Aberrant TIMP-1 regulation in tumor-associated fibroblasts by the TGF-β1/SMAD3 pathway in lung cancer: implications in tumor progression and resistance to antifibrotic therapies

Abstract

Increased expression of TIMP-1 is associated with poor prognosis in virtually all cancer types, including lung cancer. However, how TIMP-1 is regulated in lung cancer and how it drives tumor progression is poorly defined. In the first part of this thesis, we analyze the expression of TIMP-1 and its cell surface receptor CD63 in two major lung cancer subtypes: lung adenocarcinoma (ADC) and squamous cell carcinoma (SCC). We report that TIMP-1 is aberrantly overproduced in tumor-associated fibroblasts (TAFs) in ADC compared to SCC-TAFs, and identify the selective hyperactivity of the pro-fibrotic TGF- β1/SMAD3 pathway in ADC-TAFs as a major mechanism driving the excessive secretion of TIMP-1 in ADC-TAFs. In contrast, CD63 was markedly downregulated in SCC cells compared to ADC cells. In the second part of this thesis, we define the tumor-promoting effects of the heterotypic crosstalk, specific for ADC patients, between TIMP-1 secreted by TAFs and CD63 in cancer cells. Functional assays revealed that TIMP-1 within the pro- tumoral secretome of TGF-β1-activated ADC-TAFs is necessary and sufficient to promote the growth and invasion of ADC cells in culture. Concomitantly, tumor cell expression of CD63 was required for the tumor-promoting effects of TIMP-1. Consistently, in vivo analyses revealed that ADC cells co-injected with fibroblasts with reduced TIMP-1 expression into immunocompromised mice exhibited a lower tumor volume together with a less invasive growth pattern compared to tumors bearing parental fibroblasts. Finally, we studied the relationship of TIMP-1/CD63 crosstalk with the resistance mechanism of SCC patients to nintedanib, which is an antifibrotic drug that has been selectively approved for the treatment of ADC patients. Of note, nintedanib strongly inhibited TIMP-1 secretion in TAFs. Moreover, we observed that TIMP-1 deficient TAFs are resistant to the nintedanib inhibition of their pro-tumoral traits, both in vitro and in vivo, compared to parental TAFs. This work identifies the first tumor-promoting TAF- carcinoma crosstalk that is selective for lung ADC, provides new insights on the pathologic role of stromal TIMP-1 in lung cancer, identifies a novel resistance mechanism to nintedanib in SCC, and points to the TIMP-1/CD63 interaction as a novel therapeutic target.

L’expressió elevada de TIMP-1 està associada a un mal pronòstic en gairebé tots els tipus de càncer, inclòs el càncer de pulmó. No obstant, es desconeix com es regula l’expressió de TIMP-1 en càncer de pulmó ni mitjançant quins mecanismes promou la progressió tumoral. En la primera part d’aquesta tesi, s’han analitzat els nivells de TIMP-1 i CD63, el seu receptor de membrana, en els dos subtipus majoritaris de càncer de pulmó: l’adenocarcinoma (ADC) i el carcinoma escatós (CE). Hem trobat que en els fibroblasts associats al tumor (TAFs de l’anglès) del subtipus ADC hi ha una secreció aberrant de TIMP-1 en comparació amb els TAFs de CE. Aquesta excessiva secreció de TIMP-1 en ADC es deu a la hiperactivació selectiva de la via del TGF-β1/SMAD3 en aquest subtipus de TAFs. D’altra banda, els nivells de CD63 són més baixos en les cèl·lules canceroses de CE que en les d’ADC. En la segona part d’aquesta tesi, hem descrit els efectes pro- tumorals d’un mecanisme de comunicació creuada entre el TIMP-1 secretat pels TAFs i el CD63 de les cèl·lules canceroses que és específic per als pacients amb ADC. El TIMP- 1 secretat pels TAFs d’ADC és necessari i suficient per promoure el creixement i la invasió en les cèl·lules de càncer. Simultàniament, l’expressió de CD63 en les cèl·lules tumorals es necessària per observar aquests efectes pro-tumorals del TIMP-1. De manera consistent, in vivo hem observat que la inhibició de la secreció del TIMP-1 redueix tant el volum tumoral com el creixement invasiu en ratolins co-injectats amb cèl·lules canceroses i TAFs. Finalment, hem estudiat la relació d’aquesta comunicació creuada amb la resistència al nintedanib trobada en pacients amb CE, el qual és un fàrmac antifibròtic aprovat selectivament en pacients amb ADC. Hem observat que en els TAFs en els quals s’ha inhibit genèticament la secreció de TIMP-1, hi ha una menor resposta a nintedanib. Aquest treball identifica per primer cop un mecanisme de comunicació creuada entre TAFs i cèl·lules canceroses que és específic per pacients amb ADC, aporta nous coneixements sobre el rol patològic del TIMP-1 en càncer de pulmó, descriu un nou mecanisme de resistència al nintedanib en CE i apunta la interacció TIMP-1/CD63 com a nova diana terapèutica.