Abstract Prognostic features of colorectal cancer (CRC) are important for determining the optimal treatment for an individual patient. This study was carried out to evaluate the significance of the prognostic significance of inflammatory cell reaction and tumour budding at the invasive front of the tumour in CRC patients, to study the pattern of alterations in the serum cytokine levels of CRC patients compared to healthy controls, and to evaluate whether the patterns of the cytokine levels alter according to the stage of disease. Study material consists of a series of CRC patients operated in Oulu University Hospital (N=466, studies I-II, and N=148, study III). The intensities of inflammatory cell reaction and tumour budding were estimated and the association of these features with survival was analysed (I-II). Preoperative serum samples were collected from patients and age- and sex-matched controls, and concentrations of 13 cytokines and chemokines were analysed (III). Inflammatory cell reaction and tumour budding at the tumour invasive margin were independent prognostic markers in CRC. In patients with stage I-II disease, high-grade inflammation was associated with better 5-year survival (87.6%) than low-grade inflammation (47.0%). Tumour budding was present in 24.0% of cases and predicted worse 5-year survival (15.4% in contrast to 63.5%). Serum levels of PDGF, IL-6, IL-7, and IL-8 were higher, and levels of MCP-1 were lower in CRC patients compared to controls. A pattern of five most predictive cytokines reached an excellent capacity in discriminating patients from healthy controls and reached an AUC of 0.890 in the ROC analysis. High-stage CRC was associated with increased levels of IL-6, IL-8 and IL-1ra, and metastasised disease was accompanied by an orientation to Th2 cytokine milieu. According to this study, patients with CRC can be stratified into different prognostic groups by assessing inflammatory cell reaction and tumour budding at the invasive front of the tumour. Evaluation of these features may give additional information for making treatment decisions. Serum cytokine profile was shown to change during cancer progression and seems promising in separating CRC patients from healthy controls, but its clinical value is yet to be confirmed. / Tiivistelmä Kasvaimen ennusteeseen vaikuttavien tekijöiden tunteminen on tärkeää syöpäpotilaan yksilöllisen hoidon suunnittelussa. Tässä tutkimuksessa selvitettiin kasvaimen tulehdusreaktion ja kasvaimen reunan silmuilevan kasvutavan merkitystä kolorektaalisyöpäpotilaiden ennusteeseen. Lisäksi tutkimuksessa mitattiin tulehdusreaktion välittäjäaineiden, seerumin sytokiinien, pitoisuuksia potilailla ja verrokeilla sekä näiden pitoisuuksien vaihtelua suhteessa syövän levinneisyyteen. Tutkimusaineisto koostui Oulun yliopistollisessa sairaalassa leikatuista kolorektaalisyöpäpotilaista (N=466, tutkimukset I–II, N=148, tutkimus III). Kasvainnäytteistä tutkittiin kasvaimen tulehdusreaktion ja silmuilevan kasvutavan voimakkuutta ja arvioitiin näitä piirteitä suhteessa potilaiden elinaikatietoihin (tutkimukset I–II). Potilaiden ja verrokkihenkilöiden seeruminäytteistä mitattiin 13 sytokiinin pitoisuudet (tutkimus III). Kasvaimen tulehdusreaktio ja silmuileva kasvutapa osoittautuivat itsenäisiksi ennustetekijöiksi. Potilailla oli parempi 5-vuotisennuste (87.6 %), jos kasvaimen tulehdusreaktio oli voimakas verrattuna tapauksiin, joissa tulehdusreaktio oli heikko (47.0 %). 24 %:ssa kasvaimista kasvutapa oli silmuileva, ja näillä 5-vuotisennuste oli huonompi kuin ei-silmuilevissa (15.4 % vs. 63.5 %). Potilailla todettiin korkeammat seerumin PDGF, IL-6, IL-7, ja IL-8 -pitoisuudet ja matalammat MCP-1 -pitoisuudet kuin verrokeilla. Mittaamalla viiden ennustearvoltaan merkitsevimmän sytokiinin pitoisuudet voitiin potilaat luotettavasti erottaa verrokeista ROC-analyysin avulla, kun ROC-käyrän alle jäävä pinta-ala oli 0.890 %. Pidemmälle levinneissä taudeissa todettiin korkeampia IL-6, IL-8 ja IL-1ra -pitoisuuksia, ja etäpesäkkeisissä taudeissa sytokiinipitoisuudet muuttuivat Th2 -profiilin suuntaiseksi. Tutkimuksen mukaan kasvaimen tulehdusreaktion ja silmuilevan kasvutavan arvioinnilla kolorektaalisyöpäpotilaat voidaan jakaa ennusteellisiin ryhmiin, mitä on mahdollista hyödyntää hoidon suunnittelussa. Seerumin sytokiiniprofiilin osoitettiin muuttuvan taudin edetessä, ja sytokiinien pitoisuudet poikkeavat kolorektaalisyöpäpotilailla verrattuna terveiltä verrokeilta mitattuihin arvoihin.

