Rak debelega črevesa je drugi najpogostejši rak pri ženskah in tretji pri moških. Običajne metode zdravljenja raka debelega črevesa vključujejo kirurški poseg, kemoterapijo in radioterapijo (RT), vendar so pogosto neučinkovite. Glavni mehanizem delovanja RT je uničenje proliferirajočih rakavih celic s povzročanjem dvojnih prelomov DNA. Poleg tega RT povzroča sproščanje reaktivnih kisikovih in dušikovih spojin ter s poškodbo povezanih molekulskih vzorcev (angl. damage-associated molecular patterns, DAMPs), ki aktivirajo dendritične celice za predstavitev tumorskih antigenov naivnim limfocitom T. Posledično limfociti T začnejo izločati kemokine in citokine ter sprožijo imunski odziv. Tumorji so sestavljeni iz rakavih celic in tumorskega mikrookolja. Pomemben del tumorskega mikrookolja predstavljajo tumorske krvne žile, ki so ključne za napredovanje tumorja, saj mu dovajajo hranila in kisik. Za razliko od normalnega žilja je tumorsko žilje nezrelo, neorganizirano in nepravilno, kar povzroča slab pretok krvi in nastanek hipoksičnih območij, odpornih na RT. Pomembno je, da obsevanje ne vpliva le na rakave celice, temveč tudi na tumorsko mikrookolje, vključno z žiljem. Odziv tumorskega mikrookolja, zlasti žilja, pa je še vedno slabo raziskan. Učinek obsevanja na tumorski endotelij je odvisen od časa in doze. Obsevanje lahko povzroči apoptozo endotelijskih celic, pri čemer so proliferirajoče celice bolj občutljive. Kljub temu je malo dokazov o uničenju tumorskega žilja pri enkratnih dozah, nižjih od 15 Gy, ali pri frakcioniranem obsevanju. Pokazano pa je bilo tudi, da lahko, podobno kot antiangiogene terapije, tudi obsevanje povzroči normalizacijo tumorskega žilja. Tako normalizirano žilje pa lahko vodi do zmanjšanja hipoksije, kar poveča občutljivost tumorskih celic na RT in izboljša dostopnost imunskih celic do tumorskih celic. Poleg tega lahko doze nad 2 Gy povzročijo aktivacijo endotelija, pri čemer endotelijske celice preidejo iz proti-vnetnega v pro-vnetni fenotip. Mehanizem te aktivacije po obsevanju pa je še vedno neznan. Za aktiviran endotelij je značilno povečano izražanje adhezijskih molekul ter vnetnih kemokinov in citokinov, kar spodbuja infiltracijo imunskih celic. Nedavno je bil opisan podtip krvnih žil, imenovan s tumorjem povezane visoke endotelijske venule (angl. tumor-associated high-endothelial venules, TA-HEV), ki predstavljajo mesto vstopa limfocitov v tumor. Vendar pa natančna povezava med z obsevanjem aktiviranim endotelijem, prisotnostjo TA-HEV in različnimi populacijami imunskih celic še ni razjasnjena. Cilj doktorske disertacije je bil izboljšati razumevanje odziva tumorskega žilja na radioterapijo z določitvijo, kako so spremembe, ki jih povzroča obsevanje v strukturi žilja in aktivaciji endotelija, povezane z infiltracijo in ekstravazacijo imunskih celic v tumorsko mikrookolje.
