Expression of Tumor Microenvironment Related Molecules C4d, Hsp27, Polysialic Acid and NCAM in Astrocytic Gliomas

Abstract

Tausta: Syövän edetessä syöpäsolujen ympärille kehittyy kasvaimelle ominainen mikroympäristö, jossa muun muassa hypoksia ja tulehdus ovat tärkeinä tekijöinä. Mikroympäristön toiminta aiheuttaa kasvainsolujen irrottautumista ympäristöstään, johtaen migraatioon. Komplementtikaskadi aktivoi tulehdussolukkoa, joka puolestaan muokkaa kasvaimen mikroympäristöä edistäen kasvaimen pahanlaatuistumista. C4d on komplementtikaskadin C4-osatekijän hajoamisessa vapautuva molekyyli. Sen esiintymistä voidaan pitää merkkinä komplementin aktivoitumisesta. Hypoksia aiheuttaa kasvainsoluissa hypoksian indusoima tekijä-1 alfan (HIF-1alfa) ekspression, joka toimii transkriptiotekijänä lämpöshokkiproteiini 27:lle (Hsp27) ja hiilihappoanhydraasi IX:lle (CA IX). Hsp27:n ja CA IX:n toiminta edesauttaa kasvainsolukon kykyä pysyä elossa ja pahanlaatuistua. Polysialohappo (polySia) kiinnittyy neuraalisen solun adheesiomolekyylin (NCAM) ulkoiseen osaan. Tämä väljentää solujen kiinnittymistä alustaansa. On epäselvää vaikuttaako kasvaimen isositraattidehydrogenaasi 1:tä (IDH1) koodaavan geenin mutaatio edellä esiteltyjen molekyylien ilmentymiseen. Diffuusisti infiltroivat astrosytoomat ovat pahanlaatuisia aivokasvaimia, joiden täydellinen poisto kirurgisesti on käytännössä mahdotonta epätarkkarajaisen kasvutavan vuoksi ja potilaiden ennuste on huono.

Tavoitteet: Tavoitteena oli tutkia C4d:n, Hsp27:n, polySia:n ja NCAM:in esiintyvyyttä astrosytoomissa sekä niiden esiintyvyyden yhteyttä kliinis-patologisiin muuttujiin. Haluttiin myös selvittää, vaikuttaako IDH1-mutaatio edellä mainittujen molekyylien ilmentymiseen ja niiden yhteyttä CA IX:n ja HIF-1alfan ilmentymiseen. Laajemmalti ajateltuna tavoitteena oli selvittää astrosytoomille ominaisia molekylaarisia poikkeavuuksia. Kartoitettuja molekylaarisia ominaisuuksia voitaisiin tulevaisuudessa käyttää apuna kasvaindiagnostiikassa ja uusia hoitomuotoja suunniteltaessa.

Tulokset: Diffuusisti infiltroivissa astrosytoomissa C4d:n esiintyvyys korreloi tilastollisesti merkitsevästi kasvaimen pahanlaatuisuuden, potilaan eloonjäämisennusteen ja kasvaimen uusiutumisen kanssa. C4d:n esiintyvyys oli voimakkaampaa hyvänlaatuisissa pilosyyttisissä astrosytoomissa kuin pahanlaatuisissa diffuusisti infiltroivissa astrosytoomissa. Hsp27:n ja HIF-1alfan ilmentyminen sekä IDH1-mutaatio korreloivat kasvaimen graduksen kanssa. Hsp27 ja HIF-1alfa ilmentyivät laajemmin pahalaatuisissa kasvaimissa, kun taas IDH1-mutaatio liittyi kasvaimen matalampaan gradukseen. IDH1-mutaatio liittyi merkitsevästi HIF-1alfan sekä CA IX:n esiintyvyyteen ja negatiivisesti Hsp27 esiintyvyyteen. Myös HIF-1alfa korreloi Hsp27:n ja CA IX:n esiintyvyyden kanssa. Korrelaatio HIF-1alfan ja CA IX:n välillä säilyi, kun IDH1-mutatoituneet kasvaimet tutkittiin erikseen, mutta se ei ollut enää merkitsevä tutkittaessa vain IDH1-mutatoitumattomat kasvaimet. Hsp27:n, CA IX:n ja HIF-1alfan esiintyvyys liittyi tilastollisesti merkitsevästi potilaiden lyhempään eloonjäämisaikaan. IDH1-mutaatio kasvaimessa ennusti pidempää elossaoloaikaa kuin IDH1-mutatoitumattomuus. PolySia:n esiintyvyys oli harvinaista pilosyyttisissä astrosytoomissa. PolySian ja NCAM:in esiintyvyydet ennustivat diffuusisti infiltroivaa astrosytoomaa sairastavien potilaiden pidempää eloonjäämisaikaa. PolySia:n esiintyvyys oli tavallisempaa IDH1-mutatoituneissa kasvaimissa kuin mutatoitumattomissa. Myös NCAM:ia ilmentävät kasvaimet olivat useammin IDH1-mutatoituneita kuin mutatoitumattomia.

