Адгезия клеток и жесткость матрикса

Gkretsi V and Stylianopoulos T (2018) Cell adhesion and matrix stiffness: coordinating cancer cell invasion and metastasis. Front. Oncol. 8:145.

doi: 10.3389/fonc.2018.00145

Аббревиатуры

3D, three dimensional; CAF, cancer-associated fibroblasts; CTC, circulating tumor cell; ECM, extracellular matrix; EMT, epithelial to mesenchymal transition; ERK, extracellular signal-regulated kinase; FAK, focal adhesion kinase; FLNA, filamin A; FOXC2, forkhead box protein C2; ILK, integrin-linked kinase; LOX, lysyl oxidase; MDSC, myeloid-derived suppressor cell; MMP, matrix metalloproteinase; MSC, mesenchymal stem cell; PARVA, parvin alpha; PARVB, parvin beta; PARVG, parvin gamma; PI3K, phosphatidylinositide 3-kinase; PINCH, particularly interesting new cysteine-histidine rich protein; RSU-1, Ras suppressor-1; ROCK, Rho-associated protein kinase; SMA, smooth muscle actin; STAT, signal transduced and activator of transcription; TGF-β, transforming growth factor-β; TNF-α, tumor necrosis factor-α; VASP, vasodilator-stimulated phosphoprotein; ZEB1/2, zinc finger E-box-binding homeobox.

Введение

Раковые клетки претерпевают определенные фундаментальные изменения с точки зрения клеточной физиологии для достижения злокачественного фенотипа. Они приобретают самодостаточность в сигналах роста, нечувствительность к рост-ингибиторным сигналам, неограниченный репликативный потенциал, уклонение от апоптоза, устойчивый ангиогенез и способность к инвазии тканей, что позволяет им метастазировать в отдаленные области организма (1, 2). Фактически, последний является уникальным «признаком рака», который дифференцирует доброкачественные и злокачественные опухоли и действительно определяет рак (3).

Метастазирование — сложный процесс, при котором раковые клетки распространяются из первичной области в другие органы. Он состоит из нескольких этапов и вовлечения внеклеточного матрикса (ЕСМ), и цитоскелет бесспорен. Во время этого процесса злокачественные клетки отделяются от исходной опухолевой массы, перестраивают свое крепление к ЕСМ через альтерации в динамике клетка-ЕСМ адгезии, и начинают разрушать окружающий ЕСМ, чтобы, в конечном итоге, пересечь соседние ткани и/или интравазировать в кровеносные сосуды и перемещаться через циркуляцию в отдаленные области (4). Формирование метастатической опухоли в новом месте не случайно, а скорее похоже на паттерн, известный как «метастатический тропизм». Раковые клетки, которым удалось выжить в циркуляции, находят метастатическую нишу, которая на основании теория «семени и почве», пригодна для их роста (5–7). Следовательно, некоторые типы рака метастазируют в соответствии с характером кровообращения или анатомической близостью соседних органов или микроокружением организма-хозяина. Например, рак молочной железы преимущественно метастазирует в кости, печень, легкие и мозг, рак простаты — в кости, рак поджелудочной железы, метастазирует, главным образом,  в легкие и печень (6–8). Примечательно, что биофизические и биохимические сигналы от опухолевого ECM влияют на каждый из «признаков рака» (9) и контролируют клеточно-клеточные и клеточно-матриксные адгезии, которые, в свою очередь, определяют инвазию и метастазирование раковых клеток (7). Таким образом, интегрины, протеины ЕСМ-ассоциированной адгезии, и протеины межклеточной адгезии играют очень важную роль в регуляции различных стадий метастазирования и определяют агрессивность раковых клеток (10).

Протеины клеточно-клеточной и клеточно-ЕСМ адгезии в метастазировании раковых клеток

Раковые клетки способны инвазировать в окружающий ЕСМ в виде отдельных клеток или в виде движущихся вместе групп клеток, в зависимости от того, полностью или частично утрачены межклеточные адгезивные протеины, такие как Е-кадгерин, в исходной опухоли, соответственно. (11). Хотя интегрин-независимая миграция также была описана (12), считается, что оба способа инвазии сильно зависят от интегрин-опосредуемой адгезии к ЕСМ, тогда как коллективная инвазия также требует динамической клеточно-клеточной адгезии, так что потеря межклеточных соединений становится достаточным для вторжения. Таким образом, экспрессия Е-кадгерина или его локализация в межклеточных соединениях часто утрачивается в распространенных формах рака и связана с более высокой частотой метастазирования (11).

Однако фактический результат с точки зрения инвазии, в конечном итоге, зависит от баланса между E-кадгерин-опосредованной адгезией и интегриновой клеточно-матриксной адгезией (11). Интегрины связывают ECM с внутренней частью клетки, передающей внеклеточные сигналы путем ассамблеи множествнных протеиновых комплексов, которые действуют как адаптерные протеины, и также имеют сильные связи с актиновым цитоскелетом (10). Существует более 180 клеточно-ЕСМ протеинов, формирующих сети межпротеиновых взаимодействий в местах клеточно-ЕСМ адгезии, которые вместе составляют так называемую адгезому клетки (13). Критические детерминанты в клеточно-ECM адгезиях, которые также прямо или косвенно связывают ECM с актиновым цитоскелетом, включают талин, паксиллин, киндлины, винкулин, интегрин-связанную киназу (integrin-linked kinase, ILK), парвины [парвин α (PARVA), парвин β и парвин γ], особенно интересны новый цистеин-гистидин-обогащенный протеин (PINCH) -1, Ras Супрессор-1 (Ras suppressor-1, RSU-1), вазодилататор-стимулированный фосфопротеин (vasodilator-stimulated phosphoprotein, VASP) и взаимодействующий с ним Мигфилин (Migfilin) (14) и α-актинин (α-actinin) (15–17). В случае интегрина также активируются протеиновая тирозинкиназа Src и киназа фокальной адгезии (focal adhesion kinase, FAK), способствующие дальнейшим изменениям цитоскелета, а также активации нижестоящих сигнальных путей, витальных для клеточной адгезии, пролиферации, выживания, миграции и инвазии (Figure 1) (18). Малые Rho GTPases, Rho, Rac и Cdc42, а также Rho-ассоциированная протеинкиназа (Rho-associated protein kinase, ROCK) являются такими нижестоящими эффекторами, которые, как известно, координируют реорганизацию цитоскелета и миграцию клеток. Большинство этих компонентов клеточно-ЕСМ адгезии значительно дерегулируются в большинстве типов рака, причем их экспрессия связана с более высоким метастатическим потенциалом или более низкой выживаемостью (19–26). Кроме того, повышенные уровни RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Cdc42 и ROCK наблюдаются в опухолях поздних стадий и метастазах с прогностической значимостью для рака молочной железы (27, 28). Это предполагает сильное участие молекул клеточно-ЕСМ адгезии в метастазировании раковых клеток, хотя точные молекулярные механизмы могут быть различными в зависимости от типа клетки, локализации или злокачественности опухоли. Фактически, раковые клетки могут отличаться по способам инвазии, и, следовательно, каждый раз активируется другой молекулярный механизм (29, 30). Например, Rho сигналинг через ROCK промотирует округлый пузырек-ассоциированный способ подвижности, тогда как подвижность удлинением клеток связана с Rac-зависимыми F-актин-обогащенными протрузиями, и не требует участия Rho или ROCK (30).