Abstract Tumor associated macrophages (TAMs) are linked to the invasion of oral tongue squamous cell carcinoma (OTSCC). We modified THP-1 leukemia cells to M1 (inflammatory), M2 (TAM-like) and R848 (imidazoquinoline-treated) type macrophages in order to examine their interactions with OTSCC-cells (HSC-3) by using different kinds of in vitro migration and invasion models. We observed that interaction of TAM-resembling M2-type macrophages with HSC-3 cells induced invasion and migration, whereas the influence of M1 macrophages reduced them. Patient response to chemoradiotherapy is highly reliant on the characteristics such as the aggressiveness and stage of the cancer. Therefore, new methods for treatment testing are needed in order to design personalized therapies. We tested the applicability and consistency of human TME mimicking tissue methods for analyzing the effects of chemoradiation using commercial OTSCC cell lines. Based on our trials, both our human uterine leiomyoma tissue -based matrix models provide viable platforms for future in vitro chemoradiotherapy testing. Conventionally pro-tumorigenic activities of matrix metalloproteinase (MMP)9 have been linked with oral squamous cell carcinoma, but recently its tumor-suppressor role has also been revealed. Our study provides strong evidence that MMP9 also has an anti-invasive effect in OTSCC and is a potential mediator of the protective effects of arresten in tongue cancer cells. / Tiivistelmä Makrofageilla on yhteys kielen levyepiteelikarsinooman invaasioon eli syöpäkasvaimen tunkeutumiseen ympäröivään kudokseen. Tutkimuksessamme muokkasimme ihmisen THP-1 leukemiasoluja kemiallisesti tulehdusreittejä aktivoiviksi M1-makrofageiksi, kasvaimeen liittyvien makrofagien kaltaisiksi M2-makrofageiksi sekä imidatsokinoliini-käsitellyiksi R848-makrofageiksi. Tarkoituksenamme oli tutkia makrofagien ja kielisyöpäsolujen vuorovaikutuksia erilaisilla in vitro migraatio- ja invaasiomalleilla. Anti-inflammatoristen, syövän etenemistä edesauttavien TAM-makrofagien kaltaisiksi erilaistetut M2-tyypin makrofagit lisäsivät HSC-3 kielikarsinoomasolujen invaasiota ja migraatiota, kun taas M1-tyypin makrofagien vaikutus oli päinvastainen. Potilaan vaste kemosädehoitoon riippuu syöpäkasvaimen ominaisuuksista, kuten syöpäsolujen aggressiivisuudesta ja syövän levinneisyysasteesta. Tämän vuoksi on tarve uusille menetelmille, joiden avulla voidaan ottaa huomioon potilaan sekä syöpätyypin yksilölliset ominaisuudet hoitoa suunniteltaessa. Testasimme syöpäkasvaimen mikroympäristöä mallintavien, ihmiskudokseen perustuvien menetelmien käyttökelpoisuutta ja luotettavuutta kemosädehoidon vaikutusten arvioimiseen. Testiemme perusteella myoomakudokseen pohjautuvat menetelmät voivat auttaa kemosädehoidon vaikutusten testauksessa. Matriksin metalloproteinaasi (MMP) 9:n on pitkään uskottu olevan yksinomaan syövän etenemistä edesauttava molekyyli. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on myös havaittu, että MMP9:llä voi olla syövältä suojaavia vaikutuksia. Tutkimme MMP9:n vaikutusta kielisyöpäsoluihin ja havaitsimme, että MMP9:llä on myös invaasiota hillitseviä vaikutuksia. Lisäksi MMP9 saattaa toimia verisuonten muodostumista estävän arresten-molekyylin syövältä suojaavien mekanismien välittäjänä.

