German Title: Tumor-sekretierte Faktoren induzieren Herzatrophie und beeinflussen den Herzstoffwechsel in Krebskachexie

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Abstract

Cancer cachexia affects the majority of patients suffering from advanced cancers, thereby reducing response to cancer treatment, quality of life and survival. Despite the tremendous research in the cancer cachexia field, the etiology remains elusive and cachexia still represents an unmet medical need as preventive or therapeutic approaches are lacking. While skeletal muscle and adipose tissue have been studied extensively in this context, the impact of cancer cachexia on other peripheral organs remains mostly unknown. Therefore, the present study investigated the impact of cancer-related cachexia on the cardiac muscle and the role of tumor-secreted factors in this context. By using the cachectic Colon-26 (C26) allograft and the adenomatous polyposis coli (APC) mouse model for colorectal cancer it was shown that cardiac performance was impaired in the course of cachexia. This was associated with reduced expression of genes encoding for contractile proteins, but not an increase in fibrosis. In addition, cachectic mice developed atrophy resulting from a reduction in cardiomyocyte size which was primarily mediated through autophagy. In contrast to previous studies in skeletal muscle, activation of the ubiquitin-proteasome system was not detected. Additionally, the non-cachectic mouse colon 38 (MC38) allograft model did not show any alterations in heart function, size or gene expression. To identify cell-specific molecular changes in cardiomyocytes, an in vitro model was established where primary cardiomyocytes were exposed to conditioned medium from cachexia- or non-cachexia-inducing cells. Similar to the observations in cachectic animals, primary cardiomyocytes treated with conditioned medium from C26 cells developed atrophy. Gene expression analysis of hearts from the C26-bearing mice and of primary mouse cardiomyocytes treated with C26-conditioned medium revealed that cardiac fatty acid (FA) metabolism was altered under cachectic conditions. Transcription levels of genes encoding for proteins involved in FA transport and mitochondrial -oxidation were elevated, whereas expression of genes encoding for glucose transporters were reduced. Further analysis showed that triglyceride storage in both hearts and primary cardiomyocytes was diminished, and functional analysis by metabolic flux analysis revealed that palmitate-driven -oxidation and uncoupling capacity were increased under cachectic conditions. The results obtained from the established in vitro model suggested that the cachexia-induced effects on the heart were mediated by tumor-secreted factors in a cell autonomous manner. Therefore, an unbiased differential secretome analysis of C26 cells combined with high-throughput cardiomyocyte phenotyping was performed to define a set of tumor-secreted mediators with cachexia-inducing capacities. A signature of seven “cachexokines” was sufficient to mediate atrophy and aberrant FA metabolism in primary cardiomyocytes. The most promising candidate amongst these seven was Ataxin10 which showed elevated serum levels in cachectic mice.

Taken together, this study demonstrates that cardiac dysfunction is an understudied clinical feature of cancer cachexia and that alterations in FA metabolism represent a distinct feature of the cachectic heart. In addition, this study provides an unbiased and functional screening setup for the investigation of tumor-secreted factors with cachexia-inducing capacity and delivers a new therapeutic starting point.

Translation of abstract (German)

Patienten mit Krebs im fortgeschrittenen Stadium entwickeln sehr häufig Kachexie, wodurch Therapieerfolg, Lebensqualität und Überlebensrate herabgesetzt werden. Trotz intensiver Forschung im Bereich der Krebskachexie bleiben die Ursachen weitgehend unbekannt, wodurch es bisher keine effektiven Behandlungsmethoden gibt. Während der Einfluss von Krebskachexie auf den Skelettmuskel und das Fettgewebe umfangreich untersucht wurde, ist sehr wenig über die Auswirkungen auf andere Organe bekannt.

In diesem Projekt wurde untersucht, wie sich Krebskachexie auf das Herz auswirkt und welche Tumor-sezernierten Faktoren das Herz beeinflussen. Durch Untersuchungen an zwei Mausmodellen für kolorektalen Krebs (Colon-26 (C26) Allotransplantatmodell und adenomatöses Polyposis Coli (APC) Modell), die Kachexie entwickeln, wurde gezeigt, dass sich die Herzfunktion im Krankheitsverlauf schrittweise verschlechtert. Dies war mit einer verminderten Genexpression kontraktiler Proteine verbunden, während eine Herzfibrose nicht nachgewiesen werden konnte. Die kachektischen Mäuse entwickelten Herzatrophie, die aus einer Autophagie-induzierten Verkleinerung der Herzmuskelzellen resultierte. Eine Aktivierung des Ubiquitin-Proteasom-Systems, wie sie für die Kachexie-induzierte Skelettmuskelatrophie beschrieben wurde, konnte für das Herz nicht gezeigt werden. Im Gegensatz zu den kachektischen C26- und APC- Modellen wies ein Mausmodell für kolorektalen Krebs (Mouse Colon 38 (MC38) Allotransplantatmodell), das keine Kachexie entwickelt, keine Veränderungen in Herzfunktion, -größe und -Genexpression auf. Um Herzmuskelzell-spezifische molekulare Veränderungen zu identifizieren, wurden primäre Kardiomyozyten mit konditioniertem Medium von Kachexie- und Nicht-Kachexie-auslösenden Zellen behandelt. In Übereinstimmung mit dem C26-Mausmodell entwickelten auch primäre Kardiomyozyten, die in C26-konditioniertem Medium gehalten wurden, Atrophie. Genexpressionsanalysen von C26-Mausherzen und mit C26-Medium behandelten Kardiomyozyten zeigten, dass der Fettsäurestoffwechsel verändert war. Die Transkriptionslevel von Genen, die für Proteine codieren, die am Fettsäuretransport und mitochondrialer -Oxidation beteiligt sind, waren erhöht, während die Expression von Genen, die für Glukosetransporter codieren, herunterreguliert waren. Zusätzlich waren die Triglyzeridspiegel sowohl in Herzen als auch in primären Kardiomyozyten reduziert. Funktionelle Untersuchungen zeigten weiterhin, dass die Palmitinsäure-getriebene -Oxidation und die Entkopplungskapazität unter kachektischen Bedingungen erhöht waren. Die in-vitro-Daten wiesen darauf hin, dass die Kachexie-induzierten Veränderungen des Herzens durch von den Tumorzellen sezernierte Faktoren vermittelt wurden. Deshalb wurde eine Sekretomanalyse der C26-Zellen, der eine Hochdurchsatz-Phänotypisierung folgte, durchgeführt. Sieben Faktoren waren in der Lage, sowohl Atrophie als auch Fettsäurestoffwechsel-Störungen in primären Kardiomyozyten zu induzieren. Der vielversprechendste Kandidat war Ataxin10, welcher in erhöhter Konzentration im Serum der Kachexie-Mäuse nachgewiesen wurde.

Es konnte gezeigt werden, dass die kardiale Dysfunktion ein bisher medizinisch unterschätztes Merkmal der Krebskachexie darstellt und dass Störungen im Fettsäurestoffwechsel ein Hauptcharakteristikum des kachektischen Herzens ist. Zusätzlich liefert dieses Projekt einen funktionellen Untersuchungsaufbau, der es ermöglicht, die Kachexie-induzierende Fähigkeit von Tumor-sezernierten Faktoren zu analysieren und damit einen neuen Ansatzpunkt für Therapien liefert.