VCAM-1 (CD106) is a transmembrane glycoprotein and involved in many pathological inflammatory processes. VCAM-1 plays an important role in leukocyte adhesion, leukocyte transendothelial migration and cell activation by binding to integrin VLA-1 (£\4£]1). In our preliminary data, we observed 2-3 fold increase in the expression of VCAM-1 in the side population of ovarian cancer, which exhibits stem cell-like properties in ovarian cancer. In addition, we have also found VCAM-1 is upregulated in many breast cancer epithelial cells and directly correlated with breast tumor progression; however, its mechanism of action in tumor biology remains unknown. Here, we describe the establishment and use of breast cancer cell line model systems to dissect the functional roles of VCAM-1 activation in the manifestation of malignant phenotype of human breast cancer. We show that VCAM-1 overexpression in the NMuMG breast epithelial cells increase cell motility rates and chemoresistance to doxorubicin and cisplatin in vitro, conversely, in an established metastatic breast cancer cell line, MDAMB231, we find that knockdown endogenous VCAM-1 expression by small interfering RNA reduced the migration rate . Furthermore, we also demonstrated that knockdown endogenous VCAM-1 expression in MDAMB231 cells reduced the tumor formation in SCID xenograft mouse model. In conclusion, our findings are consistent with the hypothesis that overexpression of VCAM-1 facilitates breast cancer progression by enhancing the malignant properties of breast cancer cells and suggests that targeting of VCAM-1 induced pathways are attractive strategies for therapeutic intervention.

Universiẗat, Diss., 2005--Münster (Westfalen).

Natalizumab ist ein humanisierter monoklonaler Antikörper gegen das Oberflächenadhäsionsmolekül Integrin α-4, der zur Therapie von schweren Verlaufsformen der Multiplen Sklerose (MS) zugelassen ist. Integrin α-4/β-1 wird durch Leukozyten exprimiert und steuert deren Extravasation über die Bindung an VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule-1) auf Endothelzellen. Natalizumab wirkt über eine Blockade der Leukozytenadhäsion. In einigen Publikationen konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass Integrin α-4 auch auf zerebralen Endothelzellen von Mäusen und Ratten exprimiert wird. In der vorliegenden Arbeit wurde die Expression und Funktion von Integrin α-4 in kultivierten primären humanen zerebralen Endothelzellen untersucht. Die im Rahmen dieser Arbeit an verschiedenen Einzelspenderpräparationen durchgeführten FACS-Analysen zeigten, dass Integrin α-4 in unterschiedlicher Ausprägung auf primären zerebralen Endothelzellisolationen nachzuweisen war. Mit Hilfe immunzytochemischer Färbungen konnte ein spezifisches Verteilungsmuster des Integrin α-4 in Form eines feinen, granulären Musters im Bereich des Zellleibes dokumentiert werden. In Adhäsionsversuchen zeigten Integrin α-4-exprimierende Endothelzellen nach Zugabe von Natalizumab in niedriger Konzentration eine verminderte Fähigkeit zur Haftung an Fibronectin, einem Bindungspartner in der extrazellulären Matrix. In hohen Konzentrationen dominierte im eingesetzten experimentellen System ein unspezifischer Blockadeeffekt, der auch mit Kontrollantikörpern zu beobachten war. In MS-Läsionen findet sich auch die lösliche Form des VCAM-1 (sVCAM-1), die möglicherweise mit endothelialem Integrin α-4 interagiert. Daher wurde mit Hilfe von Western-Blot-Untersuchungen die intrazelluläre Signaltransduktion unter Stimulation mit sVCAM-1 untersucht. Es zeigte sich wie in anderen Endothelarten vorbeschrieben eine Aktivierung des p38-MAP-Kinase-Signalweges. Zusammenfassend wurde demonstriert, dass primäre humane zerebrale Endothelzellen Integrin α-4 exprimieren und dass dieses wahrscheinlich nicht nur für die mechanische Verankerung in der Extrazellulärmatrix eine Bedeutung besitzt, sondern auch als Induktor intrazellulärer Signaltransduktion fungiert, welche die Schrankeneigenschaften zerebraler Endothelzellen beeinflussen könnte. / Expression and function of integrin α-4 in human brain endothelial cells - analysis using theantibody Natalizumab

