University of Oulu

Modeling and histopathological recognition of anoikis resistance in colorectal carcinoma

Saved in:
Author: Patankar, Madhura1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 6.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526224404
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2019
Publish Date: 2019-12-03
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium P117 (Aapistie 5B), on 13 Decamber 2019, at 12 noon
Tutor: Professor Tuomo J. Karttunen
Docent Sinikka Eskelinen
Reviewer: Assistant Professor Pekka Taimen
Docent Keijo Viiri
Opponent: Docent Juha Klefström
Description:

Abstract

Colorectal carcinoma (CRC) is an important cause of cancer-associated deaths. About 30–50% of CRCs show KRAS or BRAF mutation. In many cancers, anoikis, i.e. apoptosis induced by loss of extracellular matrix (ECM) contact, is disturbed. Anoikis resistance is essential for the formation of metastases, and since anoikis resistance assessment is based on in vitro cell cultures, the prognostic value of anoikis resistance is largely unknown. We aimed to identify the histopathological features indicating anoikis resistance in CRC and analyze their prognostic value. The roles of BRAF and KRAS mutations and survivin in anoikis resistance were analyzed and 3-D cell culture was used to model the histopathology of anoikis resistant (AR) structures.

The two cohorts of CRC cases used in the study consisted of 62 (series 1) and 137 patients (series 2). Immunohistochemistry for ECM proteins enabled identification of tumor cells with and without ECM contact, and in both populations, apoptosis was determined with staining for caspase-cleaved keratin 18. Based on absence of ECM contact and decreased apoptosis rate, we identified micropapillary (MIP), cribriform and solid structures to represent the putative AR populations. High areal density of AR structures associated independently with short survival and was an independent prognostic factor. MIPs showed lower survivin expression, proliferation and apoptosis rates than non-MIP cells, and low apoptosis rate was associated with poor prognosis in stage I and II cases. For 3-D in vitro model of AR structures, we transfected Caco-2 cells with mutated KRAS or BRAF genes; both induced anoikis resistance as measured with Annexin V test in suspension culture. In 3-D cultures, native Caco-2 cells formed polarized cysts. In contrast, mutated cell lines formed partially filled cysts or solid structures, and inverted polarity in KRAS mutant cells.

In conclusion, it is possible to identify putative AR structures by conventional histopathology and their number is associated with poor prognosis. MIPs represent a distinct subpopulation of CRC cells with features of quiescence. KRAS and BRAF mutations induce anoikis resistance in Caco-2 cells. In 3-D cultures, oncogenes KRAS and BRAF induce solid structures and cell piling, with structural resemblance to putative AR structures observed by histopathology. The mutated Caco-2 cells thus serve as a model to study the manifestation of anoikis resistance as a distinct histological feature with oncological significance.

see all

Tiivistelmä

Paksu- ja peräsuolisyöpä on yleinen syöpäkuoleman aiheuttaja. KRAS- tai BRAF-geenien mutaatio todetaan 30–50 prosentissa suolisyövistä. Anoikis tarkoittaa apoptoosia, jonka käynnistää solun irtoaminen soluväliaineesta. Anoikisresistenssi on etäpesäkkeen synnyn edellytys. Anoikisresistenssiä voidaan todeta vain soluviljelyssä, joten sen merkitystä syövässä in vivo ei ole aiemmin arvioitu. Tässä työssä pyrittiin tunnistamaan anoikisresistenssiin viittaavat muutokset histopatologisista suolisyöpänäytteistä ja selvittämään niiden vaikutusta potilaan ennusteeseen. Lisäksi tutkittiin BRAF- ja KRAS-mutaatioiden yhteyttä anoikisresistenssiin ja mallinnettiin anoikisresistenttejä (AR) rakenteita kolmiulotteisessa soluviljelmässä.

Potilasaineisto koostui 199 suolisyöpäpotilaasta. Kudosleikkeistä värjättiin soluväliaineen komponentteja sekä määritettiin apoptoottiset ja jakautuvat solut (M30- ja Ki-67-värjäykset). AR-solupopulaatioiden tunnistamisessa käytettiin kriteereinä soluväliainekontaktin puuttumista ja vähentynyttä apoptoositiheyttä. AR-populaatioiksi osoittautuivat mikropapillaariset (MIP), seulamaiset ja solidit rakenteet. Näiden rakenteiden korkea kokonaisesiintyvyys osoittautui itsenäiseksi huonon ennusteen tekijäksi. MIP-rakenteissa surviviinin ilmentyminen ja apoptoosi- ja proliferaatiotiheys olivat vähentyneet muihin kasvainsoluihin verrattuna. Lisäksi apoptoottisten solujen pieni määrä MIP-rakenteissa liittyi huonoon ennusteeseen paikallisessa syövässä. Mallinnusta varten Caco-2 solut transfektoitiin mutatoiduilla KRAS- tai BRAF-geeneillä. Onkogeenien transfektion todettiin indusoivan anoikisresistenssiä. Kolmiulotteisessa soluviljelyssä polarisoituneet Caco-2 solut muodostivat säännöllisiä rauhasmaisia rakenteita. Onkogeeneillä transfektoidut solut muodostivat puolestaan osittain tai kokonaan täyttyneitä rakenteita ja KRAS-transfektio aiheutti solujen polariteetin kääntymistä.

Havainnot osoittavat, että anoikisresistenssiä edustavat rakenteet voidaan tunnistaa kudosleikkeestä ja niiden runsas määrä viittaa huonoon ennusteeseen. MIP-rakenteissa todettiin lepotilan (quiescence) piirteitä. KRAS- ja BRAF-mutaatiot aiheuttavat Caco-2 soluissa anoikisresistenssiä. Kolmiulotteisissa soluviljelmissä onkogeenien vaikutus näkyy solujen pinoutumisena, mikä muistuttaa syöpäkudosnäytteissä todettuja AR-rakenteita. Tulosten perusteella modifioituja Caco-2 soluja voidaan hyödyntää anoikisresistenssin mallintamiseen ja tarkempien mekanismien tutkimiseen.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-2440-4
ISBN Print: 978-952-62-2439-8
Issue: 1547
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 3122 Cancers
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2019. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.