β2-Mikroglobulin induziert die NLRP3-Inflammasom-Aktivierung in Myelom-assoziierten Makrophagen und fördert das Zellwachstum beim Multiplen Myelom

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Issue Date
2024
Authors
Hofbauer-Stache, Daniel
Editor
Abstract

Das MM (Multiples Myelom, Multiple myeloma) ist eine bisher unheilbare hämatologische B-Zellerkrankung, die durch die monoklonale Proliferation und Akkumulation maligner Plasma-zellen im KM (Knochenmark) gekennzeichnet ist. Hierbei stellt die inflammatorische Tumor-mikroumgebung, die mit den malignen Plasmazellen wechselwirkt, eine Schlüsselkomponente des MM dar. Diese trägt zur Aufrechterhaltung des Wachstums maligner MM-Zellen bei und wirkt sich sowohl auf die Bildung osteolytischer Läsionen als auch auf das gesamte Immun-system aus. Zwar ist bisher unklar, welchem physiologischen Ursprung das inflammatorische Tumormikromilieu bei MM-Patient:innen zugrunde liegt. Dennoch wir vermutet, dass proin-flammatorische MAMs (Myelom-assoziierte Makrophagen, Myeloma-associated macropha-ges) das KM-Tumorstroma infiltrieren und durch die Freisetzung von Wachstumsfaktoren und den proinflammatorischen Zytokinen IL-(Interleukin, Interleukin)-1β und IL-18 eine inflammato-rische Tumormikroumgebung induzieren. Diese stellen einen ungünstigen prognostischen Faktor dar und begünstigen die MM-Pathogenese. Aus diesem Grund wurde in der vorliegen-den Arbeit geklärt, welcher Zusammenhang zwischen einem in MAMs aktiven NLRP-(Nucleotide-binding oligomerization, leucine-rich repeat and pyrin domain-containing)-3-Inflammasom, das zelluläre Entzündungsreaktionen reguliert, der Entstehung einer inflamma-torischen Tumormikroumgebung und dem MM-Zellwachstum besteht. Zahlreiche Ergebnisse sprechen dafür, dass das aktive NLRP3-Inflammasom die MM-Pathogenese im KM von MM-Patient:innen maßgeblich beeinflusst. Dies wurde unter Verwendung des spezifischen NLRP3-Inflammasom-Inhibitors MCC950 bestätigt, der NLRP3-assoziierte Effekte signifikant reduzierte. Darüber hinaus wurde neben IL-1β insbesondere IL-18 als Wachstumsfaktor identi-fiziert, der den Rezeptor IL-18Rα auf der MM-Zelloberfläche stimuliert und somit eine ent-scheidende Rolle für das MM-Zellwachstum spielt. Hierbei wurde geklärt, welche Bedeutung β2m (β2-Mikroglobulin, β2-microglobulin), einer Komponente des MHC-(Haupthistokompatibilitätskomplex, Major histocompatibility complex)-I-Komplexes, zukommt. Frühere Studien sprechen dafür, dass eine hohe β2m-Konzentration mit der MM-Tumorlast, einer schlechten Prognose und dem Nichtansprechen von MM-Patient:innen auf eine Therapie korreliert. Außerdem synthetisieren MM-Zellen größere β2m-Mengen und setzen diese frei. Bisher ist jedoch wenig über die biologische Wirkung und das immunregulatorische Potential von β2m bekannt. Eine frühere Studie deutet darauf hin, dass β2m eine proinflammatorische Immunantwort in myeloischen Zellen induziert. Aus diesem Grund wurde weiterhin geklärt, ob β2m die Entstehung eines inflammatorischen Tumormikromilieus beeinflusst und das MM-Zellwachstum fördert. Zahlreiche Ergebnisse der vorliegenden Arbeit identifizierten β2m als endogenes DAMP (Schaden-assoziiertes molekulares Muster, Damage-associated molecular pattern), das das aktive NLRP3-Inflammasom in humanen Makrophagen induzierte und die Sekretion der proinflammatorischen Zytokine IL-1β und IL-18 begünstigte. Nachdem humane Makrophagen β2m phagozytierten, befand sich β2m im reifen Lysosom, das einen niedrigen pH-(Potentia hydrogenii)-Wert zwischen 4,5 und 5 aufweist. Da freies β2m die einzigartige Eigenschaft besitzt, unter einem in den Lysosomen vorherrschenden pH-Wert zu aggregieren, bildeten sich Amyloidfibrillen. Die Akkumulation der Amyloidfibrillen rief eine lysosomale Schädigung hervor, wodurch lysosomale Proteasen freigesetzt wurden, die das aktive NLRP3-Inflammasom und die daraus resultierende IL-1β- und IL-18-Sekretion induzierten. Hierbei stellen die β2m-Phagozytose sowie die lysosomale β2m-Aggregation die zellulären und molekularen Schlüsselereignisse dar. Diese Ergebnisse konnten unter Verwendung der β2m-Mutation W60G bestätigt werden. W60G weist im Vergleich zu β2m eine niedrigere Ag-gregationstendenz auf und war daher nicht in der Lage, ein aktives NLRP3-Inflammasom zu induzieren. Darüber hinaus lassen zahlreiche Ergebnisse vermuten, dass β2m das aktive NLRP3-Inflammasom in MAMs induzierte. Dadurch konnte das inflammatorische Tumormik-romilieu aufrechterhalten und sowohl das MM-Zellwachstum als auch die MM-Pathogenese entscheidend beeinflusst werden. Der Fokus richtete sich insbesondere auf das proinflamma-torische Zytokin IL-18, das das MM-Zellwachstum entscheidend begünstigte. Zukünftige präk-linische und klinische Studien sollten jedoch klären, ob IL-18 als universeller Wachstumsfaktor fungiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit könnten den Weg für die Entwicklung neuar-tiger Wirkstoffe ebnen, sodass zukünftige therapeutische Ansätze optimiert und individuelle Behandlungen dieser schweren Erkrankung ermöglicht werden (Abbildung 2-1).

