Microambiente y exosomas tumorales, aliados en los procesos de metástasis

Dr. Héctor Peinado, Jefe de Grupo de Microambiente y Metástasis. Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO)

Resumen
La mayoría de las muertes por cáncer ocurren como consecuencia de las metástasis. Durante los últimos años se ha avanzado en el conocimiento de los mecanismos a nivel celular y molecular implicados en el proceso metastásico Los datos demuestran que los mecanismos de comunicación entre el tumor y su microambiente son determinantes en este proceso. La metástasis es consecuencia de una evolución tumoral debida a las características del tumor primario, su interacción con el microambiente y su capacidad de supervivencia en órganos específicos. Este concepto, postulado hace más de 100 años por el médico inglés Stephen Paget, ha permitido ahondar en los mecanismos de progresión metastásica. Los datos sugieren que existe una selección de fenotipos tumorales metastásicos en el tumor primario que junto a la secreción de factores solubles y vesículas extracelulares permiten la formación de microambientes favorables en órganos concretos denominados nichos pre-metastásicos. Tras la formación de estos nichos, las células metastásicas son capaces de anidar y desarrollar metástasis de forma más efectiva. Actualmente todos los esfuerzos están centrados en determinar los mecanismos implicados en el organtropismo metastásico y en el desarrollo de nuevas dianas terapéuticas para bloquear la metástasis.

Papel del microambiente en la progresión tumoral y la metástasis
Más del 90% de las muertes relacionadas con el cáncer se produce por la metástasis, del gr. μετάστασις metástasis 'cambio de lugar'. Una vez producida, la metástasis es generalmente incontrolable, sólo en estadios muy tempranos y localizados puede ser tratable. El proceso metastásico es multifactorial implicando factores genéticos, epigenéticos, y microambientales tanto del tumor primario como de los órganos metastásicos[1]. Durante este proceso, las células del tumor primario han de adquirir la capacidad de migrar y establecerse en órganos distales. Estudios del prestigioso científico Joan Massagué, han permitido determinar que existe una evolución y selección del fenotipo de las células tumorales capaces de sobrevivir a todas las fases del proceso y que culmina con un fenotipo metastásico[2]. Durante este proceso se ha determinado que las interacciones con el microambiente tumoral ayudan a la selección de un fenotipo altamente agresivo, con capacidad de supervivencia y capaz de evadir la respuesta inmune[3].

El proceso de metástasis es sistémico, cuando un tumor se desarrolla no sólo se producen cambios en el tumor, todo nuestro organismo se ve afectado. Se conoce que el microambiente tumoral así como de los órganos de nuestro organismo reaccionan a la presencia del tumor primario: Con carácter específico hay que citar los estudios que durante la última década han demostrado que los órganos donde se va a producir la metástasis evolucionan en paralelo al tumor primario, cambiando su composición, reclutando numerosos tipos celulares estromales y formando un microambiente favorable para la metástasis denominado “nicho pre-metastásico”[4]. El nicho pre-metastásico se forma en órganos diana antes de que llegue la primera célula tumoral metastásica facilitando su supervivencia una vez anidan. La formación del nicho pre-metastásico depende principalmente de tres factores: 1) La selección de un fenotipo tumoral metastásico 2) la remodelación de la composición de la matriz extracelular y 3) el reclutamiento de células del sistema inmune y estromales [4].

La definición del nicho pre-metastático ha sido estudiada por diversos grupos, siendo el pionero de estos análisis el Dr. David Lyden [4]. Sus estudios iniciales describieron que progenitores hematopoyéticos que expresan el factor de crecimiento endotelial vascular del receptor 1 (VEGFR-1) preceden a la llegada de las células tumorales metastásicas (Figura 1) [5].

Figura 1 biotecnologia Hector Peinado

Fig.1 Principales factores y moléculas implicadas en la formación de nicho pre-metastásico y metástasis. Exosomas y factores solubles secretados como SDF-1, TNF-α, TGF-β, VEGF-A, y PlGF influyen en el reclutamiento de diferentes tipos de células en los nichos pre-metastásicos. El incremento de la expresión de moléculas específicas como S100A8, S100A9, LOX, fibronectina, MMP9, MMP2 promueven el reclutamiento de células derivadas de la médula ósea tales como células progenitoras hematopoyéticas (VEGFR 1, CD11b +, CD34 +) y células mieloides (CD11b +)[20]. 