Abstract Oral tongue squamous cell carcinoma (OTSCC) is the most common cancer of the oral cavity. The 5-year mortality of OTSCC remains at about 50%. The tumor microenvironment (TME) is now recognized as an important factor in cancer progression and metastasis, as well as a tool for prognostication. The aim of this study was to elucidate the roles of TME hypoxia and soluble factors on cancer cell migration and invasion, and the prognostic value of two extracellular matrix (ECM) molecules: tenascin-C (TNC) and fibronectin (FN). Hypoxia was studied using oral squamous cell carcinoma cells in migration and invasion assays. Invasion assays were carried out using a 3D-myoma invasion method. Similarly, the effect of soluble factors as well as ECM alterations were studied using the myoma model: the effect of soluble factors was studied by rinsing the myoma discs prior to experiments, and ECM alterations by lyophilizing and rehydrating. ECM was further studied by analyzing the prognostic value of TNC and FN from OTSCC samples. The effect of hypoxia was shown to be OTSCC cell line dependent: the effect of hypoxia on migration and invasion was increased in aggressive cell lines. Additionally, the response to hypoxia was altered in rinsed tissue. Tissue rinsing media were analyzed and factors affecting cell motility were found. The TME was found to be pivotal for cancer invasion: invasion was impaired in non-neoplastic tissue. Furthermore, changes in the ECM by lyophilization and rehydration led to a change in the invasion mechanism. High expression of stromal TNC and FN were excellent prognosticators in early-stage OTSCC. In conclusion, the present study highlighted the role of various TME components in cancer cell invasion as well as prognostication in OTSCC. Additionally, this study provided feasible tools for more precise diagnosis of early-stage OTSCC. / Tiivistelmä Liikkuvan kielen levyepiteelikarsinooma (OTSCC) on suuontelon yleisin syöpä. Viiden vuoden kuolleisuus OTSCC:an on edelleen noin 50 %. Kasvaimen mikroympäristön (TME) tiedetään nykyään olevan tärkeässä roolissa syövän kehityksessä ja etäpesäkkeiden muodostuksessa, sekä tarjoavan työkaluja ennusteiden laadintaan. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää TME:n hypoksian ja liukoisten tekijöiden vaikutusta syöpäsolujen liikkumiseen ja invaasioon ympäröivään kudokseen, sekä tutkia kahden solunulkoisen matriksin (ECM) proteiinin, tenaskiini-C:n (TNC) ja fibronektiinin (FN), vaikutusta OTSCC:n ennusteeseen. Hypoksian vaikutusta tutkittiin käyttäen suun levyepiteelikarsinoomasoluja liikkuvuus- ja invaasiokokeissa. Invaasiokokeissa hyödynnettiin kolmiulotteista ihmisen myoomaan perustuvaa invaasiomallia. Myös liukoisten tekijöiden ja ECM:n muutosten vaikutusten tutkimisessa käytettiin myoomamallia: liukoisten tekijöiden vaikutusta tutkittiin huuhtomalla myoomakiekot ennen niiden käyttämistä, ja ECM:n muutosten vaikutusta kylmäkuivaamalla ja uudelleen nesteyttämällä myoomakiekot. ECM:ia tutkittiin myös analysoimalla TNC:n ja FN:n värjäytyvyyden merkitystä OTSCC:n ennusteessa. Hypoksian vaikutus osoittautui solulinjariippuvaiseksi: hypoksia lisäsi kielisyöpäsolujen liikkuvuutta ja invaasiota eniten aggressiivisimmilla solulinjoilla. Lisäksi solujen vaste hypoksialle oli erilainen huuhdotussa