Mitochondrial dysfunction in a cell model of thyroid oncocytoma

The role of mitochondrial dysfunction in cancer has long been a subject of great interest. In this study, such dysfunction has been examined with regards to thyroid oncocytoma, a rare form of cancer, accounting for less than 5% of all thyroid cancers. A peculiar characteristic of thyroid oncocytic cells is the presence of an abnormally large number of mitochondria in the cytoplasm. Such mitochondrial hyperplasia has also been observed in cells derived from patients suffering from mitochondrial encephalomyopathies, where mutations in the mitochondrial DNA(mtDNA) encoding the respiratory complexes result in oxidative phosphorylation dysfunction. An increase in the number of mitochondria occurs in the latter in order to compensate for the respiratory deficiency. This fact spurred the investigation into the presence of analogous mutations in thyroid oncocytic cells. In this study, the only available cell model of thyroid oncocytoma was utilised, the XTC-1 cell line, established from an oncocytic thyroid metastasis to the breast. In order to assess the energetic efficiency of these cells, they were incubated in a medium lacking glucose and supplemented instead with galactose. When subjected to such conditions, glycolysis is effectively inhibited and the cells are forced to use the mitochondria for energy production. Cell viability experiments revealed that XTC-1 cells were unable to survive in galactose medium. This was in marked contrast to the TPC-1 control cell line, a thyroid tumour cell line which does not display the oncocytic phenotype. In agreement with these findings, subsequent experiments assessing the levels of cellular ATP over incubation time in galactose medium, showed a drastic and continual decrease in ATP levels only in the XTC-1 cell line. Furthermore, experiments on digitonin-permeabilised cells revealed that the respiratory dysfunction in the latter was due to a defect in complex I of the respiratory chain. Subsequent experiments using cybrids demonstrated that this defect could be attributed to the mitochondrially-encoded subunits of complex I as opposed to the nuclearencoded subunits. Confirmation came with mtDNA sequencing, which detected the presence of a novel mutation in the ND1 subunit of complex I. In addition, a mutation in the cytochrome b subunit of complex III of the respiratory chain was detected. The fact that XTC-1 cells are unable to survive when incubated in galactose medium is consistent with the fact that many cancers are largely dependent on glycolysis for energy production. Indeed, numerous studies have shown that glycolytic inhibitors are able to induce apoptosis in various cancer cell lines. Subsequent experiments were therefore performed in order to identify the mode of XTC-1 cell death when subjected to the metabolic stress imposed by the forced use of the mitochondria for energy production. Cell shrinkage and mitochondrial fragmentation were observed in the dying cells, which would indicate an apoptotic type of cell death. Analysis of additional parameters however revealed a lack of both DNA fragmentation and caspase activation, thus excluding a classical apoptotic type of cell death. Interestingly, cleavage of the actin component of the cytoskeleton was observed, implicating the action of proteases in this mode of cell demise. However, experiments employing protease inhibitors failed to identify the specific protease involved. It has been reported in the literature that overexpression of Bcl-2 is able to rescue cells presenting a respiratory deficiency. As the XTC-1 cell line is not only respiration-deficient but also exhibits a marked decrease in Bcl-2 expression, it is a perfect model with which to study the relationship between Bcl-2 and oxidative phosphorylation in respiratory-deficient cells. Contrary to the reported literature studies on various cell lines harbouring defects in the respiratory chain, Bcl-2 overexpression was not shown to increase cell survival or rescue the energetic dysfunction in XTC-1 cells. Interestingly however, it had a noticeable impact on cell adhesion and morphology. Whereas XTC-1 cells shrank and detached from the growth surface under conditions of metabolic stress, Bcl-2-overexpressing XTC-1 cells appeared much healthier and were up to 45% more adherent. The target of Bcl-2 in this setting appeared to be the actin cytoskeleton, as the cleavage observed in XTC-1 cells expressing only endogenous levels of Bcl-2, was inhibited in Bcl-2-overexpressing cells. Thus, although unable to rescue XTC-1 cells in terms of cell viability, Bcl-2 is somehow able to stabilise the cytoskeleton, resulting in modifications in cell morphology and adhesion. The mitochondrial respiratory deficiency observed in cancer cells is thought not only to cause an increased dependency on glycolysis but it is also thought to blunt cellular responses to anticancer agents. The effects of several therapeutic agents were thus assessed for their death-inducing ability in XTC-1 cells. Cell viability experiments clearly showed that the cells were more resistant to stimuli which generate reactive oxygen species (tert-butylhydroperoxide) and to mitochondrial calcium-mediated apoptotic stimuli (C6-ceramide), as opposed to stimuli inflicting DNA damage (cisplatin) and damage to protein kinases(staurosporine). Various studies in the literature have reported that the peroxisome proliferator-activated receptor-coactivator 1(PGC-1α), which plays a fundamental role in mitochondrial biogenesis, is also involved in protecting cells against apoptosis caused by the former two types of stimuli. In accordance with these observations, real-time PCR experiments showed that XTC-1 cells express higher mRNA levels of this coactivator than do the control cells, implicating its importance in drug resistance. In conclusion, this study has revealed that XTC-1 cells, like many cancer cell lines, are characterised by a reduced energetic efficiency due to mitochondrial dysfunction. Said dysfunction has been attributed to mutations in respiratory genes encoded by the mitochondrial genome. Although the mechanism of cell demise in conditions of metabolic stress is unclear, the potential of targeting thyroid oncocytic cancers using glycolytic inhibitors has been illustrated. In addition, the discovery of mtDNA mutations in XTC-1 cells has enabled the use of this cell line as a model with which to study the relationship between Bcl-2 overexpression and oxidative phosphorylation in cells harbouring mtDNA mutations and also to investigate the significance of such mutations in establishing resistance to apoptotic stimuli.