Estas células mantienen su carácter progenitor (definido por la expresión de CD34, c-Kit) y expresan VLA-4 conocido también con integrina α4β1, mientras que en el nicho se eleva la expresión de fibronectina y otras proteínas como metaloproteasas MMP2 y MMP9 (Figura 1)[5, 6]. También se ha demostrado que la secreción de factores solubles como el factor de crecimiento vascular A (VEGF-A), el factor de necrosis de tumores alfa (TNF- α y el factor de crecimiento transformante beta (TGF-β por el tumor primario induce la expresión de los quimioatrayentes inflamatorias S100A8 y S100A9, que a su vez atrae células mieloides (CD11b+) al nicho pre-metastásico[7] (Fig.1). Más recientemente, se ha descrito un papel importante en la formación del nicho pre-metastásico de la lisil oxidasa (LOX)[8]. Esta proteína, previamente implicada en la oxidación y entrecruzamiento del colágeno, se secreta desde ambientes hipóxicos de los tumores primarios de mama anidando en nichos pre-metastásicos del pulmón donde co-localiza con fibronectina y colágeno tipo IV [8](Fig.1). Más recientemente se ha descrito que la LOX juega un papel similar en el nicho pre-metastásico del hueso [9] y otro miembro de esta familia, LOXL2 en el cáncer hepatocelular [10] o cáncer de mama[11], si bien en este último caso el proceso no parece ser debido únicamente a procesos extracelulares, si no también a mecanismos intracelulares asociados, como demuestran los estudios de la Dra. Amparo Cano, pionera del análisis de esta familia de proteínas junto al Dr. Francisco Portillo[12].

Durante los últimos años se han descrito numerosas proteínas secretadas implicadas en la formación del nicho metastásico, en su conjunto conocidas como “matrisoma metastásico” que incluyen fibronectina, tenascina - C, periostina, colágeno IV, lisil oxidasas y metaloproteasas de matriz [13] (Figura 1). Estas proteínas suelen acumularse y responder generalmente a la liberación de citocinas y quimiocinas solubles, que se reconoce actualmente como el principal mecanismo subyacente de comunicación entre el tumor y el nicho pre-metastásico (Figura 1) [3, 13]. Sin embargo, recientemente nuestro trabajo junto con el de otros ha definido la participación de exosomas y otras vesículas extracelulares secretadas por las células tumorales como una de las principales vías de comunicación implicadas en la formación del nicho pre-metastásico[14-18]. La participación de vesículas extracelulares se ha descrito como un medio de comunicación intercelular involucrado en la progresión tumoral, cambiando la visión que se tiene del microambiente tumoral [19-21]. Su secreción por el tumor primario es crucial en la fisiología tumoral y en el reclutamiento de numerosas células del microentorno tumoral permitiendo su evolución y metástasis (Figura 1) [22]. Asimismo, una de sus principales características es que engloban en su interior moléculas específicas como proteínas, mRNA, microRNAs y DNA, representativas de las células que lo originan (ver paginas web de referencia) [20, 23]. Por lo tanto, marcadores tumorales son incorporados en vesículas y secretados al medio extracelular.

Nuestro datos apoyan que los exosomas tumorales juegan un papel crucial en la transferencia horizontal de moléculas entre las células tumorales y progenitores de médula ósea, lo que resulta en una alteración de su comportamiento [16]. A este proceso lo hemos denominado "educación", y oncoproteínas secretadas en exosomas tumorales derivados de células de melanoma, como es el caso de la oncoproteína MET (receptor de HGF, Figura 2), promueven un comportamiento pro-metastásico a células del microambiente tumoral[16]. También se ha descrito que exosomas derivados de células de melanoma tienen un papel en la preparación del nicho metastásico de los ganglios linfáticos favoreciendo procesos como la angiogénesis y la inducción del crecimiento de la matriz extracelular, soporte del crecimiento tumoral [18]. Más recientemente se ha descrito que células específicas de los nódulos linfáticos como macrófagos subcapsulares (una población de macrófagos especializados en la imunotolerancia y la presentación de antígenos caracterizados por la expresión del marcador de membrana CD169) juegan un papel esencial en este proceso actuando como supresores tumorales[24]. Se sabe que ciertos tipos tumorales tienden a generar metástasis en determinados órganos, proceso que se denomina “organotropismo metastásico”[1]. Por ejemplo, generalmente los tumores de mama pueden metastatizar en el pulmón, hígado, cerebro y hueso, mientras que los tumores pancreáticos lo hacen primordialmente en el hígado (Figura 2). Entender por qué un tumor genera metástasis en unos órganos y no en otros es una de las mayores incógnitas de la oncología actual, y también una de las más antiguas. Hace 126 años el médico británico Stephen Paget formuló su teoría 'de la semilla y el sustrato', que defiende que la metástasis necesita células tumorales -semillas- que se dispersan, pero además un ambiente acogedor -un sustrato fértil- en el órgano de destino[25]. Diversos estudios han determinado que existen genes asociados con el riesgo de metástasis en ciertos órganos[1]. Recientemente hemos descrito un nuevo mecanismo que contribuye a la formación de las metástasis en órganos concretos[26]. Nuestro trabajo explica que los exosomas tumorales llevan en su superficie, a modo de “códigos postales”, integrinas. Las integrinas son receptores de membrana especializados en la regulación de las interacciones célula-célula y célula-matriz extracelular. En este caso las integrinas parecen promover que los exosomas se acumulen en órganos concretos en base a sus interacciones con la matriz extracelular que caracteriza al tejido donde se va a producir la metástasis (Figura 2).

