Cancer associated fibroblasts (CAFs) play a key role in dynamically modulating the tumour microenvironment;​ they form fibrotic foci through contraction, secretion and crosslinking of the extracellular matrix. These CAF-dense fibrotic foci activate and recruit surrounding fibroblasts, leading to larger-scale tissue stiffening and enhanced cancer aggression. While the presence of collagen and CAF-dense fibrotic foci in the breast and corresponding changes in mechanical stiffness have been correlated with human breast cancer aggression, the impact of this evolving microenvironment on the ability of CAFs to promote metastasis remains largely unknown. Here, CAFs from 4 human triple-negative breast cancer patients presenting with (2) or without (2) lymph node metastasis were isolated and expanded to further interrogate their behavior under mechanical stress and the implications of this on disease progression.

In Chapter 2.1, we demonstrate using 3D physiologically relevant in vitro assays, that CAFs isolated from primary tumours of patients with and without lymph node metastasis, retain functional characteristics representative of disease state. Using an engineered, stiffness tunable, culture model system, we deconstruct the mechanical cues presented to cancer-associated fibroblasts during the process of fibrotic foci formation and extracellular matrix remodelling;​ and probe the effects of local mechanical stiffness arising from the dynamic process of remodelling on CAF invasion into the surrounding tissue. With this, we demonstrate CAFs derived from patients presenting with non-metastatic disease require substrate stiffness cues to prompt invasion, while CAFs from patients presenting with lymph node metastasis are no longer mechanoresponsive.

In Chapter 2.2, we explore the link between CAF invasion and substrate stiffness. By examining the transcriptome of CAFs derived from patients with and without lymph node metastasis using RNA-sequencing, we confirm the transcriptomic profile of each CAF subset is distinct, where CAFs derived from non-metastatic patients have significantly more genes elevated in response to changes in fibrotic foci stiffness. The transcription factor Aryl Hydrocarbon Receptor (AHR – protein, AhR – gene) previously correlated with fibrosis and migration in fibroblasts, is found to be specifically elevated both at RNA and protein level in CAFs derived from metastatic patients, suggesting a potential role in facilitating invasion.

In Chapter 2.3, this work demonstrates the role of AhR in CAF invasion. Through chemical and genetic inhibition of AhR, we confirm in human CAFs, for the first time, a dependence on AhR for CAF invasion. In CAFs derived from non-metastatic patients, we find that overexpression of AhR is sufficient to enhance CAF invasion. Interestingly, those CAFs derived from patients presenting with non-metastatic disease exhibit a substrate stiffness dependent increase in AhR expression, whereby culturing them on stiffnesses representative of late-stage disease increases AhR expression and concomitant CAF invasion.

As CAF invasion has previously been demonstrated to be a key mechanism promoting cancer metastasis from the primary tumor, these findings indicate that mechanobiological screens of patient CAFs may be used to understand the current state of tumor progression, stratify patients, and ultimately contribute towards the selection of precision medicine therapies. This work identifies a novel role for transcription factor AhR in facilitating CAF invasion and finds a link with overall patient survival in highly fibrotic tumours. The increased protein levels of AhR suggests a mechanobiological mechanism responsible for clinical failure of drugs aimed at targeting CAF activation

Les fibroblastes associés au cancer (cancer associated fibroblasts, CAF) jouent un rôle essentiel dans la régulation du microenvironnement tumoral, par le remodelage dynamique de la matrice extracellulaire (MEC). Une MEC riche en collagène contribue à une rigidification tissulaire, la fibrose tumorale, qui est associée à l’agressivité des cancers du sein. Toutefois, les conséquences du remodelage de la MEC sur la capacité des CAF à influencer le potentiel métastatique du cancer reste encore méconnu. Dans cette étude, nous avons isolé les CAF de quatre patients atteints d’un cancer du sein triple-négatif métastatique (2) ou non-métastatique (2), afin d’étudier leur réponse à la rigidification tissulaire, ou mécanotransduction, et les conséquences de ces réponses sur la progression métastatique du cancer.

Dans le chapitre 2.1, nous avons développé un modèle de culture cellulaire physiologique en trois dimensions dont la rigidité matricielle est flexible et contrôlée, afin d’évaluer les propriétés mécano-biologiques des CAF en réponse à la rigidification tissulaire. Grâce à ce système, nous avons démontré que les CAF issus de tumeurs non-métastatiques deviennent invasifs lorsque soumis à une matrice rigide, contrairement aux CAF provenant de patients présentant un cancer métastatique, suggérant une désensibilisation des ces derniers à la mécanotransduction.

Au cours du chapitre 2.2, nous explorons la relation entre le potentiel invasif des CAF et la rigidité matricielle. Des analyses de l’expression des gènes par séquençage de l’ARN démontrent que les CAF issus de patients présentant un cancer non-métastatique sont caractérisés par un profil moléculaire particulier, davantage influencé par la rigidité matricielle. L’expression du facteur de transcription Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR), associé à la fibrose et au potentiel migratoire des fibroblastes, est significativement plus élevée chez les CAF provenant de patients présentant un cancer métastatique, ce qui suggère son implication dans le processus invasif de la maladie.

Dans le chapitre 2.3, nous nous attardons au rôle du facteur AhR dans le potentiel invasif des CAF. Par des approches génétique et pharmacologique ciblant le facteur AhR, nous avons démontré pour la première fois que le potentiel invasif des CAF de patients atteints de cancer du sein est régulé par le facteur AhR. En effet, la surexpression de ce facteur augmente significativement la capacité invasive des CAF provenant de patients présentant un cancer non-métastatique. De plus, la rigidification tissulaire augmente l’expression du facteur AhR suggérant que les CAF issus de tumeurs non-métastatiques sont particulièrement sensibles aux propriétés mécaniques du microenvironnement.

Les CAF sont des acteurs majeurs de la progression métastatique en facilitant l’invasion et la dissémination des cellules cancéreuses. Or, les propriétés mécano-biologiques des CAF provenant de patients peuvent aussi informer sur la progression de la maladie et faciliter la stratification des patients pour la médecine de précision. Ces travaux ont permis d’identifier le facteur de transcription AhR en tant que modulateur du potentiel invasif des CAF et facteur pronostique de tumeurs fibrotiques, et supporte l’importance de la mécanotransduction dans la réponse aux nouvelles approches thérapeutiques ciblant les CAF