DNA-Array-Technologie

Es wurde ein genomischer DNA-Array der Modellpflanze Arabidopsis thaliana mit einer 13.800 EST-Klone umfassenden cDNA-Bibliothek entwickelt und in der Genexpressionsanalyse der pflanzlichen Pathogenabwehr eingesetzt. Mittels PCR-Amplifikation sind 13.000 PCR-Produkte der cDNA-Fragmente hergestellt worden, mit denen 66 genomische Arabidopsis-Arrays auf Nylon und Polypropylen als Trägermaterial hergestellt werden konnten. Die Validierung mit Fluoreszenz- und Radiaktivhybridisierung sowie der Vergleich von drei Normalisierungsmethoden führte zu reproduzierbaren Ergebnissen bei hohem Korrelationskoeffizienten. Die etablierte DNA-Array-Technologie wurde zur Genexpressionsanalyse der pathogeninduzierten Abwehrmechanismen der Pflanze Arabidopsis thaliana in den ersten 24 Stunden nach Infektion mit dem avirulenten Bakterium Pseudomonas syringae pv. tomato eingesetzt. In einer Auswahl von 75 Genen der Stoffwechselwege Glycolyse, Citrat-Cyclus, Pentosephosphat-Cyclus und Glyoxylatmetabolismus konnte für 25 % der Gene, im Shikimat-, Tryptophan- und Phenylpropanoidsyntheseweg für 60 % der Gene eine erhöhte Transkriptionsrate nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit stimmen mit experimentellen Daten verschiedener unabhängiger Studien zur pflanzlichen Pathogenantwort überein. Darüberhinaus sind erstmals Transkriptionsprofile von bisher auf Transkriptionsebene nicht untersuchten Genen erstellt worden. Diese Ergebnisse bestätigen die transkriptionelle Aktivierung ganzer Stoffwechselwege und gewähren erstmals einen Einblick in die koordinierte differentielle Transkription ganzer Stoffwechselwege während der Pathogenabwehr.

Eine neue Form der Pyruvatkinase in Säugerspermien

Nach Homogenisation ejakulierter Eberspermien und Zentrifugation des Homogenates blieben mehr als 60% der Aktivität des glykolytischen Enzyms Pyruvatkinase (PK) an Zellfragmenten im Sediment gebunden. Diese strukturgebundene PK wurde als PK-S bezeichnet. Das Detergenz Triton X-100 führte nicht zur Ablösung der PK-S; mit Trypsin konnten jedoch rund 80% der PK-S ohne Verlust an Aktivität von den Strukturen gelöst und durch kombinierte Kationenaustausch- und Hydrophobizitätschromatographie gereinigt werden (spezifische Aktivität: 116,7 U/mg Protein). Die lösliche PK aus Eberspermien konnte ebenfalls durch ein ähnliches Verfahren angereichert werden. Im Gel (SDS-PAGE) zeigten die Untereinheiten der PK-S mit 64.400 eine geringfügig größere relative Molekülmasse als die der PK-M1 aus Kaninchenmuskel (62.000). Die kinetischen Eigenschaften der abgelösten PK-S als auch der noch an Spermienstrukturen gebundenen PK-S und der löslichen PK aus Eberspermien waren sehr ähnlich und entsprachen der M1-Isoform der PK. Antikörper gegen Kaninchenmuskel-PK (Anti-PK-M1) reagierten auch mit der löslichen PK und der PK-S aus Eberspermien. Edman-Abbau der ersten 19 Aminosäuren zeigte, dass die tryptisch abgelöste PK-S am N-Terminus um 5 Aminosäuren gegenüber nativer PK-M1 verlängert ist, während der C-Terminus der erhaltenen PK-S-Sequenz mit einem meist nahe dem N-Terminus gelegenen Sequenzabschnitt der PK-M1 und -M2 übereinstimmt. Die N-terminale Verlängerung der nativen PK-S enthält sicherlich mehr als die nach tryptischer Lyse nachgewiesenen 5 Aminosäuren. Vergleiche der Aminosäure- und übersetzten Nukleotidsequenzen sowie die kinetischen Eigenschaften lassen vermuten, dass die PK-S, wie die PK-M1 und PK-M2, vom PKM-Gen codiert wird. Gegen die gereinigte PK-S wurden Antikörper in Kaninchen produziert. Da das Antiserum nicht ausreichend spezifisch für PK-S war, wurden aus ihm affinitätschromatographisch Antikörper (Anti-PK-S) isoliert, die hohe Affinität zu einem synthetisierten PK-S-Peptid (13 N-terminale Aminosäuren der tryptisch abgelösten PK-S) hatten. Dieses Anti-PK-S-Präparat war spezifisch für PK-S; es reagierte weder mit Kaninchenmuskel-PK noch mit löslicher PK oder anderen Proteinen aus Eberspermien. Anti-PK-S und Anti-PK-M1 wurden zur Lokalisierung von PK-S und löslicher PK in Spermien von Eber, Bulle und Mensch sowie in Schnitten von Eberhoden eingesetzt. Mit Anti-PK-S wurden der Bereich des Akrosoms und das lange flagellare Hauptstück sowie der Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück von Eberspermien fluoreszenzmarkiert, wogegen das kurze, die Mitochondrien enthaltende Mittelstück des Flagellums und der postakrosomale Kopfbereich nur mit Anti-PK-M1 markiert wurden. Immunogoldmarkierung in elektronenmikroskopischen Bildern bestätigte die Lokalisierung von PK-S im Akrosombereich. Im Hauptstück banden Anti-PK-M1 und Anti-PK-S an die fibröse Scheide. Glyzerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase (GAPDH) konnte von mir ebenfalls im Akrosombereich, im Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück und an der fibrösen Scheide detektiert werden. Auch an Bullen- und Humanspermien konnte über Immunogoldmarkierung PK und vermutlich GAPDH an der fibrösen Scheide gezeigt werden. Im Akrosombereich dieser Spermien waren die Nachweise von PK und GAPDH jedoch nicht sicher. In Eberhodenschnitten war die PK-S erstmals, oder zumindest vermehrt, in den elongierenden Spermatiden über Fluoreszenzmarkierung nachweisbar, während andere, vermutlich somatische PK vermehrt in den früheren Stadien (Spermatogonien, aber auch in den Spermatozyten und runden Spermatiden) auftrat. Für die GAPDH zeigte sich ein ähnlicher Entwicklungsverlauf. Die Ergebnisse zeigen, dass in Eberspermien zwei Isoformen der PK auftreten: eine N-terminal verlängerte, strukturgebundene Form, die PK-S, und eine lösliche Form, die beide der PK-M1 ähneln. Der ungewöhnliche N-Terminus der PK-S dient vermutlich der spezifischen räumlichen Anordnung der PK-S im Akrosombereich und an der fibrösen Scheide, nicht aber der Modulation kinetischer Eigenschaften. Meine Untersuchungen stützen die Hypothese, dass in bestimmten Kompartimenten von Säugerspermien die Glykolyse durch Verankerung einiger ihrer Enzyme strukturell hochgeordnet ist. Dadurch wird vermutlich die Versorgung der Mitochondrien-freien Regionen mit ATP sichergestellt. Man kann diese Organisation als Anpassung des Stoffwechsels von Spermien deuten, bei denen die Mitochondrien in einem kleinen Bereich (Mittelstück) hinter dem Spermienkopf kompartimentiert sind. Im Hauptstück des Flagellums könnte die Glykolyse ATP für die Spermienmotilität liefern, im Akrosombereich für die Verhinderung einer vorzeitigen Akrosomreaktion. Somit käme der strukturierten Glykolyse eine essentielle Bedeutung für die Befruchtungsfähigkeit von Säugerspermien zu.

