 |
Role of serine proteases and serpins in the formation of breast cancer brain metastases
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121130 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Fazakas, Csilla |
| Title in Hungarian |
A szerin proteázok és a szerpinek szerepe az emlőkarcinóma agyi áttéteinek kialakulásában |
| Title in English |
Role of serine proteases and serpins in the formation of breast cancer brain metastases |
| Keywords in Hungarian |
szerin proteázok, agyi áttétképzés, vér-agy gát, emlőkarcinóma |
| Keywords in English |
serine proteases, brain metastasis formation, blood-brain barrier, breast carcinoma |
| Discipline |
| Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % | | Ortelius classification: Neurobiology | | Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Krizbai, István Adorján
|
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2021-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.264 |
| FTE (full time equivalent) |
3.20 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A rosszindulatú sejtburjánzások gyakori komplikációi (10-30%) közé tartoznak az agyi áttétek, melyek magas halálozási rátával bírnak. Az emlőkarcinóma eredetű daganatok jelentős arányban (10-25%) képeznek áttétet a központi idegrendszerbe. Az agyi szövet kolonizációja hematogén úton valósul meg, mely során a vérben keringő tumor sejteknek át kell jutniuk a vér-agy gáton. Ebben számos sejtfelszíni és adhéziós molekula, proteolitikus enzim, valamint jelátviteli útvonal játszik kulcsszerepet.
Egyre több bizonyíték áll rendelkezésre arra vonatkozóan, hogy a transzmembrán szerin proteázok kitüntetett szerepet játszanak a tumorok fejlődésében. Proteolitikus kaszkád részeként ezen szerin proteázok (az uPA, a matriptáz, a TMPRSS4, a furin), valamint endogén inhibitoraik, a szerpinek fontos szabályozó funkcióval bírnak.
Habár a proteolitikus enzimek általános szerepe jól ismert a rákos megbetegedések fejlődésében és áttétek kialakulásában,a vér-agy gát jelenléte miatt az agyi áttétképzés folyamata sajátos tulajdonságokkal bír. Ezen sajátos aspektusok azonban jelentős mértékben feltáratlanok. Kutatásaink központi elemét képezi ezen membrán kötött szerin proteázok szerepének tisztázása emlőkarcinóma eredetű agyi metasztázisok kialakulásában.
Ahhoz hogy feltárjuk a szerin proteázok szerepét és szabályozásának aspektusait az agyi endotélium és emlőkarcinómasejtek kapcsolatában, egy in vitro vér-agy gát és transzmigrációs modellt, molekuláris biológiai technikákat (géncsendesítés, qPCR, zselatin zimográfia), valamint in vivo állatkísérleteket fogunk alkalmazni. Ezen felül vizsgálni fogjuk a szerpinek szerepét emlőkarcinómasejtek agyi szövetbe való bejutásában.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tumor- és a környező sztrómális sejtek által termelt specifikus enzimek elősegítik a tumorsejtek túlélését különböző célkörnyezetben. Feltételezzük, hogy az emlőkarcinómasejtek és a vér-agy gát sejtjei közötti kölcsönhatás (direkt, vagy szolubilis faktorok által mediált) befolyásolni képes mindkét fél proteolitikus aktivitását, elősegítve az agyi metasztázisok kialakulását.
A következő specifikus molekulák szerepét fogjuk vizsgálni:
-membrán kötött szerin proteázok: matriptáz (ST14), uPA, TMPRSS4, valamint furin.
-endogén szerin proteáz gátlók: SERPINE-1, SERPINE-2.
Ezen molekulák jelenlétét kimutattuk emlőkarcinómasejtekben. Mivel a membrán kötött szerin proteázok és a szerpinek központi helyet foglalnak el tumor asszociált proteolitikus kaszkádokban, a következő specifikus célokat tűztük ki:
1. Milyen hatással vannak az agyi endotélsejtek, illetve szolubilis faktoraik a tumorsejtek szerin proteáz valamint szerpin termelésére?
2. Milyen szerepet játszanak a fent felsorolt specifikus molekulák a tumorsejtek agyi endotél rétegen való átjutásában?
3. A tumor- valamint agyi endotél eredetű szerpinek milyen szerepet játszanak az emlőkarcinóma agyi áttéteinek kialakulásában?
