NUOVE STRATEGIE ANTI-TUMORALI: PRECURSORI DI CELLULE ENDOTELIALI
(EPC) E CELLULE STAMINALI MESENCHIMALI (MSC) COME VEICOLI INTRATUMORALI DI MOLECOLE AD ATTIVITÀ ANTI-ANGIOGENETICA ED ANTITUMORALE
L’angiogenesi, ossia la formazione di nuovi vasi a partire da vasi preesistenti, è considerato un
evento fondamentale nello sviluppo tumorale. L’induzione dell’angiogenesi, “angiogenic switch”,
gioca un ruolo rilevante nella progressione tumorale (1,2) e quindi rappresenta un bersaglio
promettente per la terapia dei tumori. L’identificazione nel sangue periferico di precursori di cellule
endoteliali (EPCs) di derivazione midollare ha evidenziato un meccanismo alternativo di
angiogenesi basato sul reclutamento delle EPC dal midollo osseo, la “vasculogenesi post-natale”(3).
Nel nostro laboratorio abbiamo isolato una sottopopolazione di EPC chiamate “Endothelial Colony
Forming Cells” (ECFCs), che sono caratterizzate da un alto potenziale proliferativo, dalla
formazione di colonie secondarie e terziarie e dalla formazione di nuovi vasi in vivo (4). Numerosi
studi suggeriscono un importante ruolo delle EPC nella vascolarizzazione tumorale e nella metastasi
(5). Altre evidenze indicano che anche le cellule staminali mesenchimali (MSC) sono in grado di
migrare selettivamente verso il tumore, mantenere lo stroma tumorale e contribuire all’angiogenesi
tumorale fornendo la matrice per lo sviluppo di nuovi vasi (6). Entrambi questi tipi cellulari
vengono reclutati all’interno della massa tumorale e pertanto possono essere impiegati come
“veicoli cellulari”di agenti anti-tumorali (7). In particolare, le MSC autologhe possono essere
impiegate senza rischio di rigetto.
Precursori di cellule endoteliali (EPC) e cellule staminali mesenchimali (MSC) nel tumore
Varie evidenze suggeriscono un coinvolgimento delle EPC nelle fasi iniziali dell’angiogenesi
tumorale (8), cosi come nella crescita tumorale e nella transizione metastatica (9). Studi clinici
hanno dimostrato che i livelli di EPC circolanti correlano positivamente con la progressione
tumorale e si riducono dopo chemioterapia (10,11). Tuttavia, il ruolo delle EPC nella
vascolarizzazione tumorale è ancora da definire. Alcuni autori hanno messo in evidenza un
importante contributo delle EPC nella formazione dell’endotelio tumorale, mentre altri studi
suggeriscono uno scarso e irrilevante coinvolgimento di queste cellule (5). L’opinione emergente è
che le EPC, una volta reclutate all’interno della massa tumorale, indipendentemente dalla loro
incorporazione nei vasi tumorali, contribuiscano all’”angiogenic switch” attraverso la secrezione
paracrina di citochine pro-angiognetiche (5). Evidenze in vitro e in vivo mostrano che anche le
MSC sono coinvolte nella crescita tumorale fornendo un supporto stromale per le cellule tumorali e
per i vasi (12). Cellule tumorali trapiantate sottocute mostrano aumentate capacità proliferative,
angiogenetiche e metastatiche se vengono trapiantate insieme alle MSC (13). Le EPC e le MSC
sfruttano due differenti strategie nella crescita tumorale: le EPC sono coinvolte nell’angiogenesi
tumorale mentre le MSC contribuiscono prevalentemente al mantenimento dello stroma tumorale.
