Makrophagen bei der Metastasenbildung
Makrophagen fördern nachweislich die Extravasation von CTC und die Bildung von Mikrometastasen im Gewebe von Mäusen39,48. In Tumormetastasen findet sich eine Population von metastasenassoziierten Makrophagen (MAMs). In einer Studie mit einem FVB-Mausmodell für lungenmetastasierenden PyMT-Brustkrebs49 wurde gezeigt, dass diese Zellen durch CCL2-sezernierende Tumorzellen aus zirkulierenden entzündlichen Monozyten rekrutiert werden48. Bemerkenswert ist, dass diese Monozytenpopulation in Studien zum adoptiven Transfer nachweislich eher den Ort der Metastasierung als den Ort des Primärtumors bevorzugt48. Darüber hinaus ergab eine Genexpressionsstudie von invasiven TAMs, die in vivo aus dem PyMT-Mausmodell isoliert wurden, dass diese einzigartige, phänotypisch unterschiedliche Makrophagenpopulation mit Genen angereichert ist, die mit der Embryonal- und Gewebeentwicklung zusammenhängen, was darauf hindeutet, dass TAMs einige entwicklungstrophische Funktionen zur Förderung der Tumorprogression rekapitulieren könnten. Ein stark angereicherter und validierter Signalweg war der Wnt-Signalweg, insbesondere Wnt7b, von dem bekannt ist, dass er in menschlichen Brusttumoren im Zusammenhang mit fortgeschrittener Krankheit hochreguliert ist50.
Konditioniertes Medium aus in vitro differenzierten und M1-polarisierten menschlichen Makrophagen hat gezeigt, dass es die Expression des Östrogenrezeptors alpha durch die Brustkrebszelllinie MCF-7 über die Aktivierung der mitogenaktivierten Proteinkinase (MAPK), der c-terminalen Src-Kinase (c-Src) und der Proteinkinase C (PKC) herunterreguliert. Dieser Downregulierungsprozess fördert nachweislich die endokrine Resistenz von Brustkrebszellen, ein sehr wichtiges Merkmal von 30 % der metastasierenden Tumoren21. In einem anderen Brustkrebs-Mausmodell zeigten TAMs nur eine geringe tumorizide Aktivität, was wahrscheinlich auf eine verringerte Expression der induzierbaren Stickstoffmonoxid-Synthase (iNOS) und Stickstoffmonoxid (NO)-Produktion zurückzuführen ist51. Eine Studie mit dem metastasierenden 4T1-Mammakarzinom von Balb/c-Mäusen, die in CD1-defizienten Mäusen (Mäusen ohne natürliche Killer-T-Zellen, NKT, die IL-13 produzieren) etabliert wurden, ergab, dass die Mäuse nach der Entfernung der Primärtumore im Gegensatz zu Wildtyp-Balb/c-Mäusen unbegrenzt überlebten. Dieser Überlebensvorteil trotz gleicher Metastasierung zum Zeitpunkt der Operation war auf drei Mechanismen der Immunüberwachung zurückzuführen: die Bildung von M1-Makrophagen, die iNOS exprimieren und tumorizid auf 4T1-Tumorzellen wirken, die rasche Abnahme von MDSCs, die T-Zellen durch die Produktion von Arginase unterdrücken, und die Produktion aktivierter Lymphozyten. CD1-defizienten Mäusen fehlen NKT-Zellen, die IL-13, ein für die M2-Makrophagenpolarisierung wichtiges Zytokin, produzieren. Bei diesen Mäusen wurde durch tumorizide M1-Makrophagen und -Lymphozyten und eine verringerte Anzahl von MDSC-Zellen nach Entfernung des primären Brusttumors eine wirksame Immunüberwachung gegen etablierte metastatische Erkrankungen erreicht2. Eine weitere Studie mit dem orthotopen 4T1-Modell in immunkompetenten Balb/c-Mäusen ergab, dass die gleichzeitige Injektion von 4T1-Zellen und M2-Makrophagen aus dem Knochenmark in Brustfettpolster zu einem verstärkten Wachstum von soliden Tumoren und Lungenmetastasen führt. M2-Makrophagen erhöhten die Proliferation von Krebszellen, die Angiogenese, die Lymphangiogenese und die Infiltration von Blutmonozyten52. Das angiogene Potenzial von TAMs in Brusttumoren wurde in CSF-1-Null- und CSF-1-überexprimierenden PyMT-Mausmodellen weiter bestätigt53.
