Interaction of glioma cells and intrinsic brain cells - soluble factor mediated

Abstract

High grade gliomas (HG-glioma) are the most common primary brain tumors. Their malignancy depends on complex crosstalk between different cell types in the CNS. Our group has previously shown that endogenous neural progenitor cells (NPC) contribute to glioma regression; conversely, brain resident immune cells (microglia) infiltrate gliomas and contribute to their growth progression. Thus, understanding the component of glioma microenvironment is a crucial goal for glioma therapy. In this thesis, I aimed to identify soluble factors secreted by glioma cells which could mediate glioma-CNS cells interaction. To identify these factors, I established a protocol to encapsulate glioma cells into a hollow fiber (HF) which allows the passage of diffusible molecules, but not cells. By utilizing the HF model, I first demonstrated the infiltration of microglia and NPC although glioma cells were entrapped in isolated fiber while NG2 cells were not affected. Astrocytes surrounding the HF showed increased GFAP immunoreactivity, a marker of astrogliosis. Furthermore, human glioma cells can also be encapsulated in HF and were similarly effective in attracting microglial cells or increasing astrogliosis in mouse brain. I showed here for the first time that GDNF is a chemo-attractant for microglia. Data from various migration assays and in vivo test suggest that GDNF, a known neurotrophic factor for neurons, which is released by glioma cells, has chemotaxis effect on microglia. Further reducing GDNF secretion from glioma cells by siRNA approach, the recruitment of microglia toward glioma HF was significantly diminished while astrogliosis was not affected. Conversely, forced secretion of GDNF from fibroblast cells increased microglia infiltration. All together, I found that GDNF plays a pivotal role in microglia infiltration but not astrocytes. Finally, to confirm if attenuation of microglia migration can further influence glioma growth, stable GDNF knockdown in glioma by shRNA method was conducted. When implanting GDNF knockdown glioma cells into mouse brain, smaller tumor was formed and the survival of mice improved. In conclusion, I identified GDNF as a HG-glioma released factor which specifically leads to microglial attraction and thereby serves a tumor promoting role. This study supports the idea that microglia play an important role in tumor growth, invasion and progression and thus can become a novel target for therapeutic strategies.

Das Glioblastoma multiforme (GBM) zählt zu den häufigsten primären Hirntumoren, deren Malignität von komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen des Zentralen Nervensystems abhängt. In vorangegangenen Arbeiten konnte unsere Gruppe zeigen, das Endogene Neuronale Progenitorzellen zur Gliom Regression beiträgt. Im Gegensatz dazu infiltrieren Immunzellen des Gehirns, sogenannte Gliazellen, Gliome und tragen zur Tumorprogression bei. Daher ist es unerlässlich die Gliom-Umgebung und deren Wechselwirkungen genauer zu verstehen um Gliom-Therapien zu verbessern. Das Ziel dieser vorgelegten Doktorarbeit ist es, Faktoren zu identifizieren, die von Gliom-Zellen sezerniert werden und eine Wechselwirkung zwischen Gliom- Zellen und Zellen des Zentralen Nervensystems vermitteln. Um diese Faktoren zu identifizieren, habe ich ein Protokoll etabliert, bei dem Gliom-Zellen in eine Hohlfaser (HF) eingekapselt werden. Die HF erlaubt den Austausch löslicher Stoffe, verhindert aber den Austritt von Zellen und somit einen direkten Zell- Kontakt. Mit der Anwendung des HF Modells konnte ich zeigen, dass eingekapselte und ins Mausgehirn transplantierte Gliom-Zellen zu einer Infiltrierung durch Mikroglia und Neuronale Progenitorzellen führen. Eine Infiltrierung durch NG2 Zellen wurde nicht beobachtet. Astrozyten die die transplantierte HF umgeben wiesen eine erhöhte GFAP Immunoreaktivität auf, einem Marker für Astrogliose. Außerdem führte die Einkapselung von humanen Gliom-Zellen im gleichen Maße zur Infiltrierung durch Mikroglia und Astrogliose führten. Im Weiteren konnte ich erstmals zeigen, das GDNF ein Chemotaktischer Faktor für Mikroglia ist. Verschiedene Migrations-Assay und in vivo Experimente haben verdeutlicht, dass GDNF, ein bekannter neurotropischer Faktor für Neuronen der von Gliom-Zellen sezerniert wird, einen Chemotaktischen Einfluss auf Mikroglia hat. Die Reduzierung der GDNF Sekretion von Gliom-Zellen durch siRNAs führte zur Reduzierung der Mikroglia- Infiltrierung, wobei die Astrogliose unverändert blieb. Im Gegensatz dazu führte die Überexpression von GDNF in Fibroblasten zu einer erhöhten Infiltrierung durch Mikroglia. In dieser Studie konnte ich zeigen, dass GDNF eine zentrale Rolle bei der Infiltrierung durch Mikroglia spielt, die Astrogliose jedoch nicht beeinflusst. Um zuletzt zu zeigen, dass die verminderte Infiltrierung durch Mikroglia das Gliom-Wachstum beeinflusst, wurde die GDNF Sekretion in Gliom-Zellen mittels shRNA stabil vermindert. Die Implantation von GDNF Knockdown Gliom-Zellen ins Mausgehirn, resultierte in kleineren Tumoren und das Überleben der Maus wurde verlängert. Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass ich GDNF als Gliom-sezernierten Faktor identifiziert habe, der spezifisch zur Attraktion von Mikroglia führt und somit zum Tumorwachstum beiträgt. Diese Arbeit verdeutlicht die Rolle von Mikroglia beim Wachstum, der Invasion und der Progression von Tumoren und stellt daher einen neuartigen potentiellen Therapieansatz da.