Role of the neural environment in the transmigration of melanoma cells through the blood-brain barrier  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
100958
Type PD
Principal investigator Wilhelm, Imola
Title in Hungarian Az idegrendszeri környezet szerepe a melanóma sejtek vér-agy gáton való átvándorlásában
Title in English Role of the neural environment in the transmigration of melanoma cells through the blood-brain barrier
Keywords in Hungarian melanóma, vér-agy gát, agyi metasztázis, vándorlás
Keywords in English melanoma, blood-brain barrier, cerebral metastasis, transmigration
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Starting date 2012-04-01
Closing date 2015-12-31
Funding (in million HUF) 23.744
FTE (full time equivalent) 3.21
state closed project
Summary in Hungarian
Összefoglaló szakemberek számára
A melanóma rendelkezik a daganatok közül a legnagyobb központi idegrendszeri affinitással. Ennek okai azonban, az óriási klinikai jelentőség ellenére, nem tisztázottak.
Az agyszövetbe való eljutáshoz az áttétképző sejteknek át kell törniuk az agyi kapillárisokat bélelő endotél sejteken, amelyek a vér-agy gát legfontosabb alkotóelemei. Ez a folyamat az agyi áttétek képződésének egyik kulcsfontosságú lépése. Keveset tudunk azonban a melanóma sejtek és agyi endotél sejtek közötti kölcsönhatásról. Ezen mechanizmusok megértése megválaszolhatná a kérdést, hogy miért az agy a melanóma metasztázisok legfontosabb célpontja.
Ismert tény, hogy az idegrendszeri környezet fontos szerepet játszik a már kialakult melanóma áttétek védelmében és növekedésében. Ezen folyamatban az asztrociták és a neurotrofinok különleges jelentőséggel bírnak.
Annak tisztázására, hogy az idegrendszeri környezet specifikus elemeinek szerepe van-e a melanóma sejtek vér-agy gáton való átvándorlásában is, egy in vitro modellre van szükség. Meg szeretnénk vizsgálni az asztrociták, periciták és neuronok, valamint az általuk termelt szolubilis faktorok, pl. a neurotrofinok szerepét. Ugyanakkor az agyi endotél sejtek által expresszált neurotrofinok és neurotrofin receptorok hatását is tanulmányozni fogjuk.

Alapkérdés
A melanóma sejtek vér-agy gáton való átjutása a központi idegrendszeri metasztázisok képződésének egyik fő lépése. Fiziológiás körülmények között ez a gát annyira szorosan zár, hogy még az ionok sem vándorolhatnak szabadon a két oldal között. Tekintve, hogy a többi szervben a kapillárisok fenesztráltak, ezáltal sokkal átjárhatóbbak oldott anyagok és sejtes elemek számára is, különösen érdekes kérdés annak tisztázása, hogy miért vándorolnak a melanóma sejtek preferenciálisan a központi idegrendszerbe.
A kísérleti terv alapját az a központi hipotézis képezi, miszerint a neurális környezetnek szerepe van a melanóma sejtek vér-agy gáton való átvándorlásában. Egy in vitro kísérletes rendszer segítségével szeretnénk részletesen megvizsgálni, hogy milyen szerepe van az agyi eredetű sejteknek és szolubilis faktoroknak ebben a folyamatban, három fő kérdére fókuszálva:
1. Milyen szereppel bírnak a periciták, asztrociták, illetve neuronok a melanóma sejtek agyi endotél rétegen való átjutásában?
2. Milyen szerepe van az agyi eredetű sejtek által termelt szolubilis faktoroknak ezen folyamatban?
3. Mi a szerepe az agyi endotél sejtek által expresszált neurotrofinoknak és neurotrofin receptoroknak a melanóma sejtek vér-agy gáton való átvándorlásában?
Ezen kísérletek eredményei hozzájárulhatnak azon mechanizmusok megértéséhez, amelyek szerepet játszanak a melanóma agyi metasztázisainak kialakulásában.