L’inibizione della lattico deidrogenasi: una possibile strategia per migliorare il trattamento farmacologico del carcinoma epatocellulare

Il lavoro svolto nel corso del mio dottorato ha avuto per oggetto lo studio dell’ inibizione della glicolisi aerobia (il principale processo metabolico utilizzato dalle cellule neoplastiche per produrre energia) ottenuta mediante il blocco dell’enzima lattato deidrogenasi (LDH). La mia attività si è concentrata sulla possibilità di utilizzare questo approccio allo scopo di migliorare l’efficacia della terapia antitumorale, valutandone gli effetti su colture di carcinoma epatocellulare umano Inizialmente, per valutare gli effetti della inibizione della LDH, è stato usato l’acido ossamico ( OXA). Questo composto è l’unico inibitore noto specifico per LDH ; è una molecola non tossica in vivo, ma attiva a concentrazioni troppo elevate per consentirne un uso terapeutico. Un importante risultato ottenuto è stata la dimostrazione che l’ inibizione della LDH ottenuta con OXA non è solo in grado di innescare una risposta di morte nelle cellule trattate, ma, associata alla somministrazione di sorafenib, aumenta fortemente l’efficacia di questo farmaco, determinando un effetto di sinergismo. Questo forte effetto di potenziamento dell’azione del farmaco è stato spiegato con la dimostrazione che il sorafenib ha la capacità di inibire il consumo di ossigeno delle cellule trattate, rendendole più dipendenti dalla glicolisi. Grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Scienze Farmaceutiche il nostro gruppo di ricerca è arrivato alla identificazione di un composto (galloflavina) che inibisce la LDH con una efficienza molto maggiore di OXA. I risultati preliminari ottenuti sulle cellule di epatocarcinoma suggeriscono che la galloflavina potrebbe essere un composto promettente nel campo degli inibitori metabolici tumorali e inducono a una sua valutazione più approfondita come potenziale farmaco antineoplastico.

Ein neues Lumineszenzverfahren zur quantitativen und räumlichen Darstellung von Produkten des Glukosestoffwechsels in Tumoren

