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Für die Funktion und das Überleben von Zellen ist die Aufrechterhaltung und Regulation der Redoxhomöostase durch Produktion und Elimination von radikalen Sauerstoffspezies (ROS) von entscheidender Bedeutung. In Tumorzellen finden sich höhere basale ROS-Level als in gesunden Zellen, was jedoch trotz des vermehrten oxidativen Stresses nicht zur Zelltodinduktion führt, da kompensatorisch antioxidative Mechanismen ebenfalls gesteigert sind. Vor allem zwei antioxidative Systeme sind hauptsächlich bei der Elimination von ROS involviert: das Glutathion (GSH)-System und das Thioredoxin (TRX)-System. Hierbei spielt eine beständige Regeneration von GSH, als auch von TRX, eine wichtige Rolle, da diese bei der Reduktion von Sauerstoffradikalen verbraucht werden. Im hepatozellulären Karzinom (HCC) ist die gestörte Redoxhomöostase mit gesteigerten ROS Leveln ein wichtiger Faktor in der Karzinogenese. Das HCC wird oft erst im fortgeschrittenen, nicht mehr kurativen Stadium diagnostiziert und ist resistent gegenüber nahezu allen Formen von Chemotherapien. Dies verdeutlich die immense Bedeutung der Erforschung der teilweise unverstandenen Tumorgenese, aber auch die Notwendigkeit für die Entwicklung von neuen Therapien.
In der hier dargestellten experimentellen Arbeit gingen wir deshalb der Frage nach, ob die alleinige Inhibierung der antioxidativen Schutzmechanismen durch sog. ROS Modulatoren ausreicht, um eine Zelltodinduktion in humanen HCC-Zelllinien herbeizuführen und damit eine potenzielle neue Therapiestrategie aufzuzeigen.
Wir konnten zeigen, dass die simultane Inhibierung dieser zwei antioxidativen Hauptmechanismen im HCC durch die Kombination von Auranofin (TXR-Inhibitor) mit Buthionine-Sulfoximin (BSO, Glutathion-Inhibitor) und Erastin (indirekter Glutathion-Inhibitor) mit BSO zur ROS-abhängigen Zelltodinduktion im HCC in vitro führt. Interessant ist, dass die gesteigerten ROS-Level jedoch nicht den Zelltod im HCC induzierten, wenn nur eines der beiden antioxidativen Systeme inhibiert wurde. Offenbar ist die Tumorzelle in der Lage durch Hochregulierung anderer antioxidativer Systeme das induzierte ROS zu neutralisieren. Unsere Untersuchungen zum Wirkmechanismus der Zelltodinduktion durch die Kombinationsbehandlungen Auranofin + BSO bzw. Erastin + BSO identifizierten unerwarteterweise eine Caspasen-unabhängige, nicht-apoptotische Zelltodform, die sog Ferroptose, welche durch ROS-Produktion und Lipidperoxidierung charakterisiert ist.
Weitere Experimente konnten untermauern, dass mit der Induktion der Ferroptose durch die selektive ROS-Modulation die Apoptoseresistenz der HCC Zellen umgangen werden kann.
Mechanistisch kann diese erstmals 2012 beschriebene eisenabhängige Zelltodform, Ferroptose, durch zwei verschiedene Signalwege induziert werden: Erstens durch den kanonischen Pfad, bei welchem die Inhibierung der Glutathionperoxidase 4 (GPX4), einem Protein, welches die Zellmembran vor Lipidperoxidation schützt, eine zentrale Rolle spielt, und zweitens durch den nicht-kanonischen Pfad, welcher durch eine Anhäufung von zweiwertigem Eisen u. a. durch Aktivierung von Hämoxygenasen (HO), vermittelt durch den Transkriptionsfaktor Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2), gekennzeichnet ist. Wir konnten feststellen, dass in unseren Kombinationsbehandlungen beide Pfade involviert sind und eine Herunterregulierung von GPX4 als auch eine Akkumulation von Nrf2 und Hämoxygenase-1 (HO-1) besteht.
Zusammenfassend konnte unsere Arbeit zeigen, dass mittels pharmakologischer Adressierung zweier antioxidativer Systeme die Therapieresistenz der HCC-Zellen umgangen werden kann, und dass die Induktion der Ferroptose zukünftig eine vielversprechende Therapieoption im HCC darstellen könnte.
Introduction: Ferroptosis has recently been identified as a form of programmed cell death caused by an accumulation of lipid reactive oxygen species (ROS). However, little is yet known about the role in hepatocellular carcinoma (HCC) and its signalling mechanism as well the modulation of ROS.
Material and methods: Human HCC cell lines were treated with different concentrations of ROS modulators (Auranofin, Erastin, BSO). Cell death was determined by analysis of PI-stained nuclei using flow cytometry. ROS production and lipid peroxidation were analysed at early time points before cell death starts. For mechanistic studies we performed Western Blot and a Proteome array. Different inhibitors of cell death target proteins, ROS-scavengers as well as lipoxygenase inhibitors were used. To investigate the functional relevance of NAPDH oxidases (NOX) 1 and 4 for ROS modulation and ferroptosis we genetically silenced its genes using three distinct siRNAs and we used the NOX1/4-inhibitor GKT137831.
Results and discussions: Compared to the single treatment, Auranofin/BSO-cotreatment as well as Erastin/BSO-cotreatment acted in concert to trigger cell death and to reduce cell viability of HCC cells in a dose- and time-dependent manner. Furthermore, both cotreatments induce ROS production, lipid peroxidation and ferroptotic cell death, which could be inhibited by the use of Ferrostatin-1 (inhibitor of lipid peroxidation) and Liproxstatin-1 (specific inhibitor of ferroptosis). The broad-range caspase inhibitor zVAD.fmk failed to rescue cells from Auranofin/BSO- or Erastin/BSO-cotreatment induced cell death. No activation of caspases-3 could be seen in the proteome profiler apoptosis assay. Importantly, the selective lipoxygenase (LOX) inhibitor Baicalain and the pan-LOX inhibitor NDGA protect HCC cells from Auranofin/BSO- and Erastin/BSO-cotreatment stimulated lipid peroxidation, ROS generation and cell death, indication that the induction of ferroptosis may bypass apoptosis resistance of HCC cells. Mechanistic studies showed that Auranofin/BSO-cotreatment decreased TrxR-activity, led to Nrf2 accumulation and promoted the activation of HO-1. In contrast, NOX 1 and 4 were involved in Erastin/BSO-mediated cell death and the use of the NOX1/4-inhibitor GKT137831 rescued HCC cells from the Erastin/BSO-induced cell death.
Conclusion: By providing new insights into the molecular regulation of ROS and ferroptosis, our study contributes to the development of novel treatment strategies to reactivate programmed cell death in HCC cells.