Потеря межклеточной адгезии и эпителиально-мезенхимальный транзит (EMT)

Все вышеописанные изменения в компонентах клеточно-клеточной и клеточно-матриксной адгезии важны для отделения раковых клеток от исходной опухоли и инвазии через окружащие ткани и способствуют «эпителиально-мезенхимальному  транзиту» (epithelial to mesenchymal transition, EMT). EMT обозначает переход поляризованных эпителиальных клеток в клетки с мезенхимальными свойствами, которые позволяют им метастазировать. Таким образом, в процессе EMT эпителиальные клетки перестраивают свой цитоскелет, отделяются друг от друга и начинают экспрессировать мезенхимальные гены. Эти гены могут значительно отличаться в разных клетках и тканях, но существуют определенные транскрипционные факторы, такие как TWIST1/2, SNAIL1/2, zinc finger E-box-binding homeobox и forkhead box protein C2, которые необходимы для EMT в каждом случае (37-40). Фактически предположено, что EMT-активирующие транскрипционные факторы обладают плейотропными функциями, действующими на всех стадиях развития рака от инициации до метастазирования (41). Кроме того, некоторые цитокины, такие как трансформирующий фактор роста-β (TGF-β), фактор некроза опухоли-α и интерлейкин-6, а также ECM протеины, такие как коллаген I, фибронектин и гиалуронан, играют решающую роль в EMT в различных опухолях. (37). Примечательно, что было обнаружено, что несколько типов раковых клеток приобретают более мезенхимально-подобный фенотип, который также коррелирует с их резистентностью к цитотоксическим препаратам (38, 42), демонстрируя связь между EMT и противоопухолевой терапией. Кроме того, экспрессия маркеров EMT была также обнаружена в циркулирующих опухолевых клетках (circulating tumor cells, CTC), которые являются основополагающими для метастатического процесса. Эти маркеры облегчают детекцию CTC, а также дают более глубокое понимание диагностики, лечения и прогноза опухолей (43).

В целом, текущие исследования продемонстрировали сложность EMT процесса, который поднимает важные и волнующие вопросы для будущих исследований (41).

Фигура 1. Схематическое представление критических протеин-протеиновых взаимодействий в области адгезии клетка-внеклеточный матрикс (ECM) в раковых клетках, выращенных в условиях низкой (слева) и высокой (справа) жесткости. Несколько важных протеиновых комплексов формируются на локусах клетка-ЕСМ, которые жизненно важны для нормальной функции клеток. Более специфично, интегрин-связанная киназа (ILK) соединена с цитоплазматическим доменом интегринов, а также взаимодействует с цистеин-гистидин-обогащенным протеином PINCH-1 (particularly interesting new cysteine–histidine rich protein 1) и парвином-α (PARVA), образуя стабильный тройной комплекс при клеточно-ECM адгезиях, известный как PIP (PINCH-ILK-PARVA) или IPP (ILK-PINCH-PARVA) комплекс (31). PARVA, в свою очередь, напрямую связывается с актином, соединяющим комплекс с цитоскелетом клетки. Также было показано, что ILK взаимодействует с Кидлином-2 (Kindlin, также известным как митоген-индуцибельный ген-2 или Mig-2), который вновь формирует протеиновый комплекс с Мигфилином (Migfilin) и филамином (filamin A, FLNA) (32), актин-сшивающим протеином. Интересно, Migfilin взаимодействует со вазодилататор-стимулируемым фосфопротеином (VASP) (14), регулируя миграцию клеток. Не менее важным является взаимодействие интегринов с талином (33) и паксиллином, которые, в свою очередь, связываются с киназой фокальной адгезии (FAK) (34), в то время как FAK связывается с Src (35), который также  взаимодействует с мигфилином, регулируя клеточно-ECM-опосредованную выживаемость (36). Обратите внимание, что все протеины клеточно-ЕСМ адгезии имеют прямую или косвенную связь с актиновым цитоскелетом, в то время как он активирует последущие эффекторы, такие как RhoGTPases, и матриксные металлопротеиназы (MMP), в конечном итоге, ведя к регуляции жизненно важных клеточных функций (пролиферации, выживания, миграции и инвазии). Примечательно, что условия с более высокой жесткостью связаны с заметным увеличением количества стресс-волокон, а также с увеличением миграции и инвазии.

Опухолевая микросреда и десмоплазия

Помимо раковых клеток и ECM, опухоли демонстрируют дополнительный аспект сложности, который объясняет гетерогенность, приписываемую им, и играет важную роль в метастазировании. Они содержат ряд якобы нормальных клеток, которые составляют «микроокружение опухоли» (1, 44). Следовательно, структурными компонентами микроокружения опухоли являются опухолевые кровеносные и лимфатические сосуды и стромальные клеточные типы, которые можно подразделить на три категории: (а) ангиогенные сосудистые клетки, которые включают эндотелиальные клетки и перициты, (б) инфильтрирующие иммунные клетки, которые включают тромбоциты, тучные клетки, нейтрофилы, воспалительные моноциты, супрессорные клетки миелоидного происхождения (45), макрофаги (46), CD8+ T-клетки, NK T-клетки, CD4+ T-клетки (47) и B-клетки и (c) канцер-ассоциированных фибробластные (CAF) клетки, которые включают активированные тканевые фибробласты, активированные адипоциты, α-гладкомышечный актин (α-SMA)-позитивные миофибробласты и мезенхимальные стволовые клетки (48). Как и ожидалось, точный состав микроокружения опухоли варьирует в зависимости от типа опухоли и ее расположения, что оправдывает наблюдаемую неоднородность среди опухолей, делая каждую опухоль уникальной.

