The role of inflammation induced by radiation or lipopolysaccharides in the metastatic process in a mouse model of breast cancer

Abstract

La mortalité liée du cancer du sein est principalement causée par le développement des métastases qui apparaissent plusieurs années après le traitement de la tumeur primaire. Une inflammation libérant des cytokines qui stimulent l'invasion des cellules cancéreuses est induite par les radiations ou une infection bactérienne. La capacité des radiations à réveiller des métastases pulmonaires dormantes et celle d'une infection bactérienne à faire progresser des métastases pulmonaires déjà en prolifération ont été étudiées avec des modèles in vitro et in vivo. Les lignées D2.0R (dormante) et D2A1 (proliférative) dérivés d’une tumeur mammaire murine, servent de modèles cancéreux mammaires. La capacité des radiations à réveiller les cellules D2.0R est évaluée dans un système de culture en 3-dimensions (3D), formant des microsphères. L'ajout de la prostaglandine E2 (PGE2; lOOng/ml) ou de milieux conditionnes irradies (5 Gy) de cellules épithéliales bronchiques humaines CALU-3 stimule la prolifération des cellules dormantes D2.0R résultant en microsphères d'un diamètre plus grand par rapport aux cellules non traitées. Pour les microsphères D2A1, l'ajout de PGE2 ou de milieux conditionne de cellules CALU-3 irradiées n’augmente pas le taux de prolifération. Chez la souris, nos résultats démontrent qu’une dose de radiation fractionnée (5x7.5 Gy) a la glande mammaire augmente significativement le développement des métastases pulmonaires D2.0R dormantes, 42 jours après irradiation. L’effet d’une infection bactérienne sur la croissance de métastases pulmonaires obtenues après injection de cellules D2A1 est aussi étudié. Les souris ont été traitées au lipopolysaccharide (LPS) qui est libéré des bactéries Gram-négatives et qui génère une inflammation. Les souris traitées ont un niveau élevé d’interleukine-ip (IL-1P) dans les poumons, supportant l'induction d'une inflammation. Une augmentation de l’expression des molécules d'adhésions (VCAM-1 et ICAM-1) s’ensuit, 5 heures après traitement. Par imagerie optique, nous démontrons la capacité du LPS a augmenter le nombre et la taille des métastases pulmonaires D2A1. Chez les souris âgées, une augmentation significative de la superficie couverte par les métastases pulmonaires est mesurée ainsi qu’une tendance a avoir des métastases plus nombreuses. Chez les souris jeunes, le nombre et la taille des métastases sont inchangés malgré une augmentation de l'expression de l’IL-ip et des molécules d'adhésion. En conclusion, notre étude démontre que l'inflammation stimule, dans un modèle in vitro en 3D ainsi que chez les souris, le réveil des cellules D2.0R. La prolifération et le nombre de métastases pulmonaires D2A1 ne sont augmentes par le LPS que chez les souris âgées.

Abstract: Mortality from breast cancer is primarily due to metastatic disease, which often appears years after treatment of the primary tumor. Radiation as well as bacterial infection induces inflammation, which by releasing cytokines can be implicated in metastatic processes. Using in vitro and in vivo models, the ability of radiation to awaken dormant lung metastases was assessed as well as the capacity of a bacterial infection to enhance metastatic progression in already proliferating lung metastases. As models, we used the D2.0R (dormant) and D2A1 (proliferative) cell lines, which are derived from spontaneous murine mammary tumors. The ability of radiation to awaken dormant D2.0R mammary cancer cells was assessed in a 3-dimension (3D) cell culture system, which resulted in the formation of microspheres of cancer cells. The addition of prostaglandin E 2 (PGE2 ; 100ng/m1) or conditioned media from irradiated (5 Gy) CALU-3 human bronchial epithelial cells stimulated the proliferation of the dormant D2.0R cells resulting in microspheres with a larger diameter compared to the untreated cells. Regarding the proliferative D2A1 microspheres, their rate of proliferation was not further increased by adding PGE2 or the conditioned media of irradiated CALU-3 cells. In Balb/c mice bearing dormant lung D2.0R micrometastases, our data showed that a fractionated radiation dose (5x7.5 Gy) to the mammary gland resulted in a significant increase in the development of metastases, as measured 42 days post-irradiation by bioluminescent reaction. We also evaluated whether a bacterial infection could stimulate the growth of D2A1 cancer cells. Gram-negative bacteria release the lipopolysaccharide (LPS) that induces an inflammatory response. In lungs of mice treated with LPS, a higher level of interleukin-1? (IL-1?) was measured supporting the induction of an inflammation. This was accompanied by an increase of cell adhesion molecules (VCAM-1 and ICAM-1) 5 hours after treatment. The ability of LPS mediated-inflammation to stimulate the quantity and size of the proliferating D2A1 lung metastases was also demonstrated by optical imaging. In aged mice, a significant increase in total surface area covered by the lung metastases was measured as well as a tendency to have more numerous metastases. Conversely, no difference in tumor size or quantity was observed in young mice, which nevertheless had increased expression in pro-inflammatory mediators and adhesion molecules. In conclusion, our study demonstrated that inflammation increases the awakening of dormant D2.0R microspheres in a 3D in vitro model, while in mice treated with LPS, an age-dependent stimulation of the proliferation and number of D2A1 lung metastases was measured.