kudoksessa. Huuhteluliuos analysoitiin ja siitä löydettiin solujen liikkumiseen vaikuttavia tekijöitä. TME:n havaittiin olevan ratkaisevassa roolissa syöpäsolujen invaasiossa: syöpäsolut eivät kyenneet invasoitumaan lainkaan ei-neoplastiseen kudokseen. Lisäksi muutosten ECM:ssä havaittiin johtavan muutoksiin solujen käyttämässä invaasion mekanismissa. Strooman TNC:n ja FN:n värjäytyvyyden todettiin olevan erinomaisia ennustekijöitä aikaisen vaiheen OTSCC:ssa. Tiivistettynä voidaan todeta, että tämä tutkimus alleviivasi useiden TME:n komponenttien vaikutusta syövän invaasiolle ja ennusteelle OTSCC:ssä. Lisäksi se tarjoaa käyttökelpoiset työkalut (TNC ja FN) tarkemmalle diagnostiikalle aikaisen vaiheen OTSCC:ssä.

Abstract Desmoglein 3 (Dsg3) is an adhesion receptor in desmosomes, but relatively little is known about its role in cancer. In this study, the function of Dsg3 was investigated in oral squamous cell carcinoma (SCC) cell lines in vitro using locally established human leiomyoma tumor microenvironment (TME) matrices. Since Dsg3 has been identified as a key regulator in cell adhesion, we hypothesized that it may play a role in oral SCC cells adhesion and motility. Thus, one aim of the study was to explore this hypothesis by both gain and loss of function methods in four human buccal mucosa SCC SqCC/Y1 cell lines: transduction of vector control (Ct), full-length (FL) or two different C-terminally truncated Dsg3 mutants (Δ238 and Δ560). Live cell imaging was performed for 2D migration and 3D sandwich, alongside other assays. In 3D sandwich, we tested the effects of the monoclonal antibody, AK23, targeting the extracellular domain of Dsg3 in SqCC/Y1 cells. Our results showed that loss of Dsg3 disrupted cell adhesion and protein expression. In 2D assays, FL and Dsg3 mutants migrated faster with higher accumulated distances than Ct. In contrast with 2D, mutants showed accelerated invasion over the Ct in 3D models. The AK23 antibody inhibited only the invasion of FL cells. The TME in vivo consists of cellular and matrix elements playing a leading role in carcinoma progression. To study carcinoma cells invasion in vitro, mouse Matrigel® and rat type 1 collagen are the most commonly used matrices in 3D models. Since they are non-human in origin, they do not perfectly mimic human TME. To address this, we have developed a solid organotypic myoma disc model derived from human uterus leiomyoma tumor. Here, we introduce a novel Myogel, prepared from leiomyoma similar to Matrigel®. We validated Myogel for cell-TME interactions in 3D models, using SqCC/Y1 and HSC-3 cell lines. Compared with Matrigel® and type I collagen, oral SCC cell lines invaded more efficiently in Myogel containing matrices. This study describes promising 3D models using human TME mimicking Myogel which is suitable to analyze oral SCC cells both in carcinoma monocultures and in co-cultures, such as with TME fibroblasts. We also introduce a possible novel therapeutic target against Dsg3 to suppress cancer cell invasion. / Tiivistelmä Desmogleiini 3 (Dsg3) on desmosomien adheesioreseptori, jonka merkityksestä syövässä tiedetään vähän. Koska Dsg3 on tärkeä epiteelisolujen välisissä liitoksissa, oletimme sillä olevan vaikutusta myös suun karsinoomasolujen tarttumisessa ja niiden