References

oncotomsk

Сибирский онкологический журнал

Siberian journal of oncology

1814-48612312-3168

Tomsk National Research Medical Сепtеr of the Russian Academy of Sciences

10.21294/1814-4861-2024-23-4-54-65

oncotomsk-3192

Research Article

ЛАБОРАТОРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

LABORATORY AND EXPERIMENTAL STUDIES

Биомаркеры модельных опухолеассоциированных макрофагов ex vivo

Biomarkers for modeling of cancer-specifc tumor-associated macrophages ex vivo

https://orcid.org/0009-0001-3835-5259

Сударских

Т. С.

Sudarskikh

T. S.

Сударских Татьяна Сергеевна, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории трансляционной клеточной и молекулярной биомедицины

Researcher ID (WOS): ACA-0715-2022

Author ID (Scopus): 57705706500

634050, г. Томск, ул. Ленина, 36

Tatiana S. Sudarskikh, Postgraduate, Junior Researcher, Laboratory of Translational Cellular and Molecular Biomedicine

Researcher ID (WOS): ACA-0715-2022

Author ID (Scopus): 57705706500

36, Lenina St., Tomsk, 634050

https://orcid.org/0000-0001-5758-7330

Ларионова

И. В.

Larionova

I. V.

Ларионова Ирина Валерьевна, кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник лаборатории трансляционной клеточной и молекулярной биомедицины; старший научный сотрудник лаборатории молекулярной терапии рака

Researcher ID (WOS): R-2391-2017

Author ID (Scopus): 57201182530

634050, г. Томск, ул. Ленина, 36

634009, г. Томск, пер. Кооперативный, 5

Irina V. Larionova, MD, PhD, Senior Researcher, Laboratory of Translational Cellular and Molecular Biomedicine; Senior Researcher, Laboratory of Molecular Therapy of Cancer, Cancer Research Institute

Researcher ID (WOS): R-2391-2017

Author ID (Scopus): 57201182530

36, Lenina St., Tomsk, 634050

5, Kooperativny St., Tomsk, 634009

https://orcid.org/0000-0001-8334-7445

Ракина

М. А.

Rakina

M. A.

Ракина Милица Александровна, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории трансляционной клеточной и молекулярной биомедицины; младший научный сотрудник лаборатории молекулярной терапии рака

Researcher ID (WOS): AAH-6086-2021

Author ID (Scopus): 57208775013

634050, г. Томск, ул. Ленина, 36

634009, г. Томск, пер. Кооперативный, 5

Militsa A. Rakina, Postgraduate, Junior Researcher, Laboratory of Translational Cellular and Molecular Biomedicine; Junior Researcher, Laboratory of Molecular Therapy of Cancer

Researcher ID (WOS): AAH-6086-2021

Author ID (Scopus): 57208775013

36, Lenina St., Tomsk, 634050

5, Kooperativny St., Tomsk, 634009

https://orcid.org/0000-0003-0898-3075

Кжышковска

Ю. Г.

Kzhyshkowska

J. G.

Кжышковска Юлия Георгиевна, доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией трансляционной клеточной и молекулярной биомедицины; заведующая отделом врожденного иммунитета и иммунологической толерантности

Researcher ID (WOS): J-5835-2016

Author ID (Scopus): 6603091281

634050, г. Томск, ул. Ленина, 36

68167, г. Мангейм, Теодор-Кутцер-Уфер, 1–3

68167, г. Мангейм, ул. Фридриха Эберта, 107

Julia G. Kzhyshkowska, DSc, Professor, Head of Laboratory of Translational Cellular and Molecular Biomedicine; Head of Department of Innate Immunity and Immunological Tolerance, Institute of Transfusion Medicine and Immunology

Researcher ID (WOS): J-5835-2016

Author ID (Scopus): 6603091281

36, Lenina St., Tomsk, 634050

1–3, Theodor-Kutzer-Ufer, Mannheim, 68167

107, Friedrich Ebert St., Mannheim, 68167

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет»РоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian Federation

