ScRNA-seq analyse van tumor-endotheelcellen en kankercellen om bloedvat co-optie te ontrafelen, een resistentiemechanisme tegen anti-angiogene therapie

Endotheelcellen (EC's) bekleden de bloedvaten en spelen diverse rollen in verschillende biomechanische en biochemische functies zoals angiogenese, regulatie van de vaatpermeabiliteit, hemostase, transmigratie van leukocyten, vasomotorische regulatie en immunomodulatie. Bij tumoren wordt kiemende angiogenese vaak beschouwd als het belangrijkste mechanisme van tumorvascularisatie en werd daarom het belangrijkste doelwit voor anti-angiogene therapie (AAT). Tijdens kiemangiogenese vindt vaatgroei plaats door proliferatie en migratie van EC's uit reeds bestaande bloedvaten. Naast angiogene stimuli, waaronder vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF, een doelwit van de huidige AAT), onthulde ons laboratorium dat het EC-metabolisme de belangrijkste motor is van de tumorangiogenese. De meeste glycolytische genen, waaronder de glycolytische stimulator PFKFB3, worden bijvoorbeeld transcriptioneel opgereguleerd in tumor-EC's, en het uitschakelen van PFKFB3 bij tumordragende muizen bleek de intravasatie en metastase van kankercellen te verminderen door de typisch afwijkende, kronkelige tumorvaten te normaliseren. Terwijl eerdere studies zich voornamelijk richtten op de rol van het centrale koolstofmetabolisme bij tumorangiogenese, ontwikkelde ons laboratorium onlangs EC-specifieke metabolische modellen op genoomschaal (gebaseerd op bulk- en single-cell transcriptomische gegevens van EC's) om aanvullende metabolische genen te identificeren die potentieel belangrijk zijn voor angiogenese. . Hoewel in silico werd voorspeld dat talrijke nieuwe EC-specifieke metabolische doelen essentieel zijn voor de productie van biomassa (als uitlezing van EC-proliferatie/angiogenese), zijn gegevens over de validatie van de functionele rol van deze genen in EC's in vitro of in vivo echter schaars. Het blijft dus onbekend welke doelgenen functioneel relevant en/of therapeutisch aantrekkelijk zijn.

Naast kiemende angiogenese kunnen tumoren ook hun bloed- en voedingsstoffentoevoer veiligstellen door middel van alternatieve vascularisatiemechanismen, zoals het splitsen van bloedvaten (intussusceptieve angiogenese), vasculaire nabootsing en vaatcoöptatie (VCO). In tegenstelling tot kiemende angiogenese vindt er tijdens VCO geen vorming van nieuwe bloedvaten plaats, maar in plaats daarvan kapen kankercellen reeds bestaande bloedvaten om te groeien en het gezonde weefsel binnen te dringen. Hoewel tumor-VCO vaak wordt voorgesteld als resistentiemechanisme tegen AAT, blijft het slecht begrepen en nauwelijks bestudeerd. Het is dus belangrijk om (a) geschikte diermodellen voor tumor-VCO te ontwikkelen, en (b) de moleculaire mechanismen te bestuderen die aan dit proces ten grondslag liggen en de betrokken celtypen te identificeren.

Naast hun rol bij angiogenese is het ook bekend dat EC's ontstekingen moduleren, door het reguleren van het verkeer van immuuncellen, de activeringsstatus en de functie. EC's zijn de eerste cellen die een interactie aangaan met immuuncellen, die de EC-laag moeten passeren om van deze vaten naar perifere weefsels te migreren. Bovendien staan EC's in direct contact met circulerende ziekteverwekkers. Deze kenmerken plaatsen hen in de ideale positie als de primaire verdedigingslinie om bij te dragen aan immunologische reacties. Het ontstekingsproces is voornamelijk het resultaat van een evenwicht tussen pro- en anti-inflammatoire moleculen, uitgescheiden door verschillende immuuncellen, maar ook door andere celtypen, die betrokken zijn bij de positieve of negatieve regulatie van celchemotaxis, migratie en proliferatie. Een onevenwicht tussen pro- en anti-inflammatoire moleculen kan leiden tot aanhoudende en chronische ontstekingen of tot een onvoldoende immuunrespons en bemiddelt op zijn beurt een breed spectrum aan ziekten, zoals hart- en vaatziekten, diabetes mellitus of kanker. Bij tumoren kan vaak een toename van ontstekingsremmende moleculen worden waargenomen, wat leidt tot ophoping van immunosuppressieve immuuncellen en remming van antitumorale immuuncellen, waardoor de tumorgroei wordt verergerd. Bovendien hebben interacties tussen verschillende celtypen, direct of indirect, invloed op de immuunomgeving van de tumor. Het typisch afwijkende, kronkelige tumorvasculatuur kan bijvoorbeeld de toegang van cytotoxische T-lymfocyten tot de tumorkern beperken, hetzij door T-lymfocyten direct te binden en te moduleren, hetzij indirect via de uitscheiding van ontstekingsremmende moleculen of via door hypoxie aangedreven mechanismen; en daardoor voorkomen dat ze hun anti-tumoreffecten uitoefenen en de tumorgroei bevorderen. Ondanks meerdere indicaties van EC-immuuninteracties die mogelijk de oorzaak zijn van tumorigenese, is het richten van EC-immuunfuncties nog niet onderzocht als antikankertherapie. In feite zijn alleen de angiogene eigenschappen van tumor-EC's centraal gesteld in therapeutische benaderingen. Het richten op de immuunregulerende functies van EC's, hetzij in combinatie met de huidige immunotherapiebehandelingen, of zelfs parallel met AAT, zijn dus veelbelovende en tot nu toe onontgonnen mogelijkheden voor toekomstige kankerbehandelingen.

Interessant is dat kanker, evenals verschillende andere ziekten, worden gekenmerkt door zowel angiogenese als ontstekingen. Verschillende onderzoeken wijzen zelfs op een positieve correlatie tussen ontsteking en angiogenese, maar of deze mechanismen elkaar ook negatief kunnen beïnvloeden, moet nog worden opgehelderd.

Tijdens mijn doctoraat wil ik het verband tussen tumorvascularisatie en ontsteking verder bestuderen. Om beter te begrijpen hoe AAT de tumorontsteking kan beïnvloeden, vergeleek ik eerst het transcriptoom van EC's en immuuncellen tijdens kiemende angiogenese met die in AAT-geïnduceerde VCO.

Ten tweede heb ik geprobeerd moleculaire factoren in EC's te vinden, die zowel de immuun- als de angiogene eigenschappen van deze cellen kunnen beïnvloeden. Hier heb ik gegevens benut die zijn gegenereerd door EC-specifieke metabolische modellen op genoomschaal en de rol onderzocht van Gen X[1] (een mitochondriale metaboliettransporteur geïdentificeerd als een belangrijke regulator van de biomassaproductie in de EC (wat een rol suggereert in EC-proliferatie/angiogenese)) in EC's tijdens choroïde neovascularisatie (CNV) en niet-kleincellig longcarcinoom (NSCLC).

[1] Vanwege patentredenen kan de identiteit van Gen X momenteel nog niet bekendgemaakt worden.