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Biophysikalische Signale der extrazellulären Matrix im Ruhezustand und der Knochenmetastase

Antragstellerin Amaia Cipitria, Ph.D.
Fachliche Zuordnung Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
Allgemein- und Viszeralchirurgie
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Förderung Förderung von 2017 bis 2022
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 362625353
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Brustkrebs (BK) ist eine der häufigsten Ursachen für krebsbedingte Todesfälle bei Frauen weltweit. BK-Zellen metastasieren häufig in den Knochen. Die Metastasierung erfolgt jedoch nicht immer sofort, denn die Zeitspanne bis zum Wiederauftreten des Krebses kann Jahre bis Jahrzehnte betragen. Dies deutet darauf hin, dass einige Zellen jahrelang im Ruhezustand überleben können. Es wurde angenommen, dass lösliche biochemische Signale solche Ereignisse steuern könnten. Es gibt jedoch immer mehr Hinweise darauf, dass auch die biophysikalische Mikroumgebung eine Rolle spielt. Unser Ziel im DFG-Emmy-Noether-Projekt ist es, die Rolle biophysikalischer Mechanismen bei der Kontrolle der Ruhephase von Brustkrebs im Knochenmark und der Reaktivierung, die zu Knochenmetastasen führt, zu klären. Aufbauend auf ingenieurwissenschaftlichen Ansätzen hat meine Gruppe In-vitro-Modelle entwickelt, um die Rolle der biophysikalischen Merkmale der ECM bei der Krebsruhe zu untersuchen. Mithilfe von Hydrogelen und Mikrofluidik können wir den mechanischen 3D-Einschluss, den osmotischen Druck und den Flüssigkeitsstrom kontrollieren und die Auswirkungen auf den Zellzyklus von BK-Zellen überwachen, die mit dem Fluoreszenz-Ubiquitin-Zellzyklusindikator-2 (FUCCI2) modifiziert wurden. Unsere Arbeit zeigt, dass das 3D-Confinement in elastischen Gelen einen reversiblen Wachstumsstopp von BK-Zellen bewirkt. Als Mechanismus identifizieren wir den mechanosensitiven und medikamentenschützenden FHL2-p21-Signalweg: eine hohe Matrixsteifigkeit induziert die nukleäre Lokalisierung des FHL2-Proteins, eine hohe p21-Kernexpression, einen Wachstumsstillstand der Zellen und eine Medikamentenresistenz. Das Ausschalten von FHL2 führt zu zytoplasmatischem p21 und einer Sensibilisierung gegenüber Medikamenten. Durch die Entwicklung einer offenen All-in-One-Software FUCCItrack hat meine Gruppe außerdem gezeigt, dass osmotischer Druck und Flüssigkeitsstrom die Dynamik des BK-Zyklus, die Migration sowie zelluläre und nukleäre morphologische Veränderungen modulieren. Wir haben gezeigt, dass unter hyperosmotischem Stress verschiedene Zellsubpopulationen mit beeinträchtigtem Kernwachstum, verzögertem oder wachstumsgestopptem Zellzyklus und reduzierter Migration entstehen; dieser Zustand ist bei leichtem hyperosmotischem Stress reversibel. Mit Hilfe von mikrofluidischen Chips haben wir einzelne BK-Zellen unter kontrollierter Flüssigkeitsströmung, die Kapillaren nachahmt, isoliert und die Dynamik des Zellzyklus, die Motilität, das Volumen und die Formveränderungen einzelner Zellen in 2D/3D quantifiziert. Wir zeigen, dass es möglich ist, biophysikalische Prinzipien zur Steuerung des BK-Wachstums einzusetzen, unabhängig von nischenspezifischen zellulären und molekularen Mechanismen. Inspiriert werden die entwickelten Zellmikroumgebungen durch In-vivo-Mausmodelle der Knochenmetastasierung von Brustkrebs. Brustkrebs metastasiert häufig in den Knochen und verursacht osteolytische Läsionen. Strukturelle und biophysikalische Veränderungen der ECM an metastatischen Stellen werden nur selten untersucht, es wird jedoch vermutet, dass sie das Fortschreiten der Metastasierung beeinflussen. Meine Gruppe hat ein Mausmodell für BK-Knochenmetastasen entwickelt und die 3D-Bildgebung weiterentwickelt, um die dynamischen Veränderungen der Knochenstruktur zu quantifizieren. Mit Hilfe von Gewebereinigung und 3D-Light-Sheet-Fluoreszenzmikroskopie (LSFM) zeigen wir zum ersten Mal GFP+-Krebszellen und kleine Cluster (Durchmesser zwischen 10-60 um) in intakten mineralisierten 3D-Knochen, mit und ohne Knochenläsionen. Darüber hinaus weisen wir mit Hilfe von Zeitraffer-In-vivo-MikroCT frühe Knochenläsionen nach und zeigen einen veränderten Knochenumbau ohne nachweisbare Knochenläsionen, was auf einen frühen systemischen Effekt von BK-Zellen im Knochen hindeutet. Mit einem neu entwickelten offenen Tool für die Mikro-CT-Bildanalyse können wir das frühe Wachstum von Knochenläsionen erkennen und im Zeitverlauf verfolgen. Diese Kombination aus longitudinaler In-vivo-Bildgebung und multiskaliger Ex-vivo-Charakterisierung liefert neue Erkenntnisse über die Ansiedlung von Krebszellen im Knochenmark, ihre Mikroumgebung und das Entstehen früher Knochenmetastasen.

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