The myeloid PI3K/PTEN signaling axis in colitis and colitis associated colon cancer

Der PI3K/PTEN Signalweg reguliert die Bildung und Funktion von Zellen des angeborenen Immunsystems. Das genetische Entfernen von PTEN führt zur Überaktivität des PI3K Signalwegs und seiner weiterführenden Komponenten. Das führt zur Repolarisierung von myeloiden Zellen und resultiert in abgeschwächten Entzündungsreaktionen. In akuten Entzündungs- und Infektionsmodellen zeigen Mäuse mit myeloider PTEN Defizienz eine verminderte Produktion von entzündungsfördernden und eine erhöhte Produktion von entzündungshemmenden Faktoren. Im einem Lungenfibrosemodell führt die myeloide PTEN Defizienz dazu, dass Fibrose und Entzündungsreaktionen verstärkt auftreten. Weiters sind T-Zell Reaktionen in Autoimmunmodellen abgeschwächt und myeloide PTEN-KO Mäuse zeigen verminderte Anzeichen von Erkrankung. Unsere Hypothese war daher, dass die abgeschwächte Immunantwort in PTENfl/fl LysM cre Mäuse dazu führt, dass die Kontrolle der Tumorentstehung durch das Immunsystem gestört ist und es zu einer erhöhten Tumorinzidenz kommt. Wir sind an diese Fragestellung mit zwei unterschiedlichen Tumormodellen herangegangen: dem Kolitis-assoziierten Kolon Tumormodell und dem implantierten B16-Melanommodell. Im ersten Model zeigten die myeloiden PTEN-KO Mäuse eine erhöhte Tumorinzidenz sowie eine höhere Tumorwachstums- und Mortalitätsrate. Zusätzlich war die Anzahl an CD8[alpha]+ dendritischen Zellen in der Milz, die die Fähigkeit zur Kreuzpräsentation haben, erhöht. Die Analyse des Transkriptionsprogramms in diesen Zellen hat gezeigt, dass die Faktoren, die für die Entwicklung von CD8[alpha]+ dendritischen Zellen notwendig sind, in myeloiden PTEN-defizienten Mäuse besonders ausgeprägt sind. Diese antigenpräsentierenden Zellen exprimierten zusätzlich die Immuncheckpoint blockierenden Oberflächenmoleküle PD-L1 und PD-L2 und verhinderten dadurch die Aktivierung von CD8+ T-Zellen. Im B16-Melanommodell zeigten die myeloiden PTEN-KO Mäuse ebenso ein verstärktes Tumorwachstum. Die T-Zellen dieser Mäuse lysierten Tumorzellen weniger effizient als T-Zellen von Wildtyp Mäusen. Zusätzlichen zeigten CD4+ T-Zellen Anzeichen eines regulatorischen Phänotyps. Wir haben diese Fragestellung in Mäusen weitergeführt, die die PTEN-Defizienz spezifisch in dendritischen Zellen haben und verwendeten dafür die PTENfl/fl CD11c cre Maus. Allerdings zeigten diese Mäuse einen viel stärker ausgeprägten Phänotyp im Kolontumormodell im Bezug auf die Mortalitätsrate. In diesem Modell begannen die Mäuse schon während der Entzündungsphase zu sterben. In akuten und chronischen Kolitismodellen haben wir eine ähnliche Mortalitätsrate in myeloiden PTEN-KO Mäusen beobachtet, obwohl bei diesen Versuchen alle Wildtyp Mäuse überlebt haben. In den sekundären lymphoiden Organen der PTEN-KO Mäusen war die Anzahl an T-Lymphozyten vermindert, wohingegen die Anzahl an dendritischen Zellen erhöht war. Diese exprimierten zugleich sowohl stimulatorische als auch inhibitorische Oberflächenmoleküle. Andererseits zeigten ex vivo stimulierte T-Zellen von PTEN-KO Mäusen eine höhere Fähigkeit zur Produktion von IFN[gamma]. Zusätzlich hatten diese Mäuse eine höhere Belastung mit Baktieren, speziell die Milz war betroffen, wohingegen in Wildtyp Mäusen gar keine Bakterien in den Milzen nachgewiesen werden konnten. Im Gesamten deutet das auf eine nicht effizient iniziierte oder sogar aktiv unterdrückte T-Zell Antwort hin. Der PI3K/PTEN Signalweg reguliert die Entwicklung und Polarisierung von myeloiden Zellen. Bei Infektionen und Entzündungen zeigen Mäuse mit myeloider PTEN Defizienz abgeschwächte Entzündungsreaktionen, was in der Kontrolle der Tumorentstehung durch das Immunsystem ein Nachteil ist und in ungehindertem Tumorwachstum resultiert. Unsere Daten deuten darauf hin, dass eine