Regulierung der Zellsignalübertragung bei Entzündungen und Krebs - Gruppe Orian-Rousseau

Darmkrebs-Organoide (Foto Dr. S. Sonnentag)

Überblick über die Forschung

Die Metastasierung ist das Stadium des Krebses, an dem die meisten Patienten sterben. Dieser Prozess ist jedoch ein Engpass, den nur Zellen mit spezifischen Eigenschaften überwinden können. Die Rolle von Krebsstammzellen und Nicht-Krebsstammzellen in diesem Prozess ist noch umstritten. Unsere Gruppe untersucht die molekularen Mechanismen, die an der Tumorprogression und Metastasierung beteiligt sind, sowie die Auswirkungen der Plastizität von Krebszellen. Dabei konzentrieren wir uns insbesondere auf Zelloberflächenrezeptoren wie Adhäsionsmoleküle (CAMs), die Zell-Zell- und Zell-Extrazellulärmatrix-Kontakte vermitteln. Da sie eng mit Signalwegen verknüpft sind, können sie als Reaktion auf die Mikroumgebung eine Signalübertragung auslösen. Ein solches CAM ist CD44, eine Familie von Transmembranglykoproteinen, die Proliferation, Differenzierung, Migration und Überleben vermitteln. Die Mitglieder der CD44-Familie unterscheiden sich in der extrazellulären Domäne, in der zehn verschiedene Exons alternativ gespleißt werden. 
Wir haben entdeckt, dass mehrere CD44-Isoformen als Co-Regulatoren verschiedener Signalwege wirken, darunter Rezeptortyrosinkinasen wie MET, VEGFR-2, EGFR, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren wie CXCR4 und Mitglieder des Wnt-Signalwegs wie LRP6. CD44-Isoformen fungieren als Signalknotenpunkte, die Signale aus der Mikroumgebung integrieren.
Unser Ziel ist es, die molekularen Wirkmechanismen der CD44-Isoformen aufzuklären und hemmende Moleküle zu entwickeln, die bei Krankheiten wie Krebs (Bauchspeicheldrüse, Dickdarm, Brust und Leukämie) und Lebererkrankungen eingesetzt werden könnten.

Abbildung 1 : Molekularer Wirkmechanismus der CD44-Isoformen:
CD44 und Rezeptortyrosinkinasen: CD44v6 fungiert als Co-Rezeptor für mehrere Rezeptortyrosinkinasen (RTKs), darunter VEGFR2 und Met, zwei wichtige RTKs, die für Angiogenese und Metastasierung entscheidend sind. Die Rolle von CD44v6 für diese RTKs ist zweifach: Die Ektodomäne von CD44v6 ist an der RTK-Aktivierung beteiligt und die zytoplasmatische Domäne fördert die Signalübertragung nach der Bindung an das Zytoskelett über ERM-Proteine (Ezrin-Radixin-Moesin). CD44v6 ist durch seine Interaktion mit RTKs an der Tumorprogression und Metastasierung beteiligt. Wir haben ein von CD44v6 abgeleitetes Peptid entwickelt, das das Tumorwachstum hemmt, die Metastasierung blockiert und sogar etablierte Bauchspeicheldrüsenkrebsmetastasen beseitigt. Eine modifizierte Version dieses CD44v6-Peptids befindet sich in klinischen Studien der Phase I/Ib. (https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03009214?term=amcure&rank=1). CD44 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren: Hyaluronan (HA), der wichtigste Ligand für CD44, verstärkt die CXCL12-induzierte CXCR4-Signalisierung, ein Schritt, der während der Angiogenese erforderlich ist. Im Gegensatz dazu haben kleine HA-Fragmente (sHA) den gegenteiligen Effekt. CD44-Wnt-Signalübertragung: CD44 ist an der Regulierung der LRP6-Reifung und -Aktivierung beteiligt.

Die in der Gruppe entwickelten Themen sind:

1)    Die Funktion von CD44 bei der Plastizität von Dickdarmkrebs

Anhand von künstlich hergestellten Darmkrebsorganoiden untersuchen wir die Rolle von CD44 bei Darmkrebs. Wir konzentrieren uns auf die Funktion von CD44 bei der Entdifferenzierung von Nicht-Krebs-Stammzellen in Krebs-Stammzellen und die Auswirkungen dieses Prozesses auf Tumorwachstum und Metastasierung.

