Targeting microglial TLR2 in glioma therapy

Abstract

Gliomas are the most frequent brain tumors and are characterized by a poor prognosis despite extensive research in recent years. Microglia constitute the main population of immune cells in the central nervous system and ensure the compliance of homeostasis under physiologic conditions but they have been found to play a pivotal role in tumor progression. After tumors recruit microglia and peripheral macrophages to the tumor bulk, glioma cells induce a phenotype switch. These glioma-associated microglia/macrophages (GAMs) contribute up to 50 % to the tumor bulk. The polarization includes the upregulation of microglial matrix metalloproteases (MMPs) via TLR2 activation. MMP2, MMP9 and MMP14 amongst others catalyze the destruction of the extracellular matrix in the CNS, a process that favors glioma invasiveness. 3-D structural analysis of TLR2 revealed a loop within an intracellular adapter domain that is essential for consecutive signaling and can be blocked by o-vanillin due to its molecular shape. We used o-vanillin to inhibit the glioma-induced TLR2 activation and reduce the overexpression of glioma promoting MMPs in microglia/macrophages. An o-vanillin treatment significantly mitigated glioma growth in murine brain slice cultures, and it reduced the expression of tumor-supporting genes in murine microglia and the MMP RNA levels of monocytes isolated from fresh human glioma samples. Our findings suggest a specific inhibition of glioma essential TLR2 signaling by o-vanillin in glioma-associated microglia/macrophages that makes it a promising candidate for a complementary targeted glioma treatment.

Gliome sind die häufigsten Tumore des zentralen Nervensystems und trotz intensiver Forschung bleibt die Prognose düster. Als Hauptgrund hierfür stellte sich das bereits früh extrem invasive Wachstum der Gliome heraus, zu dem Mikroglia maßgeblich beitragen. Mikroglia sind Zellen des angeborenen Immunsystems und wahren unter physiologischen Umständen als „Wächter des Gehirns“ in diesem immunprivilegierten Raum den Status quo. Doch nach intensiver Rekrutierung durch Turmorzellen wird ein Phänotyp-Wechsel in den Immunzellen über eine Toll-like-Rezeptor 2 (TLR2) Aktivierung forciert, woraus unter anderem die vermehrte Sekretion von Matrix-Metallo-Proteasen (MMPs) resultiert. Diese Enzyme katalysieren den Abbau der extrazellulären Matrix um den Tumor und ermöglichen dessen Invasion ins umliegende Parenchym. Durch Strukturanalysen von TLR2 wurde eine intrazelluläre Domäne identifiziert, deren Blockade durch das Molekül o-vanillin die konsekutive Signalvermittlung unterbindet. Wir konnten zeigen, dass o-vanillin das Wachstum von Gliomen in Gehirnschnittkulturen, die gliom-induzierte Überexpression von MMP9 und MMP14 in murinen und humanen GAMs und die Proliferation von tumorassoziierten Mikroglia/Makrophagen signifikant reduziert. Zusammenfassend halten wir o-vanillin aufgrund seiner molekularen Eigenschaften als selektiver Inhibitor eines wichtigen Rezeptors in der Gliom-Mikroglia/Makrophagen-Interaktion für eine vielversprechende potentielle Erweiterung bestehender Therapieregime in der Gliombehandlung.