Universität zu Köln

Pach, Elke ORCID: 0000-0001-6409-6134 (2022). Functional role of fibroblast-derived MMP-14 in tumor growth and metastasis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Enzymatic remodeling of the extracellular matrix (ECM) by matrix metalloproteinases (MMPs) is crucial for tissue homeostasis and during pathologic conditions, such as tumor growth. MMP14 is expressed in various skin cells, including fibroblasts; specific deletion of this protease (MMP14Sf-/-) results in a fibrosis-like skin phenotype with increased collagen accumulation and tissue stiffness due to impaired collagen remodeling. Tissue stiffness is commonly associated with cancer progression and is reported to have supportive effects for many types of tumors with a mostly epithelial origin. However, its role in melanoma is up to date controversial. To analyze how the stiff and collagen-rich skin of MMP14Sf-/- mice influences melanoma growth, we used in vivo grafts of murine melanoma cells. Melanoma growth and proliferation were reduced in MMP14Sf-/- mice compared to controls, but the number of metastases was comparable. In addition, vascularization by blood vessels was disturbed, along with reduced hypoxia within the tumor. Ex vivo, melanoma cell invasion and growth in devitalized and decellularized skin composites from MMP14Sf-/- was significantly reduced compared to control, demonstrating a growth-restraining function of the matrix-dense dermis from MMP14Sf-/- mice. In vivo, although the dense peritumoral tissue of MMP14Sf-/- mice displayed higher collagen levels than controls, neither amount nor pattern of cross-links, collagen fiber alignment, and orientation was changed. Peritumoral tissue stiffness of MMP14Sf-/- mice in early melanoma was increased but dissipated later. Since in late melanomas in vivo we observed enhanced collagens but reduced stiffness, we hypothesized that enhanced collagens inhibit melanoma growth, and stiffness may synergize with it. Indeed, 2D cultures of melanoma cells showed that high fibrillar collagen type I and enhanced tissue stiffness together inhibit cell proliferation. Furthermore, the growth of melanoma cell spheroids was dose-dependently inhibited by increasing fibrillar collagen concentrations, despite stiffness being low in these cultures. The anti-proliferative effect of a collagen-rich environment was also detected in vivo when melanoma cells were grown in a bleomycin-induced fibrotic dermis. Apart from collagen type I, proteome analysis of the MMP14Sf-/- decellularized peritumoral melanoma tissue and the fibroblast deposited/secreted matrix identified numerous altered proteins, including multiple collagens. Among those was collagen type XIV that we identified as a novel substrate of MMP14. Collagen type XIV was not a suitable cell-adhesive substrate for melanoma cells, and it did not elicit a pro-proliferative or pro-migratory response. Further, collagen type XIV antagonized melanoma cell proliferation, adhesion, and migration induced by contact with matrix from control fibroblasts reducing them to a level observed on MMP14Sf-/- fibroblast matrix. This study indicates that MMP14 expression and activity in stromal fibroblasts regulate melanoma by remodeling collagen. Furthermore, it demonstrates that collagen type I and XIV are critical modulators of melanoma progression, regulating melanoma cell invasion, migration, and proliferation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Die funktionelle Rolle von Fibroblasten-generiertem MMP-14 im Tumorwachstum und in Metastasierung German
