Μορφολογική μελέτη της έκφρασης των υποδοχέων κινάσης τυροσίνης Trks (υποδοχείς νευροτροφινών) και VEGFR-3 και συσχέτισή τους με την οδό μεταγωγής σήματος Epor/ JAK-2/ STAT-5 στους όγκους εγκεφάλου του ανθρώπου

Abstract

Brain tumors are phenotypically and genotypically heterogeneous. Significant gaps exist in current understanding of the molecular pathways involved in the genesis, progression, and biological and clinical behavior of brain tumors. Considering that: a) there is a growing amount of evidence implicating the neurotophin receptors Trks (receptor tyrosine kinases) in the pathogenesis of CNS tumors, b) neurotrophins may regulate neuronal gene expression via transcription factor STAT-5 in a JAK-2 independent manner, c) the JAK-2/STAT-5 signaling pathway is activated by Epo (recently characterized as a key factor for tumor growth) through its receptor EpoR, d) Epo is known to interact synergistically with vascular endothelial growth factor (VEGF), a potent angiogenic factor, and enhance its vascular activity, and these two growth factors, are often co-expressed, e) recent data suggest a potential role for a VEGF/JAK-2/STAT-5 axis in tumor angiogenesis and f) in many tumors, VEGF-C and -D are produced by tumor cells as well as by tumor-associated macrophages and through their receptor VEGFR-3 are involved in tumor angiogenesis and growth, the aim of this thesis is the morphological study of the expression patterns of the receptor tyrosine kinases Trks (neurotrophin receptors) and VEGFR-3 and their correlation with the EpoR/JAK-2/STAT-5 signaling pathway in human brain tumors. Immunohistochemistry was performed on formalin-fixed, paraffin-embedded, 4μm thick serial sections using the anti-Mouse/Rabbit Poly HRP IHC Detection kit (CHEMICON International, Inc.). Antibodies against the Trk receptors, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3, were used. A total of 92 brain tumors (50 astrocytic gliomas: 5 pilocytic astrocytomas; WHO grade I, 6 diffuse fibrillary astrocytomas; WHO grade II, 10 anaplastic astrocytomas; WHO grade III and 29 glioblastomas multiforme; WHO grade IV, 8 oligodendrogliomas, 6 ependymomas, 5 medulloblastomas, and 23 meningiomas) were included in this study. Normal human brain tissue was obtained postmortem (2 males). The present study demonstrated moderate to strong, granular cytoplasmic immunoreactivity in the majority of astrocytomas, for TrkA (57%), TrkB (56%) and TrkC receptors (46%), independently of grade. All the oligodendrogliomas and the ependymomas examined, were Trk immunonegative while a small percentage of medulloblastomas exhibited Trk immunopositivity. The endothelium of tumor vessels, in the immunopositive areas of the tumors, showed conspicuous immunoreactivity for TrkB receptor. A significant percentage of astrocytomas (41%), ependymomas (33%) and meningiomas (48%) displayed EpoR immunoreactivity. Oligodendrogliomas and medulloblastomas were EpoR- immunonegative. JAK-2/STAT-5 co-expression was detected in 39% of astrocytomas, 43% of oligodendrogliomas, 50% of ependymomas and in all (100%) the medulloblastomas examined. In