Il sistema uPA/ uPAR nell’angiogenesi e nell’invasività tumorale
Il meccanismo di angiogenesi a partire da vasi pre-esistenti è ben conosciuto. Questo processo è
strettamente correlato alla presenza sulle cellule endoteliali (EC) di un sistema operativo che
favorisce la degradazione della matrice extracellulare (ECM), l’adesione delle cellule all’ECM
stessa e la contrazione del citoscheletro cellulare, richiesta per il movimento cellulare (14). Il
sistema di attivazione del plasminogeno associato alla membrana (attivatore del plasminogeno di
tipo urochinasico, uPA; recettore dell’uPA, uPAR; inibitore dell’uPA di tipo 1, PAI-1) è critico
nell’angiogenesi poiché è coinvolto sia nella degradazione della ECM che nell’adesione cellulare
alla ECM stessa attraverso il meccanismo del cosiddetto “grip and go”. uPAR è costituito da tre
domini (D1, D2, D3) ed è presente sulla membrana cellulare sia in forma intera che in forma
troncata (D2 + D3), la quale non può legare uPA, ma è in grado di interagire con le molecole
dell’ECM, come vitronectina ed altre. Abbiamo precedentemente dimostrato che l’interazione
uPA/uPAR induce la chemiotassi delle cellule endoteliali e stimola la formazione di nuovi vasi
nella cornea del coniglio (15) e che solo la forma intera di uPAR è in grado di mediare
l’angiogenesi (16). Inoltre, l’inibizione dell’espressione di uPAR tramite l’utilizzo di uno specifico
oligonucleotide antisenso (aODN anti-uPAR) inibisce l’invasività cellulare, l’angiogenesi (17,18) e
la formazione di metastasi (19,20). Il ruolo del sistema uPA/uPAR nell’angiogenesi EPCdipendente è poco conosciuto. Esperimenti preliminari svolti nel nostro laboratorio hanno
dimostrato che uPAR è coinvolto anche nella vasculogenesi post-natale e che tale ruolo è correlato
alla sua distribuzione a livello dei “lipid rafts”di membrana (studi in corso). Abbiamo anche
studiato il ruolo del sistema uPA/uPAR nelle EC nella Sclerosi Sistemica (SSc), un disordine
cronico caratterizzato da un deficit di angiogenesi. Abbiamo dimostrato che nelle SSc-EC tale
difetto è principalmente legato alla super-produzione della metallo-proteasi-12 (MMP-12) che è in
grado di troncare uPAR (16,21). Le cellule possono muoversi attraverso la ECM secondo due
differenti modalità di migrazione: mesenchimale e/o ameboide. La prima richiede la proteolisi della
matrice extracellulare, che, attraverso la produzione di MMPs e di uPA/uPAR, crea un varco alla
cellula invasiva, mentre la seconda è indipendente dall’attività di proteasi ed e permette alle cellule
di “scivolare” attraverso la ECM invece che degradarla (22,23). uPAR agisce sia attraverso un
meccanismo enzima-dipendente che enzima-indipendente e ciò suggerisce un duplice ruolo, ancora
non descritto, di questo recettore in entrambi i tipi di motilità cellulare. Risultati preliminari ottenuti
nel nostro laboratorio indicano che le ECFC trattate con un mix di inibitori di proteasi mantengono
ancora buone proprietà invasive che vengono completamente inibite dall’impiego dell’anti-uPAR
aODN. E’ ben noto che il microambiente tumorale induce la super-espressione di uPAR nelle
cellule tumorali e la capacità invasiva e metastatica. Pertanto, la down-regulation di uPAR può
interferire sulla plasticità delle cellule coinvolte nell’angiogenesi, che consentirebbe alle cellule di
eludere il trattamento anti-angiogenetico e anti-tumorale.
Ruolo delle EPC e delle MSC nella terapia tumorale
Le EPC e le MSC sono reclutate all’interno del tumore e sono in grado di sostenere la
vascolarizzazione e la crescita tumorale. Pertanto queste cellule potrebbero essere impiegate come
“veicoli cellulari” di molecole anti-tumorali e quindi rappresentano una promettente strategia per la
terapia anti-tumorale (24,25). Questo nuovo approccio è già stato applicato ad alcuni modelli
tumorali in vivo, e, in una certa misura, ha dimostrato di ridurre la progressione tumorale
(26,27,28,29,30).
Il movimento delle EC nell’angiogenesi e delle cellule tumorali nell’invasione è strettamente
dipendente dalla presenza di uPAR nativo “intero” e il clivaggio di uPAR per azione di MMP12
determina la perdita delle proprietà invasive delle cellule (21,31). Quindi, ECFC e MSC manipolate
ex vivo, super-esprimenti MMP12, potrebbero essere impiegate, insieme o singolarmente, come
veicoli cellulari dell’agente anti-tumorale MMP-12 allo scopo di inibire sia l’angiogenesi che
l’invasività tumorale. Inibire la plasticità uPAR-dipendente delle cellule tumorali mediante la
troncatura di uPAR, potrebbe aprire una nuova possibilità di bloccare la crescita e la metastasi in
quei tumori in cui l’invasività dipende fortemente dalla presenza di uPAR. Le cellule
ingegnerizzate, in grado di liberare MMP12 all’interno della massa tumorale, potrebbero essere
utilizzate da sole o insieme per ottenere un ottimale regressione tumorale.