ECM является фундаментальной составляющей микросреды опухоли, который тесно взаимодействует с раковыми клетками для трансмиссии сигналов внутрь клетки и из нее через интегрины (10), а также обеспечивает необходимыми факторами роста для экспансии опухоли (49). Более того, повышенная регуляция ECM ремоделирующих молекул, таких как TGF-β, считается ответственной за развитие десмоплазии в опухолях (50). Десмоплазия — это интенсивный фиброзный ответ, характеризующийся образованием плотного ЕСМ, состоящего из повышенных уровней общего фибриллярного коллагена, фибронектина, протеогликанов и тенасцина С, которые аккумулируются в опухоли. Это связано с повышенной продукцией и секрецией провоспалительных и онкогенных факторов роста, а также характеризуется аномально большой популяцией стромальных клеток. Более того, большой процент тканевых фибробластов трансформируется в CAF, которые содержат высокие уровни α-SMA. Следовательно, предполагается, что TGF-β активирует фибробласты для конверсии в CAF, которые, в свою очередь, продуцируют больше ECM волокон, что приводит к десмоплазии (50). Кроме того, молекулы, которые перестраивают ECM, такие как матриксные металлопротеиназы и лизилоксидаза, также являются критическими для развития десмоплазии (51). В совокупности десмопластические опухоли считаются более агрессивными и, фактически, связаны с худшим прогнозом при некоторых типах рака (52, 53).

Роль жесткости опухоли в инвазии и метастазировании раковых клеток

Далее идет текст с не очень качественным переводом. Исправлю в течение нескольких дней

Десмоплазия тесно связана с плотностью опухолей, которая, пожалуй, является единственным механическим свойством опухолей, которое врачи могут по-настоящему оценить. Жесткость, которая определяет, насколько жесткий материал или степень, в которой материал сопротивляется деформации в ответ на приложенное усилие (54), зависит от состава и организации структурных компонентов материала и описывает степень, в которой он деформируется в реакция на приложенную силу или величину развитой силы, когда материал подвергается определенной деформации. Следовательно, чем более жесткий материал, тем более устойчивым к деформациям и более склонным к развитию более высоких напряжений (то есть силы на единицу площади). В частности, в опухолях, которые, как известно, растут за счет ткани хозяина, напряжение, оказываемое опухолью на хозяина, должно уравновешивать взаимное напряжение, прикладываемое от хозяина к опухоли. Следовательно, возникающие напряжения в опухоли зависят от относительной жесткости между двумя тканями, и с биомеханической точки зрения необходимо, чтобы опухоль смещалась в ткани хозяина и увеличивалась в размерах (55, 56). Используя математическое моделирование, мы ранее оценили, что опухоли должны быть как минимум в 1,5 раза жестче, чем окружающие их нормальные ткани, в противном случае ограничение хозяина преобладает над ростом опухоли (57).

Как упоминалось ранее, жесткость опухоли в основном определяется количеством ECM, особенно коллагена и гиалуронана, содержащихся в опухоли. Учитывая тот факт, что внутренняя часть опухоли подвержена сжатию (58), ее жесткость в основном определяется гиалуронаном, который благодаря своим фиксированным отрицательным зарядам создает гидратированные гелеобразные области внутри опухоли, способные противостоять сжимающим напряжениям (59– 62). На периферии опухоли рост опухоли может реконструировать волокна коллагена и изменять их ориентацию в направлении окружности опухоли. В результате коллагеновые волокна могут растягиваться и создавать растягивающие напряжения. Следовательно, жесткость на периферии также должна зависеть от количества коллагена (63, 64).

Для исследования жесткости ECM раковые клетки обычно растут в трех измерениях (3D) в коллагене, гиалуронане или аналогичном геле, который имитирует ECM, и параметры, которые чаще всего изменяются для модуляции жесткости, представляют собой либо концентрацию геля, либо степень сшивания коллагена для гелей, которые содержат коллаген. Сфероиды раковых клеток также используются для изучения инвазии клеток через матрицу (65–70). Было показано, что увеличение жесткости ECM индуцирует злокачественный фенотип (71–73), характеризующийся родезависимым натяжением цитоскелета, что приводит к усилению межклеточной адгезии, нарушению межклеточных соединений и увеличению роста (69) (Figure 1) и фактически связано с активированный FAK и сигнализация киназы, регулируемая внеклеточным сигналом (69). Наконец, еще одним доказательством того, что жесткость играет решающую роль в метастазировании раковых клеток, являются данные доклинических исследований, показывающих, что нарушение целостности ECM опухоли останавливает метастазирование (74).

Клетки могут ощущать жесткость ECM через интегрины цитоскелетными филаментами, которые координируют миграцию клеток и вызывают изменения внутри клетки. Таким образом, более жесткий ECM может индуцировать выработку фибронектина, гликопротеина ECM, который связывается с одной стороны с внеклеточными коллагеновыми, фибриновыми и гепарансульфатными протеогликанами и с другой стороны с интегринами. Усиление ECM также может усиливать клеточно-ECM-адгезии, которые соединяют ECM с цитоскелетом через белки локальной адгезии, и увеличивают напряжение цитоскелета посредством активации передачи сигналов Rho/ROCK (69, 75). Поэтому кластеризация интегрина может инициировать рекрутирование сигнальных молекул фокальной адгезии, таких как FAK, ILK, PARVA, Src, paxillin, а также Rac, Rho и Ras, которые вызывают сократительную способность клеток и могут способствовать прогрессированию опухоли (Figure 1) (76, 77). Кроме того, усиление ЕСМ может усиливать активность фосфатидилинозитид-3-киназ, которая регулирует инвазию опухоли (78–80). Кроме того, было обнаружено, что адгезивный протеин клетка-ЕСМ RSU-1 значительно повышен в условиях повышенной жесткости в трехмерной системе культивирования на основе коллагена in vitro, в то время как сфероиды опухолей, сделанные из клеток, лишенных RSU-1, утратили свою инвазивную способность через трехмерную матрицу в любых условиях жесткости (65). Кроме того, отсутствие регулятора полимеризации актина VASP также ингибировало инвазию сфероида опухоли через матрицу увеличивающейся жесткости, что указывает на то, что как актиновый цитоскелет, так и клеточно-ECM адгезии играют основную роль в инвазии сфероида опухоли через 3D-матрицу (81), свойство in vitro, которое имитирует инвазия опухоли в реальной обстановке опухоли.