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Bien que la description qualitative et phénoménologique de la migration cellulaire soient décrites de façon minutieuse dans son approche holistique, des mécanismes de base et connus depuis longtemps n’ont pas encore été explorés quantitativement avec une approche "bottom-up". Un de ces exemples est le comportement migratoire en deux dimensions des lym- phocytes T effecteurs humains. Alors que leur comportement in vivo est déjà connu depuis longtemps et décrit qualitativement, une approche quantitative in vitro offre de nombreuses perspectives. Les interactions des intégrines LFA-1 et VLA-4 avec leurs ligands respectifs ICAM-1 et VCAM-1 ont déjà été étudiées et sont les principales molécules impliquées dans la migration des lymphocytes T effecteurs. Du fait de leur importance dans l’organisation de la mobilité, ces deux protéines sont les principaux objets d’étude de cette thèse. La majorité des travaux précédents ont été réalisés en observant les lymphocytes T dans des tissus vi- vants dont la composition et la densité des molécules d’adhésion ne peuvent ni être déterminées ni contrôlées de façon précise. Nous avons developpés des substrats artifi- ciels permettant d’imiter et de contrôler ces caractéristiques adhésives afin d’examiner et de relier les propriétés physiques des cellules tels que la vitesse ou l’index de mi- gration orientée, avec une réponse cellulaire donnée ainsi que d’associer un type de mouvement avec des interactions intégrines-ligands spécifiques. Pour aller plus loin, nous avons à nouveau analysé la conformation des intégrines puis l’avons modulé pour altérer leur affinité et changer les propriétés précédemment décrites. / The ability of T-lymphocytes to migrate to sites of inflammation towards all different types of tissues based on the interplay between biochemical and mechanical signaling is unique among human cells and underlines the importance of their complex motility apparatus relying on multiple stimuli. A crucial part within the leukocyte adhesion cascade is the firm attachment of the immune cell to the inner wall of the blood vessel and the subsequent migration along its surface until crossing the endothelial cell barrier. These migrational steps are guided not only by the shear stress to which the cell is exposed to by the flow of blood, but also by expression of adhesion molecules, the most important among them are ICAM-1 and VCAM-1 and their integrin counterparts LFA-1 and VLA-4, expressed by the immune cell. These proteins are crucial not only in a mechanically anchoring sense, but they also play a part in an intracellular signaling process leading to a change in migrational direction, overall cell affinity and phenotype. Few is known about how all components shape the movement behaviour on a quantitative level, raising questions about hierarchy, affinity and density of the involved proteins. Besides enhancing the general knowledge of the mechanisms of T-cell migration, the role of ICAM-1 and VCAM-1 in various diseases makes this study a promising endeavour. The approach taken in this thesis is to dissect and recompose the important adhesion molecules on a laminal flow chamber to link the cell’s response to them to specific movement properties and answer the questions addressed above.

