Interleukin-2 Receptor Expression in Canine Cutaneous Mast Cell Tumors

Abstract

Canine cutaneous mast cell tumors (MCT) are among the most frequently observed tumors in small animals and are the most common skin tumors in dogs. Many attempts have been made to predict their biological behavior because this tumor entity occurs from relatively benign tumors with a good long-term prognosis to highly malignant tumors with short survival times. So far, the histological grade is the most independent predictive prognostic factor; however, underlying molecular mechanisms that contribute to the variable malignancy of these tumors are widely unknown so far. One important aspect is the identification of mutations in the proto-oncogene c-KIT which has been associated with higher histological tumor grade and also with a worse prognosis. However, only up to 17 % of canine MCT exhibit relevant c-KIT mutations and thus additional factors must contribute to MCT carcinogenesis. In human mast cell diseases CD25, the α-subunit of the interleukin-2 receptor (IL-2R), has recently been defined as a minor diagnostic criterion for systemic mastocytosis (SM). The IL-2R is normally restricted to lymphoid immune cells but has also been described in several human tumors so far. Therefore the aim of the present study was to investigate the expression of the IL-2R and the ligand interleukin-2 (IL-2) in canine cutaneous MCT with regard to a potential influence on MCT development, MCT proliferation and the manifestation of a malignant phenotype. To this end the mRNA and protein expression of the three subunits of the IL-2R and the ligand IL-2 were analyzed in 90 canine cutaneous MCT and correlated with the histological grade and the c-KIT mutation status. Furthermore co-expression of CD25 and KIT was investigated in non-neoplastic resting and activated mast cells compared with canine MCT. Finally an immunohistochemistry based IL-2 linking assay was established to reveal a potential IL-2 binding capacity of IL-2R expressing neoplastic mast cells. Canine neoplastic mast cells expressed both the IL-2R and IL-2 but the expression was negatively correlated with tumor grade and c-KIT mutation status. In contrast, non-neoplastic resting mast cells lacked CD25 expression while few activated mast cells exhibited the CD25 protein. Additionally, IL-2R expressing tumor cells were shown to be able to bind the ligand IL-2. In conclusion the IL-2R/IL-2 system seems to have an impact on canine cutaneous MCT since the complete receptor and the ligand are expressed by canine neoplastic mast cells. The decreased expression in dedifferentiated tumors, however, diminishes their potential as a malignancy marker but raises questions as to a potential influence in early MCT development, especially since CD25 was not present in non-neoplastic resting mast cells. The ability of neoplastic mast cells to bind the ligand IL-2 suggests a pro-proliferative IL-2R function, although the negative correlation between IL-2R expression and tumor grade questions a major role in MCT proliferation. In any case, the IL- 2R expression of canine MCT cells should be taken into consideration when dealing with new forms of antitumor therapies. Especially the recently proposed intratumoral IL-2 application for canine MCT should be carefully applied and monitored, at least for lower grade tumors as shown by this study.

Kanine kutane Mastzelltumoren (MZT) gehören zu den häufigsten Tumoren in der Kleintiermedizin und stellen den häufigsten Hauttumor des Hundes dar. Das biologische Verhalten von MZT ist sehr variabel und reicht von relativ gutartigen Tumoren mit guter Langzeitprognose bis hin zu bösartigen Tumoren mit sehr kurzen Überlebenszeiten. Um das biologische Verhalten dieser Tumoren möglichst präzise vorhersagen, ist der histologische Tumorgrad bisher der zuverlässigste unabhängige Prognosefaktor. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen, welche zu der unterschiedlich ausgeprägten Malignität dieser Tumoren beitragen, sind bisher jedoch weitestgehend unbekannt. Lediglich die Identifikation von Mutationen im Proto-Onkogen c-KIT stellt einen relevanten Aspekt in der Karzinogenese von kaninen MZT dar, da c-KIT-Mutationen mit einem hohen Tumorgrad sowie mit einer schlechteren Prognose assoziiert wurden. Einschränkend muss jedoch beachtet werden, dass nur bis zu 17 % der MZT relevante c-KIT-Mutationen aufweisen und somit zusätzliche Mechanismen für die Karzinogenese von MZT eine Rolle spielen müssen. In der Humanmedizin wurde kürzlich die Expression von CD25, der α-Untereinheit des Interleukin-2-Rezeptors (IL-2R), als diagnostisches Kriterium für die systemische Mastozytose (SM) beim Menschen definiert. Eine Expression des IL- 2R ist normalerweise auf lymphoide Zellen, insbesondere T-Zellen, beschränkt, wurde aber auch für einige Tumoren beim Menschen beschrieben. Ziel dieser Studie war es daher, die Expression des IL-2R und des Liganden Interleukin-2 (IL-2) in kaninen MZT zu untersuchen und deren Einfluss hinsichtlich der Tumorentstehung, der Tumorproliferation und der Ausbildung eines bösartigen Tumorphänotyps zu bewerten. Dafür wurde die mRNA- und Proteinexpression der drei IL-2R-Untereinheiten sowie des Liganden IL-2 in 90 kaninen kutanen MZT untersucht und mit dem histologischen Tumorgrad sowie dem c-KIT- Mutationsstatus korreliert. Weiterhin wurde die Co-Expression des KIT- Rezeptors und des CD25-Proteins sowohl in kaninen MZT als auch in nicht- neoplastischen, ruhenden und aktivierten Mastzellen der Haut analysiert. Mittels eines immunhistologischen IL-2-Bindungsasseys sollte anschließend die Fähigkeit von MZT-Zellen untersucht werden, den Liganden IL-2 zu binden. Kanine MZT-Zellen exprimierten sowohl den IL-2R als auch IL-2, welche jedoch auf Proteinebene negativ mit dem Tumorgrad und dem Vorhandensein einer c-KIT- Mutation korreliert waren. Demgegenüber exprimierten nicht-neoplastische, ruhende Mastzellen der Haut kein CD25, während wenige aktivierte Mastzellen das CD25-Protein aufwiesen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass IL-2R- exprimierende Tumorzellen die Fähigkeit besitzen, den Liganden IL-2 zu binden. Zusammenfassend kann somit geschlussfolgert werden, dass der IL-2R und IL-2 relevant für kanine MZT sind, da sowohl der komplette Rezeptor als auch der Ligand von neoplastischen Mastzellen exprimiert werden. Die geringere Expression in entdifferenzierten Tumoren schließt die IL-2R-Expression als Malignitätsmarker jedoch aus. Dennoch erscheint ein Einfluss des IL-2R in der Initiation von MZT durchaus möglich, vor allem da CD25 zwar in MZT aber nicht in nicht-neoplastischen, ruhenden Mastzellen exprimiert wurde. Die Fähigkeit neoplastischer Mastzellen, den Liganden IL-2 zu binden, weist weiterhin auf eine Funktion des IL-2R in der Proliferation von MZT hin, wobei die negative Expression mit ansteigendem Tumorgrad einen relevanten Einfluss zumindest für bösartige Tumoren in Frage stellt. In jedem Fall sollte die Expression des IL- 2R in kaninen Mastzelltumoren bezüglich neuer IL-2-abhängiger Therapieformen beachtet werden. Vor allem die kürzlich vorgeschlagene intratumorale IL-2-Applikation sollte für kanine MZT sorgfältig überdacht werden, laut der vorliegenden Studie zumindest für gut differenzierte MZT.