Alterations at the blood-brain barrier and brain parenchyma along brain metastasization of breast cancer

Tese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2016Despite the restricted permeability of the blood-brain barrier (BBB), the brain is a privileged organ regarding the appearance of metastases, particularly from breast cancer. Patients with brain metastases from breast cancer have a severe prognosis, rendering this issue a serious oncologic problem that deserves further attention. Therefore, additional studies are required to establish when breast cancer cells cross the brain endothelium and what are the routes used for the transendothelial migration, to understand what is their precise phenotype along the processes of transmigration and establishment of brain metastases, to determine the alterations occurring in brain endothelium, to study how endothelial cells communicate with malignant ones to promote the attraction of malignant cells into the brain vasculature and tumour-associated vascular development. Based on this, we aimed at establishing the temporal profile of breast cancer metastasization to the brain and characterize the metastasizing cells phenotype, as well as, to investigate the vascular events and BBB properties along the process of metastasization to this target organ. In addition, we aimed to assess signalling mechanisms involved in attraction of carcinoma cells into the brain and proliferation in the nervous tissue. To establish the temporal evolution of the players involved in such processes, we used cerebella, cranial hippocampi, and striata of female mice inoculated with 4T1 breast cancer cells sacrificed at 5 hours, 3 days, 7 days or 10 days, and of female mice injected with vehicle (control) sacrificed at 5 hours. Our results showed the presence of brain metastasis of breast cancer at 7-days after inoculation, which increased thereafter. The malignant cells crossed the BBB as mesenchymal cells and, once inside the brain, these cells underwent a complete or partial mesenchymal-epithelial transition to acquire the epithelial characteristics that allow the establishment of new tumours. In addition, the process of brain metastasization of BC contributed to the downregulation of the tight junction protein claudin-5 of brain microvascular endothelial cells, as well as to the entrance of the blood-borne component thrombin in brain parenchyma. On the other hand, hypervascularization in cranial hippocampus appeared to be associated to the process of brain colonization by breast cancer cells. Regarding the role of platelet-derived growth factor B signalling along the process of brain metastasization, we found that this growth factor was expressed by tumour cells and its expression increased during the formation of brain metastasis. Interestingly, a continuous entrance of cysteine-X amino acid-cysteine receptor 4 (CXCR4)-positive cells into the brain parenchyma appeared to occur along the process of brain metastasization of breast cancer. In sum, this study contributes to clarify the time-course and interdependence of the signalling events, BBB breach and phenotypic transition of malignant cells along endothelial transposition and brain metastases establishment by breast cancer cells. Moreover, the demonstration of early cellular and molecular events points to novel targets for modulation in order to prevent metastasis formation and development.Apesar da barreira hematoencefálica (BHE) ter uma permeabilidade restrita, o cérebro é um órgão preferencialmente afetado pelo aparecimento de metástases, particularmente de cancro mama. Pacientes com metástases cerebrais provenientes do cancro da mama têm um prognóstico severo, tornando a metastização num sério problema oncológico que merece toda a atenção. Por este motivo, novos estudos são necessários para estabelecer quando é que as células cancerígenas da mama atravessam o endotélio cerebral e quais são as vias que utilizam para migrarem através do endotélio, para se perceber qual o fenótipo que têm ao longo dos processos de migração para dentro do encéfalo e durante o estabelecimento de metástases, para determinar as alterações que ocorrem no endotélio cerebral, para estudar como as células endoteliais comunicam com as células malignas para promover a atracão das células cancerígenas da mama para a vasculatura do encéfalo e o desenvolvimento vascular associado ao tumor. Com base nisto, tivemos com objetivos estabelecer o perfil temporal da metastização do cancro da mama para o encéfalo e caracterizar o fenótipo destas mesmas células, assim como, estudar as alterações vasculares e as propriedades da BHE ao longo do processo de metastização para este órgão secundário. Para além disso, também pretendíamos avaliar os mecanismos de sinalização envolvidos na atracão das células tumorais para o encéfalo e na proliferação no tecido nervoso. Para estabelecer a evolução temporal dos intervenientes envolvidos em tais processos, utilizámos cerebelos, hipocampos craniais e estriados de ratinhos fêmea inoculados com células cancerígenas da mama 4T1 sacrificados às 5 horas, 3 dias, 7 dias, ou 10 dias, e de ratinhos fêmea injetados com veículo (controlo) sacrificados às 5 horas. Os nossos resultados mostraram a presença de metástases cerebrais do cancro mama 7 dias após a inoculação, aumentando ao longo do tempo. As células malignas atravessaram a BHE como células mesenquimais e, uma vez dentro do encéfalo, estas células sofreram uma transição completa ou parcial de fenótipo mesenquimal para epitelial para adquirirem as características epiteliais necessárias para o estabelecimento de novos tumores no encéfalo. Além disso, o processo de metastização cerebral do cancro da mama contribuiu para a diminuição da expressão da proteína das junções de oclusão claudina-5 nas células endoteliais microvasculares cerebrais, assim como para a entrada do componente sanguíneo trombina no parênquima cerebral. Por outro lado, o aumento de vascularização no hipocampo cranial aparentou estar associado ao processo de colonização do encéfalo pelas células cancerígenas da mama. Relativamente ao papel da sinalização do fator de crescimento B derivado de plaquetas ao longo do processo de metastização cerebral, descobrimos que as células tumorais expressavam este fator de crescimento e que a sua expressão aumentou durante a formação de metástases no encéfalo. Curiosamente, a entrada contínua de células que expressam o recetor CXCR4 para dentro do parênquima cerebral aparentou ocorrer ao longo do processo de metastização cerebral do cancro da mama. Deste modo, este estudo contribui para clarificar o curso temporal e a interdependência de vias de sinalização, a quebra da BHE e a transição fenotípica das células malignas ao longo na transposição do endotélio e estabelecimento de metástases cerebrais pelas células cancerígenas da mama. Além disso, a demonstração dos eventos celulares e moleculares iniciais aponta para novos alvos para modulação de modo a prevenir a formação e desenvolvimento de metástases.This study was supported by Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT – UID/DTP/04138/2013), Portugal, and by National Research, Development and Innovation/Hungarian Scientific Research Fund (NKFIH/OTKA – K-100807 and K-116158), Hungary