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Der VEGF-neutralisierende Antikörper Bevacizumab ist ein wichtiger Bestandteil der modernen Tumortherapie. Auch in der Glioblastom Therapie wird Bevacizumab eingesetzt, da in klinischen Studien eine Verlängerung des progressionsfreien Überlebens beobachtet wurde. Leider entwickeln sich schnell Resistenzen und das Gesamtüberleben konnte durch Bevacizumab in der Erstlinientherapie von Glioblastomen nicht verlängert werden.
Die genaue Wirkungsweise von Bevacizumab und somit auch die Resistenzentwicklung sind nur teilweise bekannt. Es wird vermutet, dass es durch Gefäßveränderungen zu einer Mangelsituation und zu Hypoxie kommt. Einige Studien deuten darauf hin, dass es neben der Wiedererlangung einer VEGF-unabhängigen Gefäßversorgung auch zu Resistenz gegen das durch Bevacizumab hervorgerufene, von Sauerstoffmangel gekennzeichnete Mikromilieu kommt. So konnte gezeigt werden, dass Bevacizumab-resistente Tumoren einen stark glykolytischen, sauerstoff-unabhängigen Zellmetabolismus aufweisen und vermehrt Laktat produzieren. Darüber hinaus wurde in Folge der Bevacizumab-Behandlung eine Fehlfunktion von Mitochondrien beobachtet. Unklar ist noch, ob die beschriebenen metabolischen Veränderungen ein Epiphänomen der Nährstoffmangelsituation sind oder ob sie kausal mit der Resistenzentwicklung in Zusammenhang stehen.
In der vorliegenden Arbeit sollte deshalb geprüft werden, ob die metabolische Umstellung hin zu einem glykolytischen, anaeroben Phänotyp eine hinreichende Bedingung zur Entwicklung einer Hypoxie- und Bevacizumabresistenz darstellt.
Hierzu wurden Glioblastomzellen (LNT229) derart verändert, dass sie keine oxidative Phosphorylierung durchführen konnten und rein auf die glykolytische Energiegewinnung angewiesen waren (rho0-Zellen). Diese Veränderung führte in-vitro zu einer Hypoxieresistenz der Zellen. Außerdem waren rho0-Zellen empfindlicher gegenüber Glukoseentzug und einer Behandlung mit dem Glykolyse-Inhibitor 2-Deoxyglucose (2DG). Des Weiteren waren im Mausmodell intrakranielle rho0-Tumorxenografts resistent gegenüber Bevacizumab. Diese Resistenz konnte durch zusätzliche Therapie mit 2DG wieder aufgehoben werden.
Somit konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die Hemmung der oxidativen Phosphorylierung zu einem glykolytischen Phänotyp führt, der hinreichend ist, um eine Hypoxieresistenz und in Folge dessen eine Bevacizumabresistenz in Glioblastomzellen zu verursachen. Dies lässt einen kausalen Zusammenhang zwischen bereits in anderen Studien beschriebenen metabolischen Veränderungen und einer Bevacizumabresistenz in Tumoren vermuten. Der zelluläre Glukosestoffwechsel ist damit ein vielversprechender therapeutischer Angriffspunkt zur Vermeidung und Überwindung einer Bevacizumabresistenz.
Prognostische Faktoren und das Outcome von Patienten mit einem primären Glioblastom sind in der Fachliteratur gut beschrieben. Im Gegensatz dazu gibt es wenige vergleichbare Informationen zu Patienten mit einem sekundären Glioblastom. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Outcome von Patienten mit einem sekundären Glioblastom zu beurteilen und prognostische Faktoren in Be-zug auf das Gesamtüberleben zu identifizieren.
Dazu wurde die interne Datenbank des Universitätsklinikums Frankfurt/Main von Patienten mit Hirntumoren retrospektiv nach klinischen Daten durchsucht. Alle Patienten hatten ein histologisch gesichertes WHO Grad II oder III Gliom und anschließend ein WHO Grad IV sekundäres Glioblastom. Paraffiniertes Hirntumorgewebe wurde auf Mutationen der Isocitrat Dehydrogenase-1 (IDH1) mittels einer immunhistochemischen Färbung mit einem R132H (clone H09) spezifischen Antikörper untersucht. Eine uni- und multivariate statistische Analyse wurde durchgeführt, um Faktoren zu ermitteln, die potentiell das Gesamt-überleben beeinflussen könnten.
