Introduction The development of spinal metastases is a common and complex problem in the management of cancer patients, with the spine being one of the main sites to where metastases will spread. If untreated, spinal metastases rapidly lead to progressive myelopathy with extensive effects on ambulatory status, quality of life and survival rates of affected patients. Although major developments in the field of surgical and oncological procedures have led to improved therapeutic options, the molecular steps of spinal metastasis formation still remain inadequately understood. EphB4 and Ephrin-B2 have repeatedly been identified as key regulators in metastatic cell dissemination, tumor cell – endothelial cell interaction and tumor growth. We investigated the effects of a therapeutic alteration of this molecular interaction on long- term metastasis formation. Methods Bioluminescent B16 melanoma cells were injected retrogradely into the carotid artery of Ephrin-B2-knockout (efnb2iΔEC) and control (efnb2lox/lox) mice in a pre- and post- metastatic setting (“pre-“ and “post-tumor”). Potential therapeutic effects were evaluated after applying soluble Ephrin-B2-Fc, as well as NVP-BHG 712, a small molecular inhibitor of the EphB4 receptor tyrosine kinase. Tumor growth and dissemination were surveyed utilizing in-vivo bioluminescent imaging procedures and compressive spinal loci were identified using magnetic resonance imaging. Immunohistochemical evaluation of tumor cell proliferation and vasculature were performed and the organ specific tumor load was examined using a luciferase detection assay. Results In pre-tumor treated efnb2lox/lox mice the application of Ephrin-B2-Fc (median: 20.5 days, n=7, p=0.0048) and NVP-BHG 712 (median: 21 days, n=14, p=0.0002) induced significantly earlier neurologic deficits when compared to the placebo-treated group (median: 24.5 days, n=11), by increasing the number and volume of spinal metastases. In post-tumor treated efnb2lox/lox mice there was no significant difference in survival times or number of spinal metastases in the MRI. The earlier appearance of neurological deficits in efnb2iΔEC-knockout mice (median efnb2i∆EC placebo: 18 days, n=7, p=<0.0001) could be significantly delayed by pre-tumor treatment with Ephrin-B2- Fc. (median: 23 days, n=8). Conclusion The molecular interaction between EphB4 and Ephrin-B2 significantly affected the formation of spinal metastases. The physiological EphrinB2-EphB4 interaction in efnb2lox/lox control mice showed tumor suppressive effects by increasing tumor cell repulsion from the endothelium. The therapeutic disruption of these repulsive effects decreased neurological survival through an increased number and volume of metastases. Under the effects of the prometastatic endothelial Ephrin-B2 knockout (efnb2i∆EC), these physiologically inert repulsive functions could be partially reestablished through Ephrin-B2-Fc.
Einführung Die Entstehung spinaler Metastasen ist eine häufige und schwerwiegende Komplikation in der Behandlung von Krebspatienten. Die Wirbelsäule stellt hierbei eine der häufigsten Lokalisationen ossärer Metastasierung dar. Ohne adäquate Therapie führen spinale Metastasen binnen kürzester Zeit zu einer zunehmenden Myelopathie und Destruktion der neuralen Elemente, mit weitreichenden Auswirkungen auf das Überleben und die Lebensqualität der betroffenen Patienten. Trotz stetiger Entwicklungen in der onkologischen und neurochirurgischen Therapie dieses komplexen Krankheitsbildes bleiben die grundlegenden Entstehungsmechanismen weiterhin weitestgehend unverstanden. EphB4 und Ephrin-B2 wurden wiederholt als wichtige Regulatoren in der Metastasenentstehung, sowie in der Interaktion zwischen Tumor- und Endothelzellen identifiziert. Wir haben die Auswirkungen dieser molekularen Interaktion, sowie mögliche therapeutische Beeinflussungen der Entstehung spinaler Metastasen untersucht. Methodik BIolumineszierende B16-Melanomzellen wurden jeweils in einem prä- und postmetastatischen Ansatz retrograd in die A. carotis communis von Ephrin-B2- Knockout- (efnb2iΔEC) und Kontrollmäusen (efnb2lox/lox) injiziert. Potenzielle therapeutische Effekte des löslichen Antikörpers Ephrin-B2-Fc, sowie des spezifischen EphB4 Tyrosinkinaseinhibitors NVP-BHG 712 wurden evaluiert. Tumorwachstum und Verteilungsmuster wurden durch Biolumineszenz-Bildgebungsverfahren in vivo überwacht und Tumorwachstum und Myelonkompression mittels spinalem MRT dargestellt. Immunhistochemische Färbungen wurden hinsichtlich Proliferation und Angiogenese ausgewertet, sowie die Anzahl der metastatischen Tumorzellen pro Organ mittels eines Luziferase-Assays. Ergebnisse In prä-tumor vorbehandelten efnb2lox/lox Mäusen zeigten sowohl die mittels Ephrin-B2- Fc (Mittelwert: 20.5 Tage, n=7, p=0.0048) als auch die mit NVP-BHG 712 (Mittelwert: 21 Tage, n=14, p=0.0002) therapierte Gruppe signifikant frühere neurologische Defizite durch vermehrte spinale Metastasen als die Placebo-behandelten Tiere (Mittelwert: 24,5 Tage, n=11). In den post-tumor behandelten efnb2lox/lox Tieren zeigte sich kein Unterschied im Überleben oder der spinalen Tumorlast. Das signifikant frühere Auftreten neurologischer Defizite in Ephrin-B2-knockout (efnb2iΔEC ) Mäusen (Mittelwert efnb2i∆EC Placebo: 18 Tage, n=7, p=<0.0001) konnte durch die prämetastatische Gabe von Ephrin-B2-Fc deutlich verzögert werden (Mittelwert: 23 Tage, n=8). Schlussfolgerung Die molekulare Interaktion zwischen EphB4 und Ephrin-B2 beeinflusst die Entstehung spinaler Metastasen. Der physiologische Zustand inhibiert das Tumorwachstum durch vermehrte Abstoßung der zirkulierenden Tumorzellen. Die therapeutische Unterbrechung dieses protektiven Effektes führte zu einem signifikant früheren neurologischen Defizit durch vermehrtes Wachstum spinaler Metastasen. Unter dem prometastatischen endothelialen Ephrin-B2-knockout konnte durch prämetastatische Applikation des Ephrin-B2-Fc Antikörpers die physiologisch bestehende Abstoßungsreaktion partiell wiederhergestellt werden, sodass eine signifikante Verlängerung des neurologischen Überlebens erreicht wurde.