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Atherosklerose ist eine aktive und progressive Erkrankung, bei der vaskuläre Adhäsionsmoleküle wie VCAM-1 eine entscheidende Rolle durch Steuerung der Rekrutierung von Immunzellen in den frühen und fortgeschrittenen Plaques spielen. Ein zielgerichteter Einsatz von VCAM-1-Molekülen mit spezifischen Kontrastmitteln ist daher eine Möglichkeit, die VCAM-1-Expression zu kontrollieren, Plaquewachstum ab einem frühen Zeitpunkt zu visualisieren und eine frühe Prävention von Atherosklerose vor Beginn der Thrombusbildung zu etablieren. Des Weiteren bietet die nichtinvasive Magnetresonanz (MR)-Bildgebung den Vorteil der Kombination molekularer und morphologischer Daten. Sie ermöglicht, mithilfe von entwickelten VCAM-1-markierten Eisenoxidpartikeln, den spezifischen Nachweis entzündlicher Prozesse während der Atherosklerose. Diese Arbeit belegt, dass mit dem VCAM-1-Konzept eine vielversprechende Herangehensweise gefunden wurde und dass das, mit spezifischen superparamagnetischen Eisenoxid (USPIO) konjugierte VCAM-1-Peptid, gegenüber unspezifischer USPIOs ein erhöhtes Potenzial bei der Untersuchung der Atherosklerose in sich trägt. Im ersten Teil der Arbeit konnte im Mausmodell gezeigt werden, dass gerade das VCAM-1-Molekül ein sinnvoller Ansatzpunkt zur Darstellung und Bildgebung von Atherosklerose ist, da in der frühen Phase der Entzündung die vaskulären Zelladhäsionsmoleküle überexprimiert und auch kontinuierlich, während der fortschreitenden Plaquebildung, hochreguliert werden. Weiterhin beschreibt diese Arbeit die Funktionstüchtigkeit und das Vermögen des neu gestalteten USPIO Kontrastmittels mit dem zyklischen Peptid, in seiner Spezialisierung auf die VCAM-1 Erkennung. Experimentelle Studien mit ultra-Hochfeld-MRT ermöglichten weitere ex vivo und in vivo Nachweise der eingesetzten USPIO-VCAM-1-Partikel innerhalb der Region um die Aortenwurzel in frühen und fortgeschrittenen atherosklerotischen Plaques von 12 und 30 Wochen alten Apolipoprotein E-defizienten (ApoE-/-) Mäusen. Mit ihrer Kombination aus Histologie und Elektronenmikroskopie zeigt diese Studie zum ersten Mal die Verteilung von VCAM-1-markierten USPIO Partikeln nicht nur in luminalem Bereich der Plaques, sondern auch in tieferen Bereichen der medialen Muskelzellen. Dieser spezifische und sensitive Nachweis der frühen und fortgeschrittenen Stadien der Plaquebildung bringt auf molekularer Ebene neue Möglichkeiten zur Früherkennung von atherosklerotischen Plaques vor dem Entstehen von 8 Rupturen. Im Gegensatz zum USPIO-VCAM-1-Kontrastmittel scheiterten unspezifische USPIO Partikel an der Identifikation früher Plaqueformen und begrenzten die Visualisierung von Atherosklerose auf fortgeschrittene Stadien in ApoE-/- Mäusen. / Atherosclerosis is an active and progressive condition where the vascular cell adhesion molecules as VCAM-1 play a vital role controlling the recruitment of immune cells within the early and advanced plaques. Therefore targeting of VCAM-1 molecules with specific contrast agent bears the possibility to monitor the VCAM-1 expression, visualize the plaque progression starting at the early alterations, and help to establish early prevention of atherosclerosis before the origin of the thrombus formation, of which late recognition leads to myocardial infarction. Furthermore noninvasive magnetic resonance imaging (MRI) offers the benefit of combining the molecular and anatomic data and would thus enable specific detection of VCAM-1 targeted iron oxide contrast agent within inflammatory process of atherosclerosis. This thesis exactly presents the VCAM-1 concept as a suitable molecular approach and the potential of specific ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) conjugated to the VCAM-1 binding peptide over unspecific non-targeted USPIO particles for evaluation of atherosclerosis. This work firstly demonstrated that selection of VCAM-1 molecules offers a good and potential strategy for imaging of atherosclerosis, as these vascular cell adhesion molecules are highly expressed in the early phase of inflammation and also continuously up-regulated within the advanced plaques. Secondly, this thesis showed the proof of principle and capability of the newly designed USPIO contrast agent conjugated to the specific cyclic peptide for VCAM-1 recognition. The experimental studies including ultra-high field MRI enabled further ex vivo and in vivo detection of applied USPIO-VCAM-1 particles within the aortic root region of early and advanced atherosclerotic plaques of 12 and 30 week old apolipoprotein E deficient (ApoE-/-) mice. Using a combination of histology and electron microscopy, this study for the first time pointed to distribution of targeted USPIO-VCAM-1 particles within plaque cells expressing VCAM-1 not only in luminal regions but also in deeper medial smooth muscle cell areas. Hence functionalized USPIO particles targeting VCAM-1 molecules allow specific and sensitive detection of early and advanced plaques at the molecular level, giving the new possibilities for early recognition of atherosclerotic plaques before the appearance of advanced and prone to rupture lesions. In contrast to the functionalized USPIO-VCAM-1, utilized non-targeted USPIO particles did not succeed in early plaque 6 identification limiting visualization of atherosclerosis to advanced forms in atherosclerotic ApoE-/- mice.

Thèse doctorat : Biochimie : INSA LYON : 2001. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 161-198.

Vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) is a cytokine-activated protein present on endothelial cells (ECs). Our laboratory has provided evidence that DNA methylation, a mark associated with gene silencing, is fundamental for regulating VCAM-1 expression. First, we showed that RNA polymerase II, preferentially associates with VCAM-1 hypomethylated alleles. This finding was confirmed using fluorescence-activated cell sorting (FACS) to sort populations of cytokine-activated ECs with high vs. low cell surface VCAM-1 expression. We found that ECs with high VCAM-1 expression were hypomethylated at the promoter. We then went on to show that populations of cells generated from single ECs exhibit differential VCAM-1 methylation from one another, and from the original founder population. Intriguingly, our data shows that VCAM-1 mRNA levels differ between the clones, and correlate with the observed differences in DNA methylation. Taken together, this data provides exciting evidence that DNA methylation is important in the regulation of VCAM-1 gene expression.

Vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) is a cytokine-activated protein present on endothelial cells (ECs). Our laboratory has provided evidence that DNA methylation, a mark associated with gene silencing, is fundamental for regulating VCAM-1 expression. First, we showed that RNA polymerase II, preferentially associates with VCAM-1 hypomethylated alleles. This finding was confirmed using fluorescence-activated cell sorting (FACS) to sort populations of cytokine-activated ECs with high vs. low cell surface VCAM-1 expression. We found that ECs with high VCAM-1 expression were hypomethylated at the promoter. We then went on to show that populations of cells generated from single ECs exhibit differential VCAM-1 methylation from one another, and from the original founder population. Intriguingly, our data shows that VCAM-1 mRNA levels differ between the clones, and correlate with the observed differences in DNA methylation. Taken together, this data provides exciting evidence that DNA methylation is important in the regulation of VCAM-1 gene expression.