Es wurden 45 Patienten mit einem histologisch gesicherten sekundären Glioblastom untersucht. Das mediane Alter betrug 41 Jahre. 14 Patienten unterzogen sich einer radiologisch kompletten Resektion des sekundären Glioblastoms, 31 Patienten wurden subtotal reseziert oder biopsiert. Initial ist bei 37 Patienten ein astrozytärer Tumor nachgewiesen worden und die restlichen Patienten litten an Oligodendrogliomen oder gemischten Gliomen; bei der initialen Diagnose wurden 17 WHO Grad II und 28 WHO Grad III Tumoren fest-gestellt. Die mediane Zeit zwischen Ursprungstumor und dem Auftreten des sekundären Glioblastoms betrug 158,9 Wochen. Das mediane Gesamtüberleben betrug 445 Tage nach der Diagnose eines sekundären Glioblastoms. Mutationen des IDH1 (R132H) Proteins wurden bei 24 Patienten festgestellt und fehlten bei 17 Patienten; bei 4 Patienten konnte keine IDH1 immunhistochemische Färbung durchgeführt werden.
In der univariaten Analyse konnte der Zeitraum zwischen initialer Läsion und dem Progress zu einem sekundären Glioblastom als statistisch signifikanter Einflussfaktor identifiziert werden- Patienten mit einem Zeitraum von mehr als 2 Jahren hatten ein besseres Gesamtüberleben (460 vs. 327 Tage, p = 0,011). Außerdem konnte bei Patienten, die eine kombinierte Radiochemotherapie bekamen, ein besseres Gesamtüberleben nachgewiesen werden als bei Patienten, welche ausschließlich eine Therapieform erhielten (611 vs. 380 Tage, p < 0,001). Weiterhin konnten ein WHO Grad II Ursprungstumor (472 vs. 421 Tage, p = 0,05) und eine Frontalllappenlokalisation des Glioblastoms (472 vs. 425 Ta-ge, p = 0,031) das Überleben steigern.
In der multivariaten Analyse konnte gezeigt werden, dass die Mutation des IDH1 (R132H) Proteins in statistisch signifikanter Weise mit einem längeren Gesamtüberleben assoziiert war (p = 0,012); statistische Signifikanz für ein län-geres Gesamtüberleben bei Patienten mit initial einem WHO Grad II (p = 0,047) und einer Frontallappenlokalisation des Glioblastoms (p = 0,042) stellte sich auch ein. In Bezug auf die Patienten spezifischen Daten wurden zwei Prognosegruppen erstellt; Patienten in der guten Prognosegruppe scheinen einen Benefit von einer totalen Tumorresektion zu haben (p = 0,02), während eine Resektion für die andere Prognosegruppe keine große Rolle spielte (p = 0,926).
Trotz des relativ geringen Erkrankungsalters haben sekundäre Glioblastom Patienten eine schlechte Prognose. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Wichtigkeit und den prognostischen Wert der IDH1 Diagnostik, die Notwendigkeit einer kombinierten Radiochemotherapie und eine Risikostratifizierung für eine Prognoseabschätzung anhand der Patienten spezifischen Einflussfaktoren.
Glioblastome (GB) sind die häufigsten bösartigen primären Hirntumore im Erwachsenenalter. Das Therapiekonzept bei Erstdiagnose besteht aus einer maximalen Tumorresektion, gefolgt von einer Strahlentherapie mit konkomitanter und anschließend adjuvanter Chemotherapie mit dem Alkylanz Temozolomid in Zyklusform. Zusätzlich zur adjuvanten Chemotherapie werden inzwischen für supratentorielle GBs auch Tumortherapiefelder empfohlen, die über elektromagnetische Wechselfelder die Tumorzellteilung hemmen sollen. Trotz multimodaler Therapiekonzepte und Fortschritte im Verständnis der GB-Biologie ist die Prognose der Patienten bei einer 5-Jahresüberlebensrate von unter 5% sehr ernüchternd. Eine mögliche Ursache für den ausbleibenden Erfolg neuer GB-Medikamente könnten die besonderen metabolischen Bedingungen des Tumormikromilieus sein. Unter diesen kann eine therapeutische zielgerichtete Inhibition bestimmter Kinasen, wie des Epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (EGFR) oder mammalian Target of Rapamycin (mTOR), unerwünschte Tumorzell-protektive Effekte entfalten, da bereits gezeigt werden konnte, dass sich Tumorzellen durch Suppression der mTORC1 abhängigen Signalkaskade an Energiemangelbedingungen, wie sie im Tumormikromilieu zu finden sind, anpassen, um zu überleben. Ziel dieses Projektes war es den physiologischen mTORC1-Inhibitor DNAdamage-inducible transcript 4 (DDIT4) als möglichen intrinsischen Resistenzmechanismus gegenüber Strahlen- und Chemotherapie in GBs zu untersuchen. In verschiedenen GB-Zelllinien konnte eine Induktion von DDIT4 teilweise durch Bestrahlung, Temozolomid und generell durch die im Tumormikromilieu vorherrschende Hypoxie nachgewiesen werden. Dies gelang sowohl auf transkriptioneller Ebene als auch auf Proteinniveau. Zur Beurteilung der Relevanz dieses zellulären Anpassungsmechanismus wurden Zellen mit DDIT4 Gensuppression generiert und charakterisiert. Hier zeigte sich in klonalen Überlebensanalysen eine gesteigerte Sensibilität der Zellen mit verminderter DDIT4 Expression gegenüber Temozolomid und Strahlentherapie. Darüber hinaus waren diese Zellen gegenüber Hypoxie-induziertem Zelltod sensibilisiert. Umgekehrt führte eine stabile oder Doxycyclin- induzierte DDIT4 Überexpression zu einer signifikanten Resistenz gegenüber Strahlentherapie, Temozolomid und Hypoxie-induziertem Zelltod.
