The role of the interaction between metastatic cells and brain endothelium in the development of brain metastases  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
100807
Type K
Principal investigator Krizbai, István Adorján
Title in Hungarian Az agyi endotélium és a daganatos sejtek kölcsönhatásának szerepe az agyi metasztázisok kialakulásában
Title in English The role of the interaction between metastatic cells and brain endothelium in the development of brain metastases
Keywords in Hungarian vér-agy gát, agyi metasztázis, agyi endotélsejt
Keywords in English blood-brain barrier, brain metastasis, brain endothelial cell
Discipline
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Ortelius classification: Neurobiology
Panel Neurosciences
Department or equivalent Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Farkas, Elek Attila
Fazakas, Csilla
Molnár, Judit
Nagyőszi, Péter
Nyúl-Tóth, Ádám
Siklós, László
Váró, György
Végh, Attila Gergely
Wilhelm, Imola
Starting date 2012-01-01
Closing date 2016-06-30
Funding (in million HUF) 32.881
FTE (full time equivalent) 14.76
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzés

Az intrakraniális tumorok legnagyobb részét az agyi metasztázisok képezik. Az agyi metasztázisok nagy többsége tüdőkarcinóma (40-50%), emlődaganat (15-25%) és malignus melanóma (5-20%) eredetű. A primér daganat sebészi eltávolítása mellett a metasztázisok képződésének visszaszorítása, csökkentése lehet az egyik legfontosabb terápiás stratégia. Mivel a központi idegrendszer nem rendelkezik nyirokkeringéssel, a tumorsejtek csupán a vérárammal képesek eljutni az agyba. Ily módon a metasztázist képző sejteknek át kell jutniuk a vér-agy gáton. Annak ellenére, hogy ezen folyamat óriási klinikai jelentőséggel bír, nagyon kevés adat áll rendelkezésünkre a daganatos sejtek transzendoteliális migrációjáról. Jelen pályázatban arra keressük a választ, hogy milyen szerepet játszik a vér-agy gát az agyi metasztázisok képződésében. A kutatás fő célja feltárni azokat a mechanizmusokat, amelyek révén a metasztatikus sejtek képesek áttörni a vér-agy gát endotéliumán, egy olyan endotélsejt rétegen, amelyet a kiemelkedő barrier tulajdonságok különböztetnek meg más endotél rétegektől. Kutatásainkat egy jól bevált in vitro vér-agy gát modellen tervezzük elvégezni, amely lehetőséget teremt a transzmigráció molekuláris aspektusainak vizsgálatára az in vivo alkalmazhatóság perspektívájával.

A kutatás alapkérdései

A vér-agy gát a központi idegrendszer védvonalának előterében van, és pályázatunk központi hipotézise, hogy a vér-agy gát kiemelkedő szerepet játszik az agyi metasztázisok kialakulásában. Annak érdekében, hogy betekintést nyerhessünk a metasztatikus sejtek vér-agy gáton történő transzmigrációjának molekuláris mechanizmusaiba a következő specifikus kérdéseket szeretnénk tanulmányozni:
1. Milyen úton/utakon jutnak át a metasztatizáló sejtek a vér-agy gáton (paracelluláris vs. transzcelluláris)?
2. Milyen proteolítikus folyamatok vesznek részt a junkcionális fehérjék lebontásában?
3. Milyen szerepe van az endoteliális Rho illetve Rac jelátviteli utaknak a metasztatikus sejtek vér-agy gáton történő transzmigrációjában? Olyan endoteliális jeltovábbítási utak azonosítását is tervezzük, amelyek metasztatikus sejtek hatására aktiválódnak az agyi endotélsejtekben.