Eine neue auf einer Pyruvat abhängigen Biolumineszenzreaktion basierende Methode zur quantitativen Bestimmung und räumlichen Darstellung von Pyruvat in Gefrierschnitten von Gewebeproben wurde entwickelt. Dabei wurden biochemische Reaktionen so verknüpft, dass sichtbares Licht proportional zum eingesetzten Pyruvatgehalt entstand. Eine hoch signifikante positive Korrelation beider Parameter ermöglichte eine Kalibrierung mit definierten Pyruvatgehalten und damit die Quantifizierung in unbekannten Proben. Die Nachweisgrenze lag bei 0,04 pmol Pyruvat mit einer Auflösung von 0,02 µmol/g. Das Biolumineszenzverfahren wurde mit Hilfe anderer Methoden validiert, wobei eine Wiederfindung mit einer konzentrationsabhängigen Abweichung von ≤ 15 % erzielt wurde. Ein wesentlicher Vorteil der neuen Methode gegenüber bisherigen Verfahren zum Pyruvatnachweis liegt in der Messwerterfassung definierter histologischer Gewebsareale. Dies wird durch computergesteuerte Überlagerung von Metabolitverteilungen mit Schnittbildern aus Strukturfärbungen und interaktiver, „optischer Mikrodissektion“ der Gewebeschnitte möglich. Ein weiterer Nutzen der Methode ist deren optionale Kombination mit der Biolumineszenztechnik für andere Stoffwechselprodukte. So ermöglicht eine exakte Superposition zweier Metabolitbilder von unmittelbar aufeinander folgenden Gewebeschnitten eine korrelative Kolokalisationsanalyse beider Metabolite. Das Ergebnis lässt sich zum einen in Form von „Pixel-zu-Pixel“-Korrelationen dokumentieren, zum anderen kann für jeden Bildpunkt ein Laktat/Pyruvat-Verhältnis als Maß für den Redoxzustand des Gewebes berechnet und dargestellt werden. Hieraus ergeben sich z.B. räumliche L/P-Verteilungen (L/P-Karten). Ein solches „Redoximaging“ durch Kartierung des L/P-Quotienten ist bislang mit keinem anderen Verfahren möglich. Während die Entwicklung des Pyruvatnachweises eine Kernaufgabe der vorliegenden Arbeit darstellte, bestand ein weiterer wesentlicher Teil in der praktischen Anwendung der neuen Methode im Bereich der experimentellen Tumorforschung. So ergaben Messungen an acht verschiedenen Linien von humanen HNSCC-Xenotransplantaten (n = 70 Tumoren) einen mittleren Pyruvatgehalt von 1,24 ± 0,20 µmol/g. In sechs Humanbiopsien derselben Tumorentität wurde ein durchschnittlicher Pyruvatgehalt von 0,41 ± 0,09 µmol/g gemessen. Bei den Xenotransplantaten konnte eine signifikante positive Korrelation zwischen der Summe aus Laktat und Pyruvat bzw. dem L/P Verhältnis und der Strahlensensibilität gefunden werden, wobei das L/P-Verhältnis ebenso wie die Summe aus Laktat und Pyruvat maßgeblich von Laktat bestimmt wurden. Der Zusammenhang der Metabolite mit der Strahlensensibilität lässt sich durch deren antioxidative Eigenschaften erklären. Da der Redoxzustand der Zelle kritisch bezüglich der Effizienz von ROS induzierenden Therapieansätzen, wie z.B. Bestrahlung oder bestimmter Chemotherapeutika sein kann, könnte die Bestimmung des L/P Verhältnisses als prognostischer Faktor prädiktive Aussagen über die Sensibilität gegenüber solchen Behandlungen erlauben.

Wirkmechanismen der trifunktionalen Antikörper catumaxomab und ertumaxomab in humanen Tumorsphäroid-Kokulturen