Jelentőség
A melanóma az összes bőrdaganatok csupán 4%-át teszi ki, azonban a bőrdaganatok által okozott halálesetek 74%-áért felelős. A melanóma egyik fő jellemzője a korai metasztázis képzés, és ezen folyamat igen gyakran érinti a központi idegrendszert. A széleskörű terápiás erőfeszítések ellenére a melanómás betegek 95%-ában az agyi metasztázisok vezetnek a halálhoz, és az átlagos túlélés 1 év alatt van. Figyelembe véve ezen nagyon rossz prognosztikai mutatókat, döntő fontosságú lenne a melanóma agyi metasztázisképző mechanizmusainak tisztázása, és ennek segítségével új megelőzési stratégiák kidolgozása.
A tumorsejtek sikeres agyi inváziójának egyik alapvető lépése az agyi kapillárisokon való átvándorlás. Mivel a központi idegrendszerben a mikroerek endotél sejtjei sokkal szorosabban kapcsolódnak egymáshoz, mint a többi szervben, még meglepőbb, hogy a melanóma sejtek preferenciálisan az agyba képeznek metasztázisokat. Az idegrendszeri környezetnek, vagyis az agyi sejteknek és szolubilis faktoroknak, fontos szerepe lehet a melanóma sejtek agyi endotél sejteken való átvándorlásában.
Annak tisztázása, hogy ebben a folyamatban milyen szereppel bírnak az asztrociták, periciták és neuronok, az ezen sejtek által termelt szolubilis faktorok, valamint az agyi endotél sejtek által expresszált neurotrofinok és neurotrofin receptorok, hozzájárulhat a központi idegrendszeri metasztázisok kialakulásának megértéséhez. Ezáltal kísérleteink olyan stratégiák alapjainak kidolgozásához szolgáltathatnak adatokat, amelyeknek célja a melanóma agyi metasztázisainak megelőzése, illetve előfordulási gyakoriságának csökkentése.

Összefoglaló laikusok számára
A melanóma a bőr pigmenttermelő sejtjeiből kiinduló rosszindulatú tumor. Annak ellenére, hogy a bőrből kiinduló daganatoknak csupán 4%-át teszi ki, a bőrdaganatok által okozott halálesetek 74%-áért felelős. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy a melanóma igen gyakran ad agyi áttéteket, amelyeknek kezelése annyira sikertelen, hogy az átlagos túlélés 1 év alatt van. Mindezeket figyelembe véve fontos lenne megakadályozni, megelőzni azt, hogy a melanóma sejtek bejussanak az agyba.
Az áttétképzés egyik fontos lépése a tumor sejtek átvándorlása az erek falán a keringésből az agyszövetbe. A központi idegrendszeri ereket bélelő sejtek, az úgynevezett agyi endotél sejtek, olyan különleges tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek révén az agyban található kapillárisok sokkal kevésbé átjárhatóak oldott anyagok és sejtek számára, mint bármilyen más szervben. Ezért különösen meglepő, hogy a melanóma sejtek preferenciálisan az agyban képeznek metasztázisokat.
Azt feltételezzük, hogy a melanóma sejtek agyi ereken való átvándorlásában fontos szerepe van az idegrendszeri környezetnek. Kísérleteinkkel arra keresssük a választ, hogy milyen hatással vannak erre a folyamatra az agyi eredetű sejtek (gliasejtek, periciták és neuronok), az ezen sejtek által termelt specifikus faktorok, amelyek közül egyeseket az agyi endotél sejtek is termelnek.
Ezen kérdések tisztázása hozzájárulhat olyan megelőzési módszerek kidolgozásához, amelyek csökkenthetik az agyi metasztázisok számát, illetve késleltethetik azok kialakulását melanómás betegeknél.
Summary
Summary of proposed research including key goals for scientifically qualified assessors
Malignant melanoma has the highest propensity of all cancers to metastasize to the central nervous system (CNS). Despite the great clinical importance, the background of the high affinity of melanoma cells to the CNS is not clear.
In order to reach the brain parenchyma metastatic melanoma cells have to cross the blood-brain barrier (BBB) formed by endothelial cells of cerebral capillaries. This is a key step in cerebral metastasis formation; however, little is known about the interaction of melanoma cells with cerebral endothelial cells (CECs). Understanding the mechanisms of this process could answer the question why the brain is the principal metastatic target of melanoma.
It is well documented that the neural environment plays a key role in the protection and growth of already formed melanoma brain metastases. In this respect astrocytes and neurotrophins (NTs) have special importance.
Clarification whether specific elements of the neural environment are involved in the migration of melanoma cells through the BBB as well requires an in vitro approach. We will focus on the study of the role of astrocytes, pericytes, neurons and soluble factors secreted by them, including neurotrophins. We will also study the role of NTs and NT receptors expressed by CECs.