Johtopäätökset: C4d:n ilmentyminen diffuusisti infiltroivissa astrosytoomissa osoittaa tulehduksen aiheuttamien muutosten vaikutuksen kasvaimen epäedulliseen kehitykseen. C4d:n esiintyvyys kasvaimessa voi puoltaa anti-inflammatorisen tai kasvaimen vastaista immuunipuolustusta vahvistavan hoitomuodon valintaa. Tulevaisuudessa Hsp27:n esiintyvyyttä voidaan käyttää hyödyksi kasvaindiagnostiikassa ja potilaan eloonjäämisennusteessa. Hsp27:n, CA IX:n, polySia:n ja NCAM:in esiintyvyys poikkesi IDH1-mutatoituneiden ja IDH1-mutatoitumattomien kasvainten välillä. Hsp27, HIF-1alfa ja CA IX ovat potentiaalisia syöpähoidon kohdemolekyylejä, sillä ne kaikki vaikuttavat potilaan elinajanennustetta lyhentävästi.

Background: In malignant progression a tumor microenvironment is formed in the extracellular matrix. Amongst other, inflammation and hypoxia are present. Cell connections are loosened and cells are released to migration. Complement is one pathway for activation of the immune system, which modifies the tumor microenvironment adversely. C4d is a marker for the site of complement activation. It is the degradation product of activated complement factor C4. Hypoxia induces expression of hypoxia inducible factor-1 alpha (HIF-1alpha) that is a transcription factor for Heat shock protein 27 (Hsp27) and Carbonic anhydrase IX (CA IX). Hsp27 and CA IX aid cancer cells to survive and proceed in malignancy. Polysialic acid (polySia) attaches on Neural cell adhesion molecule (NCAM), which has been suggested to loosen cell to cell and cell to extracellular matrix connections. Isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) mutation has been recently found in astrocytomas, yet it is unclear how it affects on the expression of these molecules. Diffusely infiltrating astrocytomas are highly malignant brain tumors and the patient prognosis is poor.

Aims: Immunohistochemical expression of C4d, Hsp27, polySia and NCAM was studied in astrocytic tumors to describe the expression patterns and to study their relationship to clinicopathological features. Their relationship to CA IX and HIF-1alpha expression as well as IDH1 mutation was also tested. Altogether the aim was to gain knowledge on the molecular profile of astrocytomas. The molecular profiling could also give guidance to tumor typing and grading as well as in development of astrocytoma targeting therapy.

Results: In diffusely infiltrating astrocytomas, C4d expression was found to correlate with increasing malignancy, patient survival and recurrence of the tumor. C4d expression was significantly more extensive in pilocytic astrocytomas than in diffusely infiltrating astrocytomas. Expression of Hsp27 and HIF-1alpha as well as IDH1 mutation status correlated significantly with tumor grade. Hsp27 and HIF-1alpha associated with increasing malignancy, whereas IDH1 mutation was associated with lower grade. IDH1 mutation correlated significantly with HIF1-alpha expression as well as CA IX expression and negatively to Hsp27 expression. Also HIF-1alpha expression correlated significantly to Hsp27 and CA IX expression. When only IDH1 mutated tumors were studied HIF-1alpha correlated with CA IX expression, however in IDH1 non-mutated tumors this correlation was not found. Hsp27, CA IX and HIF-1alpha were associated with worsened patient outcome, whereas IDH1 mutation indicated better outcome than if the tumor was IDH1 non-mutated. Expression of polySia was rare in pilocytic astrocytomas. Patients with polySia expressing astrocytomas had better prognosis than patients with polySia negative astrocytomas. PolySia expression was also found to associate with IDH1 mutation; tumors having IDH1 mutation were more often polySia positive than negative. Also NCAM positive tumors were more often IDH1 mutated than non-mutated.

Conclusion: Expression of C4d in diffusely infiltrating astrocytomas show how inflammation affect adversely on patient prognosis and is associated with increasing malignancy. In future C4d expression in tumor sample could be advisory to favour immunosuppressive or antitumor immune response enhancing therapy. Expression of Hsp27 may give guidance in assessing the tumor grade and when predicting patient prognosis. Expression pathways of Hsp27, CA IX, polySia and NCAM seem to vary according to the IDH1 mutation status. Hsp27, HIF-1alpha and CA IX could be potential target molecules in future therapy of diffusely infiltrating astrocytomas, since they all seem to be associated with shorter patient survival.