title: The adipocyte-rich bone niche facilitates tumor progression in PPARγ dependence by a distinct pro-tumorigenic microenvironment
title: Die Adipozyten-reiche Knochennische begünstigt Tumorwachstum in Abhängigkeit von PPARγ durch eine einzigartige pro-tumorigene Mikroumgebung
Creators: name: Gaculenko, Anastasia
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 0
Subjects: subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 50 Naturwissenschaften :: 500 Naturwissenschaften und Mathematik

description: Overweight and obesity are prominent contributors to overall mortality. This consequence manifests early on as a variety of ailments like type 2 diabetes, cardiovascular disease, liver, kidney, and airway disorders, hormonal dysbalance, and cancer. While obesity has been strongly associated with several primary and secondary cancer types, bone metastases remain under-studied in this context. Our preceding research revealed that a six-week short-term high fat diet (HFD) was able to alter the bone niche cell composition in regard to hematopoietic stem cells (HSC) versus myeloid cells, shifting the balance toward the latter (3). In this study, we aimed to characterize the changes occurring in the murine bone niche when bone marrow adipose tissue (BMAT) is expanded by a diet high in saturated fat and the consequences for local tumor growth. Here, we were able to verify that feeding a short-term HFD accelerated B16F10 melanoma bone metastases progression significantly in regard to bone marrow (BM) tumor growth and osteolytic lesions. In breast cancer bone metastasis biopsies, we were able to show a correlation between tumor cell proliferation and adipocyte signal. Based on this evidence, we aimed to treat the occurring tumor growth by inhibiting adipocyte differentiation via peroxisome proliferator-activating receptor γ (PPARγ) with bisphenol-A-diglycidylether (BADGE). Daily treatment with BADGE significantly reduced the overall tumor burden in HFD-fed animals. Single-cell RNA sequencing (scRNAseq) revealed the impactful alterations in the bone niche after only six weeks of HFD. Both control and tumor-bearing obese animals featured an exclusive metabolically activated macrophage population and a disrupted neutrophil maturation. The former elicited a unique transcriptional profile featuring high expression of M1-like macrophage markers and metabolism-associated genes such as Cd36, Pparg, Plin2, Fabp4, Apoe, Lrp1, Il6r, Apoc2, Pltp, and Klf4. Interestingly, this transcriptional makeup strongly resembled metabolically activated macrophages (MMe) described in obese white adipose tissue (WAT), which elicit the function of clearing dead adipocytes. These cells characterized in our dataset were absent in BADGE-treated obese animals, marking them as PPARγ-dependent. Further analysis predicted them to be pro-inflammatory and -tumorigenic. Flow cytometry analysis allowed us to track MMe-like cells both in the BM and WAT. Further, in vitro-differentiated MMe polarization and subsequent extracellular flux assays, proved that in vitro MMe are indeed distinct from M1-like macrophages both in BM and WAT oxygen concentration (pO2). Hypoxic pO2 found in the BM further showed to have a strong glycolysis-inducing effect on in vitro-differentiated MMe as compared to WAT pO2, indicating metabolic differences in organ-specific MMe. LC-MS-based metabolomics of the bone niche secretome further proved the existence of metabolites needed for CD36- and PPARγ-dependent priming of such cells, namely 9- and 13-hydroxyoctadecadienoic acid (HODE). Finally, gene ontology (GO) enrichment analyses of the BM-resident MMe transcriptomes revealed a prediction for neutrophil degranulation, a process tightly coupled to neutrophil extracellular trap (NET) formation. To investigate this, extracted neutrophils were stimulated with conditioned media of in vitro-matured adipocytes, in vitro-differentiated MMe, HFD serum, or bone marrow fluid. This analysis revealed that conditioned medium derived from in vitro MMe significantly increased NET formation in contrast to all other obesity-associated stimulants. This manuscript was able to deepen the understanding of the obese bone niche in the context of secondary tumor growth. Overall, our study emphasized the role of overweight/obesity and dietary saturated fat intake on organ-specific alterations in the secretome and cell composition. Thus, leading to a more potent metastatic niche for tumor cells. Our results revealed novel potentially tumor-promoting players in the obese bone niche. By interfering with metabolical priming via CD36 and PPARγ, we rescued the metastatic obese phenotype. Hence, adipocyte differentiation is a valid angle point to interfere with diet-promoted bone metastasis growth.