Research question
Migration of melanoma cells through the BBB is one of the main steps of metastasis formation into the CNS. In physiological conditions the tightness of the barrier prevents even ions to freely pass from one side to the other. Since capillaries of other organs are fenestrated, therefore much permeable to solutes and cellular elements, it is of special interest to elucidate why melanoma cells preferentially migrate into the CNS.
Our hypothesis is that the neural environment influences the transmigration of melanoma cells through the BBB. Using an in vitro experimental setup we will conduct a detailed analysis for clarifying the role of brain-derived cells and soluble factors in this process, focusing on three main questions:
1. What is the role of cellular elements of the brain (pericytes, astrocytes and neurons) in the transendothelial migration of melanoma cells into the brain?
2. What is the role of specific soluble factors released by brain-derived cells in this process?
3. What is the role of neurotrophins and neurotrophin receptors expressed by CECs in the migration of melanoma cells through the BBB?
Results of the experiments proposed in this project may contribute to the understanding of the mechanisms of melanoma brain metastasis development.

Significance of the research
Malignant melanoma represents only 4% of all skin cancers; however, it is responsible for about 74% of skin cancer deaths. One of the main characteristics of melanomas is the formation of early metastases, and CNS involvement is a common feature of metastatic melanoma. Despite extensive therapeutical efforts, brain metastases contribute to death in nearly 95% of melanoma patients, with a median survival of less than 1 year. Considering this very poor prognosis, it would be of crucial importance to understand the mechanisms of melanoma cerebral metastasis formation and to find novel preventive strategies.
Successful invasion into the CNS by tumour cells must include transmigration through brain capillaries. Since the junctional complexes between endothelial cells in brain microvessels are much tighter than in other organs, it is even more surprising how melanoma cells can preferentially extravasate into the CNS. The neural environment, including brain-derived soluble factors and cells could play an important role in this process.
Clarifying the role of astrocytes, neurons and pericytes, factors secreted by these cells and neurotrophins and neurotrophin receptors expressed by cerebral endothelial cells will contribute to improve our understanding of melanoma metastasis formation in the CNS. Therefore, our results might potentially provide a rationale for the development of strategies aiming at preventing or reducing the rate of melanoma brain metastasis occurrence.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A melanóma rendelkezik a daganatok közül a legnagyobb központi idegrendszeri affinitással. Ennek okai azonban, az óriási klinikai jelentőség ellenére, nem tisztázottak. Az agyszövetbe való eljutáshoz az áttétképző sejteknek át kell törniuk az agyi kapillárisokat bélelő endotélsejteken, amelyek a vér-agy gát legfontosabb alkotóelemei. Ismert tény, hogy az idegrendszeri környezet fontos szerepet játszik a már kialakult melanóma áttétek védelmében és növekedésében. Kísérleteinkben arra kerestük a választ, hogy az idegrendszeri környezet specifikus elemeinek van-e szerepe a melanómasejtek vér-agy gáton való átvándorlásában is. Eredményeink alapján az asztrociták és a periciták – a gát szorosságának növelése révén – gátolják a melanómasejtek átvándorlását az agyi endotéliumon in vitro. Ugyanakkor az NT3 és NT4/5 neurotrofinok elősegítik ezt a folyamatot. Ezzel ellentétben, a CB2 kannabinoid receptorok aktiválása csökkenti az agyi endotélsejteken átjutó melanómasejtek számát. Azt is igazoltuk, hogy a melanómasejtek az emlőkarcinóma sejtekhez viszonyítva fokozott átvándorlási képességgel rendelkeznek a vér-agy gáton. Ebben a melanómasejtek által termelt szerin proteázoknak, illetve az agyi endotélsejtek közötti junkciók lebontásának lehet szerepe. A Rho-kinázok gátlása fokozza a melanómasejtek átvándorlását a vér-agy gáton, míg a Rac és a PI3K útvonalak gátlása csökkenti úgy a melanóma-, mint az emlőkarcinómasejtek átjutását.
Results in English
Melanoma has the highest propensity to metastasize to the central nervous system (CNS). Despite the great clinical importance, the background of the high affinity of melanoma cells to the CNS is not clear. In order to reach the brain parenchyma metastatic cells have to cross the blood-brain barrier (BBB) formed by cerebral endothelial cells (CECs). It is well documented that the neural environment plays a key role in the protection and growth of already formed melanoma brain metastases. Our aim was to understand the role of the neural environment in the extravasation of melanoma cells into the brain. According to our results, both pericytes and astrocytes strengthened the barrier function of CECs, and as a consequence, reduced the number transmigrating tumor cells. On the other hand, NT3 or NT4/5 neurotrophins increased, while activation of CB2 receptors decreased the number of melanoma cells migrating through CECs. In addition, melanoma cells proved to have higher ability to migrate through the brain endothelium than invasive mammary carcinoma cells. This seems to partly depend on proteolytic mechanisms and the increased ability of melanoma cells to impair the junctional complex of CECs. Moreover, ROCK inhibition increased the number of melanoma cells migrating through brain endothelial monolayers. On the other hand, inhibition of Rac or PI3K impeded the transendothelial migration of both breast cancer and melanoma cells.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=100958
Decision
Yes





 

