Einfluss von Inhibitoren des PI3K/Akt/mTOR-Signalwegs auf die Makrophagen-/ Mikroglia-assistierte Invasion von Mammakarzinomzellen

Influence of inhibitors of the PI3K/Akt/mTOR signaling pathway on macrophage/ microglia-assisted invasion of breast cancer cells

by Sarah Madlen Mizera née Weis
Doctoral thesis
Date of Examination:2022-10-19
Date of issue:2022-10-10
Advisor:Prof. Dr. Tobias Pukrop
Referee:Prof. Dr. Sabine Mihm
Referee:Prof. Dr. Margarete Schön
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9485

 

 

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Abstract

English

The prognosis of patients affected by locally advanced or metastatic cancer is often drastically reduced due to a lack of effective treatment options, and the remaining lifespan is hence significantly limited. For this reason a better understanding of the individual processes involved in tumor progression is of fundamental value. It has been established that both tumor-associated (TAM) and sessile macrophages support pro-invasive processes of tumor cells at different points of the metastasis cascade. Little is known though about the exact mechanisms by which these processes are controlled and whether they might be blocked by targeted pharmacological intervention. A considerable number of tumor entities are characterized by an aberration of members of the PI3K/Akt/mTOR signaling pathway, which is why a multitude of different inhibitor substances, including the mTOR inhibitor RAD001 (everolimus) and the PI3K inhibitor BKM120 (buparlisib), are currently in development, clinical testing or already approved use. In this work, a comprehensive characterization of the different subtypes representing breast carcinoma cell lines was performed, in which however a very heterogeneous response to treatment with the inhibitors was shown, not least in coherence with previously published works. A remarkably beneficial interaction could be displayed here, especially for the hormone receptor-positive and HER2/neu-overexpressing cells. Activation of the PI3K/Akt/mTOR signaling cascade is associated with the development of a proinvasive M2 phenotype of TAM located in the tumor microenvironment. However, the fact that the inhibition of steps of the signaling pathway via a potential re-eduction of TAM also has the potential for tumor regression could mean a still largely unrecognized therapeutic option. The results of this work show a direct influence of the inhibitors on TAM in concentration ranges comparable to those of the tumor cells. In previously published in-vivo studies, drug-blocking of the signaling pathway was associated with induction of the M1 profile in the TAM. In this work, it was finally shown for the first time that the macrophage-assisted invasion of highly malignant murine breast cancer cells can be reduced by treatment with the inhibitors. Only very few publications deal with the tumor progression-promoting properties of sessile macrophage species. Some of those however strongly suggest that important functions in microglia are controlled via the signaling pathway. Our first results also show that the inhibitors had a direct influence on these cells. In further experiments, the study group was finally able to identify PI3K as a main regulator of microglia-assisted colonization and observes a reduction in this metastasis-supporting function through the drug-mediated pathway inhibition. We conclude that the inhibition of the PI3K/Akt/mTOR signaling pathway not only has a direct influence on certain malignant cells, but also an indirect one by affecting the microenvironment of the primary tumor and metastatic tissues. Thus we see a great potential for these drugs to play a beneficial role in the treatment of metastatic cancer.
Keywords: macrophage/ microglia-assisted invasion; metastatic breast cancer; PI3K/Akt/mTOR-signaling pathway; PI3K inhibition; mTOR inhibition

German

Die Prognose von Betroffenen lokal fortgeschrittener oder metastasierter Krebserkrankungen ist aufgrund von fehlenden effektiven Behandlungsmöglichkeiten oft drastisch reduziert und die verbleibende Lebenszeit meist deutlich begrenzt. Aus diesem Grund ist das bessere Verständnis der einzelnen an der Tumorprogression beteiligten Vorgänge von elementarer Bedeutung. Es ist gesichert, dass sowohl Tumor-assoziierte (TAM) als auch sessile Makrophagen an verschiedenen Punkten der Metastasierungskaskade proinvasive Prozesse der Tumorzellen unterstützen. Über welche genauen Mechanismen diese Vorgänge gesteuert werden und ob sie sich durch eine gezielte pharmakologische Intervention blockieren lassen, ist bislang nur wenig bekannt. Viele Tumorentitäten zeichnen sich durch eine Aberration von Mitgliedern des PI3K/Akt/mTOR-Signalwegs aus, weshalb sich derzeit eine Fülle an verschiedenen Inhibitorsubstanzen, darunter auch der mTOR-Inhibitor RAD001 (Everolimus) und der PI3K-Inhibitor BKM120 (Buparlisib), in Entwicklung, klinischer Erprobung und bereits zugelassener Anwendung befinden. In dieser Arbeit wurde eine umfangreiche Charakterisierung von den verschiedenen Subtypen repräsentierenden Mammakarzinomzelllinien vorgenommen, in der sich kohärent mit bisher veröffentlichen Arbeiten ein sehr heterogenes Ansprechen auf die Behandlung mit den Inhibitoren zeigte. Besonders für die Hormonrezeptor-positiven und HER2/neu-überexprimierenden Zellen konnte hier ein benefitäres Ergebnis erzielt werden. Eine Aktivierung der PI3K/Akt/mTOR-Signalkaskade ist mit der Ausbildung eines proinvasiven M2-Phänotyps von im Mikromilieu befindlichen TAM assoziiert. Dass durch die Hemmung von Mitgliedern des Signalwegs über eine potenzielle Reedukation von TAM auch Potential für eine Tumorregression besteht und sich dadurch eine bedeutende therapeutische Option ergibt, ist allerdings noch weitgehend unerkannt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen direkten Einfluss der Inhibitoren auf TAM in mit den Tumorzellen vergleichbaren Konzentrationsbereichen. In bisher veröffentlichen in vivo-Studien ging die medikamentöse Blockierung des Signalwegs mit der Induktion des M1-Profils in den TAM einher. In dieser Arbeit konnte schließlich erstmals gezeigt werden, dass sich die Makrophagen-assistierte Invasion von hochmalignen murinen Brustkrebszellen durch die Behandlung mit den Inhibitoren reduzieren lässt. Nur sehr wenige Arbeitsgruppen beschäftigen sich mit den tumorprogressions-fördernden Eigenschaften sessiler Makrophagenspezies. Einzelne Hinweise deuten aktuell stark darauf hin, dass bedeutende Funktionen in Mikroglia über den Signalweg gesteuert werden. Auch auf diese Zellen fand sich in ersten Ergebnissen ein direkter Einfluss durch die Inhibitoren. In weiterführenden Versuchen konnte die Arbeitsgruppe PI3K letztlich als einen Hauptregulator der Mikroglia-assistierten Kolonisation ausfindig machen und durch die medikamentöse Blockade eine Reduktion dieser Metastasen-unterstützenden Funktion beobachten. Zusammenfassend kann hiermit postuliert werden, dass sich durch die Hemmung des PI3K/Akt/mTOR-Signalwegs nicht nur ein direkter Einfluss auf Tumorzellen, sondern auch ein indirekter über die Beeinflussung des Mikromilieus von Primarius und Metastasenorgan findet und sich somit ein großes Potential dieser Inhibitoren in der antimetastatischen Therapie ergibt.
 
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