Кроме того, в опухолях поджелудочной железы с мутантом SMAD4 усиление матрикса было связано с повышенной активностью ROCK, что, в свою очередь, стимулировало повышенную продукцию ECM, сборку фокальных спаек и сигнального преобразователя, а также активатор передачи сигналов транскрипции-3 (STAT-3), стимулирующих прогрессирование опухоли. (82). Матричное усиление может также вызывать EMT, приводя к приобретению более агрессивного фенотипа, который способствует инвазии раковых клеток вследствие потери межклеточных спаек (83), и предполагается, что он вносит вклад в трансформацию раковых клеток в рак, похожий на стволовые клетки. клетки, которые могут выживать в суровых гипоксических условиях микроокружения опухоли, более устойчивы к цитотоксическим лекарствам и могут мигрировать и проникать через окружающие ткани (84).

Влияние солидного стресса на поведение раковых клеток

Следует отметить, однако, что, хотя жесткость ECM может быть связана с величиной солидного стресса, эти две величины различны, и, таким образом, одну не следует использовать для замены другой (85). Солидный стресс определяется как сила на единицу поверхности структурных компонентов ткани, которая может вызываться компрессией или растяжением материала, в то время как жесткость означает меру, которой ткань может противостоять деформациям или внешним воздействиям (54).

Различные экспериментальные процедуры были также разработаны для изучения влияния сильного стресса и жесткости ECM на поведение раковых клеток. Для изучения твердого стресса чаще всего используются трансмембранные устройства давления, сфероиды раковых клеток или их модификации. В устройствах с трансмембранным давлением клетки растут в виде одиночных клеток, встроенных в матрицу, или в виде монослоя на мембране с вставкой трансвелла, а поршень с регулируемым весом помещается сверху для приложения предварительно определенного напряжения (86–89). Этот метод был использован для изучения вызванных стрессом изменений в экспрессии генов, инвазии и миграции. В модели сфероида опухоли агрегаты раковых клеток образуют сфероиды, которые встроены в матрицу, имитирующую ECM опухоли, такую ​​как агароза, коллаген или матригель. Матрица оказывает внешнее воздействие на клетки, и соответствующие исследования фокусируются на влиянии сильного стресса на пролиферацию и апоптоз раковых клеток (87, 90–93). Однако этот метод ограничен тем, что приложенное матричным напряжением не может быть прямо измерено. При применении для сжатия раковых клеток солидный стресс может ингибировать пролиферацию, индуцировать апоптоз и увеличивать инвазивный и метастатический потенциал раковых клеток (87, 88, 90). Сжатый сплошной стресс может также активировать фибробласты, превращаясь в CAFs (аналогично TGF-β), что, в свою очередь, может способствовать не только развитию десмоплазии, но и инвазии раковых клеток в окружающие нормальные ткани (89, 94).

Заключительные замечания и перспективы

Клетки клеточно-ECM адгезии, актиновый цитоскелет и ECM жесткость, очевидно, играют главную роль в инвазии и метастазировании раковых клеток, участвуя практически во всех этапах метастатического процесса, от диссоциации клеток от исходной опухоли до инвазии через окружающий ECM до финальной стадии. шаг возвращения раковых клеток в новый сайт метастазирования. Для этого ECM соединяется через интегрины с клеточным адгезом в местах адгезии клетка-ECM, где происходят множественные белково-белковые взаимодействия, соединяющие ECM с актиновым цитоскелетом, так что ответ на внешние раздражители хорошо скоординирован. Фактически, сигналы от этих белков клеточной адгезии, по-видимому, имеют решающее значение для определения инвазивного потенциала раковых клеток, в то время как доказательства показывают, что они также могут оказаться мощными мишенями для ингибирования инвазии раковых клеток и, следовательно, метастазирования (65, 81). Более того, поскольку жесткость ECM также является движущей силой в метастазировании (72, 73), ее также необходимо учитывать при изучении метастазирования раковых клеток как in vitro, так и in vivo, чтобы попытаться лучше пересмотреть микроокружение опухоли физиологически значимым образом. , Таким образом, разработка соответствующих и физиологически релевантных систем in vitro необходима для определения молекулярных детерминант в процессе и открытия новых путей в открытии новых терапевтических кандидатов для блокирования метастазирования.

С другой точки зрения, твердый стресс является отличным параметром, который влияет на поведение раковых клеток и должен также учитываться в моделях опухолей in vitro. Кроме того, сильный стресс оказывается не только на раковые клетки, но и на эндотелиальные клетки, которые образуют опухолевые микрососуды. В результате кровеносные сосуды могут быть сжаты или полностью разрушены, создавая большие аваскулярные области внутри опухоли, вызывая таким образом гиперперфузию и гипоксию (58, 95), которые в конечном итоге подавляют системное введение лекарств в опухоли (55, 60) и могут способствовать прогрессирование опухоли несколькими путями (96). Примечательно, что последние данные in vivo показали, что модулирование микроокружения опухоли путем введения лекарств, которые снимают внутриопухолевый солидный стресс (таких как антифиброзные агенты), снижает механические стрессы, декомпрессирует сосуды опухоли и улучшает доставку лекарств от опухолей (60–62, 97), еще раз предполагая, что модуляция ECM имеет фундаментальное значение для биологии опухоли и терапии рака.