Jelentőség

A rosszindulatú daganatok agyi metasztázisai az életet súlyosan fenyegető folyamatok, melyek terápiás lehetőségei igen korlátozottak. Mindezidáig az egyetlen alakalmazott kezelés a daganatok sebészi eltávolítása és radioterápia. Az intenzív kutatási erőfeszítések ellenére az agyi metasztázisok kezelése eredménytelennek tekinthető, amit a betegek rövid túlélése tükröz. Ezért a metasztázis képzés megakadályozása vagy csökkentése igen hatásos terápiás eszköz lehet a primér tumor sebészi eltávolítása mellett. A központi idegrendszerben leggyakrabban metasztázist képző daganatok a tüdő és emlő daganatai, valamint a melanóma. Kutatásaink azon főbb mechanizmusok feltérképezésére irányulnak, amelyek révén a metasztatikus sejtek átjutnak a vér-agy gáton. Ezek közé tartozik a barrier tulajdonságok kialakításában kulcsszerepet játszó interendoteliális junkciók szerepének tisztázása, valamint azoknak a proteolitikus folyamatoknak a feltárása, amelyek a junkcionális fehérjék lebomlásáért felelősek. Egy fontos előrelépést jelenthet azoknak a jeltovábbító folyamatoknak a megismerése, amelyek az agyi endotélsejtekben a metasztatikus sejtek hatására aktiválódnak.
A transzmigráció molekuláris hátterének megismerése mellett kísérleteink eredményei hozzájárulhatnak új terápiás célpontok azonosításához, amelyek alkalmasak lehetnek a metasztázisok kialakulását megakadályozni, vagy számukat csökkenteni.

A kutatás összefoglalója nem szakemberek számára

A rosszindulatú daganatok egyik legsúlyosabb következménye az áttétképződés; különösen igaz ez az agyi áttétekre. A leggyakrabban agyi áttétet adó daganatok közé tartozik a tüdőrák, emlőrák és a melanóma. Sajnos a modern orvostudomány fejlettsége ellenére az agyi áttétek kezelése reménytelen feladat, megjelenésük gyakran rövid időn belül a beteg elvesztéséhez vezet. Ahhoz, hogy a daganatos sejtek bejussanak az agyba, valamilyen módon át kell hatolniuk a keringés és a központi idegrendszer között elhelyezkedő vér-agy gáton. Kutatási stratégiánk arra irányul, hogy megismerhessük azoknak a folyamatoknak a molekuláris alapjait, amelyek révén a daganatos sejtek átjutnak a vér-agy gáton. A kísérleteink során megszerzett ismeretek új terápiás stratégiák kifejlesztéséhez szolgálhatnak alapul, amelyek megakadályozhatják illetve csökkenthetik a metaszázisok kialakulását.
Summary
Summary of proposed research, key goals

Brain metastases constitute a significant part of intracranial tumors. The majority of brain metastases originate from lung cancer (40-50%), breast cancer (15-25%) and malignant melanoma (5-20%). Besides surgical removal of the primary tumor suppressing or reducing the risk of metastasis formation could be one of the most effective approaches in the therapeutic strategies. Since the CNS lacks a lymphatic system, the only possibility for cancer cells to reach the brain is via the blood stream. Metastatic cells invading the CNS thus have to pass the blood-brain barrier. Despite of its clinical importance, our knowledge regarding transendothelial migration of cancer cells is very limited. The present proposal is focused on the understanding of the role of blood-brain barrier in the pathogenesis of brain metastases. Our goal is to understand key mechanisms by which metastatic cells are able to breach the endothelium of the blood-brain barrier – an endothelial layer which differs from other endothelia by its outstanding barrier capacities. For this purpose a well established in vitro model of the BBB will be used which will allow us to study molecular details of transmigration with the perspective of in vivo applications.

Research question

The blood-brain barrier is in the forefront of the defense line of the CNS and the central hypothesis of the present proposal is that the BBB plays a crucial role in the development of brain metastases. In order to get an insight in the molecular aspects of transmigration of metastatic cells through the BBB the following specific questions will be studied:
1. Identification of the principal route(s) by which metastasizing cells invade the brain through the blood-brain barrier (paracellular versus transcellular).
2. Clarification of the proteolytic mechanisms involved in the degradation of junctional proteins.
3. Understanding the role of endothelial Rho/Rac signaling in the transmigration of metastatic cells through the blood-brain barrier. Identification of potential new endothelial signaling routes activated in endothelial cells by metastatic cells.

