Die Migration von Tumorzellen im Bindegewebe erfordert adhäsive Zell-Matrix-Interaktionen, die durch Integrine und andere Adhäsionsmoleküle auf der Zelloberfläche vermittelt werden. In 3DKollagenmatrices benötigen hochinvasive MV3-Melanomzellen überwiegend α2β1-Integrine zur Elongation, Adhäsion an den Kollagenfasern und zur Faserbündelung, sowie zur Kraftgenerierung und Migration. Wir haben untersucht, ob die Migration von Tumorzellen in 3D-Kollagenmatrices vollständig durch die Blockade der Integrinfunktion inhibierbar ist, oder ob es kompensatorische Mechanismen gibt, die zur Migration beitragen. Die β1-Integrinfunktion wurde durch verschiedene Methoden reduziert: a) durchflusszytometrische Sortierung der Zellen in Subgruppen mit niedriger und hoher β1-Integrin-Oberflächenexpression; b) Adhäsionsblockade mit monoklonalem anti β1-Antikörper 4B4 oder Rhodocetin, einem selektiven α2β1-Integrininantagonist; und c) Expression von dominant-negativen Peptiden zur Blockade der Funktion der β1-Integrin-zytoplasmatischen Domäne. Alle β1-Integrin-Interferenzstrategien induzierten einen Übergang der konstitutiv vorhandenen mesenchymalen Migration in einen neuen, amöboiden Migrationstyp (Mesenchymal-Amoeboid Transition, MAT), ähnlich der Migrationsweise von Monozyten oder Lymphozyten. Der Übergang zu amöboider Migration ging einher mit dem Verlust der zellvermittelten Kollagenkontraktion und -reorganisation. Subtotale Inhibition der Integrinfunktion (ca. 50%) durch Antikörper 4B4 ergab eine schnelle (0,3-0,4 >m/min) amöboide Migration, während 90-95%ige Absättigung des β1-Integrin- Epitops zu langsamer amöboider Migration (0,03-0,2 >m/min) führte. Induzierte amöboide Migration verursachte eine gleichmäßige Verteilung der β1-Integrine auf der Zelloberfläche, ein diffuses kortikales Aktin-Zytoskelett, und war mit einer ausgeprägten Formanpassung der Zelle an die Matrixstrukturen verbunden, die von kleinen Filopodien oder Oberflächenblebs getragen wurde. Die Befunde wurden für β1-Integrin-defiziente murine embryonale Fibroblasten (MEF) und murine embryonale Stammzellen (GD25) bestätigt. β1-Integrin-defiziente Fibroblasten zeigten eine schnelle, und GD25 ES-Zellen eine langsame amöboide Migration. Somit erfolgte die amöboide Migration ohne β1-Integrin-vermittelte Zell-Matrix-Interaktionen. Weil keine vollständige Immobilisierung der Zellen erzielt wurde, haben wir alternative Mechanismen von Zell-Matrix-Interaktionen untersucht, die zur Restaktivität der amöboiden Migration beitragen. Als potentielle Kandidaten wurden αv-Integrine, die an denaturiertes Kollagen binden, und Oberflächen-Glycokonjugate getestet. Es wurden keine promigratorischen Funktionen RGDabhängiger Integrine (αv oder β3) mittels zyklischer Arginin-Glycin-Asparaginsäure (cRGD)beobachtet. Um herauszufinden, welche Rolle die Oberfächen-Glycokalyx bei der Zellmigration spielen, wurden verschiedene Methoden angewandt: a) Die an die Proteine gebundenen Glycokonjugate wurden mit Hilfe von N- und O-Glycosidasen von der Oberfläche der lebenden Zellen enzymatisch abgespalten; b) um die Sulfatierung der Glycokonjugate zu verhindern, wurden die Zellen in sulfatfreiem Medium kultiviert. Durch beide Methoden wurde die Bindung von Rutheniumrot an die Zelloberfläche(Glycokalyx) um 60% bzw. die von Heparansulfat der Zelloberfläche um 60% bis 100% reduziert. Nicht die Desulfatierung führte zur Ablösung der Zellen vom Kulturflaschenboden, sondern allein dieBehandlung mit N- und O-Glycosidasen. Die gleichzeitige Behandlung von MV3 Melanomzellen mit N-, O- Glycosidase mit Inhibition der β1-, αvβ3-Integrine führten zur Abrundung der Mehrzahl der Zellen, gefolgt von oszillierender Immobilität (‚Running on the spot’) bzw. sehr langsamer Restmigration (<0,1 >m/min). Dagegen war die Migration der MV3-Zellen nach Kultivierung in sulfatfreiem Medium unverändert. Eine ähnliche Hemmung der Migration erfolgte in β1-/- MEFs nach Glycanverdau. Folglich sind β1-Integrine essentiell für fokalisierte Zell-Matrix-Interaktionen, für die mesenchymale Migration und den Matrixumbau, während amöboide Migration ohne Beteiligung von β1-Integrinen erfolgt, aber durch niedrigaffine, diffuse Zell-Matrix-Interaktionen