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет»; Научно-исследовательский институт онкологии, Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наукРоссияNational Research Tomsk State University; Cancer Research Institute, Tomsk National Research Medical Center, Russian Academy of SciencesRussian Federation

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет»; Гейдельбергский университет; Служба крови Немецкого Красного Креста Баден-Вюртемберг-ГессенГерманияNational Research Tomsk State University; University of Heidelberg; German Red Cross Blood Service Baden-Württemberg-HessenGermany

2024

07092024

2345465

2024

Сударских Т.С., Ларионова И.В., Ракина М.А., Кжышковска Ю.Г.

Sudarskikh T.S., Larionova I.V., Rakina M.A., Kzhyshkowska J.G.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.siboncoj.ru/jour/article/view/3192

Введение. Опухолеассоциированные макрофаги (ОАМ) являются важными клетками врожденного иммунитета в микроокружении опухоли. ОАМ могут стимулировать пролиферацию опухолевых клеток и рост первичной опухоли, ангиогенез, лимфангиогенез, инвазию опухолевых клеток и образование метастатических ниш, а также влиять на чувствительность опухоли к химиотерапии. ОАМ – фенотипически разнообразная популяция клеток, и их гетерогенность наблюдается в зависимости как от локализации рака, так и от их внутриопухолевого расположения. Моделирование ОАМ в системах ex vivo необходимо для понимания молекулярных механизмов их про- и противоопухолевой активности, тестирования их взаимодействия с существующими противоопухолевыми препаратами или для разработки ОАМ-таргетной иммунотерапии. Цель исследования – изучить специфичные для рака транскриптомные особенности модельных ОАМ человека ex vivo. Материал и методы. Проведено сравнение транскриптомных профилей ОАМ рака молочной железы, колоректального рака, рака яичников, рака легких и рака простаты ex vivo. Моноциты человека выделяли из лейкоцитарной пленки, а затем стимулировали средой, кондиционированной опухолевыми клетками. Используя ПЦР в режиме реального времени, количественно оценивалась экспрессия ключевых биомаркеров ОАМ, включая воспалительные цитокины, скавенджер-рецепторы, регуляторы ангиогенеза и факторы ремоделирования внеклеточного матрикса. Результаты. ПЦР-анализ позволил выявить специфичные для рака профили экспрессии модельных ОАМ. При сравнении накопленных сведений о фенотипах ОАМ в опухолях человека in vivo с собранными данными были обсуждены преимущества и ограничения нашей модели ОАМ ex vivo, полученной из моноцитов крови человека. Выводы. Ex vivo система макрофагов, полученных из моноцитов, стимулированных средой, кондиционированной раковыми клетками, может в определенной степени позволить моделировать специфическое для разных опухолей программирование ОАМ. Наша модельная система может быть полезна для изучения механизмов действия таргетных агентов, перепрограммирующих ключевые проопухолевые активности ОАМ.

Introduction. Tumor-associated macrophages (TAMs) are essential innate immune cells in the tumor microenvironment. TAMs can stimulate cancer cell proliferation and primary tumor growth, angiogenesis, lymphangiogenesis, cancer cell invasiveness in vessels and metastatic niche formation as well as support chemotherapy resistance. TAMs are phenotypically diverse both in various cancer localizations and in intratumoral heterogeneous compartments. Tumor-specific modeling of TAMs is necessary to understand the fundamental mechanism of pro- and anti-tumor activity, to test their interaction with existing therapies, and to develop TAM- targeted immunotherapy. Aim of study: To investigate cancer-specific transcriptomic features of ex vivo human TAM models. Material and Methods. Here we compared transcriptomic profiles of TAMs for breast, colorectal, ovarian, lung, and prostate cancers ex vivo. Human monocytes were isolated from buffy coats, and then stimulated by the tumor cell conditioned medium ex vivo. Using real-time PCR, we quantified the expression of key TAM biomarkers including inflammatory cytokines, scavenger-receptors, angiogenesis-regulating genes, and matrix remodeling factors. Results. PCR analysis allowed revealing cancer-specific expression profiles of modeled TAMs. By comparing the existing knowledge about TAM phenotypes in human tumors in vivo with the collected data, we discuss the advantages and limitation of ex vivo TAM models derived from human blood monocytes. Conclusion. Monocytes-derived macrophages stimulated with cancer cell-conditioned medium can, to a certain extent, allow modeling of cancer-specific programming of TAMs. Our model system is valuable to examine agents reprogramming key TAM pro-tumoral activities, and for the reproducible analysis of mechanistic events that program tolerogenic status of TAMs towards cancer cells.