Significance

Brain metastases of malignant tumors are life threatening pathologies with limited therapeutic options. To date treatment of choice for solitary brain metastases is surgery plus irradiation. Despite intensive investigative efforts, the treatment of brain metastases is relatively unsuccessful which is reflected by the short survival of patients. Therefore suppressing or reducing the risk of metastasis formation could be one of the most effective approaches in the therapeutic strategies besides surgical removal of the primary tumor. Tumors giving CNS metastases with the highest frequencies are lung and breast tumors and malignant melanoma. Our research is designed to unravel key mechanisms of transmigration of metastatic cells originating from these tumors through the blood-brain barrier. These include the establishment of the role of interendothelial junctions which are determining elements of the barrier properties and the identification of proteolytic processes which are responsible for the damage of junctional proteins. An important step forward in the understanding of transmigration is the identification of signaling mechanisms activated in brain endothelial cells by metastatic cells.
Besides new fundamental knowledge, the resulst of the experiments planned in this research proposal may provide cues for the identification of potentially new therapeutical targets with the aim to reduce the probability of the formation of brain metastases.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Az agyi metasztázisok kialakulása a rosszindulatú daganatok egyik legsúlyosabb szövődménye. Az agyszövetbe való bejutáshoz az áttétképző sejteknek át kell jutniuk a keringést és a központi idegrendszert egymástól elválasztó vér-agy gáton. Kutatómunkánk célja - amelynek során melanóma és emlő karcinóma sejteket vizsgáltunk - az átvándorlás molekuláris mechanizmusinak felderítése volt. Kimutattuk, hogy a Rho-kináz gátlása növeli az endotél réteghez tapadó, illetve azon átvándorló melanóma sejtek számát, ugyanakkor ez a szignalizációs útvonal nem játszik jelentős szerepet az emlőkarcinóma sejtek transzmigrációjában. A Rac vagy PI3K gátlása úgy a melanóma sejtek, mind az emlőkarcinóma sejtek adhézióját csökkenti az agyi endotéliumhoz, azonban a transzmigráció korai fázisát gátolják melanóma sejtek esetén, míg a transzmigráció későbbi lépéseit emlőkarcinóma esetén. Emellett a melanóma sejtek jobban károsítják az interendotheliális kapcsolatokat. További kísérleteink során a CB2 receptor agonistákról mutattuk ki, hogy csökkentik a daganatsejtek transzmigrációját. Munkánk során felfedeztük, hogy a tumorsejtek endotheliális-mesenchymális tranzíciót képesek indukálni az agyi endotélsejtekben, amiben fontos szerepet játszik a tumorsejtek által termelt TGF-β. Eredményeink arra utalnak, hogy jelentős eltérés lehet a különböző típusú daganetsejtek és agyi endotélsejtek interakciójában, és sikerült azonosítani olyan molekuláris mechanizmusokat, amelyek terápiás célpontokká válhatnak.
Results in English
Brain metastases are among the most severe consequences of malignant tumors. In order to reach the brain parenchyma, tumor cells have to cross the blood-brain barrier. The goal of our research was to elucidate the molecular mechanisms involved in tumor cells transmigration across the BBB. We have focused on melanoma cells and breast carcinoma cells. We have shown that inhibition of Rho-kinase decreases the adhesion and transmigration of melanoma cells across the brain endothelium, however does not influence transmigration of breast cancer cells. Inhibition of Rac or PI3K decreases the adhesion of metastatic cells to the endothelium and inhibit initial steps of transmigration of melanoma cells amnd later steps of transmigration of breast cancer cells. Moreover, melanoma cells have a more pronounce damaging effect on the interendothelial junctions than breast cancer cells. In further experiments we have demonstrated that CB2 receptor agonsists are able to reduce tumor cell transmigration. In addition we have shown that tumor cells are able to induce endothelial-mesenchymal transition in brain endothelial cells, a process in which tumor cell derived TGF-beta plays an important role. Our results indicate that there are significant differences in the transmigration of different tumor cell types across the BBB and we have identified molecular mechanisms which could serve as potential therapeutic targets.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=100807
Decision
Yes





