An integrated approach to melanoma metastasis and therapy resistance: effects of age-related changes in the ECM and the biomechanics of the skin

项目摘要 微环境在黑色素瘤的发展中起着独特的作用，黑色素瘤发生在皮肤中。皮肤 显示外部可见的老化迹象，如弹性降低和胶原蛋白完整性丧失。 多 最近的工作集中在胶原蛋白的变化如何影响肿瘤转移，包括生物力学和 生物化学 几个研究小组的数据表明，基质成纤维细胞和 转化的黑素细胞对于侵袭、黑色素瘤生长、甚至治疗抗性是重要的。 我们 蛋白质组学分析表明，用于交联胶原的因子，如HAPLN 1由年轻人分泌， 而不是老化的真皮成纤维细胞，并且Wnt 5A由老化的而不是年轻的成纤维细胞分泌。 的相互作用 这些分子之间的相互作用可能导致胶原完整性的年龄相关变化。 我们假设 由细胞外基质（ECM）中与年龄相关的改变调节的变化启动或促进了细胞外基质（ECM）中的促凋亡蛋白（pro-apoptotic protein， 转移程序和影响治疗抵抗力。 我们将质疑老化皮肤的生物化学和建筑贡献在治理 黑色素瘤的转移进展以及对靶向治疗的抗性。我们提出另一种理论 假设增加硬度将对转移瘤具有非线性效应， 进展和治疗抗性。 我们将使用病理生理相关的体外三维基质系统（3D 皮肤重建），黑色素瘤的动物模型，一种新的同时多通道免疫荧光 福尔马林固定和石蜡包埋（FFPE）的人组织队列的SMIA分析与 定制的新软件，用于批量分析和采集SMIA生成的图像，单个 分子RNA成像加上高通量单细胞成像和测序，所有这些都将为 回到一个日益复杂的数学模型，以提高理解和更好的病人 个性化（即， 转移和药物治疗的功效）预测能力。 我们希望我们的数据将 揭示了老化微环境与 单一的肿瘤细胞，个别的方法无法破译。 这个团队项目涉及黑色素瘤转移，Wnt信号和衰老生物学专家 （Weeraratna）、单细胞RNA系统生物学（Raj）、肿瘤-间质相互作用和数字成像 定量分析（Cukierman）和计算和数学预测建模（Shenoy）。

Project Summary  The microenvironment plays a unique role in the development of melanoma, which arises in the skin. The skin  displays  externally  visible  signs  of  aging,  such  as  decreased  elasticity  and  a  loss  of  collagen  integrity.  Much  work has focused recently on how changes in collagen can affect tumor metastasis, both biomechanically and  biochemically.  Data  from  several  groups  indicate  that  the  cross-­talk  between  stromal  fibroblasts  and  transformed  melanocytes  is  important  for  invasion,  melanoma  growth,  and  even  therapy  resistance.  Our  proteomics analyses indicate that factors used to crosslink collagen, such as HAPLN1 are secreted by young,  but  not  aged  dermal  fibroblasts,  and  Wnt5A  is  secreted  by  aged,  but  not  young  fibroblasts.  The  interplay  between  these  molecules  may  contribute  to  age-­related  changes  in  collagen  integrity.  We  hypothesize  that  changes  regulated  by  age-­related  alterations  in  the  extracellular  matrix  (ECM)  initiate  or  promote  a  pro-­ metastatic program, and impact therapy resistance.     We  will  query  the  contribution  of  aged  skin  biochemical  and  architectural  contributions  in  governing  melanoma’s metastatic progression as well as resistance to targeted therapy. We propose an alternate theory  of  matrix  stiffness  that  hypothesizes  that  increasing  stiffness  will  have  a  non-­linear  effect  on  metastatic  progression, and therapy resistance.  We will use pathophysiologically relevant in vitro 3D stromal systems (3D  skin  reconstructions),  animal  models  of  melanoma,  a  novel  simultaneous  multi-­channel  immunofluorescent  analysis  (SMIA)  of  formalin-­fixed  and  paraffin  embedded  (FFPE)  human  tissue  cohorts  in  combination  with  a  customized  new  software  written  for  the  bulk  analysis  and  acquisition  of  SMIA-­generated  images,  single  molecule RNA imaging coupled with high-­throughput single cell imaging and sequencing, all of which will feed  back  into  an  increasingly  intricate  mathematical  modeling  for  improved  understanding  and  better  patient  personalized  (i.e.,  metastatic  and  efficacy  of  drug  treatment)  prediction  capabilities.  We  expect  our  data  will  reveal  a  synergistic  picture  of  the  mechanochemical  interactions  between  the  aged  microenvironment  and  singular tumor cells that the individual approaches could not have deciphered.     This  team  project  involves  experts  in  the  biology  of  melanoma  metastasis,  Wnt  signaling  and  aging  (Weeraratna),  single  cell  RNA  systems  biology  (Raj),  tumor-­stromal  interactions  and  digital  imaging  quantitative analyses (Cukierman) and computational and mathematical predictive modeling (Shenoy).