Su queste basi, l’obiettivo del presente programma è quello di indurre la “gain of function”
dell’attività dell’MMP12 nelle ECFC e nelle MSC allo scopo di :
a) Troncare uPAR nelle ECFC riducendo l’angiogenesi e b) ottenere un clivaggio MSC-dipendente
di uPAR sulle cellule tumorali bloccando l’invasività.
Il nostro principale obiettivo è la produzione di una popolazione di ECFC e di MSC in grado
di tagliare uPAR riducendo conseguentemente l’angiogenesi e la diffusione tumorale.
REFERENZE BIBLIOGRAFICHE
1- Distler O, Neidhart M, Gay RE, Gay S. The molecular control of angiogenesis. Int Rev Immunol 2002;
21: 33-49
2- Carmeliet P.: Mechanism of angiognesis and arteriogenesis. Nat.Med. 2000; 6: 389-395
3- Conway EM, Collen D, Carmeliet P. Molecular mechanisms of blood vessel growth.
Cardiovasc Res. 2001; 49: 507
4- Ingram DA, Mead LE, Tanaka H, Meade V, Fenoglio A, Mortell K, Pollok K, Ferkowicz MJ,
Gilley D, Yoder MC., Identification of a novel hierarchy of endothelial progenitor cells using
human peripheral and umbilical cord blood. Blood. 2004 Nov 1;104(9):2752-60
5- Patenaude A, Parker J, Karsan A, Involvement of endothelial progenitor cells in tumor
vascularisation. Microvasc Res. 2010 May;79(3):217-23.
6- Ahn GO, Brown JM. Role of endothelial progenitors and other bone marrow-derived cells in the
development of the tumor vasculature. Angiogenesis. 2009;12(2):159-64. Epub 2009 Feb 17.
Review
7- Hall B, Dembinski J, Sasser AK, Studeny M, Andreeff M, Marini F. Mesenchymal stem cells in
cancer: tumor-associated fibroblasts and cell-based delivery vehicles. Int J Hematol. 2007
Jul;86(1):8-16. Review.
8- K Nolan D.J. et al., Bone marrow-derived endothelial progenitor cells are a major determinant
of nascent tumor neovascularization, Genes Dev. 21 (2007), pp. 1546–1558
9- Gao D et al., Endothelial progenitor cells control the angiogenic switch in mouse lung
metastasis, Science 319 (2008), pp. 195–198
10- Igreja, C., et al., Characterization and clinical relevance of circulating and biopsyderived
endothelial progenitor cells in lymphoma patients. Haematologica 2007. 92, 469–477.
11- Naik RP, et al, Circulating endothelial progenitor cells correlate to stage in patients with
invasive breast cancer. Breast Cancer Res. Treat. 2008, 107, 133–138
12- Menon LG, Picinich S, Koneru R, et al. Differential gene expression associated with migration
of mesenchymal stem cells to conditioned medium from tumor cells or bone marrow cells. Stem
Cells 2007;25:520e8
13- Zhu W, Xu W, Jiang R, et al. Mesenchymal stem cells derived from bone marrow favor tumor
cell growth in vivo. Exp Mol Pathol 2006;80:267e74
14- Del Rosso M, Fibbi G, Pucci M, D'Alessio S, Del Rosso A, Magnelli L, Chiarugi V. Multiple
pathways of cell invasion are regulated by multiple families of serine proteases.
Clin Exp Metastasis. 2002;19(3):193-207.
15- Fibbi G, Ziche M, Morbidelli L, Magnelli L, Del Rosso M. Interaction of urokinase with
specific receptors stimulates mobilization of bovine adrenal capillary endothelial cells. Exp Cell
Res. 1988 Dec;179(2):385-95. Erratum in: Exp Cell Res 1990 Jan;186(1):196.
