Illuminating the role of cancer associated fibroblasts (CAFs) in tumor development and response to therapy

Abstract

Cancer represents the second leading cause of death globally according to the World Health Organization (WHO). The immunosuppressive and hypoxic networks of the tumor microenvironment (TME) impede the elicitation of potent anti-tumor immune responses and impair the success of immunotherapy. Among the constituents of the TME, cancer-associated fibroblasts (CAFs) represent a dominant and highly heterogeneous cell population, serving multi-faceted roles in all stages of cancer progression. Importantly, their immunomodulatory functions within the TME are still poorly understood. The present thesis explores the contribution of CAFs in tumor development, immune evasion and immunotherapy resistance, using state-of-the-art mouse models and biopsies from cancer patients. Herein, we demonstrated that α-SMA+ CAFs accumulate in the TME and express immune checkpoint ligands PD-L1 and PD-L2, facilitating the creation of an immunosuppressive tumor stroma. Notably, α-SMA+ CAFs exhibit a tolerogenic phenotype and affect immune cell infiltration and the proteomic contexture of the TME. Moreover, these cells can phagocytose, process and present tumor antigens, instructing movement arrest, activation and proliferation of T regulatory (Treg) cells in an MHC II-dependent manner. Importantly, our data reveal the formation of immune synapses between CAFs and Treg cells, which are reinforced by CAF autophagy and persist despite PD-L1 blockade, indicating that these interactions may constitute a resistance mechanism against immune checkpoint inhibitors. Knocking down autophagy in CAFs led to their inflammatory reprogramming, which attenuated tumor development while reducing Treg cell infiltration into the TME and CAF-mediated Treg activation. Finally, combination of autophagy depletion along with administration of dual immune checkpoint blockade therapy resulted in inhibition of tumor growth and a greater presence of effector T cells in the TME, hinting that targeting of this catabolic pathway in CAFs may ameliorate resistance to immunotherapy. Overall, in this study we analyze the immunosuppressive function of α-SMA+ CAFs in the TME, revealing the formation of synapses between α-SMA+ CAFs and Tregs in an autophagy-dependent manner. Our findings underscore the therapeutic potential of disrupting these cell-to-cell interactions between the two cell types or inhibiting CAF autophagy. Ultimately, the results presented here provide a better understanding of the mechanisms and molecules CAFs utilize, which stimulate tumor development and resistance to therapy, while offering new avenues for development of anti-cancer therapies, through combination of CAF-targeted therapies with immune checkpoint inhibition.

Ο καρκίνος αντιπροσωπεύει τη δεύτερη κύρια αιτία θανάτου παγκοσμίως σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας (ΠΟΥ). Τα ανοσοκατασταλτικό και υποξικό μικροπεριβάλλον του όγκου (TME) αναστέλλει την πρόκληση ισχυρών αντικαρκινικών ανοσολογικών αποκρίσεων και εμποδίζει την επιτυχία της ανοσοθεραπείας. Μεταξύ των συστατικών του TME, οι ινοβλάστες που σχετίζονται με τον καρκίνο (CAFs) αντιπροσωπεύουν έναν κυρίαρχο και εξαιρετικά ετερογενή κυτταρικό πληθυσμό, που εξυπηρετούν πολύπλευρους ρόλους σε όλα τα στάδια εξέλιξης του καρκίνου. Ωστόσο, οι ανοσοτροποποιητικές τους λειτουργίες εντός του TME εξακολουθούν να είναι ελάχιστα κατανοητές. Η παρούσα διατριβή διερευνά τη συμβολή των CAFs στην ανάπτυξη του καρκίνου, τη διαφυγή από το ανοσοποιητικό σύστημα και την αντίσταση στην ανοσοθεραπεία, χρησιμοποιώντας μοντέλα ποντικών και βιοψίες ασθενών. Συγκεκριμένα, δείξαμε ότι οι α-SMA+ CAFs συσσωρεύονται στο TME και εκφράζουν τους αναστολείς των σημείων ανοσιακού ελέγχου PD-L1 και PD-L2, διευκολύνοντας τη δημιουργία ενός ανοσοκατασταλτικού περιβάλλοντος. Συγκεκριμένα, οι α-SMA+ CAFs επηρεάζουν τη διήθηση των κυττάρων του ανοσοποιητικού και την πρωτεομική σύσταση του TME. Επιπλέον, αυτά τα κύτταρα μπορούν να φαγοκυτταρώσουν, να επεξεργαστούν και να παρουσιάσουν αντιγόνα προερχόμενα από τον όγκο, επηρεάζοντας την κινητικότητα, την ενεργοποίηση και τον πολλαπλασιασμό των T ρυθμιστικών κυττάρων (Tregs) με MHC II-εξαρτώμενο τρόπο. Εξαιρετικής σημασίας είναι τα δεδομένα μας που αποκαλύπτουν το σχηματισμό ανοσολογικών συνάψεων μεταξύ των CAFs και των Tregs, οι οποίες επάγονται όταν τα CAFs έχουν λειτουργική αυτοφαγία, ενώ παραμένουν σταθερές ακόμη και σε συνθήκες χορήγησης anti-PD-L1 ανοσοθεραπείεας, υποδεικνύοντας ότι αυτές οι αλληλεπιδράσεις μπορεί να συνιστούν μηχανισμό αντίστασης έναντι των αναστολέων του ανοσοποιητικού σημείου ελέγχου. Μελετώντας περαιτέρω την αυτοφαγία στα CAFs, είδαμε ότι επάλειψή της οδηγεί στον προ-φλεγμονώδη μοριακό επανα-προγραμματισμό τους, με αποτέλεσμα τη μείωση των όγκων και τη μειωμένη διήθηση και ενεργοποίηση των Treg κυττάρων στο TME. Τέλος, ο συνδυασμός απαλοιφής της αυτοφαγίας μαζί με την ταυτόχρονη χορήγηση ανοσοθεραπείας anti-PD-1/anti-CTLA-4 σε ποντίκια οδήγησε σε αναστολή της ανάπτυξης του όγκου και μεγαλύτερη παρουσία Τ λεμφοκυττάρων ΤΜΕ, αναδεικνύοντας ότι η στόχευση αυτού του καταβολικού μονοπατιού μπορεί να προσπελάσει την αντίσταση στην ανοσοθεραπεία. Συνολικά, στην παρούσα μελέτη αξιολογείται η ανοσοκατασταλτική λειτουργία των α-SMA+ CAFs και αποκαλύπτεται η δυνατότητά τους να σχηματίζουν ανοσολογικές συνάψεις με τα Tregs, μία αλληλεπίδραση που εξαρτάται από την ύπαρξη λειτουργικής αυτοφαγίας στα CAFs. Τα ευρήματά μας υπογραμμίζουν τη θεραπευτική δυναμική της διατάραξης των συνάψεων αυτών, καθώς και της αναστολής της αυτοφαγίας στα CAFs. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής αναμφίβολα οδήγούν σε καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών και μορίων που χρησιμοποιούν οι CAFs, ώστε να διεγείρουν την ανάπτυξη όγκου και την αντίσταση στη θεραπεία, ενώ προσφέρουν νέες οδούς για την ανάπτυξη εξειδικευμένων αντικαρκινικών θεραπειών.