опухолеассоциированные макрофагиМ1/М2 макрофагицитоклиныскавенджер-рецепторы

tumor-associated macrophagesM1/M2 classificationcytokinesscavenger-receptors

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 19-15-00151.

This work was supported by the Russian Science Foundation under research project № 19-15-00151.

References1

Malekghasemi S., Majidi J., Baghbanzadeh A., Abdolalizadeh J., Baradaran B., Aghebati-Maleki L. Tumor-Associated Macrophages: Protumoral Macrophages in Inflammatory Tumor Microenvironment. Adv Pharm Bull. 2020; 10(4): 556–65. doi: 10.34172/apb.2020.066.

Larionova I., Tuguzbaeva G., Ponomaryova A., Stakheyeva M., Cherdyntseva N., Pavlov V., Choinzonov E., Kzhyshkowska J. Tumor-Associated Macrophages in Human Breast, Colorectal, Lung, Ovarian and Prostate Cancers. Front Oncol. 2020; 10. doi: 10.3389/fonc.2020.566511.

Munir M.T., Kay M.K., Kang M.H., Rahman M.M., Al-Harrasi A., Choudhury M., Moustaid-Moussa N., Hussain F., Rahman S.M. TumorAssociated Macrophages as Multifaceted Regulators of Breast Tumor Growth. Int J Mol Sci. 2021; 22(12): 6526. doi: 10.3390/ijms22126526.

Boutilier A.J., Elsawa S.F. Macrophage Polarization States in the Tumor Microenvironment. Int J Mol Sci. 2021; 22(13): 6995. doi: 10.3390/ijms22136995.

Wu K., Lin K., Li X., Yuan X., Xu P., Ni P., Xu D. Redefining Tumor-Associated Macrophage Subpopulations and Functions in the Tumor Microenvironment. Front Immunol. 2020; 11. doi: 10.3389/fimmu.2020.01731.

Monteiro L.N., Rodrigues M.A., Gomes D.A., Salgado B.S., Cassali G.D. Tumour-associated macrophages: Relation with progression and invasiveness, and assessment of M1/M2 macrophages in canine mammary tumours. Vet J. 2018; 234: 119–25. doi: 10.1016/j.tvjl.2018.02.016.

Hwang I., Kim J.W., Ylaya K., Chung E.J., Kitano H., Perry C., Hanaoka J., Fukuoka J., Chung J.Y., Hewitt S.M. Tumor-associated macrophage, angiogenesis and lymphangiogenesis markers predict prognosis of non-small cell lung cancer patients. J Transl Med. 2020; 18(1): 443. doi: 10.1186/s12967-020-02618-z.

Zheng X., Weigert A., Reu S., Guenther S., Mansouri S., Bassaly B., Gattenlöhner S., Grimminger F., Pullamsetti S., Seeger W., Winter H., Savai R. Spatial Density and Distribution of Tumor-Associated Macrophages Predict Survival in Non-Small Cell Lung Carcinoma. Cancer Res. 2020; 80(20): 4414–25. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-20-0069.

Wei C., Yang C., Wang S., Shi D., Zhang C., Lin X., Liu Q., Dou R., Xiong B. Crosstalk between cancer cells and tumor associated macrophages is required for mesenchymal circulating tumor cell-mediated colorectal cancer metastasis. Mol Cancer. 2019; 18(1): 64. doi: 10.1186/s12943-019-0976-4.