Литература

  1. Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell (2000) 100:57–70. doi:10.1016/S0092-8674(00)81683-9
  2. Hanahan D, Weinberg RA. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell (2011) 144:646–74. doi:10.1016/j.cell.2011.02.013
  3. Lazebnik Y. What are the hallmarks of cancer? Nat Rev Cancer (2010) 10:232–3. doi:10.1038/nrc2827
  4. Wei SC, Yang J. Forcing through tumor metastasis: the interplay between tissue rigidity and epithelial-mesenchymal transition. Trends Cell Biol (2016) 26:111–20. doi:10.1016/j.tcb.2015.09.009
  5. Mueller MM, Fusenig NE. Friends or foes – bipolar effects of the tumour stroma in cancer. Nat Rev Cancer (2004) 4:839–49. doi:10.1038/nrc1477
  6. Budczies J, von Winterfeld M, Klauschen F, Bockmayr M, Lennerz JK, Denkert C, et al. The landscape of metastatic progression patterns across major human cancers. Oncotarget (2015) 6:570–83. doi:10.18632/ oncotarget.2677
  7. Valastyan S, Weinberg RA. Tumor metastasis: molecular insights and evolving paradigms. Cell (2011) 147:275–92. doi:10.1016/j.cell.2011.09.024
  8. Barney LE, Jansen LE, Polio SR, Galarza S, Lynch ME, Peyton SR. The predictive link between matrix and metastasis. Curr Opin Chem Eng (2016) 11:85–93. doi:10.1016/j.coche.2016.01.001
  9. Pickup MW, Mouw JK, Weaver VM. The extracellular matrix modulates the hallmarks of cancer. EMBO Rep (2014) 15:1243–53. doi:10.15252/ embr.201439246
  10. Hynes RO. Integrins: bidirectional, allosteric signaling machines. Cell (2002) 110:673–87. doi:10.1016/S0092-8674(02)00971-6
  11. Canel M, Serrels A, Frame MC, Brunton VG. E-cadherin-integrin crosstalk in cancer invasion and metastasis. J Cell Sci (2013) 126:393–401. doi:10.1242/ jcs.100115
  12. Schmidt S, Friedl P. Interstitial cell migration: integrin-dependent and alternative adhesion mechanisms. Cell Tissue Res (2010) 339:83–92. doi:10.1007/ s00441-009-0892-9
  13. Horton ER, Humphries JD, James J, Jones MC, Askari JA, Humphries MJ. The integrin adhesome network at a glance. J Cell Sci (2016) 129:4159–63. doi:10.1242/jcs.192054
  14. Zhang Y, Tu Y, Gkretsi V, Wu C. Migfilin interacts with vasodilator-stimulated phosphoprotein (VASP) and regulates VASP localization to cell-matrix adhesions and migration. J Biol Chem (2006) 281:12397–407. doi:10.1074/jbc. M512107200
  15. Bottcher RT, Lange A, Fassler R. How ILK and kindlins cooperate to orchestrate integrin signaling. Curr Opin Cell Biol (2009) 21:670–5. doi:10.1016/j.ceb.2009.05.008
  16. Horton ER, Astudillo P, Humphries MJ, Humphries JD. Mechanosensitivity of integrin adhesion complexes: role of the consensus adhesome. Exp Cell Res (2016) 343:7–13. doi:10.1016/j.yexcr.2015.10.025
  17. Horton ER, Byron A, Askari JA, Ng DH, Millon-Fremillon A, Robertson J, et al. Definition of a consensus integrin adhesome and its dynamics during adhesion complex assembly and disassembly. Nat Cell Biol (2015) 17:1577–87. doi:10.1038/ncb3257
  18. Legate KR, Fassler R. Mechanisms that regulate adaptor binding to betaintegrin cytoplasmic tails. J Cell Sci (2009) 122:187–98. doi:10.1242/jcs.041624
  19. Cai HX, Yang LC, Song XH, Liu ZR, Chen YB, Dong GK. Expression of paxillin and FAK mRNA and the related clinical significance in esophageal carcinoma. Mol Med Rep (2012) 5:469–72. doi:10.3892/mmr.2011.664
  20. Chen D, Zhang B, Kang J, Ma X, Lu Y, Gong L. Expression and clinical significance of FAK, ILK, and PTEN in salivary adenoid cystic carcinoma. Acta Otolaryngol (2013) 133:203–8. doi:10.3109/00016489.2012.728295
  21. Gkretsi V, Papanikolaou V, Zacharia LC, Athanassiou E, Wu C, Tsezou A. Mitogen-inducible Gene-2 (MIG2) and migfilin expression is reduced in samples of human breast cancer. Anticancer Res (2013) 33(5):1977–81.
  22. Ozkal S, Paterson JC, Tedoldi S, Hansmann ML, Kargi A, Manek S, et al. Focal adhesion kinase (FAK) expression in normal and neoplastic lymphoid tissues. Pathol Res Pract (2009) 205:781–8. doi:10.1016/j.prp.2009.07.002
  23. Papachristou DJ, Gkretsi V, Rao UN, Papachristou GI, Papaefthymiou OA, Basdra EK, et al. Expression of integrin-linked kinase and its binding partners in chondrosarcoma: association with prognostic significance. Eur J Cancer (2008) 44:2518–25. doi:10.1016/j.ejca.2008.07.021
  24. Papachristou DJ, Gkretsi V, Tu Y, Shi X, Chen K, Larjava H, et al. Increased cytoplasmic level of migfilin is associated with higher grades of human leiomyosarcoma. Histopathology(2007)51:499–508.doi:10.1111/j.1365-2559.2007.02791.x
  25. Li R, Liu B, Yin H, Sun W, Yin J, Su Q. Overexpression of integrin-linked kinase (ILK) is associated with tumor progression and an unfavorable prognosis in patients with colorectal cancer. J Mol Histol (2013) 44:183–9. doi:10.1007/ s10735-012-9463-6
  26. Giotopoulou N, Valiakou V, Papanikolaou V, Dubos S, Athanassiou E, Tsezou A, et al. Ras suppressor-1 promotes apoptosis in breast cancer cells by inhibiting PINCH-1 and activating p53-upregulated-modulator of apoptosis (PUMA); verification from metastatic breast cancer human samples. Clin Exp Metastasis (2015) 32:255–65. doi:10.1007/s10585-015-9701-x
