Myeloische Zellen in der HPV-getriebenen penilen Karzinogenese

Abstract

Das Peniskarzinom (PeCa) zählt zu den seltenen malignen Tumorerkrankungen und ist häufig mit Infektionen humaner Papillomviren (HPV) assoziiert. Obwohl das Tumormikromilieu (tumor microenvironment, TME) zunehmend Bedeutung in der onkologischen Forschung und Therapie gewinnt, sind die Wechselwirkungen zwischen Tumor-, Stroma- und Immunzellen sowie die kritischen Signalweghierarchien bislang nur unzureichend erforscht. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Interaktionen zwischen HPV-positiven penilen Tumorzellen und Granulozyten zu untersuchen und relevante aktivierte Signalwege zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden die HPV-positiven penilen Tumorzelllinien P2, L2 und L3 sowohl in 2D- als auch in 3D-Kulturmodellen mit Granulozyten kultiviert. Die organotypischen 3D-Kulturen ermöglichen einen Nachbau der 3D-Architektur des TME und damit die räumliche und zeitliche Darstellung der Immunzell-Immigration. Mittels immunhistochemischer und immunfluoreszenzbasierter Färbungen wurde die Aktivierung tumorprogressionsfördernder Signalwege, wie AKT, ERK, p38 MAPK und STAT3, untersucht. Diese Forschungsarbeit liefert erste Anhaltspunkte für das Migrationsverhalten der Neutrophilen im penilen TME sowie die Aktivierung von Tumor- und Immunzellen. Neutrophile immigrierten insbesondere in organotypische 3D-Kulturen von HPV-positiven Tumorzellen mit ausgeprägter Expression viraler Onkoproteine. Deren gesteigerte Aktivität generiert eine Zytokinkonstellation, welche effektiv die Chemotaxis der Neutrophilen begünstigt. Darüber hinaus konnte die Aktivierung der Signalwege sowohl in Granulozyten als auch in benachbarten Tumorzellen nachgewiesen werden, wobei Aktivierungsmarker wie pERK und pp38 MAPK teils in Neutrophilen, teils in Tumorzellen phosphoryliert vorlagen. Aus der Literatur ist die Bildung heterotypischer Aggregate aus Tumorzellen und Neutrophilen bekannt. Diese Interaktion von Tumor- und Immunzellen führt zu einer Reaktivierung ruhender Tumorzellen und schützt diese vor einer möglichen Immunüberwachung im TME und der Zirkulation. Aufgrund der vorliegenden Daten ist anzunehmen, dass der HPV-getriebenen penilen Karzinogenese vergleichbare Mechanismen zugrunde liegen. Diese Arbeit hat gezeigt, dass anspruchsvollere Zellkulturmodelle mit einer realistischeren 3D-Darstellung der TME-Architektur die Erarbeitung relevanter Mechanismen der PeCa-Pathogenese ermöglichen. Folgeversuche mit einer größeren Stichprobe sowie ein Vergleich mit Gewebeproben über Gewebemikroarrays mit klinisch-pathologischen Kontextdaten sind notwendig, um die Relevanz der identifizierten Marker zu überprüfen. Aufgrund der begrenzten Ressourcen zum PeCa ist ein Vergleich mit anderen HPV-assoziierten Tumorentitäten, wie dem Zervixkarzinom oder Kopf Hals-Tumoren, sinnvoll. Die Interaktionen zwischen PeCa-Zellen und Immunzellen folgen einer komplexen räumlich-zeitlichen Dynamik, deren vollständige Aufklärung weiterführende systematische Untersuchungen erfordert. Mit der Identifizierung vielversprechender Kandidaten legt die vorliegende Arbeit hierfür eine fundierte Grundlage und eröffnet neue Perspektiven für zukünftige translational orientierte Forschungsansätze.

Penile cancer (PeCa) is a rare genitourinary malignancy, frequently associated with human papillomavirus (HPV) infection. Despite growing interest in the tumor microenvironment (TME) as a critical factor in cancer research and therapy, the interplay between tumor, stromal, and immune cells, as well as the hierarchy of key signaling pathways, remains poorly understood. This study aimed to investigate the interactions between HPV-positive penile tumor cells and granulocytes with a focus on identifying relevant activated signaling pathways. Therefore, the HPV-positive penile tumor cell lines P2, L2, and L3 were co-cultured with granulocytes in 2D and 3D culture models. Organotypic 3D cultures can replicate the three-dimensional architecture of the TME, thereby enabling spatial and temporal visualization of immune cell infiltration. Immunohistochemical and immunofluorescence staining were performed to analyze the activation of tumor-promoting signaling pathways, such as AKT, ERK, p38 MAPK, and STAT3. Our results provide initial evidence for neutrophil migration within the penile TME as well as the activation of tumor and immune cells. Neutrophils particularly migrated into organotypic 3D cultures of HPV-positive tumor cells expressing high levels of viral oncogenes. Increased activity of these viral oncogenes results in a cytokine milieu that effectively promotes neutrophil chemotaxis. Furthermore, activation of key signaling pathways was detected in granulocytes and adjacent tumor cells, with activation markers such as pERK and pp38 MAPK partly phosphorylated in both cell types. Heterotypic aggregates of tumor cells and neutrophils have been described in the literature, reactivating dormant tumor cells and protecting them from immune surveillance within the TME and the circulation. Our data suggest that similar mechanisms may contribute to HPV-driven penile carcinogenesis. This study demonstrates that advanced 3D culture models, which more accurately recapitulate TME architecture, facilitate the elucidation of key mechanisms in PeCa pathogenesis. Follow-up studies with larger sample sizes, as well as comparisons with tissue specimens via tissue microarrays including clinicopathological data, are needed to validate the relevance of the identified markers. Due to the limited data available for PeCa, comparisons with other HPV-associated malignancies, such as cervical cancer or head and neck squamous cell carcinoma, could yield valuable insights. The interactions between PeCa cells and immune cells follow a complex spatiotemporal dynamic, whose full characterization requires further systematic investigation. By identifying promising signaling pathways, this study provides a solid foundation for future translational research and opens new avenues for targeted therapeutic strategies.