Tan Q., Liu H., Xu J., Mo Y., Dai F. Integrated analysis of tumorassociated macrophage infiltration and prognosis in ovarian cancer. Aging (Albany NY). 2021; 13(19): 23210–32. doi: 10.18632/aging.203613.

Genin M., Clement F., Fattaccioli A., Raes M., Michiels C. M1 and M2 macrophages derived from THP-1 cells differentially modulate the response of cancer cells to etoposide. BMC Cancer. 2015; 15(1): 577. doi: 10.1186/s12885-015-1546-9.

Cassetta L., Pollard J.W. Tumor-associated macrophages. Curr Biol. 2020; 30(6): 246–8. doi: 10.1016/j.cub.2020.01.031.

Mulder K., Patel A.A., Kong W.T., Piot C., Halitzki E., Dunsmore G., Khalilnezhad S., Irac S.E., Dubuisson A., Chevrier M., Zhang X.M., Tam J.K.C., Lim T.K.H., Wong R.M.M., Pai R., Khalil A.I.S., Chow P.K.H., Wu S.Z., Al-Eryani G., Roden D., Swarbrick A., Chan J.K.Y., Albani S., Derosa L., Zitvogel L., Sharma A., Chen J., Silvin A., Bertoletti A., Blériot C., Dutertre C.A., Ginhoux F. Cross-tissue single-cell landscape of human monocytes and macrophages in health and disease. Immunity. 2021; 54(8): 1883–900. doi: 10.1016/j.immuni.2021.07.007.

Ma R.Y., Black A., Qian B.Z. Macrophage diversity in cancer revisited in the era of single-cell omics. Trends Immunol. 2022; 43(7): 546–63. doi: 10.1016/j.it.2022.04.008.

Dai X., Cheng H., Bai Z., Li J. Breast Cancer Cell Line Classification and Its Relevance with Breast Tumor Subtyping. J Cancer. 2017; 8(16): 3131–41. doi: 10.7150/jca.18457.

Larionova I., Kiselev A., Kazakova E., Liu T., Patysheva M., Iamshchikov P., Liu Q, Mossel D.M., Riabov V., Rakina M., Sergushichev A., cancer cells. However, in order to achieve the full specificity of TAM phenotypes 3D modelling is needed to create the most physiologically relevant context for macrophage interactions with the extracellular matrix, cancer cells and other cells of tumor microenvironment. In this regard, the rapidly developing field of organoids is highly promising direction which will allow to recreate three-dimensional multicellular composition of tumor tissue, and also to model not only cancerspecific but also patient-specific TAM phenotypes and study their functions. Bezgodova N., Vtorushin S., Litviakov N., Denisov E., Koshkin P., Pyankov D., Tsyganov M., Ibragimova M., Cherdyntseva N., Kzhyshkowska J. Tumor-associated macrophages respond to chemotherapy by detrimental transcriptional reprogramming and suppressing stabilin-1 mediated clearance of EGF. Front Immunol. 2023; 14. doi: 10.3389/fimmu.2023.1000497.

Sun N., Gao P., Li Y., Yan Z., Peng Z., Zhang Y., Han F., Qi X. Screening and Identification of Key Common and Specific Genes and Their Prognostic Roles in Different Molecular Subtypes of Breast Cancer. Front Mol Biosci. 2021; 8. doi: 10.3389/fmolb.2021.619110.

Hollmén M., Roudnicky F., Karaman S., Detmar M. Characterization of macrophage – cancer cell crosstalk in estrogen receptor positive and triplenegative breast cancer. Sci Rep. 2015; 5(1): 9188. doi: 10.1038/srep09188.

Kazakova E., Rakina M., Sudarskikh T., Iamshchikov P., Tarasova A., Tashireva L., Afanasiev S., Dobrodeev A., Zhuikova L., Cherdyntseva N., Kzhyshkowska J., Larionova I. Angiogenesis regulators S100A4, SPARC and SPP1 correlate with macrophage infiltration and are prognostic biomarkers in colon and rectal cancers. Front Oncol. 2023; 13. doi: 10.3389/fonc.2023.1058337.