contrast, most of the meningiomas showed weak or no immunoreactivity for JAK-2 and STAT-5 proteins. Some tumors exhibited STAT-5 immunoreactivity being JAK-2-immunonegative and others were JAK-2-immunopositive being EpoR-immunonegative. In some tumors - independently of EpoR immunoreactivity in tumors cells- the endothelium of tumor capillaries as well as florid angioproliferative changes and/or proliferations of smooth muscle cells showed conspicuous immunoreactivity for EpoR. Furthermore, endothelial cells of some tumor vessels showed JAK-2 and/or STAT-5 immunoreactivity. The present study demonstrated the almost catholic VEGFR-3 expression in the endothelium of tumor vessels in the brain tumor specimens examined, as well as in the smooth muscle cells in peritumoral vessels. In some tumors, the tumor cells expressed VEGFR-3receptor. In astrocytic gliomas, pan-Trk, TrkB and TrkC expression was significantly correlated with STAT-5 expression but not with JAK-2 whereas TrkA expression was not significantly correlated with either JAK-2 or STAT-5 expression. In astrocytic gliomas, JAK-2 expression was significantly correlated with STAT-5 expression whereas JAK-2 and STAT-5 expression were not significantly correlated with EpoR expression. In ependymomas, strong relationship between JAK-2, STAT-5 and EpoR expression was confined. Furthermore, in medulloblastomas, strong relationship between JAK-2 and STAT-5 expression was detected. A significant percentage of astrocytomas (58%), oligodendrogliomas (67%), ependymomas (50%), medulloblastomas (20%) and meningiomas (33%), displayed EpoR and VEGFR-3 co-expression in tumor vessels. Additionally, TrkB and VEGFR-3 co-expression was detected in the endothelium of tumor capillaries in 57% of the astrocytomas examined. The above results indicate the existence of a ligand (other than Epo)-dependent or independent JAK-2 activation that leads to the constitutive activation of STAT-5 as well as the existence of at least one mechanism, other than the Trk - dependent gene induction by STAT-5 that results to the latter’s constitutive activation in these tumors. Furthermore, the finding of EpoR, JAK-2 and/or STAT-5 immunoreactivity in endothelial cells of tumor vessels, supports the ongoing notion of an angiogenic role of Epo in tumor neovascularization. The presence of TrkB, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3 in the endothelium of tumor vessels in the brain tumors specimens included in this study, implicate these factors as possible critical players in the process of angiogenesis. The present study demonstrates the expression of Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3 in a significant percentage of human brain tumors. Functional studies of the Trks, EpoR and VEGFR-3-activated signaling pathways, are necessary in order to clarify the meaning of a possible cross-talking between these pathways in the process of oncogenesis, the deep understanding of which, could lead to innovative new strategies for drug targeting to human brain tumors.