Zusammenfassend beschreiben unsere Ergebnisse DDIT4 als Mediator von Therapieresistenz gegenüber den etablierten Komponenten der GBErstlinientherapie und zudem als Anpassungsmechanismus an das hypoxische Tumormikromilieu. DDIT4 stellt somit einen möglichen Angriffspunkt für eine therapeutische Inhibition beim GB dar.
Mycophenolate-Mofetil (MMF) clinically used as CellCept is inserted as immunosuppressive xenobiotic drug for preventing transplantate rejection. It is well known that MMF works selectively through inhibiting the IMPDH which is an essential enzyme in the de novo pathway for biosynthesis of guanosine Nukleotides.
In this study, we investigated the effects of MMF on the astrocytes, because astrocytes are important glial cells of the CNS with various functions in the healthy tissue, such as being involved in the neuronal differentiation, axonal growth and regulation of the environmental composition. They also build up the scared tissue during acute CNS lesions by releasing neurotoxic substances such as NO and different inflammatory Zytokines, e.g. IL-1ß and TNF-a, which even influence the microglial cell proliferation, migration and activity. Therefore, astrocytes are impressingly involved in the extent of the neuronal damage.
Our observations revealed an influence of astrocytic proliferation dependent on the concentration of the serum (10%, 5%, 2%, 1% and serum free medium) used for the in vitro cultivation: the more the serum part in the medium the more the extent of the cell proliferation. The proliferation of astrocytes cultured in serum free medium can be increased by Corticotropin Releasing Factor (CRF) 10µM and Guanosine application. Dose-dependent MMF led to a suppression of the astrocytic proliferation which is antagonisable with Guanosine only.
The number of the isolated proliferating astrocytes labeled by BrdU was significantly reduced after simultaneous treatment with serum (10% or 1%) and dose-dependent MMF (10µg/ ml, 1µg/ ml and 0,1µg/ ml) application, whereas LPS showed no effect on the proliferating rate. But, as measured by ELISA, with LPS conditioned medium contained relevant amounts of TNF-a and NO, but surprisingly not of IL-1ß. There were a significant reduction of cytokine and NO amounts determined in the astrocytic conditioned medium treated only with MMF dependent of the concentration (10µg/ml, 1µg/ml and 0,1µg/ml). Even the simultaneous treatment with LPS and MMF revealed compared to the LPS stimulated astrocytic group a measurable significant decrease of TNF-a. The treatment of the astrocytic cultures with guanosine lifted up the effects of MMF on TNF-a secretion. Therefore, we conclude, that the immunosuppressive drug MMF might have a neuroprotective and scar formation modulating effect through the antiproliferative potency on astrocytic cells and modulating character of the microenvironment by influencing the TNF-a secretion. Moreover, these regulatory effect on microglial cells are described as suppression (Hailer NP,Wirjatijana F,Roser N,Hirschebeth GT,Korf HW,Dehghani F,2001).
Das Neuroblastom ist der am häufigsten vorkommende extrakranielle solide Tumor im Kindesalter. Der klinische Verlauf ist sehr heterogen und reicht von spontaner Regression der Erkrankung bis zum Tod trotz intensiver multimodaler Therapie. Vor allem die Prognose des Hochrisiko-Neuroblastoms hat sich in den letzten 20 Jahren kaum verbessert. Nach wie vor versterben 50% der Patient*innen mit Hochrisiko-Neuroblastom trotz intensiver Therapie. Chemoresistenz zählt zu den größten Problemen der heutigen Krebstherapie. In der AG Cinatl am Institut für Medizinische Virologie des Universitätsklinikum Frankfurt existiert eine Sammlung von adaptierten chemoresistenten Tumorzelllinien (Resistant Cancer Cell Line Collection).
