Regulators of tumor angiogenesis are modulated in colon carcinoma cells by stress inflicted via NO and PDTC

Interleukin (IL)-8, heme oxygenase-1 (HO-1), and vascular endothelial growth factor (VEGF) appear to be critically involved in immune responses associated with inflammation, infection, and tumor growth. Regulation of these mediators was studied in the human colon carcinoma cell line DLD-1. Here we report that pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC) not only augmented tumor necrosis factor-a induced release of IL-8, but also mediated IL-8 expression as a single stimulus. Mutational analysis of the IL-8 promotor and electrophoretic mobility shift analysis revealed that activation of the transcription factor activator protein-1 (AP-1) and a constitutive nuclear factor-KB (NF-KB) binding activity in DLD-1 cells were mandatory for PDTC-induced IL-8 expression. Besides IL-8, PDTC also upregulated expression of HO-1 and VEGF in these cells. Induction of IL-8 by PDTC was not restricted to DLD-1 cells, but was observed as well in Caco-2 colon carcinoma cells and in peripheral blood mononuclear cells. PDTC is currently advocated for use as chemotherapeutic drug in the treatment of certain malignancies, among them colorectal cancer. Induction of IL-8, HO-1, and VEGF may affect therapeutic applications of this agent. Expression of inducible nitric oxide (NO) synthase and production of NO appears to be a marker of tumor progression in human neoplasia, among them melanoma, head and neck cancer, and colorectal cancer. Since tumor-promoting functions of NO have been associated with increased angiogenesis at the tumor site, we investigated effects of NO on the production of selected chemokines that are supposed to differentially regulate tumor growth, namely proangiogenic IL-8 as well as tumorsuppressive interferon-inducible protein-10 (IP-10) and monokine induced by interferon-y (MIG). These chemokines are expressed by colon carcinoma cells after stimulation with the combination IL-1ß/Interferon (IFN)y. Under these conditions, release of IL-8 was exclusively mediated by IL-1ß but not by IFNy, whereas production of IP-10 and MIG was dependent on activation by IFNy. Effects of NO were analyzed by incubation with the NO-donor DETA-NO. Expression and release of IL-8 from colon carcinoma cells was markedly upregulated by NO. In addition, NO enhanced gene expression of vascular endothelial growth factor (VEGF). Accordingly, basal release of VEGF was significantly augmented in cells exposed to NO. In contrast, IL-1ß/IFNy-induced production of IP-10 and MIG was suppressed by NO. Likewise, overproduction of IFNy-dependent inducible NO synthase was restrained by NO in DLD-1 cells. The present data are consistent with previous observations that relate NO to enhanced tumor angiogenesis and imply that NO-mediated upregulation of IL-8 and VEGF as well as downregulation of IP-10 and MIG expression may contribute to this phenomenon.Der Produktion von Interleukin-8 (IL-8), Hämoxygenase-1 (HO-1), und dem vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) wird zunehmend größere Bedeutung im Rahmen der Regulation der Immunantwort bei Entzündung, Infektion und Tumorwachstum zugemessen. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Regulation dieser Botenstoffe in vitro durch Verwendung der humanen Dickdarmkarzinomzellinie DLD-1. Die Substanz Pyrrolidinedithiocarbamate (PDTC) verstärkt nicht nur die durch Tumornekrosefaktor-a (TNF-a) vermittelte Ausschüttung von IL-8, sondern induziert auch als alleiniger Stimulus die IL-8-Sekretion. Mutationsanalysen des IL-8-Promotors und "Electrophoretic Mobility Shift" Untersuchungen (EMSA) zeigten, daß die Aktivierung des Transkriptionsfaktors AP-1 (Aktivator Protein-1) und die Bindungsaktivität von konstitutiv aktiviertem NF-KB in DLD-1 Zellen für die PDTC induzierte IL-8 Expression zwingend erforderlich waren. Weiterhin war PDTC in der Lage in DLD-1 Zellen neben IL-8 auch die Expression von HO-1 und VEGF zu verstärken. Die Induktion von IL-8 durch PDTC war nicht nur auf DLD-1 Zellen beschränkt, sondern wurde auch in Caco-2 Zellen (ebenfalls Dickdarmkrebszellen) und in humanen mononukleären Blutzellen beobachtet. Die Verwendung von PDTC wird seit kurzem als Kombinationspräparat für Zytostatia zur Behandlung von verschiedenen bösartigen Tumoren, unter ihnen auch Darmkrebs, vorgeschlagen. Aus unseren Versuchen läßt sich ableiten, daß die Induktion von IL-8, HO-1 und VEGF die therapeutische Anwendung dieser Substanz nachteilig beeinflussen könnte. Dies ergibt sich daraus, daß alle drei genannten Faktoren durch proangiogene Wirkungen das Tumorwachstum fördern. Die Expression der induzierbaren Stickoxidsynthase und die Produktion von Stickoxid (NO) korreliert mit der Angiogenese bei verschiedenen Krebserkrankungen darunter Melanome, Tumore im Hals- und Kopfbereich und Darmkrebs. Da tumorbegünstigende Funktionen von NO mit vermehrter Angiogenese in Verbindung gebracht werden, wurden die Effekte von NO hinsichtlich der Produktion von ausgesuchten Chemokinen, die an der Steuerung des Tumorwachstums beteiligt sind, untersucht. Zu diesen Chemokinen gehören das proangiogene IL-8 sowie das tumorsuppressiv durch Interferon induzierbare Protein-10 (IP-10) und das Monokin induziert durch Interferon-y (MIG). Diese Chemokine werden, nach Stimulation mit IL- 1ß und lnterferon-? (IFN-?) von DLD-1 Zellen, ausgeschüttet. Unter diesen Bedingungen wird die IL-8 Freisetzung alleine durch IL-1ß vermittelt, aber nicht durch INFy. Im Gegensatz zu IL-8 hängt die Sekretion von IP-10 und MIG von der Aktivierung durch IFNy ab. Die Effekte von NO wurden analysiert indem DLD-1 Zellen mit dem NO-Donor DETA-NO inkubiert wurden. DETA-NO besitzt eine Halbwertzeit von 16,5h und simuliert damit die Effekte der endogenen NO-Synthase. Synthese und Freisetzung von IL-8 wurden durch die Behandlung mit NO stark gesteigert. Außerdem wurde in Zellen die dem NO-Donor ausgesetzt wurden die basale Sekretion des VEGF signifikant verstärkt. Dies steht im Gegensatz zur IL-Iß/IFNy-induzierten Produktion von IP-10 und MIG, beide wurden durch Koinkubation mit NO unterdrückt. Ebenso wurde die Regulation der IFNy abhängigen induzierbaren Stickoxidsynthase in DLD-1 Zellen von NO unterdrückt. Die vorliegenden Daten ergänzen vorherige Studien, in denen NO mit Tumorangiogenese und verstärkten Tumorwachstum in Verbindung gebracht wird. Die NO vermittelte Induktion von IL-8 und VEGF, ebenso wie die Verminderung der IP-10 and MIG Expression, könnte zu diesem Phänomen beitragen. Unsere Studien stützen die Hypothese, daß spezifische lnhibitoren der iNOS therapeutischen Nutzen bei humanen Neoplasien haben könnten