Οι όγκοι εγκεφάλου του ανθρώπου είναι φαινοτυπικά και γονοτυπικά ετερογενείς. Υπάρχουν σημαντικά κενά στην κατανόηση των μοριακών οδών που εμπλέκονται στην γένεση και ανάπτυξη των νεοπλασμάτων αυτών, καθώς και στη βιολογική και κλινική συμπεριφορά τους. Δεδομένου ότι: α) υπάρχει ένας αυξανόμενος όγκος πληροφοριών σχετικά με την εμπλοκή των υποδοχέων νευροτροφινών Trks (υποδοχείς κινάσης τυροσίνης) στην παθογένεια των νεοπλασμάτων του ΚΝΣ, β) οι νευροτροφίνες μπορούν να ρυθμίζουν τη γονιδιακή έκφραση στο νευρικό σύστημα μέσω του μεταγραφικού παράγοντα STAT-5 με μηχανισμό ανεξάρτητο της ενεργοποίησης της κινάσης JAK-2, γ) η οδός μεταγωγής σήματος JAK-2/STAT-5 ενεργοποιείται από την ερυθροποιητίνη (Epo) (μέσω δέσμευσής της με τον υποδοχέα της EpoR) η οποία πρόσφατα έχει θεωρηθεί ως παράγοντας-κλειδί της αύξησης των όγκων λόγω των αντιαποπτωτικών και αγγειογενετικών ιδιοτήτων και δυνητικός στόχος ογκολογικών θεραπευτικών στρατηγικών, δ) η Epo διαντιδρά με τον παράγοντα αγγειογένεσης VEGF ενδυναμώνοντας την αγγειοδραστικότητά του και συχνά οι δύο αυτοί αναπτυξιακοί παράγοντες συνεκφράζονται, ε) ερευνητικά δεδομένα υποδεικνύουν ένα δυνητικό ρόλο του άξονα VEGF/JAK-2/STAT-5 στην αγγειογένεση στον καρκίνο και στ) σε πολλά νεοπλάσματα, τα κύτταρα του όγκου καθώς και τα μακροφάγα του στρώματος εκφράζουν τους παράγοντες λεμφαγγειογένεσης VEGF-C και VEGF-D οι οποίοι μέσω του υποδοχέα τους VEGFR-3 (υποδοχέας κινάσης τυροσίνης) έχει βρεθεί ότι προάγουν την αγγειογένεση στα νεοπλάσματα αυτά, ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μορφολογική μελέτη της έκφρασης των υποδοχέων κινάσης τυροσίνης Trks (υποδοχείς νευροτροφινών) και VEGFR-3 και η συσχέτισή τους με την οδό μεταγωγής σήματος EpoR/JAK-2/STAT-5 στα νεοπλάσματα του εγκεφάλου στον άνθρωπο. Για την ανίχνευση των Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 και VEGFR-3, χρησιμοποιήθηκε η ανοσοϊστοχημική μέθοδος σε διαδοχικές τομές ιστού πάχους 4μm, μονιμοποιημένου σε φορμόλη και εγκλεισμένου σε παραφίνη. Χρησιμοποιήθηκαν ειδικά αντισώματα έναντι των προς μελέτη πρωτεϊνών. Εξετάσθηκαν συνολικά 92 όγκοι εγκεφάλου (50 αστροκυτώματα: 5 πιλοκυτταρικά αστροκυττώματα WHO grade I, 6 διάχυτα αστροκυττώματα WHO grade II, 10 αναπλαστικά αστροκυττώματα. WHO grade III και 29 πολύμορφα γλοιοβλαστώματα. WHO grade IV, 8 ολιγοδενδρογλοιώματα, 6 επενδυμώματα, 5 μυελοβλαστώματα και 23 μηνιγγιώματα). Επιπλέον, στη μελέτη συμπεριλήφθηκαν τομές ιστού φυσιολογικού εγκεφάλου. Στην παρούσα εργασία, η πλειονότητα των αστροκυττωμάτων ανεξαρτήτως βαθμού κακοήθειας, έδειξε μέτρια έως έντονη κυτταροπλασματική ανοσοδραστικότητα για τους υποδοχείς TrkA (57%), TrkB (56%) και TrkC (46%). Όλα τα ολιγοδενδρογλοιώματα και τα επενδυμώματα που εξετάσθηκαν ήταν αρνητικά για τους υποδοχείς Trk ενώ έκφραση των υποδοχέων ανιχνεύθηκε σε μικρό ποσοστό των μυελοβλαστωμάτων. Στις ανοσοθετικές περιοχές των όγκων, το τοίχωμα των αγγείων ήταν έντονα θετικό για τον υποδοχέα TrkB. Σε ένα σημαντικό ποσοστό αστροκυττωμάτων (41%), επενδυμωμάτων (33%) και μηνιγγιωμάτων (48%) ανιχνεύθηκε έκφραση του EpoR, ενώ τα ολιγοδενδρογλοιώματα και τα μυελοβλαστώματα που εξετάσθηκαν ήταν αρνητικά. Συνέκφραση των JAK-2/STAT-5 ανιχνεύθηκε στο 39% των αστροκυττωμάτων, στο 43% των