Биомаркеры модельных опухолеассоциированных макрофагов ex vivo

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

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

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. 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.

37. 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.

38. 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.

39. 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.

40. 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.

41. 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.

42. 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.