Mechanistic studies on the role of extracellular vesicles in the tumor microenvironment

Abstract

The transition from normal into malignant cells with acquired uncontrolled growth is a process where cancer cells viciously develop adaptive strategies to overcome microenvironmental and metabolic stress. Hypoxia, or deficient oxygen supply, is a common feature of the expanding tumor which alters cell metabolism and consecutively causes lowered intracellular pH. To alleviate hypoxic and acidotic stress, cancer cells respond by promoting blood vessel formation, angiogenesis, and by activating mechanisms for increased acid-base control. These adaptive processes involve complex modes of cell communication in the tumor microenvironment.

The aim of this thesis was to investigate the role of extracellular vesicles (EVs) in the hypoxic tumor microenvironment and the mechanisms by which EVs mediate cell-cell communication as well as regulatory aspects of hypoxia-induced acidosis. In the first part (papers I and II), we provide new insights into the mechanisms of EV transfer between cells. It is demonstrated that a significant proportion of cancer cell-derived EVs is transferred into recipient cells by binding to the glycan chains of the cell surface receptors, heparan sulfate proteoglycans (PGs). We further show that EVs are internalized through a lipid raft-mediated endocytosis pathway negatively regulated by caveolin-1. In the second part (papers III and IV), we show that EVs originating from hypoxic cancer cells exhibit a specific molecular profile and induce a more pronounced pro-angiogenic response in endothelial recipient cells and in an in vivo tumor model as compared to normoxia-derived EVs. EVs may thus serve as biomarkers wherein tumor specific conditions, such as hypoxia, are reflected. Finally, we found that EVs may constitute a functionally active route for the release of the major pH regulatory enzyme, carbonic anhydrase IX (CAIX). Molecular studies revealed that CAIX in cells and in EVs can be substituted with specific glycosaminoglycan chains, defining CAIX as a part-time PG.

These findings advance our understanding of the role of EV-dependent signaling in the tumor microenvironment. Data presented in this thesis identify molecular mechanisms by which EVs mediate cell-cell communication that constitute potential targets for therapeutic interventions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cancerceller är celler som på grund av mutationer, felaktigheter i cellernas DNA, har erhållit förmågan att dela sig ohämmat. Celler behöver tillgång till syre och näring för att överleva, vilket levereras via kroppens blodkärl. Den snabba tillväxten av tumörvävnad leder dock till att befintlig blodtillförsel inte räcker till och delar av tumörerna drabbas därför av syrebrist, så kallad hypoxi. Hypoxiska cancerceller signalerar då till omgivande blodkärlsceller att börja bilda nya kärl för att förbättra blodtillförseln. Cancercellerna har även utvecklat andra mekanismer för att hantera syrebrist. Genom att t.ex. ställa om sin ämnesomsättning till en ökad nedbrytning av socker kan de generera nödvändig energi på ett sätt som inte kräver tillgång till syre. Dessvärre leder nedbrytning av socker till en överproduktion av restprodukter som gör cellerna sura. Karbanhydras IX (CAIX) är ett enzym som hjälper celler att reglera mängden sura ämnen. CAIX finns i förhöjda nivåer i tumörvävnad vilket är kopplat till sämre prognos i många cancertyper. CAIX är således ett tänkbart mål för cancerterapi och det är därför viktigt att förstå hur CAIX regleras i tumören.

Cancercellerna anpassar sig alltså efter den ogästvänliga miljön som råder i tumören och kommunicerar med de omgivande cellerna, t.ex. blodkärlsceller, för att på bästa sätt justera sina förutsättningar för tillväxt till det bättre. Celler kommunicerar genom att skicka olika signalsubstanser till varandra, dessa kan liknas vid små brev med instruktioner till mottagarcellen om hur de ska bete sig. En typ av cellkommunikation som nyligen upptäckts sker via frisättning av små membranomslutna blåsor, så kallade extracellulära vesikler (EVs). Till skillnad från en enskild signalsubstans innehåller EVs en stor mängd molekylär information och kan liknas vid stora paket med instruktioner. EVs som skickas från tumörceller har visat sig bidra till en ökad blodkärlsbildning och tumörtillväxt. Vad som påverkar vesiklernas innehåll och hur det överförs till mottagarceller är inte helt känt. Detta avhandlingsarbete har undersökt hur EVs från cancerceller tas emot av mottagarceller. EVs påverkan på blodkärlsbildning och reglering av sura ämnen har även studerats samt hur detta påverkas av hypoxi.