Wie die residenten Makrophagen in der physiologischen Brustentwicklung die Bruststammzellnische unterstützen54, könnten TAMs auch den Brustkrebs-Stammzellphänotyp in murinen Brustkrebszellen fördern und so zu invasiveren Tumoren beitragen55-57. Von Bedeutung für Brustkrebs beim Menschen könnte auch die in vitro beobachtete Fähigkeit von TAMs sein, sich unter Bedingungen, die die Knochenmikroumgebung nachahmen (z. B. Anwesenheit von M-CSF, Stromazellen aus dem Knochen und 1,25-Dihydroxyvitamin D3), in osteoklastenähnliche Zellen zu differenzieren58. Bislang ist jedoch nicht klar, ob dies wirklich in vivo geschieht. Es ist auch nicht klar, ob die im Knochenmark ansässigen Makrophagen oder die zirkulierenden, in den Knochen eindringenden Monozyten oder beide durch die Einwirkung von Brustkrebszellen diesen Phänotypveränderungen unterworfen werden.
CCL2, auch als Monocyte Chemoattractant Protein 1 (MCP-1) bezeichnet, wird von Makrophagen, Fibroblasten, Endothelzellen und Krebszellen produziert. Studien zur Überexpression und zu neutralisierenden Antikörpern sowohl in Brustkrebsmodellen (MDA-MB231-Zellen in Nacktmäusen)59,60 als auch in Prostatakrebsmodellen (PC3-Zellen in SCID-Mäusen)61 haben gezeigt, dass CCL2, das von Krebszellen stammt, durch die verstärkte Rekrutierung von Makrophagen die Krebsmetastasierung im Knochen fördert. Darüber hinaus fördern Makrophagen durch die Rekrutierung und Aktivierung von Osteoklasten die Anzahl und das Wachstum von Knochenmetastasen bei beiden Krebsarten.
Zellen aus dem Knochenmark, insbesondere Makrophagen, spielen bekanntermaßen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung, dem Wachstum und der Erhaltung der Prostata. In einer Studie über die androgenmodulierte Regeneration der Prostata wurde beispielsweise gezeigt, dass Makrophagen in die sich regenerierende Prostata rekrutiert werden, und zwar durch den Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktor (M-CSF), das bei der Aktivierung normaler T-Zellen exprimierte und sekretierte Protein (RANTES) und das vom regenerierenden Gewebe exprimierte Makrophagen-Entzündungsprotein 1α (MIP-1α). Normale und abnorme Prostataepithelzellen synthetisieren lokal M-CSF, das Makrophagen rekrutiert und deren Differenzierung induziert. Es wurde gezeigt, dass die Anzahl der Makrophagen mit der Proliferationsaktivität der Prostataepithelzellen korreliert und somit zur Regeneration des Prostataepithels beiträgt. Dies ist möglicherweise bei pathologischen Zuständen des Prostatagewebes wie gutartiger Prostatahyperplasie, proliferativer entzündlicher Atrophie und Prostatakrebs von Bedeutung62. Darüber hinaus haben einige Studien gezeigt, dass einige Prostatakrebs-Zelllinien63 und metastasierende Prostatakarzinome eine hohe Expression von M-CSF und eine hohe TAM-Infiltration aufweisen64, während M-CSF-defiziente Mäuse niedrigere Makrophagenwerte in der Prostata aufwiesen65.
