Pleiotropic activity of Cancer Stem Cells derived Extracellular Vesicles in cancer

Abstract

Els tumors de càncer de mama triple negatiu (TNBC) i carcinoma de cèl·lules escamoses del cap i del coll (HNSCC) solen mostrar un alt grau d’heterogeneïtat intratumoral. Entre les subpoblacions de cèl·lules tumorals, les cèl·lules mare del càncer (SCC) apareixen com una població de cèl·lules crítiques que té un paper clau en la iniciació, la progressió, la metàstasi i la recaiguda del tumor després de la teràpia. De fet, la plasticitat de les cèl·lules cancerígenes media la repoblació de CSC en tumors mitjançant processos de desdiferenciació de cèl·lules cancerígenes diferenciades (DCC) cap als fenotips CSC. Se sap que les vesícules extracel·lulars (EV) alliberades per les cèl·lules tumorals tenen un paper rellevant en la comunicació intercel·lular i les malalties del càncer. No obstant això, la contribució particular dels EV secretats per CSC o DDC (EVsCSC i EVsDCC) a la progressió del tumor continua sent esquiva. Aquí vam aïllar i caracteritzar les subpoblacions EVsCSC i EVsDCC, publicades pels models TNBC. De fet, i atesa la naturalesa immunosupressora dels tumors HNSCC, vam establir un enfocament experimental per rastrejar les interaccions in vivo entre HNSCC EVsCSC, EVsDCC i subconjunts de cèl·lules immunes. Curiosament, aquesta tesi va mostrar que tant els tumors secretats com EVsCSC i EVsDCC estableixen una combinació exclusiva de comunicacions amb cèl·lules CSC, DCC i estromals presents al microentorn tumoral. En particular, vam exposar el paper únic dels EVsCSC i EVsDCC derivats del TNBC en la guia de la plasticitat de les cèl·lules cancerígenes i en la mediació de l’activació a distància de les cèl·lules estromals en futurs llocs metastàtics. A més, vam abordar que EVsCSC i EVsDCC derivats del TNBC exerceixen funcions oposades en la direcció de la plasticitat de les cèl·lules tumorals. Tot i que EVsCSC va promoure la diferenciació de les cèl·lules cancerígenes en fenotips DCC, EVsDCC va induir transicions de cèl·lules tumorals a estats semblants al CSC. Aquesta regulació de la plasticitat sembla ser un mecanisme per mantenir l’equilibri dinàmic CSC / DCC del tumor en tumors. Curiosament, vam demostrar que EVsCSC i EVsDCC medien l’activació dels fibroblasts associats al càncer (CAF) de dues maneres funcionals i úniques. D’una banda, EVsDCC va activar el fenotip CAF de la secreció de citocines, provocant la senyalització d’IL-6 / IL-8 i mantenint el manteniment del fenotip CSC. D’altra banda, EVsCSC va produir activació in vitro i in vivo de subpoblacions de CAF miofibroblàstiques que havien augmentat el potencial invasiu. A més, EVsCSC va ser capaç de remodelar les cèl·lules endotelials per promoure l’angiogènesi. De fet, hem demostrat que HNSCC EVsCSC interactua preferentment amb els macròfags MHC-II-M2 i les cèl·lules T PD-1 + del microambient immune del tumor. Cal tenir en compte que ambdues poblacions de cèl·lules immunes estan molt implicades en la immunosupressió tumoral. Finalment, vam demostrar que EVsCSC administrat de forma exògena induïa la formació de nínxols metastàtics pulmonars receptius que donaven suport al creixement de la macrometastasa, mentre que EVsDCC induïa la secreció de senyals proCSC al nínxol.

