche sui segni distintivi del cancro. Per quanto riguarda le cellule mieloidi, evidenziamo TAM e MDSC individualmente, sebbene condividano la stessa cellula di origine e funzioni simili per sopprimere l'immunità antitumorale mediata dalle cellule T (Engblom et al., 2016). Queste intuizioni emergenti forniscono una tabella di marcia per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche anti-cancro che interrompono questo circuito dinamico in specifici tipi di tumore.

Diafonia CSC-TAM

Impatto delle CSC sulla biologia dei macrofagi

I fattori secreti da vari tipi di cellule nella TME, comprese le CSC, sono noti per reclutare e polarizzare i TAM (Chen et al.,2017,2019a,2020b; Colegio et al,2014). Questi TAM provengono da macrofagi derivati dal midollo osseo (BMDM) e macrofagi locali residenti nei tessuti (ad esempio, microglia nel cervello, cellule di Kupffer nel fegato e macrofagi alveolari nel polmone), che hanno origine da cellule staminali ematopoietiche e progenitori che seminano nei tessuti embrionali (ad esempio, il sacco vitellino per la microglia e il fegato fetale per le cellule di Kupffer e i macrofagi alveolari), rispettivamente (Figura 2; Pathriaet al.,2019). Il reclutamento di TAM è guidato da una varietà di chemochine, tra cui il ligando 2 (CCL2) del motivo C-C, CCL3, il ligando 14 della chemochina del motivo C-X-C (CXCL14) e la lisil ossidasi (LOX), che sono secreti da cellule tumorali, macrofagi e altre cellule stromali nella TME (Chen et al., 2019a; Pathria et al., 2019; Wei et al., 2020. Prove crescenti mostrano che le CSC contribuiscono anche all'infiltrazione di macrofagi e microglia attraverso molecole e meccanismi distinti in vari tumori (Figura 2; Tabella 1). Da notare, alcune di queste chemochine sono specificamente prodotte da CSC, il che evidenzia un ruolo unico delle CSC nella regolazione dell'infiltrazione TAM. Ad esempio, la periostina (POSTN) è espressa preferenzialmente e secreta dalle CSC nel glioblastoma (GBM) e nel colangiocarcinoma (CCA), che a sua volta recluta BMDM attraverso il legame con l'integrina xvB3 (Zeng et al,2018; Zhou et al., 2015).

I cambiamenti genetici ed epigenetici nelle CSC regolano la produzione di chemochine. Ad esempio, PTENdeficiencyor AKToverexpression in GSC e cellule staminali neurali sovraregola LOX e CXCL12B, che reclutano TAM attraverso l'integrina β1 (Chen et al., 2019a) e il recettore delle chemochine del motivo C-X-C 4 (CXCR4) (Chia et al., 2018), rispettivamente. GSC ottiche isolate dal Nf1loxneo; Il modello murino di glioma di basso grado GFAP-Cre secerne CX3CL1 e CCL5 per reclutare microglia, e questo effetto è ulteriormente amplificato dalla perdita di Pten (Guo et al,2019b). Allo stesso modo, la carenza di F1 nelle GSC umane può promuovere l'infiltrazione di macrofagi e microglia, sebbene le chemochine regolate da NF1 non siano note (Wang et al,2017). In molti tipi di tumore, l'amplificazione e la mutazione del recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) possono promuovere la staminalità CSC e il reclutamento dei macrofagi (An et al,2018; McCann et al,2018; Rutkowska et al,2019). Nel cancro del fegato, l'attivazione di EGFR/ AKT attiva il complesso del fattore di trascrizione TEA (tea domain family member) associato al sì (YAP) / TEA domain member (TEAD) nelle CSC, che a sua volta sovraregola i fattori di reclutamento dei macrofagi CCL2 e il fattore stimolante le colonie di macrofagi (M-CSF) (Guo et al。 2017). Nel carcinoma polmonare non a piccole cellule (NSCLC), l'aumento della proteasi ubiquitina-specifica 17, una deubiquitinasi necessaria per il traffico e l'attività oncogenica dell'EGFR mutante (McCann et al., 2018), aumenta la staminalità delle cellule tumorali, che a sua volta sovraregola l'infiltrazione dei macrofagi mediante una maggiore produzione di citochine, incluso il fattore di necrosi tumorale (TNF)-a, IL-1β e IL-6 (Lu et al., 2018). Nel cancro della vescica, le mutazioni di perdita di funzione del gene modificatore dell'istone lisina (K)-specifica demetilasi 6A (KDM6A) promuovono la staminalità CSC e la secrezione di IL-6 e CCL2, che a loro volta aumentano il reclutamento dei macrofagi (Kobatake et al., 2020). Nel GBM, i cicli di uscita locomotore circadiano kaput (CLOCK), un regolatore epigenetico e circadiano amplificato nel 5% dei casi, migliora la staminalità GSC e la secrezione della proteina chemio-chinale olfattomedina-simile 3 (OLFML3), che recluta microglia nella TME (Chen et al., 2020b). Infine, caveat emptor, sebbene molti studi abbiano stabilito il coinvolgimento di fattori derivati da CSC nell'infiltrazione dei macrofagi, è stato osservato anche il contrario a causa dello specifico genotipo CSC e della sua unica TME. Ad esempio, le CSC TP53-mutate e resistenti al cisplatino dal cancro del polmone inibiscono l'infiltrazione dei macrofagi nella TME (Xu et al., 2019).