In einem orthotopen AT-1-Prostatatumormodell der Ratte wurde gezeigt, dass TAMs das Tumor- und Gefäßwachstum fördern, da die TAM-Reduktion durch CLO-LIP zu einer signifikanten Verringerung des Tumorwachstums, der Angiogenese und Arteriogenese führte. Die Expression von angiogenen Faktoren wie Angiopoietin 2, CCL2, Fibroblasten-Wachstumsfaktor 2 (FGF-2), MMP-9, TGF-β, IL-1β wurde in AT-1-Tumoren in vivo im Vergleich zu in vitro gezüchteten AT-1-Zellen hochreguliert, was darauf hindeutet, dass sie von gesunden Zellen in der Tumormasse produziert wurden. Mittels Immunhistochemie wurde festgestellt, dass MMP-9 und IL-1β nur in makrophagenähnlichen Zellen exprimiert werden, was die pro-angiogene Aktivität der TAMs bestätigt3.
In einem Mausmodell des menschlichen Prostatakrebses wurde postuliert, dass IL-6, ein starkes Chemoattraktionsmittel für Monozyten und Makrophagen, das von PC-3-Prostatakrebszellen sezerniert wird, die Aggressivität des gebildeten Krebses fördert, indem es mehr TAMs an den Tumorort rekrutiert. Das von diesen TAMs produzierte TNF-α stimulierte die Prostatakrebszellen, zusätzliches IL-6 zu produzieren, das weitere Makrophagen anlockt und so den Teufelskreis aufrechterhält, der für das Tumorwachstum und die Metastasierung unerlässlich ist. In demselben Mausmodell führte die Depletion von TAM oder das Silencing von IL-6 in Tumorzellen zu einer signifikanten Verringerung der Größe der Knochenläsionen, der Knochenlyse und der Inzidenz von Lymphknotenmetastasen66. Ein ähnliches und neueres Ergebnis im Zusammenhang mit IL-6 und Prostatakrebs war die Studie von Lee und Kollegen67, die zeigten, dass eine Überexpression von BMP-6 in menschlichen Prostatakrebszellen zur Entstehung von kastrationsresistentem Prostatakrebs in Mäusen führt. Es zeigte sich, dass die Kastrationsresistenz durch IL-6 vermittelt wird, das von in den Tumor eindringenden Makrophagen ausgeschüttet wird. In diesem Modell aktivierte IL-6 den PI3K-Signalweg, was zur Hochregulierung der Androgenrezeptorexpression in den Prostatakrebszellen führte67. Beim intratibialen PC-3-Zellmodell des intraossären Prostatakrebs-Metastasenwachstums in Nacktmäusen und Catepsin K (CTSK)-defizienten Nacktmäusen hat sich gezeigt, dass das Wachstum der Knochenläsion von Cathepsin K (CTSK) abhängig ist. Das Wachstum der Knochenläsionen war in Abwesenheit von CTSK aus dem Wirt deutlich reduziert. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass im Knochenmark ansässige Makrophagen und nicht Osteoklasten die Hauptquelle für CTSK sind. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Makrophagenhäufigkeit in Knochentumoren von Wildtyp-Mäusen größer war und mit einem beschleunigten Tumorwachstum korrelierte. Es wurde auch nachgewiesen, dass der CCL2-Spiegel mit dem von Makrophagen stammenden CTSK-Spiegel anstieg und dass die Überexpression von CTSK mit einem Anstieg der von Makrophagen und Tumoren stammenden Cathepsin B- und COX-2-Expression korrelierte, die beide mit der Osteoklastogenese und der Tumoraggressivität in Zusammenhang stehen. Tumortragende Mäuse mit CTSK-Mangel zeigten eine geringere VEGF-Expression und eine beeinträchtigte Angiogenese. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass von Makrophagen und Osteoklasten stammendes CTSK zur Besiedlung und zum Wachstum von Prostatatumoren im Knochen beiträgt68. Eine Studie zum Prostatakrebs beim Menschen zeigte, dass klinische Proben von Prostatatumoren selten frei von TAM sind64,69. Außerdem wurde gezeigt, dass die Interaktion zwischen Makrophagen und Prostatakrebszellen eine Resistenz gegen selektive Androgenrezeptormodulatoren (SARMs) bewirkt. Bei dieser Interaktionsachse verursachte das von Makrophagen stammende IL-1β die Entlassung des Kernrezeptor-Corepressor-Komplexes vom Androgenrezeptor und neutralisierte so die SARM-Effekte69.