Ein neuer Ansatz der immunologischen Krebstherapie ist die Verwendung der bispezifischen, trifunktionalen Antikörper catumaxomab (anti-EpCAM x anti-CD3) und ertumaxomab (anti-Her2/neu x anti-CD3). Die Bispezifität besteht in der Bindung eines Tumor-assoziierten Antigens (EpCAM bzw. Her2/neu) und des CD3 Moleküls auf der Oberfläche von T-Zellen. Darüber hinaus stellt die Interaktion des Fc-Teils mit FcγRI/IIa/III positiven akzessorischen Immunzellen die dritte Funktion der Antikörper dar. Diese einzigartige Kombination ermöglicht theoretisch die Ausbildung eines Tri-Zell-Komplexes. In klinischen Studien konnte bereits die Wirksamkeit beider Antikörper nachgewiesen werden. Die eigentlichen Wirkmechanismen der trifunktionalen Antikörper jedoch sind noch nicht ausreichend bekannt. Um die Wechselwirkung zwischen den stark EpCAM- und schwach Her2/neu-positive FaDu- sowie den stabil mit humanem Her2/neu transfizierten FaDu E593-Tumorzellen, peripheren Blutmonozyten (PBMC) und trifunktionalen Antikörpern systematisch zu untersuchen wurde ein 3D-Tumormodell, die so genannten multizellulären Tumorsphäroide (MCTS), angewandt. Als Endpunkte zur Beurteilung der Therapieeffizienz dienten das Volumenwachstum der Sphäroide, sowie die Klonogenität und die Zellvitalität. Zur Beurteilung der PBMC-Penetration in die Sphäroide erfolgten immunhistochemische Färbungen und molekularbiologische Nachweise der Abwehrzellantigene. Entsprechend wurden in den Sphäroiden die Proliferationsrate über eine Ki67-Färbung sowie die Apoptoserate über eine FragEL-Markierung identifiziert. Die Aktivität der PBMC wurde durch die Bestimmung ausgewählter Zytokine (ELISA) und der Zellzahl aus den Medienüberständen charakterisiert. Die an den FaDu- und E593-Sphäroiden erzielten Ergebnisse zeigten, dass catumaxomab und ertumaxomab eine konzentrations- und zeitabhängige Abnahme des Sphäroidvolumens bewirkten. Die Schrumpfung der Tumorsphäroide ging mit einer Reduktion des proliferativen und mit einer Steigerung des apoptotischen Tumorzellanteils einher. Die histologischen Befunde weisen darauf hin, dass die Volumenreduktion durch eine gesteigerte Anzahl infiltrierender Leukozyten bedingt ist. Auf verschiedenen Methoden basierende Analysen der Immunzellsubtypen zeigten eine dominierende Infiltration von zytotoxischen T-Zellen in die Tumorsphäroide. Der Aktivitätsnachweis der T-Zellen wurde über die Detektion der IL-2 mRNA und des sekretierten Zytokins erbracht. Einen zusätzlichen Hinweis auf eine zelluläre Immunantwort liefert das Zytokinmuster mit hohen Konzentrationen an IFN-γ. Der direkte Vergleich beider Antikörper zeigte, dass der anti-tumorale Effekt abhängig von der Antigenexpression auf den Tumorzellen war. Die Analyse von Medienüberständen wies auf eine mehrheitlich höhere Zytokinausschüttung in Gegenwart des Tumorantigens hin. Sphäroid-Kokulturen, die mit dem parentalen anti-EpCAM Antikörper behandelt wurden, zeigten keine Volumenreduktion. Im Gegensatz dazu führte der parentale CD3-Antikörper, das CD3- und Tumorzell-bindende catumaxomab F(ab')2 Fragment oder eine Kombination beider parentaler Antikörper zu einer anti-tumoralen Wirkung, die jedoch nicht so stark war wie die des trifunktionalen Antikörpers catumaxomab. Demnach ist für catumaxomab gezeigt, dass für die Effektivität des Antikörpers die Trifunktionalität unabdingbar ist. Daraus leitet sich ab, dass die Aktivierung der Abwehrzellen durch kostimulatorische Signale notwendig ist und über die Tumorantigenbindung Mechanismen wie ADCC (antibody-dependent cellular cytotoxicity) zum Tragen kommen. Die Experimente mit gleichzeitiger Gabe von trifunktionalen Antikörpern und Immunsuppressiva haben gezeigt, dass eine Kombination beider Agenzien möglich ist. Die Konzentrationen sind jedoch sorgfältig derart zu wählen, dass die Zytokinausschüttung und die damit verbundenen Nebenwirkungen reduziert sind, ohne dass die anti-tumorale Wirkung der Antikörper maßgeblich beeinflusst wird. T-Zellen bedienen sich nach Aktivierung für die rasche Proliferation einer gesteigerten aeroben Glykolyse. Unter Behandlung der Kokulturen mit catumaxomab konnte im Vergleich zu anderen immunstimulatorischen Agenzien die größte Steigerung der Laktatproduktion bzw. der Azidifizierungs- und Sauerstoffverbrauchsrate detektiert werden. Diese Effekte weisen auf eine metabolische Aktivierung der PBMC durch catumaxomab hin. Das von den Tumorzellen abgegebene Laktat kann die Immunzellen jedoch inhibieren. Daher wäre die Kombination mit Glykolyseinhibitoren ein möglicher Ansatz, um die Therapieeffizienz weiter zu steigern. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Komedikation der trifunktionalen Antikörper mit Chemotherapeutika zu einer gesteigerter Wirkung führte. Insgesamt liegt die Zukunft der Immuntherapien wohl in der Kombination mit anderen Wirkstoffklassen, die anti-tumorale Effekte verstärken oder immunsupprimierende Mechanismen inhibieren.

Glykolytische Aktivität von Ovarialkarzinomzelllinien in vitro und in vivo und die Bedeutung von HIF-1alpha

Ovarialkarzinome stellen eine schwer zu therapierende onkologische Erkrankung mit im Durchschnitt sehr schlechter Prognose dar. Die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung der Therapie dieser Erkrankung ist sehr offensichtlich. Studien an anderen Tumorentitäten haben die große Bedeutung des Glukosestoffwechsels, speziell des Laktats, in der Erken- nung, Kategorisierung und Therapie von onkologischen Erkrankungen gezeigt. In der Kon- trolle des Glukosestoffwechsels, aber auch vieler anderer Funktionen, wie z. B. des Tumor- wachstums und des Zellüberlebens, hat sich der Hypoxia Inducible Factor (HIF) als beson- ders wichtig herausgestellt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher der Glukosestoffwechsel in Ovarialkarzinomen und seine Beeinflussung durch eine Herunterregulierung von HIF-1α untersucht. Hierzu wurden die Ovarialkarzinomzelllinien OC 316 und IGROV1 (Wildtyp) und die Zelllinie OC 316 mit einem lentiviralen Vektor zur Herunterregulierung von HIF-1α ver- wendet. Das Wachstumsverhalten, die Laktatproduktion und der Glukoseverbrauch wurden bei diesen Zelllinien in vitro untersucht. Darüber hinaus wurden mithilfe der bildgebenden Biolumineszenz ATP, Laktat, Pyruvat und Glukose in Xenotransplantaten dieser Zelllinien gemessen. Diese in unserer Arbeitsgruppe entwickelte Methode erlaubt die quantitative Er- fassung von Metaboliten in selektiven Gewebsarealen, wie z. B. in vitalen Tumorregionen, in stomatösen Arealen oder im tumornahen Normalgewebe.rnIn dieser Arbeit kann gezeigt werden, dass die glykolytische Aktivität von Ovarialkarzinom- zelllinien mit dem Wachstumsverhalten positiv korreliert ist. Eine Herunterregulierung von HIF-1α führt zu einer deutlichen Verlangsamung des Zellwachstums, wobei allerdings alle HIF-Zielgene betroffen sein können. Des Weiteren wird mit den hier gezeigten Daten die prognostische Bedeutung des Laktats bestätigt. Hohe Laktatwerte in vitro waren mit schnel- lerem Wachstum korreliert. Zusätzlich zeigen die vorliegenden Daten, dass die gewonnenen Befunde in vitro nur näherungsweise auf die in vivo Situation übertragbar sind. Eine Herun- terregulierung von HIF-1α zeigt keine signifikant unterschiedlichen Laktatwerte in den Xe- notransplantaten. Allerdings spiegeln sich zelllinienspezifische Unterschiede in der metabo- lischen Aktivität in vitro im metabolischen Verhalten der entsprechenden Xenografttumoren recht gut wider.rnDie gewonnenen Ergebnisse weisen zum einen auf die prognostische Bedeutung einer Bestimmung von Laktatkonzentrationen aus Tumorbiopsien hin und bestätigen zum anderen die klinische Aussagekraft metabolischer Aktivitätsmessungen mittels PET. Solche Daten könnten dazu dienen Patienten einer individualisierten Therapie zuzuführen. Außerdem wur- de die Effektivität, aber auch die Komplexität einer gegen HIF-1α gerichteten Therapie auf Protein- und Genebene bestätigt. Somit zeigen die erzielten Resultate einerseits Möglichkei- ten einer individualisierten Therapie auf, andererseits unterstreichen sie die große Notwen- digkeit weiterer Grundlagenforschung auf diesem Gebiet.