Överföring av extracellulära vesikler mellan celler



Vi har funnit en process där kolesterolrika regioner i cellens membran är viktiga för att EVs ska tas in i mottagarcellen över cellens membran. Proteinet Caveolin-1, som finns i dessa membranregioner, visade sig kontrollera upptaget så att mindre EVs tas upp. Det är tidigare visat att denna typ av region i cellens membran kan fungera som centrum för bildning av EVs. De kolesterolrika membranregionerna fungerar på så sätt som en slags postcentral för mottagning och utskick av paket med information.

Vidare har vi identifierat ett sorts cellyteprotein, heparansulfate-proteoglykaner (HSPGs), som en viktig mottagare för upptag av EVs. EVs fastnar på långa, negativt laddade sockerkedjor som sitter på HSPGs, vilket gör att HSPGs tar med sig den bundna vesikeln in i cellen. Det visade sig också att det väletablerade läkemedlet heparin, som liknar sockerkedjorna på HSPGs, kan hämma en stor del av EV-upptaget i celler och sannolikt även deras tumörstimulerande effekter, genom att konkurreara med bindningen mellan EVs och HSPG.



Syrebrist påverkar extracellulära vesiklers innehåll och funktion



I den andra delen av detta avhandlingsarbete studerade vi hur hypoxi påverkar innehållet i EVs och hur EVs från hypoxiska cancerceller påverkar mottagarceller jämfört med EVs från normalt syresatta celler. Experiment med blodkärlsceller visade att hypoxiska EVs får cellerna att efterlikna processer som förekommer vid blodkärlsbildning i större utsträckning än normala EVs. Hypoxiska EVs kan alltså öka tumörens förmåga att nybilda blodkärl och på så sätt även dess tillväxt. Vissa molekyler som enbart fanns i hypoxiska EVs återfanns även i EVs som isolerades från cancerpatienters blod, vilket kan innebära en möjlig användning av EVs som markörer för cancersjukdom. Vi upptäckte även att CAIX transporteras på EVs från cancerceller. Frisättning av CAIX via EVs kan på så sätt reglera nivån av sura ämnen, på avstånd från celler som uttrycker CAIX. EVs skulle därmed kunna bidra till en bättre tumör miljö och på så sätt gynna tumörens förutsättningar för fortsatt tillväxt.

Sammanfattningsvis har vi kartlagt en rad processer som styr hur cancercellerna påverkar sin omgivning med hjälp av EVs samt identifierat viktiga komponenter som kontrollerar cellens upptag av EVs. Detta utgör en viktig funktion i överföring av information mellan celler i tumörvävnaden, vilken skulle kunna utnyttjas för att förhindra en central del av cancercellernas kommunikation. Resultaten som presenteras i den här avhandlingen belyser även möjligheter att använda EVs för att få information om tumörens tillstånd, något som är viktigt för att kunna avgöra patienternas prognos och hur de svarar på olika behandlingar.

• author: Christianson, Helena
• supervisor: Mattias Belting; Erik Eklund
• opponent: Professor Rak, Janusz, McGill University, Montreal Children’s Hospital, Montreal, Canada
• organization: Tumor microenvironment
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: microvesicle, exosome, Key words Extracellular vesicle, glioblastoma, hypoxia, angiogenesis, acidosis, proteoglycan, endocytosis, carbonic anhydrase IX, biomarker.
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2014:149
• pages: 96 pages
• defense location: Lecture room at Strålbehandlingshuset, Klinikgatan 5, Lund
• defense date: 2014-12-19 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-078-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 1f7944c9-9d7e-4d44-b129-779b0986f009 (old id 4814870)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:21:57
• date last changed: 2023-04-18 20:38:36