 

List of publications

  
Imola Wilhelm, Judit Molnár, Csilla Fazakas, János Haskó, István A. Krizbai: Role of the Blood-Brain Barrier in the Formation of Brain Metastases, Int. J. Mol. Sci. 2013, 14, 1383-1411, 2013
Istvan Krizbai, Imola Wilhelm, Hans-Christian Bauer, Hannelore Bauer: The Role of Glia in the Formation and Function of the Blood-Brain Barrier, Neuroglia, Third Edition, Edited by Helmut Kettenmann and Bruce R. Ransom, Chapter 33, 2012
István Sziráki, Franciska Erdő, Péter Trampus, Mirabella Sike, Petra Magdolna Molnár, Zsuzsanna Rajnai, Judit Molnár, Imola Wilhelm, Csilla Fazakas, Emese Kis, István Krizbai, Péter Krajcsi: Extended identification of quinidine and PSC-833 as appropriate P-gp probe substrate/reference inhibitor combination in mice, J Biomol Screen. 2012 Dec 26. [Epub ahead of print], 2012
Jayapal Reddy Mallareddy, Géza Tóth, Csilla Fazakas, Judit Molnár, Péter Nagyőszi, Andrzej W. Lipkowski, István A. Krizbai, Imola Wilhelm: Transport characteristics of endomorphin-2 analogues in brain capillary endothelial cells, Chem Biol Drug Des. 2012 Apr;79(4):507-13., 2012
Servio H. Ramirez, János Haskó, Andrew Skuba, Shongshan Fan, Holly Dykstra, Ryan McCormick, Nancy Reichenbach, Istvan Krizbai, Anu Mahadevan, Ming Zhang, Ronald Tuma, Young-Jin Son, Yuri Persidsky: Activation of Cannabinoid Receptor 2 Attenuates Leukocyte–Endothelial Cell Interactions and Blood–Brain Barrier Dysfunction under Inflammatory Conditions, J Neurosci. 2012 Mar 21;32(12):4004-16., 2012
Hornok V, Bujdosó T, Toldi J, Nagy K, Demeter I, Fazakas C, Krizbai I, Vécsei L, Dékány I.: Preparation and properties of nanoscale containers for biomedical application in drug delivery: preliminary studies with kynurenic acid, J Neural Transm. 2012 Feb;119(2):115-21., 2012
Attila G. Végh, Csilla Fazakas, Krisztina Nagy, Imola Wilhelm, Judit Molnár, István A. Krizbai, Zsolt Szegletes, György Váró: Adhesion and stress relaxation forces between melanoma and cerebral endothelial cells, Eur Biophys J. 2012 Feb;41(2):139-45., 2012
István Sziráki, Franciska Erdő, Péter Trampus, Mirabella Sike, Petra Magdolna Molnár, Zsuzsanna Rajnai, Judit Molnár, Imola Wilhelm, Csilla Fazakas, Emese Kis, István Krizbai, Péter Krajcsi: Extended identification of quinidine and PSC-833 as appropriate P-gp probe substrate/reference inhibitor combination in mice, J Biomol Screen. 2013 Apr;18(4):430-40., 2013
Bálint Z, Zabini D, Konya V, Nagaraj C, Végh AG, Váró G, Wilhelm I, Fazakas C, Krizbai IA, Heinemann A, Olschewski H, Olschewski A.: Double-stranded RNA attenuates the barrier function of human pulmonary artery endothelial cells., PLoS One. 2013 Jun 3;8(6):e63776., 2013
Traweger A, Toepfer S, Wagner RN, Zweimueller-Mayer J, Gehwolf R, Lehner C, Tempfer H, Krizbai I, Wilhelm I, Bauer HC and Bauer H.: Beyond cell-cell adhesion: Emerging roles of the tight junction scaffold ZO-2., Tissue Barriers 1:2, e25039; April/May/June 2013;, 2013