  27. Fritz G, Brachetti C, Bahlmann F, Schmidt M, Kaina B. Rho GTPases in human breast tumours: expression and mutation analyses and correlation with clinical parameters. Br J Cancer (2002) 87:635–44. doi:10.1038/sj.bjc.6600510
  28. Lane J, Martin TA, Watkins G, Mansel RE, Jiang WG. The expression and prognostic value of ROCK I and ROCK II and their role in human breast cancer. Int J Oncol (2008) 33(3):585–93.
  29. Sahai E. Erik Sahai: getting the whole picture of metastasis. Interview by Sedwick Caitlin. J Cell Biol (2011) 193:428–9. doi:10.1083/jcb.1933pi
  30. Sahai E, Marshall CJ. Differing modes of tumour cell invasion have distinct requirements for Rho/ROCK signalling and extracellular proteolysis. Nat Cell Biol (2003) 5:711–9. doi:10.1038/ncb1019
  31. Zhang Y, Chen K, Tu Y, Velyvis A, Yang Y, Qin J, et al. Assembly of the PINCH-ILK-CH-ILKBP complex precedes and is essential for localization of each component to cell-matrix adhesion sites. J Cell Sci (2002) 115:4777–86. doi:10.1242/jcs.00166
  32. Tu Y, Wu S, Shi X, Chen K, Wu C. Migfilin and Mig-2 link focal adhesions to filamin and the actin cytoskeleton and function in cell shape modulation. Cell (2003) 113:37–47. doi:10.1016/S0092-8674(03)00163-6
  33. Tadokoro S, Shattil SJ, Eto K, Tai V, Liddington RC, de Pereda JM, et al. Talin binding to integrin beta tails: a final common step in integrin activation. Science (2003) 302:103–6. doi:10.1126/science.1086652
  34. Scheswohl DM, Harrell JR, Rajfur Z, Gao G, Campbell SL, Schaller MD. Multiple paxillin binding sites regulate FAK function. J Mol Signal (2008) 3:1. doi:10.1186/1750-2187-3-1
  35. Bolos V, Gasent JM, Lopez-Tarruella S, Grande E. The dual kinase complex FAK-Src as a promising therapeutic target in cancer. Onco Targets Ther (2010) 3:83–97. doi:10.2147/OTT.S6909
  36. Zhao J, Zhang Y, Ithychanda SS, Tu Y, Chen K, Qin J, et al. Migfilin interacts with Src and contributes to cell-matrix adhesion-mediated survival signaling. J Biol Chem (2009) 284:34308–20. doi:10.1074/jbc.M109.045021
  37. Jung HY, Fattet L, Yang J. Molecular pathways: linking tumor microenvironment to epithelial-mesenchymal transition in metastasis. Clin Cancer Res (2015) 21:962–8. doi:10.1158/1078-0432.CCR-13-3173
  38. Lambert AW, Pattabiraman DR, Weinberg RA. Emerging biological principles of metastasis. Cell (2017) 168:670–91. doi:10.1016/j.cell.2016.11.037
  39. Kim DH, Xing T, Yang Z, Dudek R, Lu Q, Chen YH. Epithelial mesenchymal transition in embryonic development, tissue repair and cancer: a comprehensive overview. J Clin Med (2017) 7:E1. doi:10.3390/jcm7010001
  40. Scheel C, Weinberg RA. Cancer stem cells and epithelial-mesenchymal transition: concepts and molecular links. Semin Cancer Biol (2012) 22:396–403. doi:10.1016/j.semcancer.2012.04.001
  41. Brabletz T, Kalluri R, Nieto MA, Weinberg RA. EMT in cancer. Nat Rev Cancer (2018) 18:128–34. doi:10.1038/nrc.2017.118
  42. Kurrey NK, Jalgaonkar SP, Joglekar AV, Ghanate AD, Chaskar PD, Doiphode RY, et al. Snail and slug mediate radioresistance and chemoresistance by antagonizing p53-mediated apoptosis and acquiring a stem-like phenotype in ovarian cancer cells. Stem Cells (2009) 27:2059–68. doi:10.1002/ stem.154
  43. Jie XX, Zhang XY, Xu CJ. Epithelial-to-mesenchymal transition, circulating tumor cells and cancer metastasis: mechanisms and clinical applications. Oncotarget (2017) 8:81558–71. doi:10.18632/oncotarget.18277
  44. Gkretsi V, Stylianou A, Papageorgis P, Polydorou C, Stylianopoulos T. Remodeling components of the tumor microenvironment to enhance cancer therapy. Front Oncol (2015) 5:214. doi:10.3389/fonc.2015.00214
  45. Gabrilovich DI, Nagaraj S. Myeloid-derived suppressor cells as regulators of the immune system. Nat Rev Immunol (2009) 9:162–74. doi:10.1038/nri2506
  46. Chow A, Brown BD, Merad M. Studying the mononuclear phagocyte system in the molecular age. Nat Rev Immunol (2011) 11:788–98. doi:10.1038/nri3087
  47. Mantovani A, Cassatella MA, Costantini C, Jaillon S. Neutrophils in the activation and regulation of innate and adaptive immunity. Nat Rev Immunol (2011) 11:519–31. doi:10.1038/nri3024
  48. Hanahan D, Coussens LM. Accessories to the crime: functions of cells recruited to the tumor microenvironment. Cancer Cell (2012) 21:309–22. doi:10.1016/j.ccr.2012.02.022
  49. Briquez PS, Hubbell JA, Martino MM. Extracellular matrix-inspired growth factor delivery systems for skin wound healing. Adv Wound Care (New Rochelle) (2015) 4:479–89. doi:10.1089/wound.2014.0603
  50. Papageorgis P, Stylianopoulos T. Role of TGFbeta in regulation of the tumor microenvironment and drug delivery (review). Int J Oncol (2015) 46:933–43. doi:10.3892/ijo.2015.2816
  51. Egeblad M, Rasch MG, Weaver VM. Dynamic interplay between the collagen scaffold and tumor evolution. Curr Opin Cell Biol (2010) 22:697–706. doi:10.1016/j.ceb.2010.08.015