liikkuvuudessa. Testasimme hypoteesiamme muuttamalla Dsg3:n toimintaa ihmisen posken karsinoomasolulinjassa SqCC/Y1, josta oli aiemmin valmistettu neljä erilaista muunnosta: tyhjän vektorin sisältävä kontrollisolulinja (Ct), kokopitkää Dsg3 tuottava solulinja (FL), sekä kaksi Dsg3 C-päästä lyhennettyä mutanttisolulinjaa (Δ238 ja Δ560). Immunofluoresenssi-menetelmää käyttäen analysoimme solulinjoissamme solujen välisiä liitoksia. Lisäksi mittasimme solujen liikkeitä 2D-migraatio- ja 3D-sandwich-kokeissa. Testasimme myös Dsg3:n solunulkoista osaa tunnistavan monoklonaalisen vasta-aineen (AK23) vaikutusta solujen invaasioon. Osoitimme, että Dsg3:n rakenteen muuttaminen ja toiminnan estyminen häiritsi solujen tarttumista. 2D-kokeissa sekä FL että mutanttilinjat (Δ238 ja Δ560) migroivat kontrollisoluja nopeammin ja pidemmälle, mutta 3D-kokeissa vain mutanttilinjat invasoituivat kontrollisoluja tehokkaammin. AK23-vasta-aine esti vain FL-solujen invaasiota. Syöpäsolujen 3D-invaasiota mittaavissa kokeissa käytetään yleensä hiiren kasvaimesta valmistettua kaupallista Matrigeeliä® tai rotan kudoksista eristettyä tyypin I kollageenia. Tutkimusryhmämme on jo aiemmin kehittänyt organotyyppisen myoomamallin, jossa valmistamme myoomakudosnapit ihmisen kohdun leiomyoomakasvaimista. Tässä työssä valmistimme leiomyoomasta Myogeelia, vertasimme sitä Matrigeeliin®, sekä tutkimme tarkemmin Myogeeli-valmisteen soveltuvuutta 3D-tutkimuksiin. Totesimme, että kielen (HSC-3) ja posken (SqCC/Y1) karsinoomasolut invasoituivat tehokkaimmin Myogeeli-pitoisissa matrikseissa kuin Matrigeeliä® tai kollageeniä sisältävissä kasvatusalustoissa. Tutkimustulostemme perusteella Myogeeli-pohjaiset 3D-mallit soveltuvat hyvin sekä syöpäsolulinjojen invaasiotutkimuksiin että yhteisviljelmiin, joissa syöpäsoluja viljellään yhdessä syöpäkasvaimen ympärillä olevien solujen, kuten fibroblastien, kanssa.

Abstract Endometrial carcinoma is the most common gynegologic malignancy in developed countries. Due to early symptoms, including abnormal uterine bleeding, endometrial cancer is often diagnosed at an early stage and in that case usually has a good prognosis and high cure rates. However, the nature of the disease is heterogeneous. During the last decades, the improvement in survival rates among endometrial cancer patients has not been significant, suggesting that the traditional clinicopathological factors may be inadequate to identify patients with high-risk disease. Furthermore, aggressive adjuvant treatments can be costly and very toxic. Therefore, better prognostic markers associated with biological aggressiveness of endometrial carcinoma are needed to identify the patients with high-risk disease, and to be able to select the treatment more individually. Gelatinases (MMP-2 and MMP-9) and their tissue inhibitors (TIMP-1 and TIMP-2) have been found to play a role in tumor progression. In the present work, the expression and prognostic value of MMP-2, MMP-9, TIMP-1 and TIMP-2 were assessed in endometrial carcinoma. The patient material consisted of a total of 266 women diagnosed with primary endometrial carcinoma. The tissue expression of immunoreactive proteins was examined in paraffin-embedded tumor sections by immunohistochemical staining using specific antibodies, and the pretreatment serum levels