A sejtek közötti kölcsönhatások, valamint az általuk termelt szolubilis faktorok szabályozhatják mind a tumorsejtekben, mind az endotélsejtekben a fent felsorolt proteázok és gátlószereik kifejeződését és működését. Mivel ezen szerin proteázok működése szorosan összekapcsolt proteolitikus hálózatban történik, az emlőkarcinóma agyi áttétképzésében játszott szerepük tisztázása új terápiás célpontok lehetőségét jelentheti.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az emlőkarcinóma igen magas hajlamot mutat agyi áttétek kialakítására. Az agyi áttétek kezelését gátolja a gyógyszerek vér-agy gáton való alacsony átjutása, ezért a betegek számára igen rossz prognózissal bír a betegség megjelenése. Ahhoz, hogy az agyi szövetbe jussanak, a tumorsejteknek át kell hatolniuk a vér-agy gáton. A tumorsejtek érből történő kilépésében számos folyamat játszik szerepet, köztük a pericelluláris proteolitikus lebontás. Újabban felmerült a szerin proteázok központi szerepe a tumorok fejlődésében, mivel ezek a proteázok növekedési faktorok illetve más proteázok aktiválása által, egy proteolitikus jelátviteli kaszkádot indíthatnak el. A tumorsejtek érből való kilépése során a sejtek között kialakuló kölcsönhatások képesek befolyásolni ezen proteolitikus enzimek szabályozását és termelését. A vér-agy gát jelenlétének köszönhetően az agyi áttétképzés folyamata különleges tulajdonságokkal rendelkezik. Azonban az nem ismert, hogy az agyi endotélsejtek hogyan hatnak az emlőtumorsejtek szerinproteáz-függő átjutására az endotéliumon. Kutatásaink középpontjában a membrán-kötött szerin proteázok és endogén gátlóik állnak. Helyzetükből adódóan ezek a membrán-kötött enzimek potenciális terápiás célpontok lehetnek szelektív gátlószerek, illetve blokkoló ellenanyagok alkalmazása révén. A szerin proteázok szerepének tisztázása az emlőkarcinóma agyi áttétképzésében hozzájárulhat új terápiás célpontok megállapításához.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az agyi áttétek igen rossz prognózist jelentenek, valamint magasfokú ellenállást mutatnak a kemoterápiás kezelésekkel szemben. Mellrákos betegek esetében az agyi áttétek előfordulási gyakorisága 30%. Az agyi áttétek idegrendszeri működési zavarokat váltanak ki, melyek rontják a betegek életminőségét és csökkentik túlélési esélyeiket.
Az agyi áttétképzéshez a tumorsejteknek át kell hatolniuk a vérerek falán. A tumorsejtek a véráramból az agyi kapillárisok szintjén, a specifikus tulajdonságokkal rendelkező agyi endotélsejteken át lépnek ki. E folyamat során a tumorsejtek olyan anyagokat (pl. proteázokat) termelnek és bocsátanak ki, melyek megkönnyítik átjutásukat az endotélsejtek rétegén. A proteázok, olyan enzimek, melyeket a tumorsejtek felhasználhatnak arra, hogy bejussanak a keringésbe, s ezáltal a szervezetben szétterjedjenek. Ugyanakkor az agyi endotélsejtek is aktívan hozzájárulhatnak az agyi áttétek kialakulásához, jelenleg azonban keveset tudunk arról, hogy milyen szerepet játszanak a mellráksejtek agyi környezetbe való bejutásában.
Elsődleges célunk azon specifikus proteázok szerepének vizsgálata, melyek fontosak a tumorsejtekendotélrétegen való átjutásában. Ezen proteázok szerepének tisztázása a mellrák agyi áttétképzésében hozzájárulhat új terápiás lehetőségek kidolgozásához.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Brain metastases are frequent complications for cancer patients (10%–30%) and result in high mortality rate. Breast cancer has a high tendency (10-25%) to form metastases in the central nervous system. Colonization of the brain parenchyma by tumor cells occurs hematogenously, through the blood-brain barrier (BBB). During the process of extravasation and brain colonization, tumor cell migration and invasiveness relies on involvement of different surface and adhesion molecules, proteolytic enzymes and signaling pathways.
There is accumulating evidence that transmembrane serine proteases may have an indispensable role in cancer progression. As members of a proteolytic cascade these serine proteases (uPA, matriptase, TMPRSS4, furin) and their endogenous inhibitors, the serpins have important regulatory functions.
Although the general role of proteolytic enzymes in tumor progression and metastasis formation is well known, due to the presence of the BBB, metastatic processes of the brain have special characteristics. These specific aspects are unexplored so far. Our research is focused on the role of membrane bound serine proteases in the breast cancer brain metastasis formation.
In order to to elucidate the role and regulation of serine proteases in the interaction of breast cancer cells and the brain endothelium, we will use an in vitro BBB model and a transmigration experimental setup, molecular biology techniques (gene silencing, qPCR, gelatin zymography) and in vivo experiments. Moreover, we will also examine the role of serpinsin the extravasationof breast cancer cells into the brain parenchyma.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Expression of specific enzymes by tumor or stromal cells provides a possibility for cancer cells to flourish in the host microenvironment. We hypothesize that interaction of metastatic breast cancer cells with the cells of the blood-brain barrier (direct contact or soluble factor-mediated) can modulate proteolytic activity in both endothelial and tumor cells contributing to the success of brain metastasis formation.