Roblek M., Protsyuk D., Becker P.F., Stefanescu C., Gorzelanny C., Glaus Garzon J.F., Knopfova L., Heikenwalder M., Luckow B., Schneider S.W., Borsig L. CCL2 Is a Vascular Permeability Factor Inducing CCR2- Dependent Endothelial Retraction during Lung Metastasis. Mol Cancer Res. 2019; 17(3): 783–93. doi: 10.1158/1541-7786.MCR-18-0530.

Schmall A., Al-Tamari H.M., Herold S., Kampschulte M., Weigert A., Wietelmann A., Vipotnik N., Grimminger F., Seeger W., Pullamsetti S.S., Savai R. Macrophage and cancer cell cross-talk via CCR2 and CX3CR1 is a fundamental mechanism driving lung cancer. Am J Respir Crit Care Med. 2015; 191(4): 437–47. doi: 10.1164/rccm.201406-1137OC.

Kazakova E., Iamshchikov P., Larionova I., Kzhyshkowska J. Macrophage scavenger receptors: Tumor support and tumor inhibition. Front Oncol. 2023; 12. doi: 10.3389/fonc.2022.1096897.

Larionova I., Kazakova E., Patysheva M., Kzhyshkowska J. Transcriptional, Epigenetic and Metabolic Programming of Tumor-Associated Macrophages. Cancers (Basel). 2020; 12(6): 1411. doi: 10.3390/cancers12061411.

Hourani T., Holden J.A., Li W., Lenzo J.C., Hadjigol S., O’BrienSimpson N.M. Tumor Associated Macrophages: Origin, Recruitment, Phenotypic Diversity, and Targeting. Front Oncol. 2021; 11. doi: 10.3389/fonc.2021.788365.

Li X., Wang C.Y. From bulk, single-cell to spatial RNA sequencing. Int J Oral Sci. 2021; 13(1): 36. doi: 10.1038/s41368-021-00146-0.

Longo S.K., Guo M.G., Ji A.L., Khavari P.A. Integrating single-cell and spatial transcriptomics to elucidate intercellular tissue dynamics. Nat Rev Genet. 2021; 22(10): 627–44. doi: 10.1038/s41576-021-00370-8.

Liu Z., Gao Z., Li B., Li J., Ou Y., Yu X., Zhang Z., Liu S., Fu X., Jin H., Wu J., Sun S., Sun S., Wu Q. Lipid-associated macrophages in the tumor-adipose microenvironment facilitate breast cancer progression. Oncoimmunology. 2022; 11(1). doi: 10.1080/2162402X.2022.2085432.

Lin C., Yang H., Zhao W., Wang W. CTSB+ macrophage repress memory immune hub in the liver metastasis site of colorectal cancer patient revealed by multi-omics analysis. Biochem Biophys Res Commun. 2022; 626: 8–14. doi: 10.1016/j.bbrc.2022.06.037.

Wu S.Z., Al-Eryani G., Roden D.L., Junankar S., Harvey K., Andersson A., Thennavan A., Wang C., Torpy J.R., Bartonicek N., Wang T., Larsson L., Kaczorowski D., Weisenfeld N.I., Uytingco C.R., Chew J.G., Bent Z.W., Chan C.L., Gnanasambandapillai V., Dutertre C.A., Gluch L., Hui M.N., Beith J., Parker A., Robbins E., Segara D., Cooper C., Mak C., Chan B., Warrier S., Ginhoux F., Millar E., Powell J.E., Williams S.R., Liu X.S., O’Toole S., Lim E., Lundeberg J., Perou C.M., Swarbrick A. A single-cell and spatially resolved atlas of human breast cancers. Nat Genet. 2021; 53(9): 1334–47. doi: 10.1038/s41588-021-00911-1.

