Macrofagen in metastaseformatie
Macrofagen bleken CTC-extravasatie en weefselmicrometastaseformatie te bevorderen in muizen39,48. In tumormetastase kan een populatie van metastase-geassocieerde macrofagen (MAMs) worden aangetroffen. In een studie met een FVB muismodel van longmetastaserende PyMT borstkanker49, werd aangetoond dat deze cellen worden gerekruteerd uit circulerende inflammatoire monocyten door CCL2 afscheidende tumorcellen48. Opmerkelijk is dat bij adoptieve transfer studies werd aangetoond dat deze monocytenpopulatie de voorkeur geeft aan de metastaseplaats boven de plaats van de primaire tumor48. Bovendien toonde een genexpressiestudie van invasieve TAMs, in vivo geïsoleerd uit het PyMT muismodel, aan dat deze unieke fenotypisch verschillende macrofaagpopulatie verrijkt is in genen die verband houden met embryonale en weefselontwikkeling, wat suggereert dat TAMs misschien een aantal trofische ontwikkelingsfuncties recapituleren om tumorprogressie te bevorderen. Een pathway zeer verrijkt en gevalideerd was de Wnt signalering pathway, met name Wnt7b, waarvan bekend is dat deze wordt opgewaardeerd in menselijke borsttumoren geassocieerd met gevorderde ziekte50.
Geconditioneerd medium van in vitro gedifferentieerde en M1 gepolariseerde menselijke macrofagen bleek de expressie van oestrogeenreceptor alfa door de MCF-7 borstkankercellijn te downreguleren via activering van mitogeen geactiveerd proteïnekinase (MAPK), c-terminaal Src kinase (c-Src), en proteïnekinase C (PKC). Van dit downregulatieproces is aangetoond dat het de endocriene resistentie van borstkankercellen bevordert, een zeer belangrijk kenmerk van 30% van de metastatische tumoren21. In een ander borstkankermuismodel vertoonden TAM’s weinig tumoricide activiteit, waarschijnlijk als gevolg van verminderde induceerbare stikstofoxide synthase (iNOS) expressie en stikstofmonoxide (NO) productie51. Een studie met de 4T1 uitgezaaide mammakanker van Balb/c muizen, vastgesteld in CD1-deficiënte muizen (muizen zonder natural killer T cellen, NKT, die IL-13 produceren) toonde aan dat na verwijdering van primaire tumoren de muizen onbeperkt overleefden, in tegenstelling tot wild type Balb/c muizen. Dit overlevingsvoordeel, ondanks gelijke metastatische ziekte op het moment van de operatie, was te danken aan drie immuun-bewakingsmechanismen: generatie van M1 macrofagen die iNOS tot expressie brengen, tumoricide voor 4T1 tumorcellen; snelle afname van MDSCs die T-cellen onderdrukken door arginase te produceren; en productie van geactiveerde lymfocyten. CD1-deficiënte muizen missen NKT cellen die IL-13 produceren, een cytokine belangrijk voor M2 macrofaag polarisatie. In deze muizen werd een effectieve immuunbewaking tegen gevestigde uitgezaaide ziekte bereikt door tumoricidale M1 macrofagen en lymfocyten en een verminderd aantal MDSC-cellen na verwijdering van de primaire borsttumor2. Een andere studie met het orthotope 4T1 model in immunocompetente Balb/c muizen toonde aan dat co-injectie van 4T1 cellen en beenmerg-afgeleide M2 macrofagen in mammaire vetkussentjes leidt tot verhoogde groei van de solide tumor en longmetastase. M2 macrofagen verhoogden de proliferatie van kankercellen, angiogenese, lymfangiogenese en infiltratie van bloedmonocyten52. Angiogenetisch potentieel van TAMs in borsttumoren werd verder bevestigd in CSF-1 null en CSF-1 overexpressie PyMT muismodellen53.
Zoals residente macrofagen in fysiologische borstontwikkeling de mammaire stamcel niche ondersteunen54, zouden TAMs ook borstkanker stamcel fenotypes in muriene borstkankercellen kunnen bevorderen en zo bijdragen tot meer invasieve tumoren55-57. Ook van belang voor borstkanker bij de mens zou het in vitro waargenomen vermogen van TAMs om te differentiëren in osteoclast-gelijkende cellen in omstandigheden die het botmilieu nabootsen (b.v. aanwezigheid van M-CSF, van bot afgeleide stromale cellen en 1,25-dihydroxyvitamine D3)58 kunnen zijn. Tot dusver is het echter niet duidelijk of dit ook werkelijk in vivo gebeurt. Evenmin is het duidelijk of de in het beenmerg verblijvende macrofagen of de circulerende botinvasieve monocyten of beide door de actie van borstkankercellen aan deze fenotypeveranderingen worden onderworpen.