ολιγοδενδρογλοιωμάτων, στο 50% των επενδυμωμάτων και σε όλα (100%) τα μυελοβλαστώματα που συμπεριλήφθηκαν στη μελέτη. Η πλειονότητα των μηνιγγιωμάτων έδειξε ασθενή έως μηδενική έκφραση των πρωτεινών JAK-2 και STAT-5. Σε κάποιους όγκους, ανιχνεύθηκε έκφραση της πρωτείνης STAT-5 ενώ ήταν αρνητικοί για την κινάση JAK-2. Επίσης, βρέθηκαν όγκοι JAK-2- ανοσοθετικοί/ EpoR-ανοσοαρνητικοί. Στα ενδοθηλιακά κύτταρα των αγγείων των όγκων ανιχνεύθηκε έκφραση των EpoR, JAK-2 και/ή STAT-5. Η μελέτη της έκφρασης του VEGFR-3 έδειξε την καθολική σχεδόν έκφραση του υποδοχέα στο ενδοθήλιο των αγγείων, στους όγκους εγκεφάλου που εξετάσθηκαν, καθώς και στο τοίχωμα μεγαλύτερων αγγείων εκτός της περιοχής των όγκων. Επίσης, σε κάποιες περιπτώσεις, παρατηρήθηκε έκφραση του υποδοχέα σε νεοπλασματικά κύτταρα. Στα αστροκυτταρικά γλοιώματα, η έκφραση των pan-Trk, TrkB και TrkC σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την έκφραση STAT-5 ενώ δεν υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση της έκφρασης του υποδοχέα TrkA με την έκφραση των JAK-2 και STAT-5, καθώς και της έκφρασης των Trks με την έκφραση της κινάσης JAK-2. Στα αστροκυτταρικά γλοιώματα, η έκφραση JAK-2 σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την έκφραση STAT-5, ενώ η έκφραση των JAK-2 και STAT-5 δεν σχετίζεται σημαντικά με την έκφραση EpoR. Στα επενδυμώματα υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ της έκφρασης JAK-2, STAT-5 και EpoR. Επίσης, στα μυελοβλαστώματα υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ της έκφρασης JAK-2 και STAT-5. Σε σημαντικό ποσοστό των εξετασθέντων όγκων –ιδιαίτερα των γλοιωμάτων- συνεκφράζονται οι υποδοχείς EpoR και VEGFR-3 στο ενδοθήλιο και στα λεία μυικά κύτταρα των αγγείων. Συγκεκριμένα, έκφραση και των δύο υποδοχέων στο τοίχωμα των αγγείων του όγκου, ανιχνεύθηκε, στο 58% των αστροκυτταρικών γλοιωμάτων, στο 67% των ολιγοδενδρογλοιωμάτων, στο 50% των επενδυμωμάτων, στο 20% των μυελοβλαστωμάτων και στο 33% των μηνιγγιωμάτων. Επίσης συνέκφραση των υποδοχέων TrkB και VEGFR-3 στο ενδοθήλιο των αγγείων των όγκων ανιχνεύθηκε στο 57% των αστροκυτταρικών γλοιωμάτων. Η έκφραση στο ενδοθήλιο των αγγείων των όγκων (α) του υποδοχέα TrkB στην πλειονότητα των TrkB-ανοσοθετικών όγκων, (β) των EpoR, JAK-2 και/ή STAT-5 σε αρκετούς όγκους ανεξάρτητα της ανοσοθετικότητας των νεοπλασματικών κυττάρων για τις πρωτεΐνες αυτές και (γ) του VEGFR-3 σχεδόν σε όλους του εξετασθέντες όγκους, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι παραπάνω παράγοντες πιθανόν συνεργάζονται στην αγγειογενετική διαδικασία στους όγκους εγκεφάλου. Η παρούσα μελέτη απέδειξε την παρουσία των: Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 και VEGFR-3 σε σημαντικό ποσοστό των όγκων εγκεφάλου στον άνθρωπο. Είναι απαραίτητο να διενεργηθούν λειτουργικές μελέτες των σηματοδοτικών οδών που προκύπτουν από την ενεργοποίηση των Trks, EpoR και VEGFR-3, προκειμένου να αποσαφηνισθούν οι πιθανές διαντιδράσεις αυτών των οδών στη διαδικασία της ογκογένεσης, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει στο σχεδιασμό νέων θεραπευτικών στρατηγικών για την αποτελεσματική αντιμετώπιση των όγκων εγκεφάλου στον άνθρωπο.