   
Abbildung 2: Kolorektale Krebsorganoide (Foto Dr. S. Sonnentag)

2)    Beitrag von CD44 zur Tumormikroumgebung und zur metastatischen Nische

CD44, das auf Krebszellen exprimiert wird, ist in hohem Maße an der Entstehung, dem Fortschreiten und der Metastasierung von Tumoren beteiligt. Seine Funktion ist jedoch nicht auf Krebszellen beschränkt. Aktivierte Stromazellen und infiltrierende Immunzellen bilden eine Mikroumgebung des Tumors, von der die Krebszellen abhängen. Beim duktalen Adenokarzinom der Bauchspeicheldrüse (PDAC), der tödlichsten Form von Krebs, besteht der größte Teil des Tumorvolumens aus dem Tumorstroma, das sich aus krebsassoziierten Fibroblasten (CAF), pankreatischen Stellatzellen (PSC; Abbildung 4), tumorassoziierten Makrophagen (TAM) und anderen Immunzellen zusammensetzt. Die Schwierigkeit bei der Behandlung des Pankreaskarzinoms ergibt sich aus seiner frühen Ausbreitung in die Leber, wo sich eine prämetastatische Nische aus hämatopoetischen Zellen aus dem Knochenmark bildet. Alle diese Zelltypen exprimieren mehrere CD44-Isoformen, die möglicherweise an der Regulierung mehrerer molekularer Signalwege beteiligt sind, die für ihre tumorfördernde Funktion entscheidend sind. Da sich die Blockade von CD44 bei der Hemmung des Tumorwachstums und der Metastasierung als hochwirksam erwiesen hat, untersuchen wir die Rolle von stabil exprimiertem CD44 in Stromazellen während der Tumorentwicklung und der Bildung von Metastasen-Nischen.

Abbildung 3: Pankreastumor, der CD44v6 und MET exprimiert (links), CD44-Expression in Blutgefäßen aus einem Pankreastumor (rechts)

Abbildung 4: Pankreatische Stellatazellen, die CD44 und den Aktivierungsmarker Col1a1 exprimieren.

3)    CD44 und HA in der Chemokinsignalisierung

Das Zusammenspiel von HA, CD44, CXCL12 und CD44 hat Auswirkungen auf die Homing von hämatopoetischen Stammzellen in ihre Nische und bei hämatologischen Erkrankungen (chronische lymphozytäre Leukämie, akute myeloische Leukämie). Die Zusammenarbeit zwischen diesen Molekülen spielt eine Rolle bei der Resistenz leukämischer Stammzellen gegen Chemotherapie.

4)    CD44 in Wnt-Signalisierung

Der molekulare Wirkmechanismus von CD44 bei der Wnt-Signalübertragung wird während der Entwicklung und Homöostase des Darms und bei der Funktion von Darmstammzellen untersucht.

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Abbildung 5. Schnitt durch einen Dickdarm und ein Organoid

Angesichts der Bedeutung von CD44 für die Darmtätigkeit werden die Folgen einer Entfernung von CD44 im Darmepithel bei der Darmregeneration untersucht.
Darüber hinaus wird das Übersprechen zwischen CD44 und Wnt bei entzündlichen Darmerkrankungen und Wnt-getriebenem Darmkrebs untersucht. Dort wird besonderes Augenmerk auf die Plastizität der Krebszellen gelegt.

Abbildung 6: TOP-GFP-Sphäroide

Werkzeuge:
Wir haben eine Reihe von künstlich hergestellten Krebsorganoiden entwickelt. Wir haben eine Cd44-floxierte und eine Cd44v6-floxierte Maus entwickelt und untersuchen die Rolle von CD44 in der Entwicklung bei konditionaler Aktivierung von Cd44 in Leber, Darm, Brust und Haut. Außerdem haben wir ein Panel von CRISPR/Cas-Konstrukten gegen verschiedene CD44-Isoformen entwickelt.