Influence of IFN-beta on the life span and apoptosis of tumor infiltrating neutrophil granulocytes

Andzinski, Lisa Christin

Ein intaktes Immunsystem ist ein essentieller Faktor zum Schutz des Menschen vor bösartigen Tumorerkrankungen. Besonders Komponenten des angeborenen Immunsystems, wie neutrophile Granulozyten und Typ I Interferone, beeinflussen in signifikantem Umfang die Entwicklung von Tumoren indem sie deren Wachstum und Angiogenese kontrollieren. Im Konsens damit konnte gezeigt werden, dass viele funktionelle Eigenschaften von neutrophilen Granulozyten durch IFN-beta reguliert werden. Trotz allem ist der genaue Einfluss dieses Zytokins auf die Lebensspanne und Polarisation der Granulozyten bislang unbekannt. Es ist darüberhinaus unklar, ob, in welchem Umfang und von welchen Zellen IFN- beta im Tumorgewebe produziert wird. Diese Fragen waren Gegenstand der vorliegenden Dissertation. Mit Hilfe von transplantabelen Tumoren konnte in einem IFN- beta -Reporter-Maus-Model zum ersten Mal gezeigt werden, dass es während des Wachstums solider Tumore zur Induktion von IFN- beta kommt. Diese Induktion ist abhängig von den Adaptormolekülen STING, IRF3 und IRF5. Tumor-assoziierte myeloide dendritische Zellen konnten als Hauptquelle des IFN- beta identifiziert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte zudem gezeigt werden, dass endogenes IFN- beta sowohl die Reifung als auch den Zelltod pro-angiogenetischer, neutrophiler Granulozyten reguliert indem es sowohl Komponenten des intrinsischen als auch des extrinsischen Apoptosepathways beeinflusst. In Ifnb1-/- Mäusen war die Lebensspanne der Granulozyten im Vergleich zum Wildtyp drastisch reduziert. Dies wurde bedingt durch eine abgeschwächte Expression von Fas, eine geringere Produktion reaktiver Sauerstoffspezies, reduzierte Aktivität von Caspasen (3,9), sowie ein verändertes Genexpressionsmuster pro- und anti-apoptotischer Mitglieder der Bcl-2 Proteinfamilie. Zusätzlich wurde in Abwesenheit von IFN- beta eine signifikant geringere Expression von Apaf-1, einem Hauptbestandteil des Apoptosoms detektiert. Mechanistisch ist dies evtl. auf eine gesteigerte Produktion des Zytokins G-CSF zurückzuführen. In der vorliegenden Dissertation wurde außerdem ein deutlicher Einfluss von Typ I IFN auf die Polarisation von Granulozyten hin zu einem N1 anti-tumor Phänotyp deutlich. Viele wichtige Marker dieses Granulozytenphänotyps, wie ICAM1 oder TNF-alpha waren in Abwesenheit von IFN- beta drastisch in ihrer Expression reduziert. Eine niedrig dosierte Typ I IFN Therapie war im Gegensatz dazu in der Lage die Polarisation der Neutrophilen in tumortragenden WT Mäusen gegenläufig zu beeinflussen und einen N1 Phänotyp zu induzieren. Zusammenfassend gehen aus der vorliegenden Dissertation wichtige Erkenntnisse hervor die zum besseren Verständnis der Polarisation und Repolarisation tumor-unterstützender Granulozyten beitragen.

Efficient immunosurveillance is a major factor in protecting the individual against cancer. Components of the innate immune system like neutrophilic granulocytes and type I IFNs were demonstrated to significantly influence this complex process by altering tumor angiogenesis and growth. Consistently, many neutrophil activities seem to be controlled by endogenous IFN-beta. Nevertheless, little is known about its detailed impact on life span and polarization of such cells. Moreover, whether and how type I IFN is induced in the tumor context and from which cellular sources it is derived is not clear. These issues were addressed in the present study. Using different transplantable tumors in an IFN- beta reporter mouse model, it could be demonstrated for the first time that IFN-beta is induced in solid tumors. This induction is mediated in a STING-IRF3/5 dependent manner and tumor infiltrating myeloid dendritic cell were identified as a main cellular source of this cytokine. Furthermore, the present results provide evidence that endogenous IFN-beta is regulating apoptosis, maturation and turnover of pro-angiogenic tumor infiltrating neutrophils by influencing both, the extrinsic as well as the intrinsic apoptosis pathways. Accordingly, the life span of tumor associated neutrophils (TANs) was remarkably prolonged in tumor bearing Ifnb1ko mice, compared to wild type (WT) controls. Lower expression of Fas, reactive oxygen species, active caspase 3 and 9 as well as a change in expression ratio of pro- and anti-apoptotic members of the Bcl-2 family were observed under such conditions. In addition, the major apoptosome constituent Apaf-1 was downregulated. In line with inhibition of apoptosis and increased neutrophil longevity in the absence of endogenous IFN-beta, a strong enhancement of G-CSF expression and PI3 kinase phosphorylation was detected. During the present study substantial evidence was accumulated supporting the role of endogenous IFN-beta as factor responsible for the induction of an N1 anti-tumor neutrophil polarization. Hence, a significant down regulation of N1 associated neutrophil features such as ICAM1 expression, TNF-alpha production and tumor killing capacity were observed in Ifnb1ko mice, compared to WT controls. Of note, exogenous IFN- beta therapy of tumor bearing WT mice significantly influenced neutrophil polarization at the primary tumor site and in the pre metastatic lung, inducing a N1 anti-tumor neutrophil phenotype. Taken together, the present work provides important insight into the molecular mechanisms underlying type I IFN-mediated cancer immune surveillance via the polarization of tumor associated neutrophilic granulocytes.

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Andzinski, Lisa Christin: Influence of IFN-beta on the life span and apoptosis of tumor infiltrating neutrophil granulocytes. 2014.

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