CCL2, ook aangeduid als monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1) wordt geproduceerd door macrofagen, fibroblasten, endotheelcellen en kankercellen. Studies naar overexpressie en neutraliserende antilichamen in zowel borst- (MDA-MB231 humane cellen in naakte muizen)59,60 als prostaat- (PC3 humane cellen in SCID muizen)61 kankermodellen hebben aangetoond dat van kankercellen afgeleid CCL2, door de rekrutering van macrofagen te verhogen, kankermetastase in het bot bevordert. Verder bevorderen macrofagen, door het rekruteren en activeren van osteoclasten, waardoor de “vicieuze cirkel” wordt aangewakkerd, het aantal en de groei van botmetastasen van deze beide kankertypes.
Het is bekend dat beenmerg-afgeleide cellen, met name macrofagen, belangrijk zijn bij de ontwikkeling, groei en instandhouding van de prostaat. Bijvoorbeeld, in een studie van androgeen gemoduleerde prostaat regeneratie, werd aangetoond dat macrofagen werden gerekruteerd in de regenererende prostaat, door macrofaag kolonie stimulerende factor (M-CSF), Regulated on Activation Normal T-cell Expressed and Secreted (RANTES), en macrofaag inflammatoir proteïne 1α (MIP-1α) uitgedrukt door het regenererende weefsel. Normale en abnormale prostaatepitheelcellen synthetiseren lokaal M-CSF dat macrofagen rekruteert en induceert tot differentiatie. Er werd aangetoond dat het aantal macrofagen gecorreleerd is met de proliferatieve activiteit van prostaatepitheelcellen en aldus bijdraagt tot de regeneratie van prostaatepitheelcellen. Dit is mogelijk van belang bij pathologische aandoeningen van het prostaatweefsel zoals goedaardige prostaathyperplasie, proliferatieve ontstekingsatrofie en prostaatkanker62. Verder hebben sommige studies aangetoond dat sommige prostaatkanker cellijnen63 en uitgezaaide prostaatkankers een hoge expressie van M-CSF en een hoge TAM infiltratie vertonen64, terwijl M-CSF deficiënte muizen lagere macrofageniveaus in de prostaat hadden65.
In een orthotopisch AT-1 prostaattumormodel bij ratten, werd aangetoond dat TAMs tumor- en vaatgroei bevorderen, aangezien TAM reductie door CLO-LIP leidde tot significante reductie in tumorgroei, angiogenese en arteriogenese. Expressie van angiogene factoren zoals angiopoietine 2, CCL2, fibroblast groeifactor 2 (FGF-2), MMP-9, TGF-β, IL-1β werd verhoogd gevonden in AT-1 tumoren in vivo in vergelijking met AT-1 cellen gekweekt in vitro, wat suggereert dat ze geproduceerd werden door gezonde cellen aanwezig in de tumormassa. Met behulp van immunohistochemie bleken MMP-9 en IL-1β alleen tot expressie te komen in macrofaag-achtige cellen, hetgeen de pro-angiogene activiteit van TAM’s bevestigt.3
In een muismodel van menselijke prostaatkanker werd gesteld dat IL-6, een sterke chemoattractant voor monocyten en macrofagen, afgescheiden door PC-3 prostaatkankercellen, de agressiviteit van de gevormde kanker bevorderde door meer TAM’s naar de plaats van de tumor te rekruteren. TNF-α geproduceerd door deze TAMs stimuleerde de prostaatkankercellen om bijkomende IL-6 te produceren die in staat was om meer macrofagen aan te trekken, en zo de vicieuze cirkel in stand te houden die onontbeerlijk is voor tumorgroei en metastase. In hetzelfde muismodel leidde de depletie van TAM of het uitschakelen van IL-6 in tumorcellen tot een aanzienlijke afname van de grootte van de botlaesies, van de botlyse en van de incidentie van lymfekliermetastase66. Een soortgelijke en meer recente bevinding met betrekking tot IL-6 en prostaatkanker was de studie van Lee en collega’s67, die aantoonden dat overexpressie van BMP-6 in menselijke prostaatkankercellen leidt tot het ontstaan van castratie-resistente prostaatkanker bij muizen. De castratie-resistentie bleek te worden gemedieerd door IL-6 dat werd uitgescheiden door tumorinfiltrerende macrofagen. In dit model activeerde IL-6 de PI3K-route die leidt tot upregulering van de androgeenreceptorexpressie in de prostaatkankercellen67. Met het intratibiale PC-3 celmodel van intraossale prostaatkankermetastasegroei in naakte muizen en catepsine K (CTSK) deficiënte naakte muizen, werd aangetoond dat de groei