Metabolic characteristics in the breast cancer according to the subtype of cancer-associated fibroblast

Abstract

In the breast cancer which characteristically produces tumor stroma, reverse Warburg effect is suggested as its tumor metabolism. It is the theory that the metabolic interaction between tumor cells and stromal cells plays an important role in survival and growth of tumor. Cancer-associated fibroblast (CAF), the stromal cell which plays a key role in the theory, is the most important component of tumor microenvironment (TME) and it is recently classified into several subtypes (FAP, S100A4, PDGFRα, and PDGFRβ), each of which has separate functional characteristics. In this study, we aimed to investigate differences in metabolic interaction between tumor cells and stromal cells depending on subtypes of CAF and investigate impacts of tumor stroma-targeted material on tumorigenesis and growth of tumor depending on subtypes of CAF and finally recognize the possibility of tumor stroma-targeted material as a targeted therapy of breast cancer. We produced four cancer-associated fibroblast (CAF) subtype cell lines, which were stably expressing each CAF marker (FAP, S100A4, PDGFRα, and PDGFRβ) and analyzed differences in metabolic interaction of each CAF subtype with breast cancer molecular subtypes. We also examined migration assay and invasion assay to investigate the effect of each CAF subtype on metastasis and invasion ability of cancer cells. Then, we produced a tumor xenograft model using BALB/C nude mice to confirm cell line studies. Among four CAF subtypes, we identified that FB-PDGFRβ activated glycolysis, mitophagy, and autophagy of MDA-MB-231 and FB-FAP activated glycolysis and autophagy of triple negative breast cancer (TNBC) cell lines. FB-FAP especially played an important role in cancer behavior of TNBC cells; MDA-MB-231 and MDA-MB-468. Also, in mice xenograft model, it showed that FB-FAP activated glycolysis and autophagy metabolism of TNBC cell lines. In inhibition study with knocked down fibroblasts, FB-siPDGFRβ and FB-siFAP cells, the tumor metabolism and its behavior of MDA-MB-231, MDA-MB-468, and mice xenograft models was consistent with the results from studies of TNBC cell lines and mice xenograft models co-cultured with FB-PDGFRβ and FB-FAP. In conclusion, CAF has heterogeneous characteristic in that each breast cancer molecular subtype shows differences in the expression of metabolic related markers and different cancer behavior depending on co-cultured CAF subtype. Among CAF subtypes, FB-FAP seems to promote tumor formation and growth through glycolysis and autophagy of TNBC and we suggest it has a potential role as a therapeutic target for TNBC.

종양 기질을 특징적으로 형성하는 유방암에서는 종양 대사로 리버스 와버그 효과가 제시되고 있다. 이는 종양 세포와 기질 세포 간 대사 상호작용이 있으며, 종양의 생존 및 성장에 중요한 역할을 한다는 이론이다. 리버스 와버그 효과 이론에서 핵심 역할을 하는 기질 세포인 종양 연관 섬유아세포는 종양 미세 환경을 구성하는 가장 중요한 구성 요소로, 최근 이것이 여러 개의 아형 (FAP, S100A4, PDGFRα, and PDGFRβ) 으로 분류되며 그것들 각각은 서로 다른 기능성 특성이 있는 것으로 알려졌다. 본 연구에서, 우리는 유방암에서 종양 연관 섬유아세포의 아형에 따른 종양 세포와 기질 세포 간 대사 상호 작용의 차이를 규명하고, 종양 기질 표적 물질이 종양 연관 섬유아세포의 아형에 따라 종양의 발생 및 성장에 미치는 영향을 조사하여, 최종적으로는 종양 기질 표적 물질의 유방암 표적 치료제로의 가능성을 조사하는 것을 목표로 하였다. 각각 안정적으로 종양 연관 섬유아세포 표지자 (FAP, S100A4, PDGFRα, and PDGFRβ) 를 발현하는 네 종류의 종양 연관 섬유아세포 아형들을 제작하여, 각 종양 연관 섬유아세포 아형과 각 유방암 분자 아형별 세포 간 대사 상호작용의 차이를 알아보았다. 또한 이동 분석과 침윤 분석을 통해 각 종양 연관 섬유아세포 아형이 암세포의 전이 및 침윤 능력에 끼치는 영향을 알아보았다. 그리고 나서는 BALB/C 누드 마우스를 이용하여 종양 이종 이식 모델을 제작하여 세포주 실험들을 확인해 보았다. 제작한 네 가지 종양 연관 섬유 아세포 아형 중에서, FB-PDGFRβ가 MDA-MB-231세포의 해당작용, 미토파지, 자가포식 활성을 증가시키고 FB-FAP는 삼중 음성 유방암 세포주의 해당작용과 자가포식 활성을 증가시킴을 확인하였다. FB-FAP는 특히 삼중 음성 유방암 세포인 MDA-MB-231과 MDA-MB-468의 종양 세포 특성에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다. 또한, 마우스 이종 이식 모델에서도 FB-FAP가 MDA-MB-231과 MDA-MB-468 세포의 해당작용과 자가포식 대사 기전을 활성화 시킴을 확인하였다. Knocked down 섬유아세포인 FB-siPDGFRβ와 FB-siFAP 세포를 이용한 억제 실험에서, MDA-MB-231, MDA-MB-468 및 마우스 이종 이식 모델의 종양 대사 및 종양 세포 특성은 FB-PDGFRβ 와 FB-FAP를 함께 배양한 삼중 음성 유방암 세포주 및 마우스 이종 이식 모델 연구에서 보여준 결과와 일관되게 나타났다. 종합하면, 각 유방암 분자 아형이 함께 배양한 종양 연관 섬유아세포 아형에 따라 대사 관련 표지자의 발현 및 종양 세포 특성에 차이를 보인다는 있다는 점에서 종양 연관 섬유아세포는 이질적인 특성을 가진다. 종양 연관 섬유아세포 아형들 중, FB-FAP 는 삼중 음성 유방암 세포주에서 해당작용과 자가포식을 통해 종양의 형성 및 성장을 촉진하는 것으로 판단하였고, 이것이 삼중 음성 유방암의 치료 표적으로서 잠재적인 역할이 있음을 제안한다.