The role of tumor-associated macrophages in hypoxia and metabolically mediated immune evasion of liver tumors

Abstract

The high mortality and recurrence rates of liver cancer are still a major clinical challenge, and its complex tumor microenvironment (TME) reduces the effectiveness of existing therapies. Tumor-associated macrophages (TAMs) are one of the most numerous immune cells in the TME, targeting TAMs has become a promising immunotherapeutic strategy for the treatment of liver cancer due to their remarkable plasticity and heterogeneity. This study aims to simulate the different TME (hypoxia, acidosis, and immunosuppression) combined with imaging methodologies and contrast agents, to better understand and characterize the role and dynamic changes of TAMs in liver TME. This study used in vitro and in vivo models to mimic the liver TME, particularly the secondary hypoxic TME after locoregional therapy (LRTs). In vitro studies examined the impact of different oxygen and glucose supply conditions on the cell viability and extracellular pH variation of liver cancer cells and macrophages, and the effect on M2-like polarization of macrophages. It also investigated the correlation between metabolites in tumor-conditioned medium (TCM) derived from tumor cells and M2-like polarization of macrophages. Results showed that TME significantly induced M2-like polarization of macrophages and that the synergistic effect of hypoxia and high glucose concentrations could cause the strongest M2-like polarization, and metabolomics revealed that elevated 2-amino-butanoic acid (2A-BA) strongly correlated with M2-like polarization under normoxia. For the in vivo experiments, we established the rabbit liver tumor in situ model and treated them with incomplete ablation. Explored with multiparameter MRI using contrast agent Primovist and europium-doped very small superparamagnetic iron oxide particles (Eu-VSOP), together with laser ablation inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometer (LA-ICP-ToF-MS), and Prussian blue staining and ex vivo histopathology for more details. Results revealed that numerous M2-like macrophages infiltrated the peritumoral zone two weeks after incomplete ablation, resulting in immunosuppressive TME. Also, Eu-VSOP could visualize the process of M2-like macrophage infiltration. Our study demonstrated that targeting hypoxia and developing 2A-BA inhibitors may reduce M2-like polarization of macrophages and mitigate immune evasion of the liver TME in the future. Meanwhile, Eu-VSOP could serve as a non-invasive biomarker for tracking M2-like macrophages, providing effective information in assessing the treatment response and predicting the progress of liver cancer.

Die hohe Sterblichkeit und Rezidivrate bei Leberkrebs stellt nach wie vor eine große klinische Herausforderung dar, und die komplexe Tumormikroumgebung (TME) verringert die Wirksamkeit bestehender Therapien. Als eine der häufigsten Immunzellpopulationen in der TME sind tumorassoziierte Makrophagen (TAMs) aufgrund ihrer bemerkenswerten Plastizität und Heterogenität zu einer der vielversprechendsten immuntherapeutischen Strategien bei der Behandlung von Leberkrebs geworden. Diese Studie zielt darauf ab, die verschiedenen TME (Hypoxie, Azidose und Immunsuppression) in Kombination mit bildgebenden Verfahren und Kontrastmitteln zu simulieren, um die Rolle und die dynamischen Veränderungen von TAMs in der Leber-TME besser zu verstehen und zu charakterisieren. In dieser Studie wurden In-vitro- und In-vivo-Modelle verwendet, um die TME der Leber nachzuahmen, insbesondere die sekundäre hypoxische TME nach lokoregionaler Therapie (LRTs). In-vitro-Studien untersuchten die Auswirkungen verschiedener Sauerstoff- und Glukoseversorgungsbedingungen auf die Zellviabilität und die extrazelluläre pH-Schwankung von Leberkrebszellen und Makrophagen sowie die Auswirkungen auf die M2-ähnliche Polarisierung von Makrophagen. Es wurde auch die Korrelation zwischen Metaboliten in tumorbedingtem Medium (TCM), das aus Tumorzellen gewonnen wurde, und der M2-ähnlichen Polarisierung von Makrophagen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass TME eine M2-ähnliche Polarisierung von Makrophagen signifikant induzierte und dass der synergistische Effekt von Hypoxie und hohen Glukosekonzentrationen die stärkste M2-ähnliche Polarisierung verursachen könnte. Die Metabolomik zeigte, dass eine erhöhte 2-Aminobuttersäure (2A-BA) stark mit einer M2-ähnlichen Polarisierung unter Normoxie korrelierte. Für die In-vivo-Experimente haben wir das Kaninchenlebertumor-in-situ-Modell etabliert und die Tumore einer unvollständigen Ablation unterzogen. Untersuchung mit Multiparameter-MRT unter Verwendung des Kontrastmittels Primovist und mit „europium-doped very small superparamagnetic iron oxide particles“(Eu-VSOP), „Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Time-of-Flight Mass Spectrometry“(LA-ICP-ToF-MS) sowie Färbung mit Berliner Blau und ex vivo-Histopathologie für weitere Details. Die Ergebnisse zeigten, dass zwei Wochen nach der unvollständigen Ablation zahlreiche M2-ähnliche Makrophagen in die peritumorale Zone eindrangen, was zu einer immunsuppressiven TME führte. Außerdem konnte Eu-VSOP den Prozess der Infiltration von M2-ähnlichen Makrophagen sichtbar machen. Unsere Studie hat gezeigt, dass die Bekämpfung von Hypoxie und die Entwicklung von 2A-BA-Inhibitoren die M2-ähnliche Polarisierung von Makrophagen reduzieren und die Immunevasion der TME in der Leber in Zukunft abschwächen könnte. In der Zwischenzeit könnte Eu-VSOP als nicht-invasiver Biomarker zur Verfolgung von M2-ähnlichen Makrophagen dienen und so effektive Informationen zur Beurteilung des Behandlungserfolgs und zur Vorhersage des Fortschreitens von Leberkrebs liefern.