V prvem sklopu raziskave smo preučevali učinke obsevanja na žilje in aktivacijo endotelijskih celic in vitro. Ocenili smo odziv mišjih endotelijskih celičnih linij bEnd.3, 2H11 in SVEC4-10 ter človeških endotelijskih linij HUVEC, EA.hy926 in HULEC-5a, gojenih v enoslojih, na različne doze obsevanja in različne časovne točke po izpostavitvi. V poskusih proliferacije in preživetja smo celice obsevali z odmerki 2–10 Gy en dan po nasaditvi. Neposredno pred obsevanjem (0 h) in po 24, 48, 72 in 96 urah smo celice inkubirali v fosfatnem pufru (PBS), ki je vseboval barvili Hoechst 33342 in propidijev jodid (PI). Število živih celic (pozitivnih na Hoechst 33342, negativnih na PI) in mrtvih celic (pozitivnih na Hoechst 33342 in pozitivnih na PI) smo kvantificirali za izračun relativne spremembe proliferacije, števila mrtvih celic in časa podvojitve populacije. Za določitev sprememb v transkriptomu endotelijskih celic HUVEC, ki jih povzroči obsevanje, smo izvedli analizo sekvenciranja RNA. Celice HUVEC smo obsevali z dozama 2 ali 5 Gy in jih primerjali z neobsevanimi vzorci. Skupno RNA smo izolirali 24 in 72 ur po obsevanju. Sekvenciranje transkriptoma je izvedlo podjetje Novogene Company Ltd. z uporabo platforme Illumina, analiza diferecialnega izražanja genov pa je bila izvedena z uporabo programske opreme R, s poudarkom na genih in poteh, povezanih z aktivacijo endotelija in imunskim odzivom. V naslednjem koraku smo vzpostavili model žilja–na–čipu, ki omogoča preučevanje sprememb po obsevanju v fiziološko relevantnem tridimenzionalnem mikrožilnem okolju. Najprej smo poskusili reproducirati model žilja po protokolu Chen in sod., s katerim smo optimizirali gostoto nasaditve endotelijskih celic, razmerje med endotelijem in fibroblasti, koncentracije trombina in fibrinogena ter uvedbo intersticijskega pretoka. Zaradi težav s ponovljivostjo vzpostavitve žilja v tem modelu smo za nadaljnje poskuse uporabili komercialni sistem OrganoPlate® (Mimetas). V tem modelu smo celice HUVEC nasadili v zunajcelični matriks (angl. extracellular matrix, ECM) in jih gojili v gojišču EBM-2, da so oblikovale pretočno mikrožilno mrežo. Ko je bila pretočna mikrožilna mreža vzpostavljena, smo jo obsevali z dozo 2 ali 5 Gy. Prepustnost in integriteto žil smo ocenjevali s perfuzijo barvila (70 kDa FITC označen dekstran) 24 in 72 ur po obsevanju. Aktivacijo endotelija smo določali z imunofluorescenčnim barvanjem naslednjih proteinov: von Willebrandov faktor (VWF), medcelična adhezijska molekula 1 (ICAM-1), interferonski regulatorni faktor 9 (IRF9) in interferon α/β (IFNα/β). Slike smo zajeli z mikroskopom ZEISS ELYRA 7 Lattice SIM. Interakcijo med obsevanim endotelijem in imunskimi celicami smo ocenili tako, da smo skozi nastali žilni sistem spustili fluorescenčno označene CD8⁺ T-limfocite, izolirane iz človeške krvi. Slike smo zajeli z mikroskopom Axio Observer 7 in analizirali s programom Imaris (različica 9.9.1). V drugem sklopu smo in vivo določili stopnjo normalizacije žilja in aktivacije endotelija. Tumorje MC38 in CT26 kolorektalnega karcinoma smo nasadili podkožno v miši sevov C57Bl/6 oziroma Balb/c ter jih obsevali z enkratno dozo 15 Gy ali s frakcionirano dozo 5 × 5 Gy. Učinek obsevanja smo ocenili z vidika rasti tumorjev, aktivacije endotelija in nastanka TA-HEV. Na zamrznjenih rezinah tumorjev, odvzetih po 24 in 48 urah in po 7 dneh po obsevanju, smo izvedli imunofluorescenčno barvanje za proteine, pomembne pri aktivaciji endotelija (VWF, ICAM-1), protein, značilen za TA-HEV (MECA-79), ter proteine, pomembne pri aktivaciji imunskega odziva (IRF9, CD8, CD4). Žilje smo določili z imunofluorescenčim barvanjem proteina CD31, proliferacijo celic z določevanjem vključitve molekule EdU v DNA ter