We will examine the following specific molecules:
-membrane bound serine proteases: matriptase (ST14), uPA, TMPRSS4 and furin,
-endogenous serine protease inhibitors: SERPINE1-2.
We have detected the presence of the target molecules in breast cancer cells.
Since membrane anchored serine proteases and serpins have central role in tumor associated proteolytic cascades, we will focus on the following aims:
1. What effect do the brain endothelial cells or their soluble factors have on tumor serine proteases and serpins?
2. What is the role of the specific targeted molecules in the process of tumor transmigration through brain endothelial layer?
3. What is the role of tumor and endothelial originated serpins in the formation of breast cancer brain metastasis?
Cell-cell interactions and released factors might regulate the expression and function of these proteases and their inhibitors in invading tumor cells as well as in host brain endothelial cells. Since these serine proteases function in an interconnected proteolytic network, elucidating their role in breast cancer brain metastasis formation might provide new therapeutic targets.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Breast cancer shows a high propensity to metastasize to the brain. Since treatment of brain metastases is hindered by the low permeability of the blood-brain barrier to therapeutic agents, patients have extremely poor prognosis. In order to reach the brain, cancer cells have to penetrate the blood-brain barrier. In the process of extravasation tumor cells rely on several mechanisms, including pericellular proteolysis. Recently the central role of the serine proteases in tumor progression has emerged, since they are able to activate other proteases and growth factors, initiating a proteolytic cascade. The cellular cross-talk during extravasation of tumor cells might modulate the regulation and production of these enzymes. Due to the presence of the blood-brain barrier, brain metastatic processes have specific characteristics. However, it is not known how the contacts with brain endothelial cells influence breast cancer cell´s serine protease-mediated transendothelial migration. Our investigations will focus on membrane anchored serine proteases and their endogenous inhibitors. As transmembrane proteases they represent attractive targets for blocking antibodies or other selective inhibitors. Elucidating the role of serine proteases in brain metastasis formation of breast cancer might lead to the establishment of novel potential therapeutic targets.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Development of metastatic brain cancer is associated with poor prognosis and has highly resistant nature towards chemotherapy. In breast cancer patients brain metastases occur in a 10-25% incidence. The associated neurological disabilities impair the quality of life and decrease the overall survival of the patients.
Formation of brain metastasis involves the extravasation of tumor cells through the blood vessels wall. In the brain, tumor cells leave the blood circulation through capillary vessel walls, represented by the unique structure of the brain endothelial cells. During this process tumor cells produce and release factors (e.g. proteases) that might enhance their penetration through the endothelial barrier. Proteases are important enzymes, which can be exploited by cancer cells to foster their way into circulation, in this manner they can create space in which to spread. The brain endothelial cells might also take active part in the brain metastases formation. However, so far little is known about the role of brain endothelial cells in the dissemination of breast cancer cells.