List of publications

  
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, Cell Adh Migr [Epub ahead of print], 2016
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. 135:551-64, 2015
Wilhelm I, Krizbai IA: Functional characteristics of brain tumor vascularization, Brain Mapping: An Encyclopedic Reference. (Editor: A.W. Toga), Elsevier, Chapter 134, pp. 1075-9, 2015
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 10: (3) e0119655, 2015, 2015
Wilhelm I, Fazakas C, Molnar J, Hasko J, Vegh AG, Cervenak L, Nagyoszi P, Nyul-Toth A, Farkas AE, Bauer H, Guillemin GJ, Bauer HC, Varo G, Krizbai IA: Role of Rho/ROCK signaling in the interaction of melanoma cells with the blood-brain barrier, PIGM CELL MELANOMA R 27: (1) 113-123, 2014
Wilhelm I, Fazakas C, Tamás A, Tóth G, Reglodi D, Krizbai IA: PACAP Enhances Barrier Properties of Cerebral Microvessels, J MOL NEUROSCI 54:469-76, 2014
Wilhelm I, Krizbai IA: In vitro models of the blood-brain barrier for the study of drug delivery to the brain., MOL PHARM 11:1949-63, 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 of opioid peptides and morphine in mouse lines divergently bred for high and low swim stress-induced analgesia, ACTA NEUROBIOL EXP 74: 26-32, 2014
Hasko J, Fazakas C, Molnar J, Nyul-Toth A, 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 15: (5) 8063-8074, 2014
Hajdu Zsanett, Haskó János, Krizbai Istvan, Wilhelm Imola, Jedlinszki Nikoletta, Csilla Fazakas, Molnár Judit, Forgo Peter, Hohmann Judit, Csupor Dezső: Evaluation of Lignans from Heliopsis helianthoides var. scabra for Their Potential Antimetastatic Effects in the Brain, J NAT PROD 77: (12) 2641-2650, 2014
Mallareddy JR, Tóth G, Fazakas C, Molnár J, Nagyőszi P, Lipkowski AW, Krizbai IA, Wilhelm I: Transport characteristics of endomorphin-2 analogues in brain capillary endothelial cells, Chem Biol Drug Des. 79:507-13, 2012
Krizbai I, Wilhelm I, Bauer HC, Bauer H: The role of glia in the formation and function of the blood-brain barrier, Neuroglia 3rd ed. (Editors: H. Kettenman, B.R. Ransom), Oxford University Press, Chapter 33, pp. 417-29, 2013