hipoksijo z barvanjem EF5. Slike smo zajeli z mikroskopom Axio Observer 7 in analizirali s programom Imaris. Za določitev transkripcijskih sprememb po obsevanju smo uporabili tehnologijo prostorske transkriptomike Visium (10x Genomics), ki združuje kvantifikacijo izražanja RNA z mikroskopskimi slikami tkiva. Analizirali smo vzorce tumorjev CT26, odvzete 48 ur in 7 dni po končanem frakcioniranem obsevanju (5 × 5 Gy), fiksirane v formalinu in položene v parafin (FFPE), bioptične vzorce tumorja pred RT ter vzorec tumorja iz resekcije rektuma po RT (5 × 5 Gy). Rezine smo obarvali s hematoksilin-eozinom (H&E), zajeli slike vzorcev in jih nato uporabili za pripravo knjižnic. Sekvenciranje je izvedlo podjetje Novogene, analiza podatkov pa je bila opravljena s programoma SpaceRanger (različica 4.0) in LoupeBrowser (različica 8.0). Osredotočili smo se na spremembe v žilju, povezane z aktivacijo endotelija, infiltracijo imunskih celic in nastankom TA-HEV. Rezultate prostorske transkriptomike smo potrdili z imunohistokemijo na zaporednih rezinah z uporabo protiteles proti proteinom CD31, CD4, CD8, IRF9 in grancimu B. V zadnjem sklopu smo preučevali infiltracijo imunskih celic v tumor po obsevanju z uporabo modela dorzalnega okna, ki omogoča spremljanje žilja tumorja v realnem času. Dva simetrična titanova okvirja sta bila kirurško vstavljena v kožo na hrbtu transgenih miši VE-TOM, ki v endotelijskih celicah izražajo fluorescenčni protein tdTomato. Po odstranitvi ene plasti kože smo v preostalo tkivo injicirali tumorske celice MC38. Ko so tumorji dosegli premer približno 4 mm, smo jih obsevali z enkratnim odmerkom 15 Gy z uporabo kolimatorja, ki omogoča natančno obsevanje območja 6 × 6 mm znotraj okenca. Vpliv obsevanja na tumorsko žilje in imunske celice smo spremljali z intravitalno mikroskopijo s konfokalnim mikroskopom Zeiss LSM 800. Za vizualizacijo TA-HEV smo intravensko injicirali fluorescenčno označeno protitelo MECA-79, za sledenje interakcij med endotelijem in imunskimi celicami pa fluorescenčno označene CD8⁺ limfocite T, izolirane iz vranic miši. Za analizo, vizualizacijo in statistično obdelavo podatkov smo uporabili programe GraphPad, R in 10x Genomics. Statistične metode so bile izbrane glede na vrsto podatkov. Statistično značilnost smo določali z enosmerno, dvosmerno ali mešano analizo variance (ANOVA), linearnim mešanim modelom, Waldovim testom ali t-testom. Podatke, ki niso sledili normalni porazdelitvi, smo analizirali z neparametričnimi testi (Wilcoxonov, Mann-Whitneyjev in Kruskal-Wallisov test).
Obsevanje mišjih celičnih linij bEnd.3, 2H11 in SVEC4-10 ter človeških endotelijskih celičnih linij HUVEC, EA.hy926 in HULEC-5a z enkratno dozo 2–10 Gy je povzročilo od doze odvisno zmanjšanje proliferacije in povečanje celične smrti. Med mišjimi celičnimi linijami je bila najbolj radiosenzitivna linija bEnd.3, sledili sta ji 2H11 in SVEC4-10. Pri liniji bEnd.3 je bila zmanjšana proliferacija opažena že po enkratni dozi 2 Gy, medtem ko je bila pri 2H11 in SVEC4-10 zaznana po 4 Gy. Odstotek mrtvih celic je potrdil, da je linija bEnd.3 najbolj občutljiva, saj se je delež mrtvih celic statistično značilno povečal pri vseh časovnih točkah po obsevanju z 4–10 Gy, kar ni bilo opaženo pri drugih linijah. V vseh mišjih celičnih linijah se je čas podvojitve populacije po 10 Gy statistično značilno podaljšal, pri bEnd.3 pa se je statistično značilno podaljšal že po 6 in 8 Gy. Med človeškimi celičnimi linijami so bile HUVEC celice najbolj radiosenzitivne, medtem ko sta celični liniji EA.hy926 in HULEC-5a izkazovali nižjo, a med seboj podobno radiosenzitivnost. Statistično značilno zmanjšanje proliferacije HUVEC in HULEC-5a celic v primerjavi s kontrolami je bilo opaženo ne glede