Open Access

Oliver Lang

• Neben dem zentralen Benzodiazepin-Rezeptor – einer Untereinheit des GABAA-Rezeptors – gibt es den peripheren Benzodiazepin-Rezeptor (PBR), der als Bestandteil der mitochondrialen Permeabilitäts-modulierenden Poren eine wichtige Rolle bei der Apoptose, Zellproliferation, Steroidsynthese, Immunmodulation, des Porphyrintransports, der Hämsynthese, des Anionentransports und der Regulation der Mitochondrienfunktion spielt. Es gibt zahlreiche endogene und exogene Liganden, welche die Aktivität des PBR modulieren können. Zu den exogenen PBR-Liganden zählen u.a. die Benzodiazepine, Isochinolin- und Pyridinoindol-Derivate, zu den endogenen der Diazepam-Bindungsinhibitor (DBI) und dessen Fragmente sowie Porphyrine und Cholesterin. Man findet den PBR im gesamten Organismus, insbesondere in steroidproduzierenden Geweben wie Nebennierenrinde und Ovarien sowie im Immunsystem, und seine Expression ist stark erhöht bei akutem Stress, bei Entzündungen sowie in Tumorzellen. Bei verschiedenen Karzinomtypen ist der PBR überexprimiert und sein Gehalt korreliert mit der Aggressivität, Progression und Metastasierung des Tumors, sowie einer schlechten Prognose. Untersuchungen mit verschiedenen Mammakarzinom-Zelllinien ergaben, dass zwischen der Proliferationsrate und der Konzentration des PBR ein Zusammenhang besteht und dass in rasch proliferierenden, hormonrezeptornegativen Zelllinien (z.B. BT-20) die Expression der PBR erheblich höher ist als in langsamer wachsenden, hormonrezeptorpositiven Zelllinien (z.B. MCF-7). Der DBI ist ein relativ kurzlebiges Polypeptid, bei dessen proteolytischem Abbau verschiedene biologisch aktive Fragmente entstehen. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss von drei Fragmenten des endogenen PBR-Liganden DBI auf den Zellzyklus und die Proliferation der Estrogen- und Progesteronrezeptor-negativen BT20-Mammakarzinomzellen sowie der Estrogen- und Progesteronrezeptor-positiven MCF-7-Mammakarzinomzellen zu untersuchen. Bei den methodisch aufwändigen Experimenten ging es vor allem darum, die isolierten Zellen unter in vitro Bedingungen physiologisch intakt zu erhalten, um den Einfluss der DBI-Fragmente auf die Proliferationsrate unabhängig von störenden äußeren Faktoren untersuchen zu können. Nach Synchronisation der Zellpopulationen in der G0/1-Phase wurden die Zellen mit steigenden Konzentrationen der DBI-Fragmente über verschiedene Zeiträume inkubiert, anschließend wurde die Verteilung der Zellen in den verschiedenen Zyklusphasen durchflusszytometrisch bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass mit allen verwendeten Fragmenten des DBI eine Wachstumshemmung der Karzinomzellen eintrat, wobei anzunehmen ist, dass der Effekt durch die Bindung an den PBR zustande kam. Im Allgemeinen trat diese Wirkung unabhängig von der Hormonsensitivität der verwendeten Zellen auf. Lediglich bei den Zellen in der G2/M-Phase konnte ein Unterschied festgestellt werden, wobei es bei der hormonrezeptorpositiven Zelllinie zu einer Zunahme und bei den hormonrezeptornegativen Mammakarzinomzellen zu einer Abnahme kam. Es zeigte sich, dass zwischen der Wirkung der endogenen PBR-Liganden und der von exogenen Liganden – die in früheren Untersuchungen untersucht worden war - ein auffälliger Unterschied besteht. Unter der Inkubation mit steigenden Konzentrationen der exogenen Liganden kam es zu einem biphasischen Wirkungsverlauf; in sehr niedrigen Konzentrationen kam es zu einer verstärkten Proliferationsrate, während unter hohen Konzentrationen eine Hemmung der Proliferation beobachtet wurde. Möglicherweise ist dieser unerklärliche Effekt der synthetischen Substanzen bereits auf eine zytotoxische Konzentration zurückzuführen. Eine klinische Relevanz der vorliegenden Ergebnisse könnte sich aus dem bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen auftretenden wachstumshemmenden Effekt der endogenen DBI-Fragmente auf Tumorzellen ableiten lassen. Als Optionen kämen entweder eine durch Pharmaka induzierte Stimulation der endogenen DBI-Freisetzung oder der Einsatz von länger wirksamen synthetischen Analoga des DBI in Frage. Alternativ könnte auch die Behandlung mit exogenen Liganden des PBR, z.B. mit Benzodiazepinen oder anderen geeigneten synthetischen Substanzen, als therapeutische Möglichkeit entwickelt werden. Allerdings dürfte der bisher beobachtete biphasische Effekt dieser Substanzgruppe, deren proliferationshemmende und apoptosefördernde Wirkung erst in höheren Dosierungen zum Tragen käme, ein erhebliches Problem darstellen. Als weitere therapeutische Möglichkeiten wurde die Nutzung von anti-inflammatorischen Eigenschaften von PBR-Liganden, ihr Einsatz als Chemosensitizer oder als photosensitivierende Agenzien genannt.