Figura 2 Peinado biotecnología

Fig.2 Principales mecanismos involucrados en la formación del nicho pre-metastásico por exosomas tumorales. Exosomas secretados por el tumor primario parecen promover la movilización de células de la médula ósea mediante un mecanismo que hemos denominado “educación”. Este mecanismo depende de la secreción de oncogenes como c-MET en exosomas tumorales de melanoma[16]. Asimismo, los exosomas tumorales parecen anidar en órganos concretos dependiendo de su expresión de integrinas tumorales. Asi, la combinación de α6β4 integrina parece promover su acumulación en pulmón, mientras que la combinación αvβ5 promueve su acumulación el hígado. El anidamiento de exosomas tumorales en estos órganos inicia la formación de un microambiente pro-inflamatorio caracterizado por la sobreexpresión de proteínas de la familia S100[14, 15]. 


En concreto, nuestros estudios apoyan la combinación de α6β4 integrina promueve su acumulación y metástasis en pulmón, mientras que la combinación αvβ5 promueve su acumulación y posterior metástasis en el hígado. El anidamiento de exosomas en estos órganos aumenta las señales pro-inflamatorias formando el nicho metastásico promoviendo el incremento de proteínas de la familia S100. Este nuevo mecanismo, se une al resto de estrategias tumorales que parecen otorgarle una ventaja adaptativa a ciertas células del tumor para metastatizar.

Durante los últimos años, las vesículas extracelulares han ido incrementando su relevancia en la práctica clínica dado que se han descrito circulando en multitud de fluidos biológicos como por ejemplo plasma, orina, líquido cerebro-espinal, etc…[22]. Nuestro trabajo en pacientes de melanoma ha permitido determinar la firma molecular proteica en plasma determinada por las proteínas TYRP2, HSP70 y VLA-4 asociada a la progresión de la enfermedad en pacientes con metástasis activa [20]. Asimismo, hemos determinado que la oncoproteína c-MET es secretadas en exosomas y detectada en el plasma tanto en su forma total como fosforilada indicado su potencial uso como marcador de la actividad de esta proteína en plasma[20]. Más recientemente, hemos descrito que el factor inhibidor de la migración de macrófagos (MIF) es un marcador de la formación del nicho metastásico en pacientes de cáncer de páncreas[15]. El análisis de muestras de plasma de pacientes demuestra que este factor se encuentra aumentado en aquellos en los que van a desarrollar metástasis a hígado. Por lo tanto su detección temprana podría identificar aquellos pacientes con riesgo de desarrollar metástasis. Por último, nuestro grupo ha descrito que los exosomas tumorales contienen DNA de hebra doble, por lo tanto presentan un gran potencial para la detección de mutaciones asociadas a la progresión tumoral[27]. Estos datos, junto a las evidencias que los exosomas circulantes pueden ser usados para detectar otras secuencias de DNA, RNA y miRNAs [28-30], sugieren un futuro prometedor para el uso de exosomas para la detección de mutaciones mediante biopsia líquida.

Bloqueo del nicho pre-metastásico como potencial estrategia combinatoria
Las terapias dirigidas contra el establecimiento de los nichos pre-metastásicos podrían servir como una nueva terapia combinatoria con las actuales. En este sentido, estrategias dirigidas para bloquear HIF1α-LOX, parecen bastante efectivas en modelos preclínicos de cáncer de mama[8, 9]. Por otro lado, el bloqueo de receptores como VEGFR1 y VEGFR2 podría ser una de las potenciales terapias que prevengan el reclutamiento de progenitores hematopoyéticos y endoteliales[5, 31, 32]. Sin embargo el bloqueo de estas vías en monoterapia parece no parece efectivo, por lo que su uso terapéutico se basa en combinaciones con estrategias actuales. La inhibición MET, podría representar un enfoque aplicado al bloqueo del crecimiento tumoral y la formación del nicho por exosomas tumorales y el reclutamiento de progenitores hematopoyéticos, convirtiéndose en una terapia multifacética en melanoma que podría ser combinada con inmunoterapia en melanoma y cáncer hepático [16, 33]. Igualmente el bloqueo de MIF, glipicano-1 o integrinas especificas junto a las proteínas S100 se ha convertido en una potencial diana combinatoria que podría atacar diversos mecanismos de progresión metastásica en cáncer de mama y páncreas [14, 15, 34, 35]. Es importante destacar que pese a los avances sustanciales en la comprensión de la biología de la formación del nicho pre-metastásico, este campo aún se encuentra en su fase pre-clínica, el uso de esta información y su combinación con la detección temprana por imagen y biomarcadores en suero podría ser la clave para detectar y detener la metástasis antes de que se produzca.

Referencias
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Para más información consultar:

Webs de sociedades de estudio de la metástasis y cáncer

http://metastasis-research.org

https://www.aecc.es/SobreElCancer/Paginas/Sobreelcáncer.aspx

http://www.cancer.org/espanol/cancer/index

http://www.nature.com/milestones/milecancer/full/milecancer01.html

 

Webs donde se detallan las moléculas descritas en vesículas extracelulares

http://www.microvesicles.org

http://www.evpedia.info

http://www.exocarta.org

http://www.exosome-rna.com