Blockade des PI3K Signalwegs zusätzliche, positive Effekte in der Krebsbehandlung haben kann, in dem sie das angeborene Immunsystem aktiviert.The PI3K/PTEN signaling pathway regulates development and function of innate cells. Genetic deletion of PTEN leads to hyper-activation of the PI3K pathway and its downstream signaling via Akt and mTOR resulting in the polarization of myeloid cells towards a less inflammatory phenotype. In models of acute infection and inflammation, myeloid PTEN-deficient mice (PTENfl/fl LysM) respond with less production of inflammatory and increased production of anti-inflammatory factors. In contrast, in a model of bleomycin induced lung fibrosis, conditional PTEN-KO mice exhibit enhanced fibrosis and inflammation. In models for autoimmunity, T-cell responses are attenuated and myeloid PTEN-deficient mice show protection from these diseases. We hypothesized that the observed anti-inflammatory phenotype in PTENfl/fl LysM cre mice would reduce tumor immune surveillance, since an active immune system is indispensable for prohibiting tumor development. We addressed this issue using an endogenously grown and an implanted tumor model, the colitis associated colon cancer and the B16-melanoma model. Applying the former model, we observed an increase in tumor burden and mortality in myeloid PTEN-deficient mice. In addition, these animals exhibited elevated numbers of CD8[alpha]+ dendritic cells in their spleens that are capable of cross-presenting antigen. This finding was further substantiated by the observation that activation of the transcriptional program necessary to develop CD8[alpha]+ dendritic cells was more pronounced in PTENfl/fl LysM cre mice. These antigen-presenting cells expressed the immune checkpoint molecules PD-L1 and PD-L2 thereby blocking CD8+ T-cell proliferation ex vivo and in vivo significantly. In the B16-melanoma model myeloid PTEN-deficient mice also exhibited an increase in tumor size. T-cells showed reduced capabilities to lyse tumor cells. Additionally, their T-helper cells showed signs of a regulatory phenotype. Continuing the work on adaptive-immune regulating dendritic cells and the PI3K signaling therein, we used a more DC-specific PTEN knock-out model, the PTENfl/fl CD11c cre mouse. These mice showed an even more severe phenotype than the myeloid PTEN-KO animals in the colon cancer model, with even higher mortality that started already during the inflammatory phase of the model. Additionally, even in acute and chronic colitis models we observed mortality in DC-specific PTEN-KO animals when wildtype controls survived. We found reduced numbers of T-cells in the secondary lymphoid organs of these mice, whereas dendritic cells were increased in numbers and showed an increased expression of co-stimulatory and inhibitory surface molecules. Conversely, T-cells from conditional KOs produced more IFN[gamma] upon re-stimulation. In addition, PTENfl/fl CD11c mice showed an increased bacterial burden during colitis and a concomitant enlargement of the spleen, suggesting that T-cell responses might not be initiated efficiently or are even actively suppressed. In summary, the PI3K/PTEN signaling pathway affects myeloid cell development and polarization. During infection and inflammation, myeloid PTEN-deficient mice show a phenotypic shift in innate cells towards reduced inflammation. This reduced inflammatory response is detrimental during tumor development as immune surveillance is impaired, allowing for an unhindered tumor growth. Our data suggest that blocking PI3K signaling might have additional beneficial effects in cancer treatment by activating tumor immune surveillance via the innate immune system.submitted by Mag. Mario Kuttke, B.Sc.Zusammenfassung in deutscher SpracheMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2016OeB