Die Rolle der TAMs beim Osteosarkom, einem primären Knochenkrebs, ist umstritten oder zumindest abhängig vom Tumorstadium. Ähnlich wie Osteoklasten machen Makrophagen in frühen Stadien der Tumorentwicklung das Knochenmark zu einem Nährboden für Osteosarkomzellen und fördern das lokale Tumorwachstum. In den frühen Stadien der Osteosarkom-Entwicklung scheinen diese Zellen tatsächlich die Wanderung der Tumorzellen aus dem Knochen zu verhindern und damit die Metastasierung zu unterbinden. Wenn jedoch das Tumorvolumen zunimmt, können die von den Krebszellen ausgeschiedenen Faktoren die Anzahl und Aktivität der Osteoklasten in der Läsion unter einen Schwellenwert senken, der zur Aufrechterhaltung der osteoklastischen Nische erforderlich ist. Infolgedessen wird die Invasion der Krebszellen und die Bildung von Metastasen anstelle des weiteren Wachstums des Primärtumors gefördert. In gleicher Weise können die am Ort des Primärtumors ansässigen M1-Makrophagen mit zunehmender Menge der vom Tumor sezernierten Faktoren in den M2-Phänotyp umgewandelt werden, was die Metastasenbildung weiter fördert. Das Verhältnis von M1- zu M2-Makrophagen kann das Metastasierungspotenzial von Osteosarkomen regulieren, indem es die Mikroumgebung des Tumors in eine metastasenfördernde Umgebung umwandelt, sobald eine bestimmte Anzahl der beiden Phänotypen erreicht ist70. Eine Studie an Biopsien menschlicher hochgradiger Osteosarkome vor der Chemotherapie ergab, dass die TAM bei dieser Krebsart eine heterogene Population von M1- und M2-Makrophagen sind. Die Gesamtzahl der Makrophagen wurde mit einem guten Überleben in Verbindung gebracht, die M2-Polarisierung jedoch nicht. Es zeigte sich, dass 20 % der Gene, die bei Patienten ohne Metastasen innerhalb von 5 Jahren nach der Diagnose überexprimiert waren, mit Makrophagen assoziiert waren. Insbesondere CD14 und HLA-DRA (M1-Marker) waren unabhängig voneinander mit dem metastasenfreien Überleben verbunden. Der Überlebensvorteil einer hohen TAM-Zahl könnte teilweise auf ein besseres Ansprechen auf die Chemotherapie zurückzuführen sein. Die Abtötung von Tumorzellen durch die Chemotherapie führt zur Freisetzung endogener Gefahrensignale, die an die Mustererkennungsrezeptoren in TAMs binden und deren Polarisierung von M2 zu M1 verschieben können, wodurch die Beseitigung absterbender Tumorzellen erleichtert und das Wachstum metastasierender Tumorzellen gehemmt wird71. Darüber hinaus wurde eine Rolle der TAMs bei der Angiogenese und Lymphangiogenese in einem neuartigen Osteosarkom-Mausmodell vorgeschlagen, bei dem die M-CSF-Hemmung, wie bei anderen Tumormodellen (z.B. Brust), die Rekrutierung von Makrophagen hemmt und damit die Vaskularisierung des Tumors verringert, was wiederum das Tumorwachstum und die Metastasenbildung reduziert72.