Open Access

Andrej Wehle

• Das Glioblastom ist eine tödliche maligne Erkrankung des zentralen Nervensystems. Etablierte Therapiekonzepte resultieren in einer Fünfjahresüberlebensrate von fünf Prozent. Die derart infauste Prognose wird unter anderem bedingt durch die Heterogenität des Tumors. Insbesondere einer Population stammzellartiger Zellen wird die Verantwortung für Resistenz und Rekurrenz des Glioblastoms zugesprochen. Die genuine Plastizität des Glioblastoms mit entsprechender Fähigkeit zur Änderungen tumorweiter Expressionsprofile und Ausbildung einzigartiger funktioneller Fähigkeiten kann ohne gezielte Beeinträchtigung von stammzellartigen Zellen womöglich nicht ausreichend überwunden werden. Als Urheber kritischer Eigenschaften erscheint die erfolgreiche Elimination dieser Population innerhalb des Glioblastoms notwendig um nachhaltige Therapieerfolge zu erzielen. Mögliche Strategien der Elimination stammzellartiger Zellen setzen an Differenzierung und Ausbeutung stammzelltypischer Signalwege zur Modulation dieser Zellen an. Hierdurch sollen zentrale Fähigkeiten der Population stammzellartiger Zellen, wie Selbsterneuerung, Resistenz gegenüber Strahlen- und Chemotherapie und erneute Formation heterogener Tumore, überwunden werden. Zentrale zelluläre Prozesse, welche zum Erhalt des stammzellartigen Zustandes dieser Zellen beitragen, sind unter anderem der Hedgehog- und Notch-Signalweg. Einer Beeinträchtigung dieser Signalwege wohnt womöglich die Fähigkeit der effektiven Modulation zentraler Eigenschaften stammzellartiger Zellen inne. Neben diesen Signalwegen gibt es eine Reihe weiterer Prozesse, welchen eine Urheberschaft an der Resistenz der Zellen zugesprochen wird. Hierzu zählt beispielweise der Prozess der Autophagie. Die Autophagie ist ein hochkonservierter zellulärer Mechanismus zur Selbsterneuerung durch Selbstdegradation fehlerhafter zellulärer Komponenten. Gleichzeitig kann die Autophagie durch eine Überaktivität zu einem spezifischen, autophagischen Zelltod beitragen. Die Modulation dieses Dualismus kann in einer Vielzahl von Tumoren, so auch im Glioblastom, das Schicksal einer tumorfördernden Autophagie in eine antitumorale Autophagie ändern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig eine Modulation zentraler Eigenschaften stammzellartiger Zellen durch die Beeinflussung ihrer zellulären Prozesse mittels kombinierter Therapie durch Arsentrioxid oder GANT und (-)-Gossypol gezeigt. Arsentrioxid wirkt unspezifisch unter anderem als Inhibitor von Notch- und Hedgehog-Signalweg. Diese Inhibition wurde auch in den untersuchten Zellen nachgewiesen und führte zu einer Reduktion von stammzelltypischen Markerproteinen und Fähigkeiten der Tumorgenese in -vitro und ex -vivo, sowie zur Sensitivierung gegenüber strahleninduzierten Schäden. Gegenüber einer spezifischen Hedgehog-Inhibition durch eine GANT-vermittelte Bindung an Gli-Transkriptionsfaktoren zeigten sich deutliche Vorteile der dualen Inhibition durch Arsentrioxid hinsichtlich der genannten Eigenschaften. Die Kombination der Substanzen mit dem pan-Bcl-Inhibitor (-)-Gossypol führte zu einer synergistischen Steigerung der antitumoralen Effekte. (-)-Gossypol wird in Gliomzellen insbesondere mit der Modulation der autophagischen Maschinerie und Auslösung eines autophagischen Zelltodes in Verbindung gebracht. Die Ergebnisse weisen parallele Signalweginteraktionen mit effektiver Modulation des DNA-Damage-Response-Systems durch die Reduktion des Proteins CHEK als kausalen Mechanismus des Synergismus der Substanzen aus. Die beobachteten Änderungen der typischen Eigenschaften stammzellartiger Zellen durch die Therapie mit Arsentrioxid und (-)-Gossypol implizieren lohnende Folgeuntersuchungen zur weiteren Evaluation dieser Effekte in -vivo, um zukünftig translationale Ableitungen zu erlauben. Die Heterogenität des Glioblastoms und seine genuine Plastizität lassen sich womöglich erfolgreich durch multiple Eingriffe in unterschiedliche zelluläre Prozesse, hierunter Notch- und Hedgehog-Signaling, modulieren. Hierdurch könnten zentrale Eigenschaften des Glioblastoms eventuell effektiv verändert und Resistenz sowie Rekurrenz überwunden werden.
• Glioblastoma is a fatal malignant disease of the central nervous system. Established therapy concepts result in a five-year survival rate of five percent. This dissatisfying prognosis is mainly caused by tumor heterogeneity. Particularly a population of stem cell-like cells is responsible for resistance and recurrence of glioblastoma. To overcome the native plasticity of glioblastoma, with its corresponding ability to alter tumor-wide expression profiles and develop unique functional capabilities, targeted therapies regarding stem cell-like cells appear necessary. Possible strategies for the elimination of stem cell-like cells include a forced differentiation of these cells and the exploitation of stem cell-typical signaling pathways to further modulate pivotal abilities of the population of stem cell-like cells, such as self-renewal or resistance to radio- and chemotherapy. Cellular regiments that contribute to the maintenance of the stem cell-like state of these cells include the Hedgehog and Notch signaling pathways. Disruption of these signaling pathways may lead to effective modulation of crucial properties of stem cell-like cells. In addition to these signaling pathways, numerous distinctive programs are further involved in therapy resistance - one of these being autophagy. Autophagy is a highly conserved cellular mechanism ensuring self-renewal through self-degradation of damaged cellular components. At the same time, autophagy can contribute to specific autophagic cell death through overactivation. Effective modulation of this dualism can convert tumor-promoting autophagy into antitumoral autophagy through induction of autophagic cell death in a variety of tumors, including glioblastoma. The effective loss of stemness-associated properties by disruption of stem cell-typical processes via combined therapy of arsenic trioxide or GANT61 and (-)-gossypol was demonstrated in this thesis. Arsenic trioxide acts nonspecifically as an inhibitor of Notch and Hedgehog signaling. This inhibition was also demonstrated in the examined cells and led to a reduction of stem cell-typical marker proteins as well as reduced abilities of tumorigenesis in -vitro and ex -vivo and sensitization to radiotherapy. In comparison to specific hedgehog inhibition by GANT61-mediated binding to Gli transcription factors, dual inhibition by arsenic trioxide was more effective. The combination of arsenic trioxide or GANT61 and the pan-Bcl2 inhibitor (-)-gossypol resulted in a synergistic enhancement of antitumor effects. (-)-Gossypol is particularly associated with modification of the autophagic machinery and triggering of autophagic cell death in glioma cells. The results indicate parallel pathway interactions with effective modulation of DNA damage response through reduction of the protein CHEK1 as an underlying mechanism of synergistic action. The observed changes in typical properties of stem cell-like cells by therapy with arsenic trioxide and (-)-gossypol indicate that follow-up studies to further evaluate these effects in -vivo and to further allow translational deductions in the future are necessary. The heterogeneity of glioblastoma and its native plasticity may be successfully overcome by intervening multiple different cellular pathways, including Notch and Hedgehog signaling. This may effectively alter key properties of glioblastoma and overcome resistance and recurrence.