description: Übergewicht und Adipositas stellen ein weltweit wachsendes Problem dar. Studien vergangener Jahrzehnte konnten einen klaren Zusammenhang zwischen Adipositas und einer Reihe unterschiedlicher Erkrankungen feststellen. So fördert ein stark erhöhtes Körpergewicht Diabetes Typ 2, Herz- und Kreislauferkrankungen, Leber-, Nieren- und Atemwegsleiden, hormonelle Dysfunktionen sowie Krebs. Letzteres umfasst primäre und sekundäre Tumormanifestationen. Jedoch bleibt noch weitestgehend unerforscht, ob es einen Zusammenhang zwischen Adipositas und einer Prävalenz für die Entstehung von Knochenmetastasen gibt. Unsere vorangegangenen Studien haben bereits gezeigt, dass eine sechswöchige Hochfettdiät (HFD) ausreicht, um nachhaltige Veränderungen in der murinen Knochennische hervorzurufen. So verändert sich das Gleichgewicht zwischen hämatopoetischen Stammzellen und myeloiden Zellen zugunsten Letzterer (3). Die vorhandene Studie hatte zum Ziel, die Effekte einer kurzzeitigen HFD auf die Knochennische zu charakterisieren, sowie den Zusammenhang zwischen der Expansion von Knochenmarksadipozyten (BMA) und lokalem Tumorwachstum zu erläutern. Tatsächlich wurde das Voranschreiten von B16F10-induzierten Knochenmetastasen in übergewichtigen Mäusen begünstigt. Dies spiegelte sich in dem Ausmaß der Knochenmarksmetastasen sowie in der Anzahl der Knochenlysen wider. Weiterhin stellten wir eine Korrelation zwischen der Proliferation von Tumorzellen und Adipozytensignal in Knochenmetastasenbiopsien von Brustkrebspatient:innen fest. Basierend auf diesen Erkenntnissen beabsichtigten wir das Tumorwachstum zu mildern, indem wir die Differenzierung von Adipozyten via Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor γ (PPARγ) mittels Bisphenol-A-diglycidylether (BADGE) inhibierten. Das Tumorwachstum ist in übergewichtigen Tieren durch eine tägliche BADGE-Behandlung signifikant gesunken. Um die zellulären Prozesse charakterisieren zu können, wurde eine Einzelzell-sequenzierung (scRNAseq) von Knochenmarkszellen durchgeführt. Hierbei wurde eine eingeschränkte Zellreifung neutrophiler Granulozyten festgestellt. Zusätzlich trat eine metabolisch aktivierte Makrophagenpopulation auf, die exklusiv in HFD-gefütterten Tieren vorkam und tendenziell eine M1 Polarisierung aufzeigte. Weiterhin wiesen die Zellen eine erhöhte Expression von Metabolismus-assoziierten Genen wie Cd36, Pparg, Plin2, Fabp4, Apoe, Lrp1, Il6r, Apoc2, Pltp und Klf4 auf. Interessanterweise ähnelt dieses transkriptionelle Profil stark der im weißen Fettgewebe (WAT) beschriebenen metabolisch aktivierten Makrophagen (MMe), die essentiell für das Entfernen toter Adipozyten sind. Da die neu charakterisierten Zellen in übergewichtigen Tieren mit Knochentumoren und BADGE Behandlung abwesend waren, lässt sich auf eine Abhängigkeit von PPARγ schließen. Weitere bioinformatische Analysen prognostizierten diesen Knochenmarks-MMe (BM MMe), anhand des Vergleichs mit vorhandenen Publikationen, entzündungs- und tumorfördernde Eigenschaften. Mittels durchflusszytometrischer Methoden, konnten Zellen die dieselben Oberflächenrezeptoren besaßen, im WAT sowie im Knochenmark gefunden werden. In vitro polarisierte MMe versus M1 Makrophagen zeigten eine verstärkte metabolische Aktivität unter Sauerstoffkonzentrationen (pO2) von WAT und Knochenmark. In hypoxischem Milieu, wie das im Knochenmark, wiesen in vitro MMe eine verstärkte Glykolysenutzung als ATP-Quelle im Gegensatz zur höheren pO2 des WAT auf. Aufgrund dieser Erkenntnisse gehen wir von einem Organ-spezifischen MMe Phänotypen aus. Analysen der Metabolitzusammenstellung im Knochenmark HFD-gefütterter Mäuse, wiesen die für ein CD36- und PPARγ-abhängiges metabolisches Priming notwendigen Metabolite 9- und 13-Hydroxyoctadecadiensäure (HODE) auf. In weiterführenden Analysen der vorhergesagten Funktionen von BM MMe Clustern aus dem scRNAseq Datensatz war die Funktion der Degranulierung von neutrophilen Granulozyten stark erhöht. Konditionierte Medien von in vitro MMe induzierten vermehrt die Entstehung von neutrophilen extrazellulären Fallen (NET) im Gegensatz zu anderen Übergewicht-assoziierten Stimulanzien wie HFD-Knochenmarksflüssigkeit, -serum oder konditioniertem Medium in vitro differenzierter Adipozyten. Zusammengefasst konnte diese Studie die Bedeutung einer sogar kurzzeitigen Ernährung mit hohen Anteil an gesättigten Fettsäuren für die Knochennische charakterisieren. Die beschriebenen Veränderungen haben schließlich das Wachstum von Knochentumoren begünstigt. In dieser Studie wurden neue Akteure im tumorfördernden Knochenmilieu definiert, die über die CD36-PPARγ-Achse inhibiert werden konnten und somit zu verringertem Tumorwachstum führten. Daher ist die Differenzierung von Adipozyten und das PPARγ Signaling ein valider Interventionspunkt für ernährungs-assoziiertes Wachstum von Knochenmetastasen.