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

黑色素瘤转移和治疗耐药性的综合方法：ECM 和皮肤生物力学与年龄相关变化的影响

• 批准号: 10574507
• 负责人: Edna Cukierman
• 金额: $ 51.03万
• 依托单位: JOHNS HOPKINS UNIVERSITY
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2019-02-15 至 2025-01-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10574507
• 关键词: 3-Dimensional; Affect; Age; Aggressive behavior; Aging; Animal Model; Architecture; Back; Basic Science; Biochemical; Biological Assay; Biological Markers; Biology; Biomechanics; Biomedical Engineering; CRISPR/Cas technology; Cell Line; Cell Shape; Cells; Clinical; Collagen; Complex; Computer Models; Computer software; Coupled; Data; Dermal; Development; Disease; Drug Tolerance; Drug resistance; Elasticity; Elderly; Extracellular Matrix; Feedback; Fibroblasts; Formalin; Gene Expression Profile; Genetic; Growth; Human; Image; Imaging technology; In Situ; In Vitro; Incidence; Individual; Intervention; Invaded; Malignant Neoplasms; Mathematics; Mechanics; Melanoma Cell; Metastatic Melanoma; Modeling; Neoplasm Metastasis; PTK2 gene; Paraffin Embedding; Patients; Pharmacotherapy; Play; Protein-Lysine 6-Oxidase; Proteins; Proteomics; RNA; Resistance; Role; Sampling; Signal Pathway; Signal Transduction; Signaling Molecule; Skin; Skin Aging; Stromal Neoplasm; System; Systems Biology; Testing; Transgenic Mice; WNT Signaling Pathway; Work; Writing; age effect; age related; aged; aging population; cell age; cellular imaging; cohort; computational network modeling; computer studies; crosslink; digital imaging; drug efficacy; human tissue; imaging study; improved; in vivo; in vivo Model; intravital microscopy; mathematical model; melanocyte; melanoma; mortality; neoplastic cell; novel; patient derived xenograft model; predictive modeling; programs; quantitative imaging; reconstruction; rho; second harmonic; single molecule; targeted treatment; theories; tumor

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).

项目摘要 微环境在皮肤中产生的黑色素瘤的发育中起着独特的作用。皮肤 显示外部可见的衰老迹象，例如弹性降低和胶原蛋白完整性的丧失。很多 最近的工作重点是胶原蛋白的变化如何影响肿瘤转移，无论是生物力学和 生化。来自几个组的数据表明，基质成纤维细胞和 转化的黑素细胞对于侵袭，黑色素瘤生长甚至耐药性很重要。我们的 蛋白质组学分析表明，用于交叉链接胶原蛋白（例如HAPLN1）的因素分析是由Young分泌的 但不是老化的皮肤成纤维细胞，Wnt5a被老化，但不是年轻的成纤维细胞分泌。相互作用 这些分子之间可能导致胶原蛋白完整性与年龄相关的变化。我们假设这一点 受年龄相关的细胞外基质（ECM）的变化所调节的变化，或促进促进 转移计划和影响治疗抗性。   我们将询问老年皮肤生化和建筑贡献的贡献 黑色素瘤的转移性进展以及对靶向疗法的抵抗力。我们提出了另一种理论 矩阵刚度的假设，即增加刚度将对转移产生非线性影响 进展和耐药性。我们将使用与病理生理相关的体外3D基质系统（3D） 皮肤重建），黑色素瘤动物模型，一种新型的同时多通道免疫荧光。 福尔马林固定和石蜡嵌入（FFPE）人体组织队列的分析（SMIA）与A结合 定制的新软件为SMIA生成的图像的批量分析和获取，单个 分子RNA成像，加上高通量单细胞成像和测序，所有这些都将进食 回到越来越复杂的数学建模，以提高理解和更好的患者 个性化（即药物治疗的转移性和有效性）预测能力。我们希望我们的数据将 揭示了老化的微环境与 单个接近的奇异肿瘤细胞无法解剖。   该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 - 层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）。