16- D'Alessio S, Fibbi G, Cinelli M, Guiducci S, Del Rosso A, Margheri F, Serrati S, Pucci M,
Kahaleh B, Fan P, Annunziato F, Cosmi L, Liotta F, Matucci-Cerinic M, Del Rosso M. Matrix
metalloproteinase 12-dependent cleavage of urokinase receptor in systemic sclerosis
microvascular endothelial cells results in impaired angiogenesis.Arthritis Rheum. 2004
Oct;50(10):3275-85.
17- Quattrone A, Fibbi G, Anichini E, Pucci M, Zamperini A, Capaccioli S, Del Rosso M.
Reversion of the invasive phenotype of transformed human fibroblasts by anti-messenger
oligonucleotide inhibition of urokinase receptor gene expression. Cancer Res. 1995 Jan
1;55(1):90-5
18- Fibbi G, Caldini R, Chevanne M, Pucci M, Schiavone N, Morbidelli L, Parenti A, Granger HJ,
Del Rosso M and Ziche M. “Urokinase-dependent angiogenesis in vitro and diacylglycerol
production are blocked by antisense oligonucleotides against the urokinase receptor.” Lab
Invest 1988; 78:1109-1119
19- D'Alessio S, Margheri F, Pucci M, Del Rosso A, Monia BP, Bologna M, Leonetti C, Scarsella
M, Zupi G, Fibbi G, Del Rosso M Antisense oligodeoxynucleotides for urokinase-plasminogen
activator receptor have anti-invasive and anti-proliferative effects in vitro and inhibit
spontaneous metastases of human melanoma in mice. Int J Cancer. 2004 May 20;110(1):125-33.
20- Margheri F, D'Alessio S, Serratí S, Pucci M, Annunziato F, Cosmi L, Liotta F, Angeli R,
Angelucci A, Gravina GL, Rucci N, Bologna M, Teti A, Monia B, Fibbi G, Del Rosso M.
Effects of blocking urokinase receptor signaling by antisense oligonucleotides in a mouse model
of experimental prostate cancer bone metastases. Gene Ther. 2005 Apr;12(8):702-14.
21- Francesca Margheri, Simona Serratì, Andrea Lapucci, Anastasia Chillà, Laura Bazzichi, Stefano
Bombardieri, Bashar Kahaleh, Lido Calorini, Francesca Bianchini, Gabriella Fibbi, Mario Del
Rosso Modulation of the angiogenic phenotype of normal Systemic Sclerosis endothelial cells
by gain-loss of function of PTX3 MMP12 (p NA) Arthritis & Rheumatism Accepted Article
Online: Apr 19 2010 12:49PM
22- Friedl, P2004. Prespecification and plasticity: shifting mechanisms of cell migration. Curr.
Opin. Cell Biol. 16:14–23.
23- Friedl P, Wolf K. Plasticity of cell migration: a multiscale tuning model. J Cell Biol. 2010 Jan
11;188(1):11-9.
24- Serratì S, Margheri F, Fibbi G, Di Cara G, Minafra L, Pucci-Minafra I, Liotta F, Annunziato F,
Pucci M, Del Rosso M. Endothelial cells and normal breast epithelial cells enhance invasion of
breast carcinoma cells by CXCR-4-dependent up-regulation of urokinase-type plasminogen
activator receptor (uPAR, CD87) expression. J Pathol. 2008 Apr;214(5):545-54.
25- Dome B, Dobos J, Tovari J, Paku S, Kovacs G, Ostoros G, Timar J. Circulating bone marrowderived endothelial progenitor cells: characterization, mobilization, and therapeutic
considerations in malignant disease. Cytometry A. 2008 Mar;73(3):186-93. Review
26- Dome B, Timar J, Ladanyi A, Paku S, Renyi-Vamos F, Klepetko W, Lang G, Dome P, Bogos
K, Tovari J. Circulating endothelial cells, bone marrow-derived endothelial progenitor cells and
proangiogenic hematopoietic cells in cancer: From biology to therapy. Crit Rev Oncol Hematol.
2009 Feb;69(2):108-24. Epub 2008 Sep 3. Review.
27 - Ferrari N, Glod J, Lee J, Kobiler D, Fine HA. Bone marrow-derived, endothelial progenitorlike cells as angiogenesis-selective gene-targeting vectors. Gene Ther 2003;10:647–656.