Glukosestoffwechsel und Strahlentherapie solider, maligner Tumoren

Der Tumorstoffwechsel ist charakterisiert durch eine erhöhte Glykolyserate und die Anreicherung von Laktat auch in Anwesenheit von Sauerstoff. In früheren Arbeiten dieser Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass ein hoher Laktatgehalt in Primärtumoren signifikant mit einem gesteigerten Metastasierungsverhalten und einer schlechteren Patientenprognose verknüpft ist. Ein wichtiges Verfahren zur Bestimmung des Metabolitstatus in kryokonservierten Tumorschnitten ist die induzierte, metabolische Biolumineszenz. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues, digitales Kamerasystem für Biolumineszenzmessungen etabliert. Außerdem wurde der für die Laktat- und Glukosemessungen benötigte Enzymmix optimiert, so dass eine bessere Lichtausbeute und eine Kosteneinsparung von etwa 50% erzielt werden konnte. Durch die Einführung von Kontrollmessungen und die Verwendung eines neu entwickelten ImageJ-PlugIns für eine halbautomatisierte Auswertung, konnte ein zuverlässiges Messsystem etabliert werden, das Ergebnisse mit einer verbesserten Reproduzierbarkeit liefert. rnDieses neue Messsytem wurde in einer Studie an zehn humanen xenotransplantierten Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereiches erfolgreich eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass eine signifikante, positive Korrelation zwischen dem Laktatgehalt in soliden Primärtumoren und der Resistenz gegenüber einer fraktionierten Strahlentherapie besteht. rnIn einer weiterführenden Studie wurde im gleichen Xenograftmodell der Einfluss einer fraktionierten Strahlentherapie auf den Tumorstoffwechsel untersucht. Der Vergleich von zwei humanen Plattenepithelkarzinomlinien des Kopf-Hals-Bereichs im Verlauf einer fraktionierten Strahlentherapie zeigt deutliche Unterschiede zwischen strahlenresistenten und strahlensensiblen Tumoren. In der strahlenempfindlichen Tumorlinie UT-SCC 14 treten nach Bestrahlung mit drei Fraktionen in der Expression glykolyse-assoziierter Gene und nach zehn Fraktionen im ATP- und Laktatgehalt signifikante Veränderungen auf. Im Gegensatz dazu wird bei der strahlenresistenten Linie UT-SCC 5 lediglich eine Absenkung des Laktatgehaltes nach zehn Fraktionen beobachtet, nicht jedoch des ATP-Gehalts. Die mRNA-Expression wird in UT-SCC 5 nicht durch eine fraktionierte Bestrahlung verändert. Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise, dass das mRNA-Expressionslevel und der Metabolitgehalt frühe Marker für das Ansprechen auf eine Strahlentherapie sein können.rn

Electrochemical imaging of living cell metabolism: investigation on Warburg effect in cancer

Cancer is one of the principal causes of death in the world; almost 8.2 million of deaths were counted in 2012. Emerging evidences indicate that most of the tumors have an increased glycolytic rate and a detriment of oxidative phosphorylation to support abnormal cell proliferation; this phenomenon is known as aerobic glycolysis or Warburg effect. This switching toward glycolysis implies that cancer tissues metabolize approximately tenfold more glucose to lactate in a given time and the amount of lactate released from cancer tissues is much greater than from normal ones. In view of these fundamental discoveries alterations of the cellular metabolism should be considered a crucial hallmark of cancer. Therefore, the investigation of the metabolic differences between normal and transformed cells is important in cancer research and it might find clinical applications. The aim of the project was to investigate the cellular metabolic alterations at single cell level, by monitoring glucose and lactate, in order to provide a better insight in cancer research. For this purpose, electrochemical techniques have been applied. Enzyme-based electrode biosensors for lactate and glucose were –ad hoc- optimized within the project and used as probes for Scanning Electrochemical Microscopy (SECM). The UME biosensor manufacturing and optimization represented a consistent part of the work and a full description of the sensor preparation protocols and of the characterization methods employed is reported. This set-up (SECM used with microbiosensor probes) enabled the non-invasive study of cellular metabolism at single cell level. The knowledge of cancer cell metabolism is required to design more efficient treatment strategies.