Wilhelm I, Fazakas C, Molnár J, Haskó J, Végh AG, Cervenak L, Nagyőszi P, Nyúl-Tóth A, Farkas AE, Bauer H, Guillemin GJ, Bauer HC, Váró G, Krizbai IA.: Role of Rho/ROCK signaling in the interaction of melanoma cells with the blood-brain barrier., Pigment Cell Melanoma Res. 2014 Jan;27(1):113-23., 2014
Wilhelm I, Fazakas C, Molnár J, Haskó J, Végh AG, Cervenak L, Nagyőszi P, Nyúl-Tóth A, Farkas AE, Bauer H, Guillemin GJ, Bauer HC, Váró G, Krizbai IA.: Role of Rho/ROCK signaling in the interaction of melanoma cells with the blood-brain barrier., Pigment Cell Melanoma Res. 2014 Jan;27(1):113-23., 2014
Kosson A, Krizbai I, Lesniak A, Beresewicz M, Sacharczuk M, Kosson P, Nagyoszi P, Wilhelm I, Kleczkowska P, Lipkowski AW: Role of the blood-brain barrier in differential response to opioid peptides and morphine in mouse lines divergently bred for high and low swim stress-induced analgesia., Acta Neurobiol Exp 2014;74(1):26-32., 2014
Haskó J, Fazakas C, Molnár J, Nyúl-Tóth Á, Herman H, Hermenean A, Wilhelm I, Persidsky Y, Krizbai IA.: CB2 receptor activation inhibits melanoma cell transmigration through the blood-brain barrier., Int J Mol Sci. 2014 May 8;15(5):8063-74. doi: 10.3390/ijms15058063., 2014
Hajdu Z, Haskó J, Krizbai IA, Wilhelm I, Jedlinszki N, Fazakas C, Molnár J, Forgo P, Hohmann J, Csupor D.: Evaluation of Lignans from Heliopsis helianthoides var. scabra for Their Potential Antimetastatic Effects in the Brain., J Nat Prod. 2014 Dec 26;77(12):2641-50. doi: 10.1021/np500508y., 2014
Bauer HC, Krizbai IA, Bauer H, Traweger A.: "You Shall Not Pass"-tight junctions of the blood brain barrier., Front Neurosci. 2014 Dec 3;8:392. doi: 10.3389/fnins.2014.00392., 2014
Wilhelm I, Fazakas C, Tamás A, Tóth G, Reglődi D, Krizbai IA.: PACAP enhances barrier properties of cerebral microvessels., J Mol Neurosci. 2014 Nov;54(3):469-76. doi: 10.1007/s12031-014-0260-4., 2014
Wilhelm I, Krizbai IA.: In vitro models of the blood-brain barrier for the study of drug delivery to the brain., Mol Pharm. 2014 Jul 7;11(7):1949-63. doi: 10.1021/mp500046f., 2014
Wilhelm I, Krizbai IA.: Functional characteristics of brain tumor vascularization., Brain Mapping: An Encyclopedic Reference. (Editor: A.W. Toga), Elsevier, Chapter 134 (in press)., 2015
Wilhelm I, Fazakas C, Molnár J, Haskó J, Végh AG, Cervenak L, Nagyőszi P, Nyúl-Tóth A, Farkas AE, Bauer H, Guillemin GJ, Bauer HC, Váró G, Krizbai IA.: Role of Rho/ROCK signaling in the interaction of melanoma cells with the blood-brain barrier., Pigment Cell Melanoma Res. 2014 Jan;27(1):113-23., 2014
Kosson A, Krizbai I, Lesniak A, Beresewicz M, Sacharczuk M, Kosson P, Nagyoszi P, Wilhelm I, Kleczkowska P, Lipkowski AW: Role of the blood-brain barrier in differential response to opioid peptides and morphine in mouse lines divergently bred for high and low swim stress-induced analgesia., Acta Neurobiol Exp 2014;74(1):26-32., 2014
Haskó J, Fazakas C, Molnár J, Nyúl-Tóth Á, Herman H, Hermenean A, Wilhelm I, Persidsky Y, Krizbai IA.: CB2 receptor activation inhibits melanoma cell transmigration through the blood-brain barrier., Int J Mol Sci. 2014 May 8;15(5):8063-74. doi: 10.3390/ijms15058063., 2014