na dozo in časovno točko, medtem ko pri celični liniji EA.hy926 nismo opazili sprememb 24 ur po 2 Gy. Pri HUVEC celicah je bil največji delež mrtvih celic opažen po 24 urah, pri EA.hy926 in HULEC-5a pa po 72 oziroma 96 urah. Obsevanje z 10 Gy je povzročilo značilno podaljšanje podvojitvenega časa pri vseh človeških celičnih linijah, medtem ko je bil ta učinek po nižjih dozah opažen le pri celičnih linijah EA.hy926 (4–8 Gy) in HUVEC (6 in 8 Gy). Za določitev, ali so spremembe izražanja genov po obsevanju odvisne od doze in časa po obsevanju, smo primerjali transkriptomske profile celic HUVEC po 24 in 72 urah po obsevanju z 2 ali 5 Gy v primerjavi z neobsevanimi vzorci. Analiza diferecialnega izražanja genov je pokazala bolj izrazit vpliv obsevanja s 5 Gy kot z 2 Gy, ne glede na časovno točko. Večji vpliv obsevanja je bil opažen 72 ur po obsevanju kot po 24 urah. Analiza KEGG je potrdila zmanjšano aktivacijo signalnih poti, povezanih s celičnim ciklom in aktivacijo signalnih poti, povezanih z zaustavitvijo celičnega cikla in aktivacijo p53 signalne poti. Za določitev, ali obsevanje samo lahko sproži aktivacijo endotelija, smo analizirali gene in signalne poti, povezane s spremembami zunajceličnega matriksa. V primerjavi s kontrolno skupino je bilo 24 ur po obsevanju z 2 Gy zaznano značilno povečano izražanje molekul celične adhezije, ter aktivacijo poti interakcije ECM-receptor, fokalne adhezije in regulacije aktinskega skeleta. Obsevanje s 5 Gy ni povzročilo enako izrazitih sprememb v teh poteh, vendar pa je bila opazna aktivacija poti lektinskih receptorjev po 24 urah. Za določitev, ali obsevanje sproži spremembe, ki podpirajo aktivacijo imunskega sistema, smo analizirali signalne poti, specifične za imunski odziv. Obsevanje HUVEC celic je povzročilo povečano aktivacijo signalnih poti, povezanih z imunskim odzivom. Ne glede na dozo sevanja je bila po 24 urah opažena povečana aktivacija signalne poti prirojenega imunskega odziva, vključno s signalizacijo NF-κB, TNFα in interakcijo citokin–receptor. To kaže, da so vnetne poti aktivirane že zgodaj po obsevanju. Povečana aktivacija teh poti je vztrajala tudi po 72 urah. Za vzpostavitev in vitro modela, ki omogoča razvoj pretočne 3D mikrožilne mreže, smo razvili model žilja–na–čipu. Preizkusili smo dva pristopa – prvi pristop je temeljil na protokolih, objavljenih v literaturi (»model Chen«), drugi pa na komercialno dostopnih modelih OrganoPlate® (Mimetas). Model OrganoPlate® se je izkazal kot bolj ponovljiv in je omogočil oblikovanje stabilnih pretočnih mikrožilnih mrež, ki smo jih potrdili s perfuzijo dekstrana (70 kDa FITC). Žilne mreže smo obsevali z 2 ali 5 Gy in spremljali spremembe v prepustnosti, morfologiji in izražanju označevalcev aktivacije endotelija (VWF, ICAM-1, IRF9, IFNα/β). Najizrazitejša aktivacija je bila opažena 72 ur po obsevanju s 5 Gy, ko se je povečalo izražanje VWF in ICAM-1, translokacija IRF9 v jedro pa je potrdila transkripcijsko aktivacijo. Skupaj z večjim izražanjem IFNα/β ti rezultati kažejo, da obsevani endotelij pridobi vnetni fenotip in prispeva k aktivaciji imunskega odziva. Za oceno stopnje normalizacije žilja smo analizirali delež čipov z organizirano, razvejano in pretočno žilno mikromrežo. Rezultati so pokazali, da obsevanje po 24 urah ni povzročilo izboljšanja normalizacije, ne glede na odmerek. Po 72 urah pa je bil delež čipov s pretočno žilno mikromrežo po 5 Gy večji kot pri kontrolah, kar kaže, da normalizacija žilja po obsevanju z 5 Gy nastopi pozneje. Po 2 Gy je bil delež čipov s pretočno žilno mikromrežo nižji od kontrol, kar nakazuje, da ta odmerek nima normalizacijskega učinka. Za določitev, če z obsevanjem inducirana aktivacija žilja vpliva na interakcijo CD8⁺ T-limfocitov, smo