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Influence of 3D tumor cell/fibroblast co-culture on monocyte differentiation and tumor progression in pancreatic cancer

Einfluss von 3D Tumorzell/Fibroblasten Ko-kulturen auf die Monozyten Differenzierung und das Tumorwachstum bei Bauchspeicheldrüsenkrebs

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-156226
  • Pancreatic cancer (PC) remains one of the most challenging solid tumors to treat with a high unmet medical need as patients poorly respond to standard-of-care-therapies. Prominent desmoplastic reaction involving cancer-associated fibroblasts (CAFs) and the immune cells in the tumor microenvironment (TME) and their cross-talk play a significant role in tumor immune escape and progression. To identify the key cellular mechanisms induce an immunosuppressive tumor microenvironment, we established 3D co-culture model with pancreatic cancer cells,Pancreatic cancer (PC) remains one of the most challenging solid tumors to treat with a high unmet medical need as patients poorly respond to standard-of-care-therapies. Prominent desmoplastic reaction involving cancer-associated fibroblasts (CAFs) and the immune cells in the tumor microenvironment (TME) and their cross-talk play a significant role in tumor immune escape and progression. To identify the key cellular mechanisms induce an immunosuppressive tumor microenvironment, we established 3D co-culture model with pancreatic cancer cells, CAFs, monocyte as well as T cells. Using this model, we analysed the influence of tumor cells and fibroblasts on monocytes and their immune suppressive phenotype. Phenotypic characterization of the monocytes after 3D co-culture with tumor/fibroblast spheroids was performed by analysing the expression of defined cell surface markers and soluble factors. Functionality of these monocytes and their ability to influence T cell phenotype and proliferation was investigated. 3D co-culture of monocytes with pancreatic cancer cells and fibroblasts induced the production of immunosuppressive cytokines which are known to promote polarization of M2 like macrophages and myeloid derived suppressive cells (MDSCs). These co-culture spheroid polarized monocyte derived macrophages (MDMs) were poorly differentiated and had an M2 phenotype. The immunosuppressive function of these co-culture spheroids polarized MDMs was demonstrated by their ability to inhibit autologous CD4+ and CD8+ T cell activation and proliferation in vitro, which we could partially reverse by 3D co-culture spheroid treatment with therapeutic molecules that are able to re-activate spheroid polarized MDMs or block immune suppressive factors such as Arginase-I. In conclusion, we generated a physiologically relevant 3D co-culture model, which can be used as a promising tool to study complex cell-cell interactions between different cell types within the tumor microenvironment and to support drug screening and development. In future, research focused on better understanding of resistance mechanisms to existing cancer immunotherapies will help to develop new therapeutic strategies in order to combat cancer.show moreshow less
  • Bei Bauchspeicheldrüsenkrebs handelt es sich um eine maligne Tumorerkrankung, deren Behandlung Ärzte noch immer vor große Herausforderungen stellen und die zur dritthäufigsten krebsbedingten Todesursache der westlichen Welt zählt. Desmoplastische Reaktionen im Tumorgewebe sind hierbei ein besonderes Merkmal dieser Erkrankung. Dabei spielen tumor-assoziierte Fibroblasten sowie unterschiedliche Zellen des Immunsystems und deren Interaktionen eine essentielle Rolle hinsichtlich Tumorwachstum und der Herunterregulation des Immunsystems. UmBei Bauchspeicheldrüsenkrebs handelt es sich um eine maligne Tumorerkrankung, deren Behandlung Ärzte noch immer vor große Herausforderungen stellen und die zur dritthäufigsten krebsbedingten Todesursache der westlichen Welt zählt. Desmoplastische Reaktionen im Tumorgewebe sind hierbei ein besonderes Merkmal dieser Erkrankung. Dabei spielen tumor-assoziierte Fibroblasten sowie unterschiedliche Zellen des Immunsystems und deren Interaktionen eine essentielle Rolle hinsichtlich Tumorwachstum und der Herunterregulation des Immunsystems. Um zelluläre Mechanismen, die ein immunsuppressives Tumormilieu induzieren, zu identifizieren, entwickelten wir ein 3D Ko-Kultur Modell mit Bauchspeicheldrüsenkrebszellen, tumor-assoziierten Fibroblasten sowie Monozyten und T-Zellen. Mit Hilfe dieses Modells konnten wir den Einfluss von Tumorzellen und Fibroblasten auf den Phänotyp und das Verhalten von Monozyten untersuchen. Dazu wurden Monozyten in einer 3D Tumorzell/Fibroblasten Ko-Kultur kultiviert und differenziert, um anschließend die Expression definierter Zelloberflächenmarker und löslicher Faktoren zu analysieren. Des Weiteren wurde das Verhalten dieser 3D Ko-Kultur differenzierten myeloiden Zellpopulation sowie ihre Fähigkeit den Phänotyp von T Zellen und deren Proliferation zu beeinflussen untersucht. Die 3D Ko-Kultur der Monozyten zusammen mit den Tumorzellen und den Fibroblasten führten zur Produktion immunsuppressiver Zytokine und Chemokine, wodurch die Differenzierung der Monozyten in M2-ähnliche Makrophagen induziert wurde. Diese durch die 3D Tumorzell/Fibroblasten Sphäroide polarisierten aus Monozyten herangereiften M2-ähnlichen Makrophagen besaßen außerdem immunsuppressive funktionelle Eigenschaften, indem sie in der Lage waren, die Aktivierung und Proliferation von autologen CD4+ und CD8+ T Zellen in vitro zu inhibieren. Die Suppression sowohl der CD4+ als auch der CD8+ T Zellen konnte durch die Behandlung therapeutischer Moleküle, die die Re-Aktivierung der immunsuppressiven 3D Sphäroid polarisierten Makrophagen stimulierten oder suppressive Faktoren wie Arginase-I blockierten, wieder aufgehoben und die T Zell Proliferation teilweise wiederhergestellt werden. Unser etabliertes 3D Ko-Kultur System repräsentiert ein vielversprechendes physiologisch relevantes Modell, welches genutzt werden kann, um Zell-Zell Interaktion und Kommunikation im Tumormilieu zu untersuchen und dadurch die Wirkung von Medikamenten zu verbessern. Ein gezieltes besseres Verständnis von Tumorresistenz Mechanismen gegen bereits bestehende Immun Therapien fördert die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze zur Bekämpfung von Krebs.show moreshow less

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Metadaten
Author: Janina Kuen
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-156226
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Medizinische Fakultät / Institut für Virologie und Immunbiologie
Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Manfred Lutz, PD Dr. Alois Palmetshofer
Date of final exam:2017/12/20
Language:English
Year of Completion:2017
Sonstige beteiligte Institutionen:Roche Diagnostics GmbH Penzberg
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:monocyte; pancreatic cancer; 3D cell culture
Tag:Bauchspeicheldrüsenkrebs; Fibroblasten; Monozytendifferenzierung
3D Ko-kulture; fibroblasts; monocyte differentiation
TAMs
Release Date:2017/12/22
Licence (German):License LogoCC BY-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International