The immunological landscape of primary brain tumors: a comparative study of the immunosuppressive myeloid cell populations in benign and malignant tumors.

The immune system plays a dual role in cancer progression, either preventing or promoting tumor progression and the fine regulation of the complex interaction between immune system and tumor determines patient outcome. It has been demonstrated that also in brain tumors a combination of signals and soluble factors secreted by tumor, immune and stromal cells are able to potentiate tumor progression. Therefore, the interest towards the characterization of tumor microenvironment in these tumors is growing and the presence of tumor infiltrating immune cells of myeloid origin has already been reported, but a clear phenotypic and functional characterization in human brain tumors still lacking. For this reason, in this research project we performed a deep analysis of both circulating and tumor-infiltrating leukocytes present in meningioma (MNG) and glioblastoma (GBM) patients in order to dissect their properties, with the ultimate goal of finding new immunological therapeutic strategies. We thus performed an extensive immunophenotyping of peripheral blood and fresh tumor tissue at surgery by multiparametric flow cytometry in 34 patients affected by MNG (WHO grade I-II) and in 76 patients affected by GBM (WHO grade IV glioma), along with immunosuppressive activity of sorted cells of myeloid origin. In the peripheral blood, we observed a number of significant alterations in myeloid cell subsets indicating a specific monocyte subsets as the main cell subset actively recruited to the tumor. Moreover, four subsets of myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) are detectable in the blood and in the tumor tissue of patients affected by MNG and GBM. Three of these subsets are significantly expanded in the blood of patients, whereas two of them are significantly expanded in the tumor tissue. In addition, we assayed ARG-1 (arginase 1) levels and activity in plasma samples from patients affected by MNG and GBM, and observed both a significantly increased level and a boost of its functional activity, compared to the control group. At the tumor site, we observed a large leukocyte infiltrate, predominantly constituted by CD33+ myeloid cells, largely composed of macrophages endowed with suppressive activity and significantly expanded in both types of tumor. Based on the expression of different markers, in GBM patients, we were able to discriminate bone marrow-derived (BMDM) macrophages from resident microglia (MG). These populations showed a different suppressive activity, since BMDMs displayed a higher immunosuppressive activity compared to MG cells that showed low or no suppressive immune regulatory ability. Taken together the results of this study shed light on the complex interaction between immune system and the main tumors of the brain.

Il sistema immunitario svolge un duplice ruolo nella progressione del cancro, è in grado sia di prevenire che di promuovere la progressione tumorale e la regolazione della complessa interazione tra sistema immunitario ed il tumore è in grado di determinare la prognosi del paziente. Inoltre, è stato dimostrato che, anche nei tumori cerebrali, una combinazione di segnali e di fattori solubili secreti dal tumore, dalle cellule immunitarie e dalle cellule stromali, è in grado di potenziare la progressione tumorale. Pertanto, in questi tumori sta crescendo l'interesse verso la caratterizzazione del microambiente tumorale ed è già stata dimostrata la presenza di cellule immunitarie di origine mieloide infiltranti il tumore, ma una chiara caratterizzazione fenotipica e funzionale di queste popolazioni non è ancora stata documentata. Pertanto, in questo progetto di ricerca abbiamo eseguito un'analisi approfondita sia dei leucociti circolanti che dei leucociti infiltranti il tumore nei pazienti affetti da meningioma (MNG) e glioblastoma (GBM), al fine di studiarne le caratteristiche, con l'obiettivo finale di trovare nuove strategie terapeutiche. Abbiamo pertanto eseguito un’accurata immunofenotipizzazione del sangue periferico e del tessuto tumorale, analizzato subito dopo la resezione chirurgica, mediante citofluorimetria a flusso multi-parametrica in 34 pazienti con MNG (grado I-II OMS) e in 76 pazienti con GBM (glioma di grado IV OMS). Abbiamo inoltre testato l’attività immunosoppressiva delle popolazioni di origine mieloide isolate da biopsia. Nel sangue periferico abbiamo osservato delle alterazioni significative nelle sottopopolazioni di cellule di origine mieloide, rivelando che un particolare sottogruppo di monociti viene attivamente reclutato al sito tumorale. Inoltre, quattro sottopopolazioni di cellule soppressorie di derivazione mieloide (MDSC) sono rilevabili nel sangue e nel tessuto tumorale dei pazienti affetti da MNG e GBM. Tre di queste popolazioni sono significativamente espanse nel sangue dei pazienti, mentre due di esse sono significativamente espanse nel tessuto tumorale. In questo studio, abbiamo analizzato anche i livelli plasmatici di arginasi 1 (ARG-1) e la sua attività funzionale in campioni di plasma di pazienti con MNG o GBM ed abbiamo osservato sia un aumento significativo della sua concentrazione plasmatica che della sua attività funzionale, rispetto al gruppo di controllo. Analizzando il tessuto tumorale, abbiamo osservato la presenza di un importante infiltrato leucocitario, costituito prevalentemente da cellule mieloidi CD33+ ed in particolare da macrofagi dotati di attività soppressiva e la cui percentuale è notevolmente elevata in entrambi i tipi di tumore. Nei pazienti con GBM, sulla base dell'espressione di diversi marcatori, abbiamo potuto discriminare i macrofagi derivati dal midollo osseo (BMDM) dalla microglia (MG). Queste popolazioni macrofagiche hanno dimostrato avere una diversa attività soppressoria, infatti, i BMDM risultano essere più immunosoppressivi rispetto alla MG che invece ha una bassa o irrilevante capacità soppressoria. I risultati di questo studio sottolineano quindi l’esistenza di una complessa interazione tra sistema immunitario ed i principali tumori cerebrali.