Untersuchungen zur Wechselbeziehung zwischen Proteom, Energiestoffwechsel, Redoxstatus und Radiosensibilität von Tumorzellen in vitro und in vivo

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Erforschung ursächlicher Unterschiede im Energiestoffwechsel von hoch- und niedrig-glykolytischen Tumorzelllinien. Darüber hinaus wurde die Hypothese überprüft, wonach eine hohe glykolytische Aktivität in Tumorzellen zu einer Anreicherung von antioxidativen Metaboliten führt und infolgedessen eine Therapieresistenz gegen Gammabestrahlung hervorruft. Abschließend sollte durch biochemische und gentechnische Manipulationen des Energie- bzw. Glukosestoffwechsels die Strahlenresistenz von Tumorzellen verändert und somit neue therapeutische Interventionen eröffnet werden.rnDie zur Klärung dieser Fragestellung erforderlichen molekularbiologischen Experimente erfolgten an jeweils zwei Ovarialkarzinomzelllinien (OC316 und IGROV-1) und zwei Plattenepithelkarzinomzelllinien der Kopf- und Halsregion (SAS und FaDu) sowie den entsprechenden Experimentaltumoren.rnUnabhängig von der Tumorentität und dem Tumormodell konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression Stoffwechsel-assoziierter Proteine mit einem gesteigerten Energiestoffwechsel einhergeht. Der Transfer der Ovarial- und Plattenepithelkarzinomzelllinien in das Mausmodell führte zu keiner grundsätzlichen Änderung des Tumormikromilieus. So wies die hoch-metabolische Linie OC316 in vitro und in vivo eine stark erhöhte MCT-4 Expression auf, deren gentechnische Inhibition jedoch zu keiner Reduktion der Glykolyserate führte.rnDie Hypothese, dass die Laktatproduktion als prädiktiver Marker für die Strahlenresistenz einer Tumorzelllinie fungiert, konnte nicht bestätigt werden. Jedoch führte die Manipulation der intrazellulären Laktatbildung und des Energiestoffwechsels mit nicht zelltoxischen Konzentrationen von 2-Deoxy-D-glukose (2DG) und Rotenon (ROT) bei den Ovarialkarzinomzelllinien zu einer Erhöhung der intrazellulären O2--Anionen, einer Zunahme der Strahlenempfindlichkeit sowie zur Steigerung der initialen und residualen DNA-Doppelstrangbrüche nach Gammabestrahlung.rnHierbei wirken 2DG und ROT synergistisch durch die Inhibierung antioxidativer Systeme sowie durch die Erhöhung des zellulären Radikal-Status. Die Anwendung von Stoffwechselmanipulatoren zur Optimierung und Unterstützung vorhandener Radikal-erzeugender Therapieformen wird aktuell in klinischen Studien überprüft. Translational könnte die durch 2DG und ROT beschriebene Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit bei Ovarialkarzinomzelllinien z. B. in Kombination mit intensitätsmodulierten Strahlentherapien neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, was in weiterführenden in vivo Studien zu überprüfen ist.rn

A hypoxia complement differentiates the muscle response to endurance exercise

Metabolic stress is believed to constitute an important signal for training-induced adjustments of gene expression and oxidative capacity in skeletal muscle. We hypothesized that the effects of endurance training on expression of muscle-relevant transcripts and ultrastructure would be specifically modified by a hypoxia complement during exercise due to enhanced glycolytic strain. Endurance training of untrained male subjects in conditions of hypoxia increased subsarcolemmal mitochondrial density in the recruited vastus lateralis muscle and power output in hypoxia more than training in normoxia, i.e. 169 versus 91% and 10 versus 6%, respectively, and tended to differentially elevate sarcoplasmic volume density (42 versus 20%, P = 0.07). The hypoxia-specific ultrastructural adjustments with training corresponded to differential regulation of the muscle transcriptome by single and repeated exercise between both oxygenation conditions. Fine-tuning by exercise in hypoxia comprised gene ontologies connected to energy provision by glycolysis and fat metabolism in mitochondria, remodelling of capillaries and the extracellular matrix, and cell cycle regulation, but not fibre structure. In the untrained state, the transcriptome response during the first 24 h of recovery from a single exercise bout correlated positively with changes in arterial oxygen saturation during exercise and negatively with blood lactate. This correspondence was inverted in the trained state. The observations highlight that the expression response of myocellular energy pathways to endurance work is graded with regard to metabolic stress and the training state. The exposed mechanistic relationship implies that the altitude specificity of improvements in aerobic performance with a 'living low-training high' regime has a myocellular basis.