of the proteins were quantitatively measured by ELISA. Tissue MMP-2 expression associated with a worsened prognosis, whereas tissue TIMP-2 overexpression was an indicator of a favorable outcome. Furthermore, we observed a combination of strong MMP-2 and weak TIMP-2 tissue expression to identify a group of women at high risk of adverse outcome in endometrial carcinoma. Patients with negative MMP-2 immunostaining had the best prognosis, regardless of TIMP-2 staining result. In serum measurements, high preoperative TIMP-1 concentration was a prognostic indicator of unfavorable outcome. These results indicate that tissue MMP-2 and TIMP-2 as well as circulating TIMP-1 may be prognostic markers in endometrial carcinoma. Of these, tissue MMP-2 seems to be the most potent prognostic marker. Studies with larger patient materials are needed to further explore the value of these enzymes in clinical practice in endometrial cancer. / Tiivistelmä Kohdunrungon syöpä on yleisin gynekologinen maligniteetti kehittyneissä maissa. Varhaisten oireiden, kuten poikkeavan verisen vuodon, vuoksi kohdunrungon syöpä havaitaan usein varhaisessa vaiheessa, jolloin sen ennuste on hyvä. Taudin käyttäytyminen voi kuitenkin olla moninaista. Viime vuosikymmenten aikana kohdunrungon syöpään sairastuneiden ennuste ei ole merkittävästi parantunut. Vaikuttaisi siltä, että perinteiset ennustetekijät eivät ole riittävän tarkkoja ennustamaan syövän taudinkulkua. Lisäksi liitännäishoidot voivat olla kalliita, ja niihin voi liittyä vakavia haittavaikutuksia. Uusien biologisten ennustetekijöiden löytäminen olisi tärkeää, jotta aggressiivista syöpätyyppiä sairastavat potilaat pystyttäisiin tunnistamaan entistä paremmin, ja hoito kyettäisiin räätälöimään yksilöllisemmin taudinkuvaa vastaavasti. Gelatinaasien (MMP-2 ja MMP-9) sekä niiden kudosinhibiittoreiden (TIMP-1 ja TIMP-2) on havaittu osallistuvan syövän etenemiseen. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin MMP-2:n ja MMP-9:n sekä niiden kudosinhibiittoreiden TIMP-1:n ja TIMP-2:n ilmentymistä ja ennusteellista merkitystä kohdunrungon syövässä. Aineisto käsitti yhteensä 266 primaariseen kohdunrungon syöpään sairastunutta naista. Määritysmenetelminä käytettiin sekä immunohistokemiallista värjäystä parafiiniin valettujen kudosnäytteiden osalta että ELISA-määrityksiä ennen hoitoa otettujen seeruminäytteiden osalta. Syöpäkudoksen runsas MMP-2 -proteiinin ilmentyminen liittyi epäsuotuisaan ennusteeseen, kun taas kasvainkudoksen voimakas TIMP-2 -proteiinin ilmentyminen oli hyvän ennusteen merkki. Lisäksi kasvainkudoksen voimakkaan MMP-2- ja heikon TIMP-2 -proteiinien ilmentymisen yhdistelmän havaittiin liittyvän suurempaan syövästä johtuvaan kuolleisuuteen. MMP-2 -negatiivisten potilaiden eloonjäämisennuste oli paras, TIMP-2 -värjäystuloksesta riippumatta. Seerumin korkea TIMP-1 -pitoisuus oli merkittävä huonontuneen ennusteen merkki. Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että kasvainkudoksessa esiintyvät MMP-2- ja TIMP-2 -proteiinit samoin kuin seerumin TIMP-1 -pitoisuus voivat ennustaa kohdunrungon syövän kliinistä käyttäytymistä. Kasvainkudoksessa esiintyvä MMP-2 -proteiini vaikuttaisi olevan merkittävin ennusteellinen tekijä, mutta tulosten varmistamiseksi tarvitaan lisää tutkimuksia suuremmilla potilasaineistoilla.