von Oberflächenglycanen vermittelt wird. Somit ist die Glycokalyx ein alternatives Adhäsionssystem für die integrinunabhängige Zellmigration. / Cancer cell migration through connective tissue requires adhesive cell matrix interactions mediated by surface integrins and other adhesion molecules. We investigated whether invasive migration in 3D ECM environments is fully abrogated by blocking integrin functions and whether compensation mechanisms might support migratory rescue. Within 3D collagen matrices, highly invasive MV3 melanoma cells preferentially utilize α2β1 integrins for elongation, adhesion to collagen fibers, fiber bundling, force generation, and migration. β1 integrin function was reduced by a) flow cytometric sorting for subsets expressing low integrin levels; b) blocking anti β1 mAb 4B4 at different concentrations or using rhodocetin, a selective α2β1 integrin inhibitor; and c) expression of dominantnegative peptides to compete with the β1 integrin cytoplasmatic domain function. For migration in 3D collagen lattices, all β1 integrin-lowering strategies uniformly resulted in conversion from constitutive mesenchymal migration to a novel amoeboid type of migration resembling monocytes or lymphocytes. The conversion to amoeboid movement was accompanied by abrogation of cell-mediated collagen contraction and reorganisation. Inhibition of integrin function by blocking antibody by approximately 50% led to fast (0.3-0.4 >m/min) but near-100% amoeboid migration, whereas 90 to 95% epitope saturation let to slow (0.03-0.2 >m/min) amoeboid migration. Induced amoeboid migration was accompanied by cell shape changes supported by small filopodia and/or surface blebs, uniform distribution of surface integrins and the lack of focalization of the cytoskeleton. Results were corroborated in β1-deficient murine embryonic fibroblasts (MEFs)and murine embryonic stem cells (GD25). β1-/- MEFs displayed a fast, and GD25 ES cells a slow amoeboid migration. Thus, migration could be sustained without β1 integrin-mediated cell-matrix interactions. Because no complete immobilization was achieved, alternative cell-matrix interaction mechanisms underlying residual amoeboid migration were investigated. As candidates, αv integrins binding denatured collagen and the surface glycoconjugates were tested, yet no promigratory role of RGD dependent integrins (αv or β3) was found using cyclic tripeptide arginine-glycine-aspartic acid (cRGD). To investigate the role of surface glycoconjugates, we a) enzymatically removed protein-bound glycoconjugates of the living cells using N-and O-glycosidases and b) prevented sulphation of glycoconjugates by culturing cells in sulphate-free medium. Both methods reduced surface Ruthenium red binding by 60% and heparan sulphate surface levels by 60 and 100% respectively, however only N- and O-glycosidase treatment but not desulphation caused cell detachment from the culture flask. Simultaneous treatment of MV3 melanoma cells with N- and O-glycosidase and inhibition of β1, αvβ3 integrins resulted in complete loss of polarity, cell rounding of most cells and oscillating immobility (“running on the spot”), or extremely slow residual migration below 0.1 >m/min. Sulphate-depleted medium alone did not yield any migration reduction in MV3 cells. Similar inhibition after N- und O-glycosidase treatment was obtained in β1-/- MEFs. In conclusion, β1 integrins are sufficient to maintain focalized cell-matrix interactions, mesenchymal migration, and matrix remodelling the abrogation of with supports transition to amoeboid migration mediated by low affinity interactions via surface glycans but not sulphated residues. Thus, the surface glycocalyx provides an alternative adhesion system sustaining integrin-independent amoeboid migration, which may approximate the minimal requirements of cell migration in an interstitial 3D tissue.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:4036 |
| Date | January 2009 |
| Creators | Daryab, Neda |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, application/zip |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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