Targeting the TGF-beta pathway of cancer-associated fibroblasts in colorectal cancer metastasis

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is the second-highest cause for cancer-related mortality worldwide. Patients suffering from CRC generally don’t die from primary tumours but rather from metastasis, for which there are no effective therapies to date. CRC progression has been correlated with the accumulation of mutations in four key signalling pathways: Wnt, MAPK, p53 and TGF-β. However, there are no relevant driver mutations described for CRC metastasis, which is produced primarily in the liver. Instead, main features of the tumour microenvironment (TME), such as T cell infiltration and overall levels of TGF-β, have acquired a prognostic value in CRC patients and can predict metastatic potential.

Over the years, a better understanding on the TME has led to designing novel therapies for patients with overt metastatic disease. In the past decade, immunotherapies have represented a revolution in clinical oncology. Of note, antibodies targeting the PD-1/PD-L1 inhibitory pathway have yielded promising results in solid tumours such as melanoma, non-small-cell lung cancer and bladder cancer. Nevertheless, these therapies have failed for the majority of CRC patients, who have immunologically “cold” tumours devoid of cytotoxic T cells. In the first chapter of the present thesis, we have used a novel mouse model for metastatic CRC to describe that T cell exclusion in CRC is driven by TGF-β. By blocking the TGF-β pathway using Galunisertib, an inhibitor of the TGF-β receptor 1, activated T cells were able to infiltrate liver metastasis. Consequently, by combining treatment with Galunisertib and monoclonal antibodies against PD-L1, we were able to cure full-blown liver metastases by unleashing a potent T cell-mediated cytotoxic response.

Despite the results obtained in chapter 1, the specific cellular mechanisms of this TGF- β-mediated T cell exclusion needed further elucidation. In this regard, our lab has reported that TGF-β leads to the expression of a gene signature in cancer-associated fibroblasts (CAFs) that predicts relapse in patients, and that CAFs are crucial for CRC tumour survival and metastatic colonisation. Therefore, we asked whether TGF-β- activated CAFs were also responsible for T cell exclusion in liver metastases.

The work conducted to tackle this question is divided in two chapters. In chapter 2, we have focused on investigating the biology of CAFs from CRC liver metastases, resulting in the establishment of specific markers to target fibroblasts. Moreover, we have defined two different CAF subpopulations coexisting in CRC liver metastases, one of which could be directly related with T cell exclusion. In chapter 3, we have established a genetic mouse model of CRE-LoxP-mediated recombination to specifically ablate the TGF-β receptor 2 in CAFs from liver metastases. CRE expression was driven by the promoter of Transgelin, a TGF-β target gene expressed in CAFs that strongly correlates with relapse in CRC patients. Abrogation of the TGF-β pathway in CAFs did not alter T cell infiltration in metastases. Nevertheless, combination of genetic ablation of the TGF-β receptor 2 and treatment with blocking antibodies against PD-L1 led to curative responses, strongly suggesting that TGF-β- activated CAFs are crucial for mediating T cell exclusion in metastases and evading checkpoint immunotherapy.

El càncer colorrectal (CCR) és el segon càncer més mortal a nivell mundial. Els pacients amb CCR generalment no moren degut als tumors primaris, sinó degut a la metàstasi, per la qual no existeix cap tractament efectiu. La progressió del CCR està correlacionada a la acumulació de mutacions en quatre rutes de senyalització clau: Wnt, MAPK, p53 i TGF-β. Tanmateix, no hi ha cap mutació rellevant descrita per a la metàstasi de CCR, la qual es produeix principalment al fetge. En canvi, determinats trets del microambient tumoral (MAT), com ara la infiltració de cèl·lules T i els nivells globals de TGF-β, han adquirit un valor important en el pronòstic de pacients amb CCR i poden predir el risc de metàstasi.

Al llarg dels anys, entendre amb profunditat el MAT ha portat a dissenyar noves teràpies per a pacients amb metàstasis. Durant la darrera dècada, les immunoteràpies han representat una revolució per a la oncologia clínica. En particular, els anticossos que bloquegen la ruta inhibitòria PD-1/PD-L1 han aportat resultats prometedors en pacients amb tumors sòlids com ara melanoma, càncer de pulmó i de bufeta. Tanmateix, aquestes teràpies han fallat per a la majoria de pacients amb CCR, els quals generen tumors “freds”, amb manca de cèl·lules T. En el primer capítol de la tesi present, hem emprat un nou model murí de CCR metastàtic per a descriure que l’exclusió de cèl·lules T és deguda a TGF-β. El bloqueig de la ruta de TGF-β emprant Galunisertib, un inhibidor del receptor 1 de TGF-β, permet la infiltració de cèl·lules T activades dins de les metàstasis del fetge. Posteriorment, quan es combina l’acció de Galunisertib amb anticossos monoclonals contra PD-L1, vam ser capaços de promoure una resposta citotòxica potent capaç de curar metàstasis hepàtiques.

Malgrat els resultats presentats en el capítol 1, encara necessitàvem conèixer els mecanismes cel·lulars específics d’aquesta exclusió de cèl·lules T controlada per TGF- β. En aquest aspecte, el nostre laboratori va demostrar que TGF-β permet l’expressió d’una signatura genètica expressada en fibroblasts associats a cèncer (FACs) que prediuen remissions a pacients. A més, va demostrar que els FACs són crucials per a la supervivència dels tumors i la colonització a altres òrgans. Per tant, ens vam preguntar si els FACs activats per TGF-β també son responsables de la exclusió de cèl·lules T en metàstasis hepàtiques.

La feina per adreçar aquesta pregunta es divideix en dos capítols. En el capítol 2, ens vam centrar en investigar la biologia dels FACs de les metàstasis, i hem establert marcadors específics per estudiar els fibroblasts. A més, hem definit dues subpoblacions de FACs que coexisteixen en les metàstasis. Possiblement, una d’aquestes subpoblacions és reponsable de la exclusió de cèl·lules T. En el capítol 3, hem establert un model murí de recombinació per CRE-LoxP del receptor 2 de TGF-β en FACs. L’expressió de la CRE estava controlada pel promotor de Transgelin, un gen diana de TGF-β expressat en FACs i que està molt relacionat amb remissions de CCR a pacients. L’eliminació de la ruta del TGF-β a FACs no va alterar la infiltració de les cèl·lules T. Tot i així, la combinació de la eliminació genètica del receptor 2 de TGF-β amb anticossos contra PD-L1 va proporcionar respostes curatives, la qual cosa suggereix que els FACs activats per TGF-β són realment crucials per controlar l’exclusió de cèl·lules T en metàstasis hepàtiques i per la resistència a immunoteràpia.