  52. Cardone A, Tolino A, Zarcone R, Borruto Caracciolo G, Tartaglia E. Prognostic value of desmoplastic reaction and lymphocytic infiltration in the management of breast cancer. Panminerva Med (1997) 39:174–7.
  53. Ueno H, Shinto E, Hashiguchi Y, Shimazaki H, Kajiwara Y, Sueyama T, et al. In rectal cancer, the type of desmoplastic response after preoperative chemoradiotherapy is associated with prognosis. Virchows Arch (2015) 466:655–63. doi:10.1007/s00428-015-1756-1
  54. Kalli M, Stylianopoulos T. Defining the role of solid stress and matrix stiffness in cancer cell proliferation and metastasis. Front Oncol (2018) 8:55. doi:10.3389/fonc.2018.00055
  55. Jain RK, Martin JD, Stylianopoulos T. The role of mechanical forces in tumor growth and therapy. Annu Rev Biomed Eng (2014) 16:321–46. doi:10.1146/ annurev-bioeng-071813-105259
  56. Stylianopoulos T. The solid mechanics of cancer and strategies for improved therapy. J Biomech Eng (2017) 139. doi:10.1115/1.4034991
  57. Voutouri C, Mpekris F, Papageorgis P, Odysseos AD, Stylianopoulos T. Role of constitutive behavior and tumor-host mechanical interactions in the state of stress and growth of solid tumors. PLoS One (2014) 9:e104717. doi:10.1371/ journal.pone.0104717
  58. Stylianopoulos T, Martin JD, Snuderl M, Mpekris F, Jain SR, Jain RK. Coevolution of solid stress and interstitial fluid pressure in tumors during progression: implications for vascular collapse. Cancer Res (2013) 73:3833–41. doi:10.1158/0008-5472.CAN-12-4521
  59. Netti PA, Berk DA, Swartz MA, Grodzinsky AJ, Jain RK. Role of extracellular matrix assembly in interstitial transport in solid tumors. Cancer Res (2000) 60(9):2497–503.
  60. Papageorgis P, Polydorou C, Mpekris F, Voutouri C, Agathokleous E, KapnissiChristodoulou CP, et al. Tranilast-induced stress alleviation in solid tumors improves the efficacy of chemoand nanotherapeutics in a size-independent manner. Sci Rep (2017) 7:46140. doi:10.1038/srep46140
  61. Polydorou C, Mpekris F, Papageorgis P, Voutouri C, Stylianopoulos T. Pirfenidone normalizes the tumor microenvironment to improve chemotherapy. Oncotarget (2017) 8:24506–17. doi:10.18632/oncotarget.15534
  62. Mpekris F, Papageorgis P, Polydorou C, Voutouri C, Kalli M, Pirentis AP, et al. Sonic-hedgehog pathway inhibition normalizes desmoplastic tumor microenvironment to improve chemoand nanotherapy. J Control Release (2017) 261:105–12. doi:10.1016/j.jconrel.2017.06.022
  63. Stylianopoulos T, Martin JD, Chauhan VP, Jain SR, Diop-Frimpong B, Bardeesy N, et al. Causes, consequences, and remedies for growth-induced solid stress in murine and human tumors. Proc Natl Acad Sci U S A (2012) 109:15101–8. doi:10.1073/pnas.1213353109
  64. Pirentis AP, Polydorou C, Papageorgis P, Voutouri C, Mpekris F, Stylianopoulos T. Remodeling of extracellular matrix due to solid stress accumulation during tumor growth. Connect Tissue Res (2015) 56:345–54. doi:10.3109/03008207. 2015.1047929
  65. Gkretsi V, Stylianou A, Louca M, Stylianopoulos T. Identification of Ras suppressor-1 (RSU-1) as a potential breast cancer metastasis biomarker using a three-dimensional in vitro approach. Oncotarget (2017) 8:27364–79. doi:10.18632/oncotarget.16062
  66. Lutolf MP, Lauer-Fields JL, Schmoekel HG, Metters AT, Weber FE, Fields GB, et al. Synthetic matrix metalloproteinase-sensitive hydrogels for the conduction of tissue regeneration: engineering cell-invasion characteristics. Proc Natl Acad Sci U S A (2003) 100:5413–8. doi:10.1073/pnas.0737381100
  67. Mason BN, Starchenko A, Williams RM, Bonassar LJ, Reinhart-King CA. Tuning three-dimensional collagen matrix stiffness independently of collagen concentration modulates endothelial cell behavior. Acta Biomater (2013) 9:4635–44. doi:10.1016/j.actbio.2012.08.007
  68. Zaman MH, Trapani LM, Sieminski AL, Mackellar D, Gong H, Kamm RD, et al. Migration of tumor cells in 3D matrices is governed by matrix stiffness along with cell-matrix adhesion and proteolysis. Proc Natl Acad Sci U S A (2006) 103:10889–94. doi:10.1073/pnas.0604460103
  69. Paszek MJ, Zahir N, Johnson KR, Lakins JN, Rozenberg GI, Gefen A, et al. Tensional homeostasis and the malignant phenotype. Cancer Cell (2005) 8:241–54. doi:10.1016/j.ccr.2005.08.010
  70. Pedersen JA, Lichter S, Swartz MA. Cells in 3D matrices under interstitial flow: effects of extracellular matrix alignment on cell shear stress and drag forces. J Biomech (2010) 43:900–5. doi:10.1016/j.jbiomech.2009.11.007
  71. Acerbi I, Cassereau L, Dean I, Shi Q, Au A, Park C, et al. Human breast cancer invasion and aggression correlates with ECM stiffening and immune cell infiltration. Integr Biol (Camb) (2015) 7:1120–34. doi:10.1039/c5ib00040h
  72. Kai F, Laklai H, Weaver VM. Force matters: biomechanical regulation of cell invasion and migration in disease. Trends Cell Biol (2016) 26:486–97. doi:10.1016/j.tcb.2016.03.007
  73. Oudin MJ, Weaver VM. Physical and chemical gradients in the tumor microenvironment regulate tumor cell invasion, migration, and metastasis. Cold Spring Harb Symp Quant Biol (2016) 81:189–205. doi:10.1101/sqb.2016.81.030817
