title: Pankreatische Sternzellen induzieren Tumorwachstum in verhärtetem Gewebe
title: Pancreatic stellate cells induce tumor growth in hard tissue
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Hupfer, Anna
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2022
Subjects: Sternzellen
Bauchspeicheldrüsenkrebs
Hedgehog
Tumor
AMPK
Stroma
Integrin
PDAC
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Tumorwachstum
Metabolismus
Autophagie
Fokale Adhäsion
Verhärtung

description: In solid tumors the increased rigidity of the stroma is an essential barrier against the immune response and the efficient use of therapeutic drugs. The tumor cells of the pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) can activate the stromal stellate cells (PSC) and thus the extracellular matrix (ECM) components like collagen and fibronectin are highly secreted. This excessive secretion leads to an increase in tissue rigidity which in turn influences the stromal PSCs and fibroblasts. Protein analysis showed a significant upregulation of the AMP-kinase (AMPK), a metabolic regulator of energy homeostasis, in cells on a hard surface. AMPK gets activated under starvation and regulates anabolic and catabolic processes for ATP regeneration. It is especially important in the hypoxic, nutrition-deficient environment of PDAC, even though its functions are not only pro- but also antitumorigenic. The antagonist of AMPK, mTOR, regulates the cell metabolism towards processes using ATP. However, a protein expression analysis showed no influence of soft and hard surfaces on the amount of protein. Therefore, the mechanism behind the regulation of protein expression due to different surface rigidities is AMPK-specific. Testing the half-life of AMPK on soft and hard surfaces showed a higher rate of proteasomal degradation in cells on a soft surface. This leads to the conclusion that in cells on a hard surface AMPK gets stabilized. Therefore, the cells have to sense the ECM composition and transduce this information to regulate the AMPK protein level inside the cell. The essential complexes for mechanosensing are the focal adhesions (FA), comprised of the transmembrane integrins and a variety of proteins for signal transduction. Integrins possess an α- and β-subunit and can get activated through binding of different ECM components. A screening process revealed the αV-subunit as a potential regulator of the AMPK on the protein expression. Downregulation of αV as well as the focal adhesion kinase (FAK) lead to a decrease in AMPK stability. The mechanism behind the increased stability of AMPK on a hard surface is consequently dependent on the focal adhesion proteins ItgαV and FAK. AMPK has a variety of functions inside the cell, one of which is the upregulation of macroautophagy to regain nutrition and therefore energy. Macroautophagy is the digestion of proteins, protein complexes and organelles in so-called autophagosomes under starvation. The increased AMPK protein expression on a hard surface led to a higher rate of autophagy in the cells. The data showed an increase in tumor cell proliferation on a hard surface due to a high level of autophagy in PSCs. In contrast, the knockout of the ItgαV gene in PSCs led to a destabilization of AMPK and hence the proliferative effect on tumor cells was lost. These findings show that the stabilization of AMPK in PSCs was essential for tumor cell proliferation and survival in PDAC. The results also give a new insight in the tumor-stroma interaction of PDAC and after further examination could be used as a potential strategy for cancer therapies.
description: In soliden Tumoren, wie etwa dem pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), ist die Verhärtung des Stromas eine essentielle Barriere gegen die Immunantwort oder den effizienten Einsatz von Chemotherapeutika. Die Aktivierung der im Stroma liegenden Sternzellen durch die pankreatischen Tumorzellen fördert die Sekretion von Komponenten der extrazellulären Matrix (ECM), wie etwa Kollagen oder Fibronektin. Diese tragen schließlich zu einem Großteil der Verhärtung des Stromas bei. Die Modulation von einer weichen zu einer harten Umgebung hat wiederum Einfluss auf die Sternzellen und Fibroblasten. Eine Proteinanalyse zeigte eine Hochregulierung der AMP-aktvierten Proteinkinase AMPK, einem essentiellen metabolischen Regulator der Energiehomöostase, in Zellen auf hartem Untergrund. Diese Kinase wird unter anderem durch Nährstoffmangel aktiviert und reguliert die anabolischen und katabolischen Prozesse der Zelle zur Regenerierung des Energiehaushaltes. Somit ist sie vor allem in dem hypoxischen, nährstoffarmen Milieu des PDAC von Bedeutung. Sie besitzt dort jedoch nicht nur pro- sondern auch antitumorgene Eigenschaften. Die Proteinanalyse des direkten AMPK-Gegenspielers mTOR, der unter anderem ATP-verbrauchende Prozesse fördert, zeigte keinen Effekt der Untergrundhärte auf die Proteinexpression. Der zugrunde liegende Regulationsmechanismus durch die Untergrundhärte ist demnach spezifisch für AMPK. Die Analyse der Halbwertszeit der AMPK in Zellen auf fester und weicher Matrix zeigte einen schnelleren proteasomalen Abbau des Proteins auf weichem Untergrund. Die Zellen auf einem harten Untergrund dagegen konnten das Protein durch einen Stabilisierungsmechanismus erhalten. Hierfür musste jedoch die Beschaffenheit der ECM durch die Zellen erkannt und die Information zur AMPK-Regulation in das Zellinnere weitergeleitet werden. Die notwendigen Komplexe waren dabei die an der Zellmembran lokalisierten fokalen Adhäsionen (FA), bestehend aus den transmembranen Integrinen, sowie einer Reihe von Proteinen zur Signalweiterleitung. Die Integrine bestehen in der Regel aus einer α- und einer β-Untereinheit und sind außerdem in der Lage durch bestimmte ECM-Komponenten aktiviert zu werden. Im Rahmen eines Screenings konnte gezeigt werden, dass speziell die Herunterregulierung der αV-Untereinheit zu einer Destabilisierung des AMPK-Proteins führte. Dieses Ergebnis konnte auch im Zusammenhang mit der fokalen Adhäsionskinase (FAK) erzielt werden, auch war nach dem Knockdown eine verringerte AMPK-Proteinmenge zu detektieren. Folglich ist der Mechanismus zur Stabilisierung von AMPK in den Sternzellen des PDAC sowohl abhängig von der αV-Untereinheit der Integrine, als auch von der Kinase FAK. Das Protein AMPK besitzt als metabolischer Regulator eine Reihe von Funktionen, unter anderem die Aktivierung der Makroautophagie zur Gewinnung von Nährstoffen und Energie. Makroautophagie ist dabei das Verdauen von Proteinen, Proteinkomplexen und Organellen der Zelle bei Nährstoffmangel. Aufgrund der erhöhten Proteinmenge an AMPK in Zellen auf festem Untergrund ist auch die Autophagierate in diesen Zellen erhöht. Es konnte gezeigt werden, dass diese erhöhte Autophagierate der Sternzellen einen proliferationsfördernden Effekt auf die PDAC-Tumorzellen besaßen. Der Knockout des ItgαV-Gens in Sternzellen dagegen führte zu einer Destabilisierung von AMPK und der wachstumsfördernde Effekt durch die Sternzellen wurde inhibiert. Dies konnte sowohl in vitro als auch in vivo bestätigt werden. Der Stabilisierungsmechanismus der AMPK im Tumorstroma ist demnach sowohl für das Wachstum als auch das Überleben der Tumor- und auch Stromazellen von entscheidender Bedeutung. Diese Ergebnisse liefern einen neuen Einblick in die Tumor-Stroma-Interaktion des PDAC und könnten nach weiterführenden Untersuchungen als möglicher Therapieansatz Verwendung finden.