• Besides the central benzodiazepine receptor – a subunit of the GABAA receptor – there is a peripheral benzodiazepine receptor (PBR) which is a component of the mitochondrial permeability-modulating pores. The PBR plays an important role in the apoptosis, cell proliferation, steroid synthesis, immune modulation, porphyrin transport, heme synthesis, anion transport and regulation of mitochondrial function. There are numerous endogenous and exogenous ligands which may modulate the activity of PBR. Among others the exogenous PBR ligands include the benzodiazepines, isochinolin derivatives and pyridinoindole derivatives, while the diazepam binding inhibitor (DBI) and its fragments, porphyrins and cholesterol belong to the endogenous PBR ligands. The PBR is present in the entire organism, particularly in steroid-producing tissues such as adrenal cortex and ovaries as well as in the immune system, and the PBR expression is strongly increased in case of acute stress, inflammation, or in tumor cells. The PBR is overexpressed in various types of cancer and the PBR content correlates with the aggressiveness, progression and spread of tumors and with a bad prognosis. The investigation of various breast cancer cell lines revealed that there was an association between the rate of proliferation and the concentration of PBR, and in rapidly proliferating hormone receptor-negative cell lines (e.g., BT-20) the expression of PBR was considerably higher than in slower growing hormone receptor-positive cell lines (e.g., MCF-7). The DBI is a relatively short living polypeptide the proteolytic processing of which leads to the formation of various biologically active fragments. The objective of the study was to investigate the influence of three fragments of the endogenous PBR ligand DBI on the cell cycle and proliferation of the estrogen receptor- and progesterone receptor-negative BT20 breast cancer cells and the estrogen receptor- and progesterone receptor-positive MCF-7 breast cancer cells. Primarily, the ambitious experiments aimed to keep the isolated cells physiologically intact under in vitro conditions to allow the investigation of the influence of the DBI fragments on the proliferation rate independent of disturbing external factors. After synchronisation of the cell populations in the G0/1 phase the cells were incubated with increasing concentrations of the DBI fragments for various periods of time. Thereafter, the distribution of the cells in the different cell cycle phases was determined by means of a flow-cytometric method. It could be demonstrated that the use of all DBI fragments was associated with an inhibition of growth of the cancer cells suggesting an involvement of binding to the PBR. In general, this effect was independent of the hormone sensitivity of the cells. The only exception was observed in cells which were in the G2/M phase, as in hormone receptor-positive cells there was an increase in the growth rate, whereas in hormone receptor-negative breast cancer cells a decrease occurred. There was a striking difference between the effect of endogenous PBR ligands and that of exogenous ligands which have been investigated in previous experiments. During incubation with increasing concentrations of the exogenous ligands a biphasic time course of the effect occurred; the use of very low concentrations caused an enhanced proliferation rate, whereas high concentrations were associated with an inhibition of proliferation. This unexplainable effect of the synthetic compounds is possibly brought about by a cytotoxic concentration. A clinical relevance of the present results could be derived from the growth-inhibiting effect on tumor cells of very low concentrations of the endogenous BDI fragments. Either a drug-induced stimulation of the endogenous release of DBI or the use of long-acting synthetic analogues of the BDI might be an option. As an alternative, treatment with exogenous PBR ligands, e.g., with benzodiazepines or other suitable synthetic compounds, might be developed as a therapeutic approach. However, the biphasic effect of this group of compounds observed so far may represent a serious problem, as their proliferation-inhibiting and apoptosis-promoting properties take effect only at higher doses. As another therapeutic approach, the use of the anti-inflammatory activity of PBR ligands or their use as photosensitive agents might be considered.