Monocarboxylate transporters (MCTs): key players in the metabolic symbiosis between tumour cells and macrophages

Dissertação de mestrado em Ciências da Saúde

O metabolismo celular é crucial para a interação entre células. As células tumorais produzem elevadas quantidades de lactato, mesmo na presença de oxigénio, que é exportado pelo MCT4 para o microambiente tumoral. Os macrófagos-associados ao tumor (TAMs), importam este lactato, via MCT1, para induzir um perfil tipo M2, anti-inflamatório e pro-tumoral. Assim, a troca de lactato entre células tumorais e TAMs, baseada na expressão de MCTs, forma um shuttle de lactato e cria uma simbiose metabólica entre os dois tipos celulares. A criação desta simbiose parece ser importante para a progressão tumoral e resistência à terapia. No entanto, o conhecimento acerca deste tópico ainda é escasso, especialmente acerca dos efeitos simultâneos nos dois tipos celulares e sistemas in vivo. Deste modo, é importante compreender os efeitos de inibição desta simbiose metabólica, dado que poderá ser uma ferramenta imuno-modulatória importante para terapias futuras. O objetivo deste trabalho é perceber os efeitos da inibição da simbiose metabólica entre células tumorais e TAMs na progressão tumoral e nas diferentes populações envolvidas, in vitro e in vivo. Para isto, eliminamos a expressão de MCT4 nas células tumorais, resultando numa redução eficiente do efluxo de lactato. Usando macrófagos derivados da medula de ratinho (BMDMs), com ou sem expressão de MCT1, em cultura com meios condicionados de células tumorais, observamos que, quando a simbiose metabólica é inibida, existe uma diminuição na expressão de marcadores tipo M2. Apesar de não serem observadas alterações no metabolismo de lactato, a atividade mitocondrial de BMDMs também parece estar diminuída, contribuindo para a diminuição do perfil tipo M2. Além disso, a inibição desta simbiose aumenta a produção de óxido nítrico e diminui a produção da citocina pro inflamatória IL-10 pelos. Reduz ainda a viabilidade e crescimento 3D das células tumorais. No modelo de cancro da mama, in vivo, a inibição da simbiose metabólica reduz o peso tumoral e as metástases pulmonares. No modelo do cancro do pulmão, existe um atraso no crescimento tumoral, apesar de não existirem diferenças no volume final dos tumores e na população de TAMs. Concluindo, a inibição da simbiose metabólica entre células tumorais e macrófagos parece comprometer o perfil tipo M2 de macrófagos e induzir as suas funções pro-inflamatórias. Este projeto abre novas perspetivas acerca dos efeitos de inibição da simbiose metabólica entre células tumorais e macrófagos para a modulação do perfil dos macrófagos associados ao tumor.

Cellular metabolism is crucial for the interaction between cells. Tumour cells produce high amounts of lactate, even in the presence of oxygen, which is mainly exported, via MCT4, to the tumour microenvironment. Tumour-associated macrophages (TAMs), import lactate, mainly via MCT1, to induce the M2-like, anti-inflammatory and pro-tumoral phenotype. Thus, this exchange of lactate, between tumour cells and TAMs, mediated by MCTs, forms a lactate shuttle, creating a metabolic symbiosis between cells. The establishment of a metabolic symbiosis between these cells has been indicated as important for tumour progression and resistance to therapy. However, knowledge on the topic remains scarce, especially regarding the simultaneous effects on both cell types and in vivo systems. Thus, it is important to understand the effects of inhibition of this metabolic symbiosis, as it might be an important immunomodulatory tool for future anti-cancer therapies. In this work, we aimed to understand how inhibition of this metabolic symbiosis impacts the infiltration and phenotype of immune cells, and, consequently, tumour progression, in vitro and in vivo. We first knocked-out MCT4 in tumour cells and successfully inhibited lactate export. Using bone marrow-derived macrophages (BMDMs), with or without MCT1 expression, cultured with tumour cell conditioned media, we observed that, when the metabolic symbiosis is inhibited, there is decrease in the expression of M2-like markers. Despite leading to no changes in lactate production, the mitochondrial activity of BMDMs seems to be reduced, contributing to the decrease in the M2-like phenotype. Furthermore, inhibition of the metabolic symbiosis increased the production of nitric oxide and decreased the production of the anti-inflammatory cytokine IL-10 by BMDMs. In the tumour cell compartment, inhibition of the metabolic symbiosis decreased tumour cell viability and 3D-growth. In vivo, inhibition of the metabolic symbiosis decreased tumour weight and metastases to the lung in the breast cancer model. In the lung cancer model, tumour growth was delayed, despite no differences in final tumour volume and TAMs’ population. Overall, inhibition of the metabolic symbiosis between tumour cells and macrophages seems to decrease the M2-like, pro-tumoral phenotype of macrophages and induce their pro-inflammatory functions. Although more research is necessary, this project gives new insights into the effects of inhibition of the metabolic symbiosis between tumour cells and macrophages for the modulation of the profile of macrophages.

The work presented in this thesis was performed in the Life and Health Sciences Research Institute (ICVS), School of Medicine, University of Minho, Braga, Portugal (ICVS/3B’S-PT Government Associate Laboratory Braga/Guimarães, Portugal). Financial support was provided by the project NORTE-01-0145-FEDER-000055, supported by Norte Portugal Regional Operational Programme (NORTE 2020), under the PORTUGAL 2020 Partnership Agreement, through the European Regional Development Fund (ERDF), ICVS Scientific Microscopy Platform, member of the national infrastructure PPBI - Portuguese Platform of Bioimaging (PPBI-POCI-01-0145-FEDER-022122), and by National funds, through the Foundation for Science and Technology (FCT) - project UIDB/50026/2020 and UIDP/50026/2020.