Peculiarities of cell death mechanisms in neutrophils

Analyses of neutrophil death mechanisms have revealed many similarities with other cell types; however, a few important molecular features make these cells unique executors of cell death mechanisms. For instance, in order to fight invading pathogens, neutrophils possess a potent machinery to produce reactive oxygen species (ROS), the phagocyte nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase. Evidence is emerging that these ROS are crucial in the execution of most neutrophil cell death mechanisms. Likewise, neutrophils exhibit many diverse granules that are packed with cytotoxic mediators. Of those, cathepsins were recently shown to activate pro-apoptotic B-cell lymphoma-2 (Bcl-2) family members and caspases, thus acting on apoptosis regulators. Moreover, neutrophils have few mitochondria, which hardly participate in ATP synthesis, as neutrophils gain energy from glycolysis. In spite of relatively low levels of cytochrome c in these cells, the mitochondrial death pathway is functional. In addition to these pecularities defining neutrophil death pathways, neutrophils are terminally differentiated cells, hence they do not divide but undergo apoptosis shortly after maturation. The initial trigger of this spontaneous apoptosis remains to be determined, but may result from low transcription and translation activities in mature neutrophils. Due to the unique biological characteristics of neutrophils, pharmacological intervention of inflammation has revealed unexpected and sometimes disappointing results when neutrophils were among the prime target cells during therapy. In this study, we review the current and emerging models of neutrophil cell death mechanisms with a focus on neutrophil peculiarities.

Echinococcus multilocularis phosphoglucose isomerase (EmPGI): a glycolytic enzyme involved in metacestode growth and parasite-host cell interactions

In Echinococcus multilocularis metacestodes, the surface-associated and highly glycosylated laminated layer, and molecules associated with this structure, is believed to be involved in modulating the host-parasite interface. We report on the molecular and functional characterisation of E. multilocularis phosphoglucose isomerase (EmPGI), which is a component of this laminated layer. The EmPGI amino acid sequence is virtually identical to that of its homologue in Echinococcus granulosus, and shares 64% identity and 86% similarity with human PGI. Mammalian PGI is a multi-functional protein which, besides its glycolytic function, can also act as a cytokine, growth factor and inducer of angiogenesis, and plays a role in tumour growth, development and metastasis formation. Recombinant EmPGI (recEmPGI) is also functionally active as a glycolytic enzyme and was found to be present, besides the laminated layer, in vesicle fluid and in germinal layer cell extracts. EmPGI is released from metacestodes and induces a humoral immune response in experimentally infected mice, and vaccination of mice with recEmPGI renders these mice more resistant towards secondary challenge infection, indicating that EmPGI plays an important role in parasite development and/or in modulating the host-parasite relationship. We show that recEmPGI stimulates the growth of isolated E. multilocularis germinal layer cells in vitro and selectively stimulates the proliferation of bovine adrenal cortex endothelial cells but not of human fibroblasts and rat hepatocytes. Thus, besides its role in glycolysis, EmPGI could also act as a factor that stimulates parasite growth and potentially induces the formation of novel blood vessels around the developing metacestode in vivo.

Hypoxia-induced gene activity in disused oxidative muscle

Hypoxia is an important modulator of the skeletal muscle's oxidative phenotype. However, little is known regarding the molecular circuitry underlying the muscular hypoxia response and the interaction of hypoxia with other stimuli of muscle oxidative capacity. We hypothesized that exposure of mice to severe hypoxia would promote the expression of genes involved in capillary morphogenesis and glucose over fatty acid metabolism in active or disused soleus muscle of mice. Specifically, we tested whether the hypoxic response depends on oxygen sensing via the alpha-subunit of hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1 alpha). Spontaneously active wildtype and HIF-1 alpha heterozygous deficient adult female C57B1/6 mice were subjected to hypoxia (PiO2 70 mmHg). In addition, animals were subjected to hypoxia after 7 days of muscle disuse provoked by hindlimb suspension. Soleus muscles were rapidly isolated and analyzed for transcript level alterations with custom-designed AtlasTM cDNA expression arrays (BD Biosciences) and cluster analysis of differentially expressed mRNAs. Multiple mRNA elevations of factors involved in dissolution and stabilization of blood vessels, glycolysis, and mitochondrial respiration were evident after 24 hours of hypoxia in soleus muscle. In parallel transcripts of fat metabolism were reduced. A comparable hypoxia-induced expression pattern involving complex alterations of the IGF-I axis was observed in reloaded muscle after disuse. This hypoxia response in spontaneously active animals was blunted in the HIF-1 alpha heterozygous deficient mice demonstrating 35% lower HIF-1 alpha mRNA levels. Our molecular observations support the concept that severe hypoxia provides HIF-1-dependent signals for remodeling of existing blood vessels, a shift towards glycolytic metabolism and altered myogenic regulation in oxidative mouse muscle and which is amplified by enhanced muscle use. These findings further imply differential mitochondrial turnover and a negative role of HIF-1 alpha for control of fatty acid oxidation in skeletal muscle exposed to one day of severe hypoxia.

Endurance training modulates the muscular transcriptome response to acute exercise

We hypothesized that in untrained individuals (n=6) a single bout of ergometer endurance exercise provokes a concerted response of muscle transcripts towards a slow-oxidative muscle phenotype over a 24-h period. We further hypothesized this response during recovery to be attenuated after six weeks of endurance training. We monitored the expression profile of 220 selected transcripts in muscle biopsies before as well as 1, 8, and 24 h after a 30-min near-maximal bout of exercise. The generalized gene response of untrained vastus lateralis muscle peaked after 8 h of recovery (P=0.001). It involved multiple transcripts of oxidative metabolism and glycolysis. Angiogenic and cell regulatory transcripts were transiently reduced after 1 h independent of the training state. In the trained state, the induction of most transcripts 8 h after exercise was less pronounced despite a moderately higher relative exercise intensity, partially because of increased steady-state mRNA concentration, and the level of metabolic and extracellular RNAs was reduced during recovery from exercise. Our data suggest that the general response of the transcriptome for regulatory and metabolic processes is different in the trained state. Thus, the response is specifically modified with repeated bouts of endurance exercise during which muscle adjustments are established.