Die humane Neuroblastomzelllinie IMR5 und ihre chemoresistenten Sublinien (adaptiert gegen Cisplatin, Gemcitabin, Vincristin und Doxorubicin) wurden in der vorliegenden Arbeit zunächst hinsichtlich der Resistenzmechanismen charakterisiert. In IMR5 wurde durch die Adaption an Vincristin und Doxorubicin eine MDR1-Expression induziert, nicht jedoch durch Adaption an Gemcitabin und Cisplatin. MDR1 vermittelt in IMR5 die Kreuzresistenz zwischen Vincristin und Doxorubicin. Anhand der Daten kann von einer Kreuzresistenz der Vincristin und Doxorubicin adaptierten Sublinien zu anderen MDR1-abhängigen Substraten ausgegangen werden. Verapamil wurde zur Revertierung der MDR1-vermittelten Resistenz verwendet. In der Sequenzierung des TP53-Gens konnte bei allen IMR5-Sublinien Wildtyp-TP53 mit dem Polymorphismus P72R bestätigt und somit TP53-Mutationen als Resistenzmechanismus ausgeschlossen werden. Auch gegen den MDM2-Inhibitor und p53-Aktivator Nutlin-3 zeigen die resistenten Sublinien keine signifikanten Unterschiede. Die Adaptierung hat in keiner Sublinie zu TP53-Mutationen geführt.
Des Weiteren wurde die Wirksamkeit von vier PARP-Inhibitoren (Olaparib, Rucaparib, Niraparib, Talazoparib) in den resistenten IMR5-Sublinien getestet. Talazoparib zeigt sich dabei als der wirksamste PARP-Inhibitor mit IC50-Werten im nM-Bereich. Eine Kreuzresistenz der MDR1-exprimierenden Sublinien IMR5rVCR10 und IMR5rDOXO20 zu den als MDR1-Substraten bekannten PARP-Inhibitoren Olaparib, Rucaparib und Talazoparib konnte ebenfalls nachgewiesen und auf die MDR1-Expression zurückgeführt werden. Auffällig ist die gleich starke Wirksamkeit von Niraparib in allen Sublinien, unabhängig von der Adaption und des MDR1-Status der jeweiligen IMR5-Sublinie. Niraparib ist somit sehr interessant für die klinische Anwendung.
IMR5rCDDP1000 zeigt trotz nur geringer MDR1-Expression eine signifikante Kreuzresistenz gegen Rucaparib und Talazoparib. Verapamil zeigt an IMR5rCDDP1000 keine Veränderung der Wirksamkeit der PARP-Inhibitoren. In IMR5rCDDP1000 ist die Kreuzresistenz gegen PARP-Inhibitoren also MDR1-unabhängig. IMR5rGEMCI20 zeigt dagegen gegen alle PARP-Inhibitoren die gleiche Sensitivität wie IMR5 PAR, gegen Olaparib sogar eine Hypersensitivität.
Die Trinukleotidreduktase SAMHD1 ist als Resistenzmechanismus gegenüber Cytarabin und möglicher Biomarker der AML bekannt. Auch in der Neuroblastomzelllinie IMR5 konnte durch den Abbau von SAMHD1 mit VPX-VLPs die Wirksamkeit des Nukleosidanalogons Cytarabin erhöht werden. Die Wirksamkeit des Nukleosidanalogons Gemcitabin konnte durch den Abbau von SAMHD1 in den IMR5-Sublinien nicht erhöht werden. Eine Beteiligung von SAMHD1 an der Hydrolyse von Gemcitabin konnte somit nicht nachgewiesen werden. Außerdem konnte eine Beteiligung von SAMHD1 an der DNA-Reparatur nicht bestätigt werden: Durch den Abbau von SAMHD1 wurde die Wirksamkeit von DNA-schädigenden Cytostatika wie Topotecan und PARP-Inhibitoren nicht erhöht.
Im Verlauf der Arbeit wurde zusätzlich die Olaparib-resistente Sublinie IMR5rOLAPARIB20 etabliert. Die erworbene Resistenz gegen Olaparib wurde bestätigt, die Zelle zeigt zusätzlich eine MDR1-unabhängige Kreuzresistenz zu Niraparib, Rucaparib und Talazoparib. Die Resistenz beruht wahrscheinlich auf der verminderten Expression von PARP. In IMR5rOLAPARIB20 erhöht der Abbau von SAMHD1 mit VPX-VLPs wie erwartet die Wirksamkeit von Cytarabin, zeigt aber keinen Einfluss auf die Toxizität von PARP-Inhibitoren. Erstaunlicherweise konnte eine erhöhte Wirksamkeit von PARP-Inhibitoren in Kombination mit VPR-VLPs in IMR5 PAR und IMR5rOLAPARIB20 gezeigt werden. PARP-Inhibitoren werden bereits bei soliden Tumoren wie Eierstock- und Brustkrebs eingesetzt und könnten in Kombination mit VPR-VLPs eine weitere Therapiemöglichkeit des Neuroblastoms sein.
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.