Lee C.Z.W., Kozaki T., Ginhoux F. Studying tissue macrophages in vitro: are iPSC-derived cells the answer? Nat Rev Immunol. 2018; 18(11): 716–25. doi: 10.1038/s41577-018-0054-y. Erratum in: Nat Rev Immunol. 2018; 18(11): 726. doi: 10.1038/s41577-018-0060-0.

Luque-Martin R., Mander P.K., Leenen P.J.M., Winther M.P.J. Classic and new mediators for in vitro modelling of human macrophages. J Leukoc Biol. 2021; 109(3): 549–60. doi: 10.1002/JLB.1RU0620-018R.

Lopez-Yrigoyen M., Cassetta L., Pollard J.W. Macrophage targeting in cancer. Ann N Y Acad Sci. 2021; 1499(1): 18–41. doi: 10.1111/nyas.14377.

Wang S., Yang Y., Ma P., Huang H., Tang Q., Miao H., Fang Y., Jiang N., Li Y., Zhu Q., Tao W., Zha Y., Li N. Landscape and perspectives of macrophage-targeted cancer therapy in clinical trials. Mol Ther Oncolytics. 2022; 24: 799–813. doi: 10.1016/j.omto.2022.02.019.

Benner B., Scarberry L., Suarez-Kelly L.P., Duggan M.C., Campbell A.R., Smith E., Lapurga G., Jiang K., Butchar J.P., Tridandapani S., Howard J.H., Baiocchi R.A., Mace T.A., Carson W.E. 3rd. Generation of monocyte-derived tumor-associated macrophages using tumor-conditioned media provides a novel method to study tumor-associated macrophages in vitro. J Immunother Cancer. 2019; 7(1): 140. doi: 10.1186/s40425-019-0622-0.

Stewart D.A., Yang Y., Makowski L., Troester M.A. Basal-like breast cancer cells induce phenotypic and genomic changes in macrophages. Mol Cancer Res. 2012; 10(6): 727–38. doi: 10.1158/1541-7786.MCR11-0604.

Larionova I., Kazakova E., Gerashchenko T., Kzhyshkowska J. New Angiogenic Regulators Produced by TAMs: Perspective for Targeting Tumor Angiogenesis. Cancers (Basel). 2021; 13(13): 3253. doi: 10.3390/cancers13133253.

Vogel D.Y., Glim J.E., Stavenuiter A.W., Breur M., Heijnen P., Amor S., Dijkstra C.D., Beelen R.H. Human macrophage polarization in vitro: maturation and activation methods compared. Immunobiology. 2014; 219(9): 695–703. doi: 10.1016/j.imbio.2014.05.002.

Rey-Giraud F., Hafner M., Ries C.H. In vitro generation of monocyte-derived macrophages under serum-free conditions improves their tumor promoting functions. PLoS One. 2012; 7(8). doi: 10.1371/journal.pone.0042656.

Nielsen M.C., Andersen M.N., Møller H.J. Monocyte isolation techniques significantly impact the phenotype of both isolated monocytes and derived macrophages in vitro. Immunology. 2020; 159(1): 63–74. doi: 10.1111/imm.13125.

Golabek A., Kaczmarek M., Dondajewska E., Sakrajda K., Mackiewicz A., Dams-Kozlowska H. Application of a three-dimensional (3D) breast cancer model to study macrophage polarization. Exp Ther Med. 2021; 21(5): 482. doi: 10.3892/etm.2021.9913.

Rebelo S.P., Pinto C., Martins T.R., Harrer N., Estrada M.F., Loza-Alvarez P., Cabeçadas J., Alves P.M., Gualda E.J., Sommergruber W., Brito C. 3D-3-culture: A tool to unveil macrophage plasticity in the tumour microenvironment. Biomaterials. 2018; 163: 185–97. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.02.030.

Helleberg Madsen N., Schnack Nielsen B., Larsen J., Gad M. In vitro 2D and 3D cancer models to evaluate compounds that modulate macrophage polarization. Cell Immunol. 2022; 378. doi: 10.1016/j.cellimm.2022.104574.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.