28- Davidoff AM, Ng CY, Brown P, Leary MA, Spurbeck WW, Zhou J, Horwitz E, Vanin EF,
Nienhuis AW. Bone marrow-derived cells contribute to tumor neovasculature and, when
modified to express an angiogenesis inhibitor, can restrict tumor growth in mice. Clin Cancer
Res 2001;7:2870–2879.
29- Wei J, Blum S, Unger M, Jarmy G, Lamparter M, Geishauser A, Vlastos GA, Chan G, Fischer
KD, Rattat D, Debatin KM, Hatzopoulos AK, Beltinger C. Embryonic endothelial progenitor
cells armed with a suicide gene target hypoxic lung metastases after intravenous delivery.
Cancer Cell 2004;5:477–488.
30- Loebinger MR, Janes SMStem cells as vectors for antitumour therapy. Thorax. 2010
Apr;65(4):362-9. Review.
31- Studeny M, Marini FC, Dembinski JL, et al. Mesenchymal stem cells: potential precursors for
tumor stroma and targeted-delivery vehicles for anticancer agents. J Natl Cancer Inst 2004;
96:1593e603
Dott.ssa Gabriella Fibbi
Pubblicazioni degli ultimi 5 anni
Margheri F, Serratì S, Lapucci A, Chillà A, Bazzichi L, Bombardieri S, Kahaleh B, Calorini L,
Bianchini F, Fibbi G, Del Rosso M. Modulation of the angiogenic phenotype of normal Systemic
Sclerosis endothelial cells by gain-loss of function of PTX3 MMP12. Arthritis Rheum. 2010 Apr
19. [Epub ahead of print] I.F. 7.677
Margheri F, Serratì S, Lapucci A, Anastasia C, Giusti B, Pucci M, Torre E, Bianchini F, Calorini L,
Albini A, Ventura A, Fibbi G, Del Rosso M.
Systemic sclerosis-endothelial cell antiangiogenic pentraxin 3 and matrix metalloprotease 12
control human breast cancer tumor vascularization and development in mice. Neoplasia. 2009
Oct;11(10):1106-15. I.F. 5.191
Serratì S, Margheri F, Pucci M, Cantelmo AR, Cammarota R, Dotor J, Borràs-Cuesta F, Fibbi G,
Albini A, Del Rosso M. TGFbeta1 antagonistic peptides inhibit TGFbeta1-dependent angiogenesis.
Biochem Pharmacol. 2009 Mar 1;77(5):813-25
I.F. 4.838
Del Rosso M, Fibbi G, Pucci M, Margheri F, Serrati S. The plasminogen activation system in
inflammation. Front Biosci. 2008 May 1;13:4667-86. Review.
I.F. 3.308
Serratì S, Margheri F, Fibbi G, Di Cara G, Minafra L, Pucci-Minafra I, Liotta F, Annunziato F,
Pucci M, Del Rosso M. Endothelial cells and normal breast epithelial cells enhance invasion of
breast carcinoma cells by CXCR-4-dependent up-regulation of urokinase-type plasminogen
activator receptor (uPAR, CD87) xpression. J Pathol. 2007; 214(5):545-54. I.F. 5.121
Serratì S, Margheri F, Bruschi S, D'Alessio S, Pucci M, Fibbi G, Tonelli P, Del Rosso M.
Plasminogen activators and inhibitor type-1 in alveolar osteitis. Eur J Oral Sci. 2006
Dec;114(6):500-3. I.F. 1.960
Margheri F, Manetti M, Serratì S, Nosi D, Pucci M, Matucci-Cerinic M, Kahaleh B, Bazzichi L,
Fibbi G, Ibba-Manneschi L, Del Rosso M. Domain 1 of the urokinase-type plasminogen activator
receptor is required for its morphologic and functional, beta2 integrin-mediated connection with
actin cytoskeleton in human microvascular endothelial cells: failure of association in systemic
sclerosis endothelial cells. Arthritis Rheum. 2006 Dec;54(12):3926-38. I.F. 7.677
Cinelli M, Guiducci S, Del Rosso A, Pignone A, Del Rosso M, Fibbi G, Serratì S, Gabrielli A,
Giacomelli R, Piccardi N, Matucci Cerinic M. Piascledine modulates the production of VEGF and
TIMP-1 and reduces the invasiveness of rheumatoid arthritis synoviocytes. Scand J Rheumatol.