van de botlaesie afhankelijk is van cathepsine K (CTSK). De groei van de botlaesie was aanzienlijk verminderd in afwezigheid van gastheer afgeleid CTSK. Verder werd aangetoond dat in het beenmerg verblijvende macrofagen, en niet osteoclasten, de voornaamste bronnen van CTSK zijn. Bovendien werd waargenomen dat de overvloed aan macrofagen groter was in bottumoren van wild-type muizen en gecorreleerd was met versnelde tumorgroei. Ook werd aangetoond dat CCL2 niveaus toenamen met macrofaag-afgeleide CTSK niveaus en dat overexpressie van CTSK gecorreleerd was met een toename van macrofaag en tumor afgeleide cathepsine B en COX-2 expressie, die beide betrokken zijn bij osteoclastogenese en tumoragressiviteit. Tumor dragende CTSK deficiënte muizen vertoonden lagere niveaus van VEGF expressie en verminderde angiogenese. Alles bij elkaar suggereren deze resultaten dat van macrofagen en osteoclasten afkomstige CTSK bijdragen tot kolonisatie en groei van prostaattumoren in bot68. Een studie van prostaatkanker bij de mens toonde aan dat klinische stalen van prostaattumoren zelden TAM-vrij zijn64,69. Bovendien werd aangetoond dat de interactie tussen macrofaag en prostaatkankercellen resistentie veroorzaakt tegen selectieve androgeenreceptormodulatoren (SARM’s). In deze interactie-as veroorzaakte IL-1β, afkomstig van macrofagen, de ontkoppeling van het corepressorcomplex van de nucleaire receptor van de androgeenreceptor, waardoor de SARM-effecten werden geneutraliseerd.69
De rol van TAMs in osteosarcoom, een primair botcarcinoom, is controversieel of op zijn minst afhankelijk van het tumorstadium. Net als osteoclasten, maken macrofagen in vroege stadia van tumorontwikkeling beenmerg tot een voedende omgeving voor osteosarcoomcellen, waardoor de gelokaliseerde tumorgroei wordt versterkt. In een vroeg stadium van de ontwikkeling van osteosarcoom lijken deze cellen de migratie van tumorcellen weg van het bot te verhinderen en zo metastase te voorkomen. Wanneer het tumorvolume echter toeneemt, kunnen door kankercellen afgescheiden factoren het aantal osteoclasten en de activiteit in de laesie doen dalen tot onder de drempel die nodig is om de osteoclastische niche in stand te houden. Bijgevolg wordt de invasie van kankercellen en de vorming van metastasen ondersteund in plaats van de verdere groei van de primaire tumor. Op dezelfde manier, met de toenemende hoeveelheid tumor afgescheiden factoren, kunnen de M1 macrofagen op de plaats van de primaire tumor overgaan naar het M2 fenotype, wat de vorming van metastasen verder bevordert. De verhouding tussen M1 en M2 macrofagen kan het potentieel van osteosarcoom om te metastaseren reguleren door de tumormicro-omgeving te veranderen in één die metastase-permissief is eens een drempelaantal van één van beide fenotypes bereikt is70. Een studie van menselijke hooggradige osteosarcoom pre-chemotherapie biopsies toonde aan dat TAMs in dit kankertype een heterogene populatie zijn van zowel M1 als M2 macrofagen. Het totale aantal macrofagen was geassocieerd met een goede overleving, maar M2 polarisatie was dat niet. Er werd vastgesteld dat 20% van de overgeëxpresseerde genen bij patiënten zonder metastase binnen de 5 jaar na diagnose, macrofaag-geassocieerd waren. Met name CD14 en HLA-DRA (M1 markers) waren onafhankelijk geassocieerd met metastase-vrije overleving. Het overlevingsvoordeel van hoge TAM aantallen zou gedeeltelijk te wijten kunnen zijn aan een betere respons op chemotherapie. Het doden van tumorcellen door chemotherapie resulteert in het vrijkomen van endogene gevaarsignalen die zich binden aan de patroonherkenningsreceptoren in TAM’s en hun polarisatie kunnen ombuigen van M2 naar M1 waardoor het opruimen van stervende tumorcellen wordt vergemakkelijkt en de uitgroei van metastatische tumorcellen wordt geremd71. Bovendien werd een rol voor TAMs in angiogenese en lymfangiogenese voorgesteld door een nieuw osteosarcoom muismodel, waar M-CSF remming, zoals in andere tumormodellen (b.v. borst), terwijl macrofaag rekrutering geremd wordt, de tumorvascularisatie vermindert en zo tumorgroei en metastasen vermindert72.