Untersuchung der mechanobiologisch gesteuerten Brustkrebszellinvasion mittels 3D Zellkulturmodellen

Abstract

Ein erster zentraler Schritt während der Metastasierung bei Brustkrebs ist die lokale Zerstörung der Basalmembran (BM), gefolgt von der Transmigration invasiver Zellen. Dieser Prozess ist in vivo schwierig zu visualisieren, weshalb u.a. die mechanobiologischen Mechanismen der Invasion von tumorigenen Zellen durch eine BM nicht genau verstanden sind. <br /> In dieser Arbeit wurde der Einfluss zytoskelettaler Veränderungen in 3D Brustsphäroiden auf den Invasionsprozess analysiert. Vergleichbar zu den Strukturen der weiblichen Brust werden Brustsphäroide aus der Zelllinie MCF10A ebenfalls von einer endogen produzierten BM mit definierter mechanischer Stabilität umgeben, anhand derer die Prozesse, die zu einer BM-Invasion führen, beobachtet werden können. Mittels Invasionsassays wurde eine Steigerung der Invasion in Folge von tumorassoziierten Stimuli gezeigt, die durch eine Förderung der kontraktilen Zellkräfte und durch eine Erhöhung der Zellfortsätze bzw. der Stressfaserdichte verursacht wurde. <br /> Die aktinbasierten Zellfortsätze als funktionelle Brücke zwischen einem proteolytischen und einem kraftabhängigen Invasionsmechanismus wurden als entscheidender Faktor in diesem Prozess definiert. Mittels hochauflösender Laserscanning Mikroskopie konnten BM durchspannende Mikrospikes (MS) identifiziert werden. Im Zuge der malignen Transition eines gesunden Azinus, der MS als Mechanosensoren zur Wahrnehmung der extrazellulären Matrix (EZM)-Steifigkeit ausbildet, zu einem invasiven Phänotyp, veränderte sich die Funktionalität der MS. Unter dem Einfluss pro-invasiver Stimuli resultierte die verstärkte Ausbildung der MS in einem mechanischen BM-Stress, der durch die Weitung der BM-Poren zur Invasion beitrug.Erst nach der Transmigration ursprünglich azinarer Zellen bildeten invasive Zellen elongierte und proteolytisch aktive Fortsätze aus. <br /> Zusätzlich wurde durch die Anwendung der Lebendzell-Zugkraftmikroskopie die Entstehung von kontraktilem BM-Stress charakterisiert. Die basale Zellschicht prä-invasiver azinarer Zellen bildete an der EZM-Kontaktfläche MS aus, die über Fokaladhäsionen mit der EZM verbunden waren. Ausgehend von diesen MS konnte ein Wechsel zu kontraktilen Aktin-Stressfasern visualisiert werden, die eine Nicht-Muskel-Myosin II vermittelte kraftinduzierte BM-Zerstörung verursachten. Diese EMT ähnliche zytoskelettale Reorganisation als Antwort auf eine tumorigene Veränderung der Mikroumgebung wurde als kritischer Mechanismus in der Tumorprogression identifiziert. <br /> Weiterhin wurde ein neuartiges 3D Zellkulturmodell etabliert, um die invasionsfördernde Wirkung von EGF-Rezeptor-Signalwegen zu verstehen. Über die spezifische Aktivierung von onkogenem hRas konnte eine eindeutige funktionelle Beziehung zwischen einer hRas Überaktivierung und einer erhöhten zellulären Invasion nachgewiesen werden. Trotz hRas bedingter zytoskelettaler Veränderungen basierte die höhere Invasion nicht auf erhöhten Zugkräften, sondern auf einer graduellen Schwächung der BM.