  74. Venning FA, Wullkopf L, Erler JT. Targeting ECM disrupts cancer progression. Front Oncol (2015) 5:224. doi:10.3389/fonc.2015.00224
  75. Samuel MS, Lopez JI, McGhee EJ, Croft DR, Strachan D, Timpson P, et al. Actomyosin-mediated cellular tension drives increased tissue stiffness and beta-catenin activation to induce epidermal hyperplasia and tumor growth. Cancer Cell (2011) 19:776–91. doi:10.1016/j.ccr.2011.05.008
  76. Shi Q, Boettiger D. A novel mode for integrin-mediated signaling: tethering is required for phosphorylation of FAK Y397. Mol Biol Cell (2003) 14:4306–15. doi:10.1091/mbc.E03-01-0046
  77. Lawson CD, Burridge K. The on-off relationship of Rho and Rac during integrin-mediated adhesion and cell migration. Small GTPases (2014) 5:e27958. doi:10.4161/sgtp.27958
  78. Friedland JC, Lee MH, Boettiger D. Mechanically activated integrin switch controls alpha5beta1 function. Science (2009) 323:642–4. doi:10.1126/science.1168441
  79. Levental KR, Yu H, Kass L, Lakins JN, Egeblad M, Erler JT, et al. Matrix crosslinking forces tumor progression by enhancing integrin signaling. Cell (2009) 139:891–906. doi:10.1016/j.cell.2009.10.027
  80. Rubashkin MG, Cassereau L, Bainer R, DuFort CC, Yui Y, Ou G, et al. Force engages vinculin and promotes tumor progression by enhancing PI3K activation of phosphatidylinositol (3,4,5)-triphosphate. Cancer Res (2014) 74:4597–611. doi:10.1158/0008-5472.CAN-13-3698
  81. Gkretsi V, Stylianou A, Stylianopoulos T. Vasodilator-Stimulated Phosphoprotein (VASP) depletion from breast cancer MDA-MB-231 cells inhibits tumor spheroid invasion through downregulation of Migfilin, beta-catenin and urokinase-plasminogen activator (uPA). Exp Cell Res (2017) 352(2):281–92. doi:10.1016/j.yexcr.2017.02.019
  82. Laklai H, Miroshnikova YA, Pickup MW, Collisson EA, Kim GE, Barrett AS, et al. Genotype tunes pancreatic ductal adenocarcinoma tissue tension to induce matricellular fibrosis and tumor progression. Nat Med (2016) 22:497–505. doi:10.1038/nm.4082
  83. Potenta S, Zeisberg E, Kalluri R. The role of endothelial-to-mesenchymal transition in cancer progression. Br J Cancer (2008) 99:1375–9. doi:10.1038/ sj.bjc.6604662
  84. Northey JJ, Przybyla L, Weaver VM. Tissue force programs cell fate and tumor aggression. Cancer Discov (2017) 7:1224–37. doi:10.1158/2159-8290. CD-16-0733
  85. Nia HT, Liu H, Seano G, Datta M, Jones D, Rahbari N, et al. Solid stress and elastic energy as measures of tumour mechanopathology. Nat Biomed Eng (2016) 1:0004. doi:10.1038/s41551-016-0004
  86. Demou ZN. Gene expression profiles in 3D tumor analogs indicate compressive strain differentially enhances metastatic potential. Ann Biomed Eng (2010) 38:3509–20. doi:10.1007/s10439-010-0097-0
  87. Cheng G, Tse J, Jain RK, Munn LL. Micro-environmental mechanical stress controls tumor spheroid size and morphology by suppressing proliferation and inducing apoptosis in cancer cells. PLoS One (2009) 4:e4632. doi:10.1371/ journal.pone.0004632
  88. Tse JM, Cheng G, Tyrrell JA, Wilcox-Adelman SA, Boucher Y, Jain RK, et al. Mechanical compression drives cancer cells toward invasive phenotype. Proc Natl Acad Sci U S A (2012) 109:911–6. doi:10.1073/pnas.1118910109
  89. Kalli M, Papageorgis P, Gkretsi V, Stylianopoulos T. Solid stress facilitates fibroblasts activation to promote pancreatic cancer cell migration. Ann Biomed Eng (2018) 46(5):657–69. doi:10.1007/s10439-018-1997-7
  90. Helmlinger G, Netti PA, Lichtenbeld HC, Melder RJ, Jain RK. Solid stress inhibits the growth of multicellular tumor spheroids. Nat Biotechnol (1997) 15:778–83. doi:10.1038/nbt0897-778
  91. Kaufman LJ, Brangwynne CP, Kasza KE, Filippidi E, Gordon VD, Deisboeck TS, et al. Glioma expansion in collagen I matrices: analyzing collagen concentrationdependent growth and motility patterns. Biophys J (2005) 89:635–50. doi:10.1529/ biophysj.105.061994
  92. Delarue M, Montel F, Vignjevic D, Prost J, Joanny JF, Cappello G. Compressive stress inhibits proliferation in tumor spheroids through a volume limitation. Biophys J (2014) 107:1821–8. doi:10.1016/j.bpj.2014.08.031
  93. Desmaison A, Frongia C, Grenier K, Ducommun B, Lobjois V. Mechanical stress impairs mitosis progression in multi-cellular tumor spheroids. PLoS One (2013) 8:e80447. doi:10.1371/journal.pone.0080447
  94. Wipff PJ, Hinz B. Myofibroblasts work best under stress. J Bodyw Mov Ther (2009) 13:121–7. doi:10.1016/j.jbmt.2008.04.031
  95. Padera TP, Stoll BR, Tooredman JB, Capen D, di Tomaso E, Jain RK. Pathology: cancer cells compress intratumour vessels. Nature (2004) 427:695. doi:10.1038/427695a
  96. Jain RK. Antiangiogenesis strategies revisited: from starving tumors to alleviating hypoxia. Cancer Cell (2014) 26:605–22. doi:10.1016/j.ccell.2014.10.006
  97. Chauhan VP, Martin JD, Liu H, Lacorre DA, Jain SR, Kozin SV, et al. Angiotensin inhibition enhances drug delivery and potentiates chemotherapy by decompressing tumor blood vessels. Nat Commun (2013) 4:2516. doi:10.1038/ ncomms.3516