Hajdu Z, Haskó J, Krizbai IA, Wilhelm I, Jedlinszki N, Fazakas C, Molnár J, Forgo P, Hohmann J, Csupor D.: Evaluation of Lignans from Heliopsis helianthoides var. scabra for Their Potential Antimetastatic Effects in the Brain., J Nat Prod. 2014 Dec 26;77(12):2641-50. doi: 10.1021/np500508y., 2014
Wilhelm I, Fazakas C, Tamás A, Tóth G, Reglődi D, Krizbai IA.: PACAP enhances barrier properties of cerebral microvessels., J Mol Neurosci. 2014 Nov;54(3):469-76. doi: 10.1007/s12031-014-0260-4., 2014
Krizbai IA, Gasparics Á, Nagyőszi P, Fazakas C, Molnár J, Wilhelm I, Bencs R, Rosivall L, Sebe A: Endothelial-mesenchymal transition of brain endothelial cells: possible role during metastatic extravasation., PLoS One 2015 Mar 5;10(3):e0119655. doi: 10.1371/journal.pone.0119655., 2015
Nagyőszi P, Nyúl-Tóth Á, Fazakas C, Wilhelm I, Kozma M, Molnár J, Haskó J, Krizbai IA.: Regulation of NOD-like receptors and inflammasome activation in cerebral endothelial cells., J Neurochem. 2015 Nov;135(3):551-64. doi: 10.1111/jnc.13197., 2015
Burkhart A, Thomsen LB, Thomsen MS, Lichota J, Fazakas C, Krizbai I, Moos T.: Transfection of brain capillary endothelial cells in primary culture with defined blood-brain barrier properties., Fluids Barriers CNS. 2015 Aug 7;12:19. doi: 10.1186/s12987-015-0015-9., 2015
Molnár J, Fazakas C, Haskó J, Sipos O, Nagy K, Nyúl-Tóth Á, Farkas AE, Végh AG, Váró G, Galajda P, Krizbai IA, Wilhelm I.: Transmigration characteristics of breast cancer and melanoma cells through the brain endothelium: role of Rac and PI3K., ell Adh Migr. 2015 Dec 8:0. [Epub ahead of print], 2016
Molnár J, Fazakas C, Haskó J, Sipos O, Nagy K, Nyúl-Tóth Á, Farkas AE, Végh AG, Váró G, Galajda P, Krizbai IA, Wilhelm I.: Transmigration characteristics of breast cancer and melanoma cells through the brain endothelium: role of Rac and PI3K., ell Adh Migr. 2015 Dec 8:0. [Epub ahead of print], 2016
Wilhelm I, Nyúl-Tóth A, Suciu M, Hermenean A Krizbai IA: Heterogeneity of the blood-brain barrier, Tissue Barriers, 2016
Varga N, Csapó E, Majláth Z, Ilisz I, Krizbai IA, Wilhelm I, Knapp L, Toldi J, Vécsei L, Dékány I.: Targeting of the kynurenic acid across the blood-brain barrier by core-shell nanoparticles., Eur J Pharm Sci, 2016
Gasparics Á, Rosivall L, Krizbai IA, Sebe A.: When the endothelium scores an own goal: endothelial cells actively augment metastatic extravasation through endothelial-mesenchymal transition, Am J Physiol Heart Circ Physiol., 2016
Nyúl-Tóth Á, Suciu M, Molnár J, Fazakas C, Haskó J, Herman H, Farkas AE, Kaszaki J, Hermenean A, Wilhelm I, Krizbai IA.: Differences in the molecular structure of the blood-brain barrier in the cerebral cortex and white matter: an in silico, in vitro and ex vivo study., Am J Physiol Heart Circ Physiol., 2016




 

Events of the project

  
2016-03-15 19:30:52
Résztvevők változása
2014-03-04 13:29:54
Résztvevők változása
2013-01-23 14:44:15
Résztvevők változása



Back »