le-te vnesli v pretočne žilne mikromreže. Število CD8⁺ T-limfocitov, ki so bili v stiku z endotelijem, je bilo 24 ur po obsevanju z 2 ali 5 Gy statistično značilno večje kot pri kontrolnih čipih, medtem ko so bile po 72 urah razlike med skupinami manjše. V drugem sklopu smo in vivo analizirali učinke enkratnega (15 Gy) in frakcioniranega (5 × 5 Gy) obsevanja na rast tumorjev CT26 in MC38. V obeh modelih je bilo po obsevanju opaženo značilno zmanjšanje volumna tumorjev v primerjavi s kontrolami. Obsevanje je povzročilo povečano izražanje označevalcev aktivacije endotelija (VWF, ICAM-1) in označevalca TA-HEV (MECA-79), pri čemer je bil učinek najbolj izrazit 24 ur po frakcioniranem obsevanju (5 × 5 Gy). Istočasno je bilo opaženo povečano izražanje IRF9 ter večja infiltracija CD8⁺ in CD4⁺ limfocitov T. Imunofluorescenčno barvanje z EdU in EF5 je pokazalo zmanjšano proliferacijo celic in hipoksijo po obsevanju. Za razumevanje transkripcijskih sprememb po obsevanju v prostorskem kontekstu tumorskega mikrookolja smo uporabili tehnologijo prostorske transkriptomike Visium. Frakcionirano obsevanje (5 × 5 Gy) je v endotelijskih celicah po 48 urah in 7 dneh povzročilo povečano izražanje genov, povezanih s TA-HEV in sočasno povečano izražanje genov povezanih z imunskim odzivom, ki so se prostorsko prekrivali z označevalci TA-HEV, kar kaže na povezavo med aktivacijo TA-HEV in infiltracijo imunskih celic. Ti rezultati so bili potrjeni tudi na proteinski ravni z imunohistokemičnim barvanjem, ki je pokazalo večje izražanje IRF9 ter večje število CD4⁺ in CD8⁺ T limfocitov v obsevanih tumorjih. Podobne spremembe smo zaznali v ujemajočih bioptičnih vzorcih tumorja pred RT in vzorcu tumorja iz resekcije rektuma po RT (5 × 5 Gy). Po obsevanju je bilo v regijah z endotelijskimi celicami opaženo povečano izražanje s TA-HEV-povezanih genov in genov, povezanih z imunskim odzivom, kar je bilo potrjeno tudi z imunohistokemičnim barvanjem. V tretjem sklopu smo z intravitalno mikroskopijo v mišjem modelu dorzalnega okna spremljali vpliv obsevanja na privabljanje in infiltracijo imunskih celic v tumor. V obsevanih tumorjih je bilo opaženo večje število CD8⁺ T limfocitov, ki so prehajali skozi žilje in vstopali v tumorsko mikrookolje, kot v kontrolnih neobsevanih tumorjih. Obsevanje je torej povečalo ekstravazacijo CD8+ T limfocitov in s tem funkcionalno potrdilo aktivacijo endotelija po obsevanju. Po drugi strani pa so bile MECA-79+ tumorske endotelijske celice zaznane le v enem obsevanem vzorcu, kar kaže, da je nizka prisotnost TA-HEV ali nižji nivo izražanja antigena omejila neposredno vizualizacijo teh struktur v tumorjih v dorzalnem oknu.
V tej doktorski disertaciji smo pojasnili, kako obsevanje spreminja tumorsko žilje in spodbuja protitumorski imunski odziv. Ugotovili smo, da obsevanje povzroča aktivacijo endotelijskih celic, izražanje kemokinov in citokinov ter povečano izražanje proteinov zunajceličnega matriksa, kar skupaj prispeva k vzpostavitvi vnetnega imunskega mikrookolja. Poleg tega obsevanje spodbuja normalizacijo žilja, kar izboljša pretočnost tumorskih žil in izboljša dostopnost imunskih celic do regij, kjer predhodno ni bilo krvnega pretoka. Pokazali smo tudi, da obsevanje podpira nastanek s tumorjem povezanih visokih endotelijskih venul (TA-HEV) in s tem omogoča večjo infiltracijo limfocitov v tumorje. Ti rezultati dokazujejo, da obsevanje tumorski endotelij preoblikuje v imunološko podporno stanje, ki spodbuja vdor T-celic in aktivacijo protitumorskega imunskega odziva. Ugotovitve naše raziskave ponujajo mehanistično osnovo za optimizacijo radioterapije in njeno kombinacijo z imunoterapijo, kar bi lahko izboljšalo terapevtsko učinkovitost pri raku debelega črevesa.
|