Exploring the role of Interleukin-6 and other host-associated factors in tumor progression and metastasis development

ABSTRACT: Traditionally, cancer research has had its centre of attention in tumor cells and alterations in their genes, but recently, there has been a shift in focus beyond the tumor cells themselves to the surrounding tumor microenvironment. Specifically, it has become clear that bone-marrow derived cells (BMDCs) play a critical role in metastases development. We demonstrate that IL-6 knockout mice bearing breast or melanoma tumors had a reduction in the number of metastatic foci and metastatic burden as compared to wild-type mice. Analysis of pre-metastatic lungs and blood showed an IL-6 dependent increase in Stat3 activation with CD11b+Gr1+ MDSCs mobilization and recruitment to these sites during metastatic progression. Inducible-ubiquitous overexpression of activated Stat3 increased hematopoietic progenitor cells (Sca1+c-Kit+) and MDSCs in the bone marrow and promoted their mobilization to the lungs, which was abrogated in IL-6 deficient mice. A requirement for bone marrow derived IL-6 for metastasis was determined, as restoration of metastatic growth was observed in IL-6 knockout mice transplanted with wild-type bone marrow. We also demonstrate that in response to IL-6 and TGF-β, upregulation of the Inhibitor of Differentiation 1 (Id1) redirects BMDC differentiation towards Id1-high expressing MDSC with a reciprocal decrease in DC numbers. Genetic inactivation of Id1 largely corrects the myeloid imbalance, whereas Id1 overexpression in the absence of tumor-derived factors re-creates it. These results reveal a critical role for Id1 in suppressing the anti-tumor immune response during tumor progression. We also explored the role of VEGFR1 expression in BMDCs, and our results clearly demonstrate an important function for VEGFR1-regulated CXCL4 expression by BMDCs in regulating angiogenesis at the primary tumor and metastatic microenvironments. Taken together, our results reinforce the concept of the BMDCs and bone marrow microenvironment as necessary participants in solid-tumor metastasis development.RESUMO: Historicamente, a investigação em cancro centrou-se nas células tumorais e nas alterações genéticas destas células, mas recentemente, tem ocorrido uma mudança de foco para o microambiente tumoral. Especificamente, vários estudos têm demonstrado um papel crítico das células derivadas de medula óssea (BMDCs) no processo de tumorigénese e metastização. Os resultados do nosso trabalho demonstram redução significativa no número de lesões metastáticas pulmonares em ratinhos IL-6 KO com tumores da mama ou melanoma comparativamente com ratinhos wild-type. A análise de sangue e tecido pulmonar em fase pré-metastática mostrou ativação Stat3 dependente de IL-6, com mobilização e recrutamento de MDSCs CD11b + Gr1 + para os futuros órgãos metastáticos. A indução de sobreexpressão de Stat3 resultou num aumento de células hematopoiéticas progenitoras (Sca1 + c-Kit +) e MDSCs na medula óssea, e promoveu a sua mobilização para os pulmões, o que não se verificou em ratinhos IL-6 KO. Nos ratinhos IL-6 KO transplantados com medula óssea wild-type houve recuperação do padrão metastático, o que demonstra o papel importante da IL-6 no processo de metastização. O nosso trabalho também demonstrou que a sobreexpressão de Id1, em resposta a IL-6 ou TGF- β, redireciona a diferenciação de BMDCs no sentido de MDSC com elevada expressão de Id1, com uma diminuição recíproca no número de DCs. Demonstramos ainda que a inactivação genética de Id1 corrige o desequilíbrio mieloide, e que a sobreexpressao de Id1 na ausência de factores tumorais, recria este desequilíbrio. Estes resultados revelam um papel crítico de Id1 na supressão da resposta imune antitumoral durante o desenvolvimento tumoral. O nosso trabalho explorou ainda o papel da expressão de VEGFR1 em BMDCs, e os nossos resultados demonstram que a expressão de CXCL4 dependente de VEGFR1 pelas BMDCs desempenha uma importante função na regulação da angiogênese do tumor primário e do microambiente metastatico. Globalmente, os nossos resultados reforçam o conceito das BMDCs e do microambiente da medula óssea como participantes necessários no desenvolvimento de metástases de tumores sólidos