Our goal is to investigate and decipher the role of specific proteases produced and released by tumor cells during transendothelial migration. Clarifying the role of these proteases and their involvement in brain metastasis formation of breast cancer might lead to new therapeutic targets in metastasis treatment.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Nyul-Toth A, Kozma M, Nagyoszi P, Nagy K, Fazakas C, Hasko J, Molnar K, Farkas AE, Vegh AG, Varo G, Galajda P, Wilhelm I, Krizbai IA: Expression of pattern recognition receptors and activation of the non-canonical inflammasome pathway in brain pericytes., BRAIN BEHAV IMMUN &: in-press, 2017 | | Varga B, Domokos RA, Fazakas C, Wilhelm I, Krizbai IA, Szegletes Z, Gergely C, Varo G, Vegh AG: De-adhesion dynamics of melanoma cells from brain endothelial layer., BIOCHIM BIOPHYS ACTA &: in-press, 2017 | | Wilhelm I, Fazakas C, Molnar K, Vegh AG, Hasko J, Krizbai IA: Foe or friend? Janus-faces of the neurovascular unit in the formation of brain metastases., J CEREBR BLOOD F MET in: (press) 271678X17732025, 2017 | | Fazakas, C ; Nagaraj, C ; Zabini, D ; Vegh, AG ; Marsh, LM ; Wilhelm, I ; Krizbai, IA ; Olschewski, H ; Olschewski, A ; Balint, Z: Rho-Kinase Inhibition Ameliorates Dasatinib-Induced Endothelial Dysfunction and Pulmonary Hypertension, Frontiers in Physiology, 2018 | | Fabian Eszter, Reglodi Dora, Horvath Gabriella, Opper Balazs, Toth Gabor, Fazakas Csilla, Vegh Attila G, Wilhelm Imola, Krizbai Istvan A: Pituitary adenylate cyclase activating polypeptide acts against neovascularization in retinal pigment epithelial cells, ANNALS OF THE NEW YORK ACADEMY OF SCIENCES 1455: (1) pp. 160-172., 2019 | | Haskó János, Fazakas Csilla, Molnár Kinga, Mészáros Ádám, Patai Roland, Szabó Gábor, Erdélyi Ferenc, Nyúl-Tóth Ádám, Győri Fanni, Kozma Mihály, Farkas Attila E, Krizbai István A, Wilhelm Imola: Response of the neurovascular unit to brain metastatic breast cancer cells., ACTA NEUROPATHOLOGICA COMMUNICATIONS 7: (1) 133, 2019 | | Herman H, Fazakas C, Haskó J, Molnár K, Mészáros Á, Nyúl-Tóth Á, Szabó G, Erdélyi F, Ardelean A, Hermenean A, Krizbai IA, Wilhelm I.: Paracellular and transcellular migration of metastatic cells through the cerebral endothelium., J Cell Mol Med., 2019 | | Herman, Hildegard ; Fazakas, Csilla* ; Haskó, János ; Molnár, Kinga ; Mészáros, Ádám ; Nyúl-Tóth, Ádám ; Szabó, Gábor ; Erdélyi, Ferenc ; Ardelean, Aurel ; Hermenean, Anca ✉ et al.: Paracellular and transcellular migration of metastatic cells through the cerebral endothelium., J Cell Mol Med., 2019 | | Vasas, Andrea ; Lajter, Ildikó ; Kúsz, Norbert ; Forgó, Péter ; Jakab, Gusztáv ; Fazakas, Csilla ; Wilhelm, Imola ; Krizbai, István A. ; Hohmann, Judit: Flavonoid, stilbene and diarylheptanoid constituents of Persicaria maculosa Gray and cytotoxic activity of the isolated compounds, FITOTERAPIA 145 Paper: 104610 , 6 p. (2020), 2020 | | Stefkó, Dóra ; Kúsz, Norbert ; Barta, Anita ; Kele, Zoltán ; Bakacsy, László ; Szepesi, Ágnes ; Fazakas, Csilla ; Wilhelm, Imola ; Krizbai, István A. ; Hohmann, Judit et al.: Gerardiins A–L and Structurally Related Phenanthrenes from the Halophyte Plant Juncus gerardii and Their Cytotoxicity against Triple-Negative Breast Cancer Cells, JOURNAL OF NATURAL PRODUCTS 83 : 10 pp. 3058-3068. , 11 p. (2020), 2020 | | Molnár, Kinga ; Mészáros, Ádám ; Fazakas, Csilla ; Kozma, Mihály ; Győri, Fanni ; Reisz, Zita ; Tiszlavicz, László ; Farkas, Attila E. ; Nyúl‐Tóth, Ádám ; Haskó, János et al.: Pericyte‐secreted IGF2 promotes breast cancer brain metastasis formation, MOLECULAR ONCOLOGY 14 : 9 pp. 2040-2057. , 18 p. (2020), 2020 | | Molnár, Kinga ; Lőrinczi, Bálint ; Fazakas, Csilla ; Szatmári, István ; Fülöp, Ferenc ; Kmetykó, Noémi ; Berkecz, Róbert ; Ilisz, István ; Krizbai, István A. ; Wilhelm, Imola ✉ et al.: SZR-104, a Novel Kynurenic Acid Analogue with High Permeability through the Blood–Brain Barrier, PHARMACEUTICS 13 : 1 Paper: 61 , 11 p. (2021), 2021 | | Kozma, M. ; Mészáros, Á. ; Nyúl-Tóth, Á. ; Molnár, K. ; Costea, L. ; Hernádi, Z. ; Fazakas, C. ; Farkas, A.E. ; Wilhelm, I. ✉ ; Krizbai, I.A. ✉: Cerebral pericytes and endothelial cells communicate through inflammasome-dependent signals, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 22 : 11 Paper: 6122 , 14 p. (2021), 2021 | | Fazakas, Csilla ; Kozma, Mihály ; Molnár, Kinga ; Kincses, András ; Dér, András ; Fejér, Adrienn ; Horváth, Barnabás ; Wilhelm, Imola ; Krizbai, István A. ; Végh, Attila G. ✉: Breast adenocarcinoma-derived exosomes lower first-contact de-adhesion strength of adenocarcinoma cells to brain endothelial layer, COLLOIDS AND SURFACES B: BIOINTERFACES 204 Paper: 111810 , 8 p. (2021), 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