Oltre a stimolare il reclutamento di TAM, le CSC possono influenzare lo stato biologico di questi macrofagi. I macrofagi sono noti per presentare uno spettro di fenotipi, che vanno da un fenotipo antitumorale a un fenotipo pro-tumorale (precedentemente noto come M1 e M2; Pathria et al., 2019). Una volta che i macrofagi si infiltrano nei tumori, in genere subiscono la polarizzazione verso un fenotipo pro-tumorale, un processo guidato da chemochine (ad esempio, IL-4 e IL-13) e metaboliti (ad esempio, lattato), che sono derivati sia dalle cellule tumorali che dalle cellule ospiti nella TME (Chen et al., 2017; Colegio et al., 2014; Qian e Pollard, 2010). Diverse linee di prova dimostrano che le CSC possono provocare ulteriormente la polarizzazione anti-protumorale dei macrofagi. In primo luogo, in caso di co-coltura con CSC, i marcatori macrofagici pro-tumorali (ad esempio, CD206, IL-10 e arginasi 1) sono sovraregolati, mentre i marcatori macrofagi antitumorali (ad esempio, TNF-α, ossido nitrico sintasi 2 [NOS2] e CD86) sono sottoregolati (Deng et al,2015). In secondo luogo, le CSC possono secernere vari fattori solubili che inducono la polarizzazione verso un fenotipo pro-tumorale (Figura 2; Tabella 1). Ad esempio, la proteina di segnalazione indotta da Wnt 1 (WSP1) è preferita-tally secreta dalle GSC in GBM, che promuove la sopravvivenza dei TAM pro-tumore attraverso l'attivazione della via dell'integrina x6β1 / AKT sui macrofagi (Tao et al, 2020). Allo stesso modo, IL-6 e IL-10 derivati da CSC possono inclinare i TAM verso un fenotipo pro-tumore nel cancro ovarico (Raghavan et al, 2019), nel cancro della vescica (Kobatake et al, 2020), GBM (Wu et al, 2010; Yao et al., 2016) e cancro al seno (Weng et al, 2019). Oltre ai fattori secreti, le GSC rilasciano esosomi contenenti fattore di iniziazione eucariotico 2, bersaglio mammifero della rapamicina (mTOR) e vie di segnalazione dell'efrina B che ospitano la membrana monocitaria e promuovono la polarizzazione pro-tumorale dei macrofagi (Gabrusiewiczet al,2018). Infine, nel contesto della necrosi tumorale nel GBM, le particelle derivate da GSC, definite come "prodotti autoschizi-simili", possono essere inghiottite dai TAM, che a loro volta sovraregolano L-12 per polarizzare questi TAM verso un fenotipo antitumorale (Tabu et al,2020). Pertanto, le CSC secernono una varietà di prodotti che incoraggiano la polarizzazione dei macrofagi.