Abstract

MM (Multiple myeloma) is a previously incurable hematologic B-cell disease characterized by monoclonal proliferation and accumulation of malignant plasma cells in the BM (Bone mar-row). Hereby, the inflammatory tumor microenvironment interacting with malignant plasma cells is a key component of MM. This contributes to the maintenance of malignant MM cell growth and influences both osteolytic lesion formation and the overall immune system. Though, it is still unclear how the inflammatory tumor microenvironment is initiated in MM. Nonetheless, we hypothesize that proinflammatory MAMs (Myeloma-associated macrophag-es) infiltrate the BM tumor stroma and induce an inflammatory tumor microenvironment by releasing growth factors and proinflammatory cytokines such as IL-(Interleukin)-1β and IL-18. Both cytokines represent an unfavorable prognostic factor and promote MM pathogenesis. Therefore, the present work aimed to elucidate the relationship between a NLRP-(Nucleotide-binding oligomerization, leucine-rich repeat and pyrin domain-containing)-3 inflammasome active in MAMs, which regulates cellular inflammatory responses, the development of an in-flammatory tumor microenvironment and MM cell growth. Numerous results propose that the active NLRP3 inflammasome significantly affects MM pathogenesis in the BM of MM patients. This was confirmed using the specific NLRP3 inflammasome inhibitor MCC950, which signifi-cantly reduced NLRP3-associated effects. Furthermore, in addition to IL-1β, IL-18 in particular has been identified as a growth factor that stimulates the IL-18Rα receptor on the MM cell sur-face and thus plays a crucial role in MM cell growth. In this context, the significance of β2m (β2-microglobulin), a component of the MHC-(Major histocompatibility complex)-I, should be further investigated. Previous studies indicate that elevated β2m levels correlate with MM tu-mor burden, poor prognosis, and non-response to therapy in MM patients. Moreover, MM cells synthesize and secrete increased amounts of β2m. Considering that little is known about the biological effect and immunoregulatory potential of β2m in relation to MM, while a previous study indicates that β2m induces an inflammatory immune response in myeloid cells, the pre-sent work aimed to further elucidate how β2m affects the development of an inflammatory tu-mor microenvironment and MM cell growth. Numerous results demonstrate that β2m func-tioned as an endogenous DAMP (Damage-associated molecular pattern) and induced the active NLRP3 inflammasome in human macrophages to promote the secretion of the proin-flammatory cytokines IL-1β and IL-18. Human macrophages phagocytosed β2m, resulting in β2m being located in the mature lysosome, in which a low pH (Potentia hydrogenii) between 4,5 and 5 prevails. Since β2m displays the unique property of aggregating under a lysosomal pH, amyloid fibrils were formed, accumulated and triggered lysosomal damage. As a conse-quence, lysosomal proteases were released causing the induction of the active NLRP3 in-flammasome and the consequent secretion of IL-1β and IL-18. β2m phagocytosis and lysoso-mal β2m aggregation represent the key cellular and molecular events. These results could be confirmed using the β2m mutation W60G, which displays a lower aggregation propensity and was therefore incapable to induce an active NLRP3 inflammasome. Moreover, numerous re-sults propose that β2m induced the NLRP3 inflammasome active in MAMs maintaining the inflammatory tumor microenvironment and crucially affecting both MM cell growth and MM pathogenesis. In particular, focus was set on proinflammatory cytokine IL-18, which decisively promoted MM cell growth. However, future preclinical and clinical studies should clarify whether IL-18 functions as a universal growth factor. The results of the present work might pave the way for the development of novel agents, allowing future therapeutic approaches to optimize and individualize treatment of this severe disease.

DOI
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