Los tumores de cáncer de mama triple negativo (TNBC en inglés) y de células escamosas de cabeza y cuello (HNSCC) suelen mostrar un alto grado de heterogeneidad intratumoral. Entre las subpoblaciones de células tumorales, las células madre tumorales(CSC) emergen como una población celular crítica que juega un papel clave en la iniciación, progresión, metástasis y recaída del tumor después de la terapia. De hecho, la plasticidad de las células tumorales media la repoblación de las CSC en tumores mediante procesos de desdiferenciación de células cancerosas diferenciadas (DCC) hacia fenotipos CSC. Se sabe que las vesículas extracelulares (EVs) liberadas por las células tumorales desempeñan un papel importante en la comunicación intercelular y el cancer. Sin embargo, la contribución particular de las EVs secretadas por CSC o DDC (EVsCSC y EVsDCC) en la progresión del tumor sigue siendo desconocida. Aquí aislamos y caracterizamos las subpoblaciones EVsCSC y EVsDCC liberadas por modelos de TNBC. A su vez, y dada la naturaleza inmunosupresora de los tumores HNSCC, establecemos un enfoque experimental para rastrear las interacciones in vivo entre las HNSCC EVsCSC, las EVsDCC y los subtipos de células inmunes. Esta tesis demuestra que tanto las EVsCSC como las EVsDCC establecen un crosstalk entre las CSC, DCC y las células estromales presentes en el microambiente tumoral crítico para la progresión tumoral. En particular, exponemos el papel único de las EVsCSC y las EVsDCC derivadas del TNBC en la orientación de la plasticidad de las células tumorales y en la mediación de la activación distante de las células estromales en los futuros nichos metastásicos. Además, exponemos que las EVsCSC y las EVsDCC derivadas de TNBC ejercen funciones opuestas en la dirección de la plasticidad de las células tumorales. Esta regulación de la plasticidad parece ser un mecanismo para mantener el equilibrio dinámico de las proporciones de CSC / DCC en el tumor. Además, las EVsCSC y EVsDCC median la activación de fibroblastos asociados al cáncer (CAF) de dos formas funcionales y únicas. Por un lado, las EVsDCC activan el fenotipo CAF de secreción de citoquinas, provocando la señalización de IL-6 / IL-8 y promoviendo el mantenimiento del fenotipo de CSC. Por otro lado, las EVsCSC producen la activación in vitro e in vivo de subpoblaciones de CAF miofibroblásticas con alto potencial invasivo. Además, las EVsCSC promueven la angiogénesis. Por su parte, también detectamos que las EVsCSC interactúan preferentemente con macrófagos MHC-II-M2 y células T PD-1 + en el microambiente inmunológico tumoral. Cabe señalar que ambas poblaciones de células inmunitarias están muy implicadas en la inmunosupresión tumoral. Finalmente, demostramos que la administración exógena de EVsCSC induce la formación de nichos metastásicos pulmonares receptivos que apoyan el crecimiento de macrometastasis.

Triple Negative Breast Cancer (TNBC) and Head and Neck Squamous Cell Carcinoma (HNSCC) tumors usually show high grade of intratumor heterogeneity. Among tumor cell subpopulations, Cancer Stem Cells (CSC) emerge as critical cell population that play key roles in tumor initiation, progression, metastasis and tumor relapse after therapy. Indeed, cancer cell plasticity mediates the repopulation of CSC in tumors through de-differentiation processes of differentiated cancer cells (DCC) towards CSC phenotypes. Extracellular Vesicles (EVs) released by tumor cells are known to play a relevant role in the inter-cellular communication and cancer disease. However, the particular contribution of EVs secreted by either CSC or DDC (EVsCSC and EVsDCC) to tumor progression remains elusive. Here we isolated and characterized EVsCSC and EVsDCC subpopulations, released by TNBC models. Indeed, and given the immunosupressive nature of HNSCC tumors, we stablished an experimental approach to track the in vivo interactions between HNSCC EVsCSC, EVsDCC and immune cells subsets. Interestingly, this thesis showed that both tumor secreted EVsCSC and EVsDCC stablish an exclusive commu-nication crosstalk with CSC, DCC and stromal cells present in the tumor microenvironment. Re-markably, we exposed the unique role of TNBC derived EVsCSC and EVsDCC in guiding cancer cells plasticity and in mediating distant activation of stromal cells at future metastatic sites. Furthermore, we addressed that TNBC derived EVsCSC and EVsDCC exerted opposite roles in directing tumor cell plasticity. While EVsCSC promoted cancer cells differentiation towards DCC phenotypes, EVsDCC induced tumor cells transitions towards CSC-like states. This plasticity regulation seems to be a mechanism to maintain tumor CSC/DCC dynamic equilibrium in tumors. Interestingly, we demonstrated that EVsCSC and EVsDCC mediate cancer associated fibroblasts (CAFs) activation in two functional and unique ways. On one hand, EVsDCC activated cytokine se-cretory CAFs phenotype, triggering IL-6/IL-8 signaling and sustaining CSC phenotype maintenance. On the other hand, EVsCSC produced the in vitro and in vivo activation of myofibroblastic CAFs subpopulations displaying enhanced invasive potential. Moreover, EVsCSC were able to re-model endothelial cells to promote angiogenesis. Indeed, we showed that HNSCC EVsCSC preferably interact with MHC-II- M2 Macrophages and PD-1+T cells in the tumor immune microenvironment. Of note, both immune cell populations are highly involved in tumor immunosuppression. Lastly, we showed that exogenously administered EVsCSC prompted the formation of receptive lung metastatic niches supporting macrometastasis growth whilst EVsDCC induced the secretion of pro-stem signals in the niche.