Translated abstract:	Abstract Language Der enzymatische Umbau der extrazellulären Matrix (EZM) durch Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) ist für die Gewebehomöostase und unter pathologischen Bedingungen, wie z. B. Tumorwachstum, entscheidend. MMP14 wird in verschiedenen Hautzellen, einschließlich Fibroblasten, exprimiert; eine spezifische Deletion dieser Protease (MMP14Sf-/-) führt zu einem Fibrose-ähnlichen Hautphänotyp mit erhöhter Kollagenanreicherung und Gewebesteifigkeit aufgrund eines gestörten Kollagenumbaus. Die Steifigkeit des Gewebes wird häufig mit dem Fortschreiten einer Krebserkrankung in Verbindung gebracht und soll bei vielen Tumorarten, die meist epithelialen Ursprungs sind, eine unterstützende Wirkung haben. Ihre Rolle beim Melanom ist jedoch bis heute umstritten. Um zu analysieren, wie die steife und kollagenreiche Haut von MMP14Sf-/- Mäusen das Melanomwachstum beeinflusst, haben wir in vivo Transplantate von murinen Melanomzellen verwendet. Melanomwachstum und -proliferation waren bei MMP14Sf-/- Mäusen im Vergleich zu den Kontrollen reduziert, die Anzahl der Metastasen war jedoch vergleichbar. Darüber hinaus war die Vaskularisierung durch Blutgefäße gestört und die Hypoxie im Tumor reduziert. Ex vivo war die Invasion und das Wachstum von Melanomzellen in devitalisierten und dezellularisierten Hautkompositen von MMP14Sf-/- Mäusen im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant reduziert, was eine wachstumshemmende Funktion der matrix-dichten Dermis von MMP14Sf-/- Mäusen belegt. In vivo wies das dichte peritumorale Gewebe von MMP14Sf-/- Mäusen zwar höhere Kollagenmengen auf als die Kontrollgruppe, aber weder die Menge noch das Muster der Vernetzungen, die Ausrichtung der Kollagenfasern und die Orientierung waren verändert. Die Steifigkeit des peritumoralen Gewebes von MMP14Sf-/- Mäusen war im frühen Melanom erhöht, nahm aber später ab. Da wir bei späten Melanomen in vivo erhöhte Kollagene, aber eine verringerte Steifigkeit beobachteten, stellten wir die Hypothese auf, dass erhöhte Kollagene das Melanomwachstum hemmen und die Steifigkeit damit synergistisch wirken könnte. Tatsächlich zeigten 2D-Kulturen von Melanomzellen, dass ein hoher Anteil an fibrillärem Kollagen Typ I und eine erhöhte Gewebesteifigkeit die Zellproliferation hemmen. Außerdem wurde das Wachstum von Melanomzell-Sphäroiden Dosis-abhängig durch steigende Konzentrationen von fibrillärem Kollagen gehemmt, obwohl die Steifigkeit in diesen Kulturen gering war. Die proliferationshemmende Wirkung einer kollagenreichen Umgebung wurde auch in vivo nachgewiesen, als Melanomzellen in einer durch Bleomycin induzierten fibrotischen Dermis wuchsen. Neben Kollagen Typ I wurden bei der Proteomanalyse des dezellularisierten peritumoralen Melanomgewebes von MMP14Sf-/- und der von Fibroblasten abgelagerten/sezernierten Matrix zahlreiche veränderte Proteine, darunter mehrere Kollagene, festgestellt. Darunter befand sich auch Kollagen Typ XIV, das wir als neues Substrat von MMP14 identifizierten. Kollagen Typ XIV war kein geeignetes zelladhäsives Substrat für Melanomzellen und löste keine proproliferative oder pro-migratorische Reaktion aus. Darüber hinaus hemmte Kollagen Typ XIV die Proliferation, Adhäsion und Migration von Melanomzellen, die durch den Kontakt mit der Matrix von Kontrollfibroblasten ausgelöst wurden, und reduzierte sie auf ein Niveau, das bei MMP14Sf-/- Fibroblastenmatrix beobachtet wurde. Diese Studie deutet darauf hin, dass die Expression und Aktivität von MMP14 in stromalen Fibroblasten das Melanom durch den Umbau von Kollagen reguliert. Darüber hinaus zeigt sie, dass Kollagen Typ I und XIV entscheidende Modulatoren der Melanomentwicklung sind und die Invasion, Migration und Proliferation von Melanomzellen regulieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Pach, Elke UNSPECIFIED orcid.org/0000-0001-6409-6134 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-616283
Date:	2022
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Medicine > Dermatologie > Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Venerologie
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Melanoma English MMP English extracellular matrix English collagen English
Date of oral exam:	3 May 2022
Referee:	Name Academic Title Hammerschmidt, Matthias Prof. Dr. Wagener, Raimund Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/61628