Sziráki I, Erdo F, Trampus P, Sike M, Molnár PM, Rajnai Z, Molnár J, Wilhelm I, Fazakas C, Kis E, Krizbai I, Krajcsi P: The Use of Microdialysis Techniques in Mice to Study P-gp Function at the Blood-Brain Barrier, J Biomol Screen. 18:430-40, 2013
Wilhelm I, Molnár J, Fazakas C, Haskó J, Krizbai IA: Role of the blood-brain barrier in the formation of brain metastases, Int J Mol Sci. 14:1383-411, 2013
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 of opioid peptides and morphine in mouse lines divergently bred for high and low swim stress-induced analgesia, ACTA NEUROBIOL EXP 74: 26-32, 2014
Wilhelm I, Fazakas C, Molnar J, Hasko J, Vegh AG, Cervenak L, Nagyoszi P, Nyul-Toth A, Farkas AE, Bauer H, Guillemin GJ, Bauer HC, Varo G, Krizbai IA: Role of Rho/ROCK signaling in the interaction of melanoma cells with the blood-brain barrier, PIGM CELL MELANOMA R 27: (1) 113-123, 2014
Wilhelm I, Fazakas C, Tamás A, Tóth G, Reglodi D, Krizbai IA: PACAP Enhances Barrier Properties of Cerebral Microvessels, J MOL NEUROSCI &: 1-8, 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
Balint Z, Zabini D, Konya V, Nagaraj C, Vegh AG, Varo 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 8: (6) , 2013
Traweger A, Toepfer S, Wagner RN, Zweimueller-Mayer J, Gehwolf R, Lehner C, Tempfer H, Krizbai I, Wilhelm I, Bauer HC, Bauer H: Beyond cell-cell adhesion: Emerging roles of the tight junction scaffold ZO-2, TISSUE BARRIERS 1: (2) , 2013
Hajdu Zsanett, Haskó János, Krizbai Istvan, Wilhelm Imola, Jedlinszki Nikoletta, Csilla Fazakas, Molnár Judit, Forgo Peter, Hohmann Judit, Csupor Dezső: Evaluation of Lignans from Heliopsis helianthoides var. scabra for Their Potential Antimetastatic Effects in the Brain, J NAT PROD 77: (12) 2641-2650, 2014
Hasko J, Fazakas C, Molnar J, Nyul-Toth A, 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 15: (5) 8063-8074, 2014
Wilhelm I, Molnár J, Fazakas C, Haskó J, Krizbai IA: Role of the blood-brain barrier in the formation of brain metastases, Int J Mol Sci. 14:1383-411, 2013
Krizbai I, Wilhelm I, Bauer HC, Bauer H: The role of glia in the formation and function of the blood-brain barrier, Neuroglia 3rd ed. (Editors: H. Kettenman, B.R. Ransom), Oxford University Press, Chapter 33, pp. 417-29, 2012



Back »