2006 Sep-Oct;35(5):346-50. I.F. 2.345
Serratì S, Cinelli M, Margheri F, Guiducci S, Del Rosso A, Pucci M, Fibbi G, Bazzichi L,
Bombardieri S, Matucci-Cerinic M, Del Rosso M. Systemic sclerosis fibroblasts inhibit in vitro
angiogenesis by MMP-12-dependent cleavage of the endothelial cell urokinase receptor. J Pathol.
2006 Oct;210(2):240-8. I.F. 5.121
6: Giusti B, Fibbi G, Margheri F, Serratì S, Rossi L, Poggi F, Lapini I, Magi A, Del Rosso A,
Cinelli M, Guiducci S, Kahaleh B, Bazzichi L, Bombardieri S, Matucci-Cerinic M, Gensini GF, Del
Rosso M, Abbate R. A model of anti-angiogenesis: differential transcriptosome profiling of
microvascular endothelial cells from diffuse systemic sclerosis patients. Arthritis Res Ther.
2006;8(4):R115. I.F. 4.485
Bianchini F, D'Alessio S, Fibbi G, Del Rosso M, Calorini L. Cytokine-dependent invasiveness in
B16 murine melanoma cells: role of uPA system and MMP-9. Oncol Rep. 2006 Mar;15(3):709-14.
I.F. 1.524
Guiducci S, Del Rosso A, Cinelli M, Perfetto F, Livi R, Rossi A, Gabrielli A, Giacomelli R, Iori N,
Fibbi G, Del Rosso M, Cerinic MM. Raloxifene reduces urokinase-type plasminogen activatordependent proliferation of synoviocytes from patients with rheumatoid arthritis. Arthritis Res Ther.
2005;7(6):R1244-53. I.F. 4.485
Giusti B, Serratì S, Margheri F, Papucci L, Rossi L, Poggi F, Magi A, Del Rosso A, Cinelli M,
Guiducci S, Kahaleh B, Matucci-Cerinic M, Abbate R, Fibbi G, Del Rosso M. The antiangiogenic
tissue kallikrein pattern of endothelial cells in systemic sclerosis. Arthritis Rheum. 2005
Nov;52(11):3618-28. I.F. 7.677
Del Rosso A, Cinelli M, Guiducci S, Pignone A, Fibbi G, Margheri F, Gabrielli A, Giacomelli R,
Coppini A, Del Rosso M, Matucci Cerinic M. Deflazacort modulates the fibrinolytic pattern and
reduces uPA-dependent chemioinvasion and proliferation in rheumatoid arthritis synoviocytes.
Rheumatology (Oxford). 2005 Oct;44(10):1255-62. I.F. 4.136
Guiducci S, Del Rosso A, Cinelli M, Margheri F, D'Alessio S, Fibbi G, Matucci Cerinic M, Del
Rosso M. Rheumatoid synovial fibroblasts constitutively express the fibrinolytic pattern of invasive
tumor-like cells. Clin Exp Rheumatol. 2005 May-Jun;23(3):364-72. I.F. 2.364
Margheri F, D'Alessio S, Serratì S, Pucci M, Del Rosso A, Benelli R, Ferrari N, Noonan DM,
Albini A, Fibbi G, Del Rosso M. The urokinase-type plasminogen activator, its receptor and u-PA
inhibitor type-1 affect in vitro growth and invasion of Kaposi's sarcoma and capillary endothelial
cells: role of HIV-Tat protein.
Int J Oncol. 2005 Jul;27(1):223-35. I.F. 2.234
Del Rosso M, Fibbi G, Schmitt M, Mignatti P. Proteases and extracellular environment. Thromb
Haemost. 2005 Feb;93(2):190-1. I.F. 3.803
Margheri F, D'Alessio S, Serratí S, Pucci M, Annunziato F, Cosmi L, Liotta F, Angeli R, Angelucci
A, Gravina GL, Rucci N, Bologna M, Teti A, Monia B, Fibbi G, Del Rosso M. Effects of blocking
urokinase receptor signaling by antisense oligonucleotides in a mouse model of experimental
prostate cancer bone metastases. Gene Ther. 2005 Apr;12(8):702-14. I.F. 4.492
