Co-activation of Shh and Wnt signaling in murine retinal precursor cells drives ocular lesions resembling Intraocular Medulloepithelioma (IO-MEPL)

Abstract

Intraocular medulloepithelioma (IO-MEPL) is a rare malignant paediatric eye cancer with overall good prognosis after surgical enucleation (Tadepalli et al. 2019). However, extraocular extension increases recurrence rate and risk of metastasis, which was described to be lethal in up to 12% of all cases (Broughton and Zimmerman 1978). The current therapy includes enucleation with supporting radiotherapy, but no targeted therapies exist, the latter being crucial in case complete surgical resection in not possible. In order to find therapeutic targets, further understanding of IO-MEPL pathogenesis is needed. Intracranial medulloepithelioma (also referred to as ETMR) shares histological and molecular features of IO-MEPL. The Wnt and Shh pathways have been shown to be important for ETMR formation (Neumann et al.2017), but their significance in the context of IO-MEPL was not known. In order to analyze the role of the Wnt and Shh pathways for IO-MEPL development in vivo both pathways were coactivated in Rax- or Sox2-positive retinal precursor cells using inducible and conditional mouse models (Rax-creERT2::Ctnnb1(ex3) fl/+SmoM2fl/+ (RBS) or Sox2-creERT2::Ctnnb1(ex3)fl/+SmoM2fl/+ (SBS) mice). Co-activation of Wnt and Shh signaling pathways in respective RBS and SBS mice at embryonal day E8.5 resulted in tumor-like lesions of the eye. At later timepoints no tumor formation but a phenotype resembling retinal dysplasia was observed. RBS tumor-like lesions induced at E8.5 showed histomorphological, immunohistochemical and molecular similarities to human IO-MEPL. In contrast to controls, primary cells isolated from RBS lesions showed increased proliferation and could be propagated in vitro. We therefore (1) reveal potential targetable pathways important for IO-MEPL development, (2) show that early retinal precursor cells present a cell of origin for this tumor entity, (3) present the first mouse model for this rare disease and (4) provide a cell culture model which may lie the foundation for future preclinical drug studies.

Das intraokuläre Medulloepitheliom (IO-MEPL) ist ein seltener bösartiger pädiatrischer Augentumor. Nach vollständiger chirurgischer Tumorentfernung mittels Enukleation des Auges ist die Prognose meist gut (Tadepalli et al. 2019). Eine extraokuläre Ausbreitung des Tumors kann jedoch mit einem erhöhten Risiko für Rezidive und Metastasierung einhergehen und kann in bis zu 12% der Fälle tödlich enden (Broughton and Zimmerman 1978). Aktuell bleibt die Enukleation sowie adjuvante Radiotherapie die einzige effektive Therapie. Zielgerichtete Therapiestrategien im Fall der inkompletten Resektion fehlen. Um neue wirksame Arzneimittel zu finden, ist ein Verständnis der IO-MEPL Pathogenese notwendig. Intrakranielle Medulloepitheliome (auch bezeichnet als ETMR) teilen histologische und molekulare Merkmale von IO-MEPL. Während die Wnt- und Shh-Signalwege eine wichtige Rolle bei der Entstehung von ETMR spielen, ist die Rolle dieser Signalwege bei der Pathogenese von IO-MEPL jedoch unklar. Um die Bedeutung der Wnt- und Shh-Signalwege für die IO-MEPL Entstehung in vivo zu analysieren, wurden beide Signalwege in Rax- oder Sox2-positiven retinalen Vorläuferzellen unter Einsatz von induzierbaren und konditionellen Mausmodellen koaktiviert (Rax-creERT2::Ctnnb1(ex3)fl/+SmoM2fl/+ (RBS) or Sox2-creERT2::Ctnnb1(ex3)fl/+SmoM2fl/+ (SBS) Mäuse). Die Koaktivierung der Wnt- und Shh-Signalwege in den jeweiligen RBS und SBS Mäusen an Embryonaltag E8.5 führte zur Entstehung von tumorähnlichen Läsionen im Auge. Zu späteren Induktionszeitpunkten wurde keine Tumorformation im Auge beobachtet. Es zeigte sich jedoch eine Entwicklungsstörung des Auges, die der retinalen Dysplasie ähnelte. Tumorähnliche Läsionen in Augen von RBS Mäusen, die an E8.5 induziert wurden, zeigten histomorphologische, immunohistochemische und molekulare Ähnlichkeiten zu humanen IO-MEPL. Im Gegensatz zu Kontrollen, zeigten Primärzellkulturen aus RBS Augenläsionen eine erhöhte Proliferation und konnten erfolgreich in vitro propagiert werden. Wir haben daher (1) neue potenziell beeinflussbare Signalwege, welche wichtig für die Entwicklung der IO-MEPL sind, entdeckt, (2) frühe retinale Vorläuferzellen als mögliche Ursprungszellen für diese Tumorentität identifiziert, (3) das erste Mausmodell für diese seltene Erkrankung entwickelt und ein Zellkulturmodell für eventuelle zukünftige präklinische Arzneimittelstudien etabliert.