The role of CXCR4 in cancer exosomes and metastasis

Abstract

Exosomes are central mediators of intercellular communication. Exosomes are extracellular vesicles that carry proteins, RNA and DNA of the cells of origin, transfer their cargo to other cells and have the potential to re-educate recipient cells. Cancer exosomes have been involved in almost all steps during tumor progression up to metastasis and therapy resistance. However, the mechanisms underlying the involvement of cancer exosomes in the metastatic process are not fully understood. The chemokine receptor CXCR4 and its ligand CXCL12 represent one of the most studied chemokine axis in metastasis. CXCL12 is highly expressed in tissues like lungs, liver, and bone marrow. CXCR4/CXCL12 interaction results in increased proliferative, migratory, and invasive properties of tumor cells. Although expression patterns vary among cancer types, CXCR4 has been implicated in nearly every major malignancy and plays a prominent role in pancreatic cancer development and progression. Our work is based on the hypothesis that CXCR4+ pancreatic cancer exosomes are preferentially retained at CXCL12-enriched organs. In the present work, we establish the PANC-1 CXCR4-EYFP clone and developed a PANC-1 CXCR4-EYFP orthotopic mouse model to study the in vivo retention of CXCR4+ exosomes at CXCL12 enriched sites. CXCR4-EYFP orthototopic tumors secrete CXCR4+ exosomes that are found in circulation. We demonstrate for the first time that pancreatic cancer exosomes have a selective loading of CXCR4 receptor at their surface, along with the CD133 cancer-stem cell marker. Moreover, we show that CXCR4+ exosomes show a higher retention in plugs containing recombinant CXCL12 when compared with control plugs. Our results suggest that the selective loading of CXCR4 at exosomes surface could contribute for a differential distribution of cancer exosomes in vivo. This study provides new insights into the emerging role of exosomes in cancer, more specifically it addresses the biological relevance of CXCR4 in pancreatic cancer progression and metastasis.

Exossomas são mediadores importantes na comunicação intracelular. Exossomas são vesículas extracelulares que transportam proteínas, moléculas de RNA e DNA que podem ser transferidas para outras células, tendo o poder de as alterar. Os exossomas tumorais estão envolvidos em quase todas as etapas da progressão tumoral, incluindo metástases e resistência à terapia. No entanto, o mecanismo subjacente ao papel dos exossomas tumorais no processo metastático não é totalmente compreendido. O recetor de quimiocinas CXCR4 e o seu ligando CXCL12 representam um dos eixos de quimiocinas mais estudados neste processo. O CXCL12 é muito expresso em tecidos como pulmão, fígado e medula óssea. A interação CXCR4/CXCL12 resulta num aumento das propriedades proliferativas, migratórias e invasivas das células tumorais. Embora os padrões de expressão variem entre os diferentes tipos de cancro, o CXCR4 tem vindo a ser implicado em quase todos os tipos de cancro e desempenha um papel proeminente no desenvolvimento e progressão do cancro do pâncreas. O nosso trabalho tem como base a hipótese de que os exossomas contendo CXCR4 provenientes de células tumorais pancreáticas são preferencialmente retidos em órgãos enriquecidos em CXCL12. Neste trabalho, desenvolvemos um modelo ortotópico de cancro pancreático usando a linha celular PANC-1 CXCR4-EYFP. Este modelo permitiu estudar a retenção in vivo de exossomas CXCR4+ em locais enriquecidos em CXCL12. Tumores ortotópicos CXCR4-EYFP produzem exossomas CXCR4-EYFP, encontrados em circulação. Demonstramos pela primeira vez que o recetor CXCR4, juntamente com CD133, são seletivamente acumulados na superfície de exossomas de cancro de pâncreas. Além disso, mostramos que os exossomas CXCR4+ mostram maior retenção em plugs contendo a proteína recombinante CXCL12 quando comparado com plugs controlo. Estes resultados sugerem que a acumulação seletiva de CXCR4 na superfície de exossomas tumorais poderá contribuir para a sua distribuição diferencial in vivo. Este estudo fornece novas informações sobre o papel emergente de exossomas no processo tumoral, abordando a relevância biológica do CXCR4 na progressão do cancro do pâncreas e no estabelecimento de metástases.