The roles of cyclooxygenase-2 and 15-hydroxyprostaglandin dehydrogenase in gastric carcinogenesis

The incidence of gastric cancer has declined worldwide during the last few decades. However, due to late diagnosis of the disease and an aging population, cancer- related mortality remains high, and five-year survival reaches only 20 to 30%. Cyclooxygenase 2 (COX-2) is a marker of poor prognosis. COX-2 converts arachidonic acid to prostanoids, and one of the major products of epithelial cells, prostaglandin E2 (PGE2), plays a decisive role in carcinogenesis by affecting angiogenesis, invasion, and metastasis; 15-hydroxyprostaglandin dehydrogenase (15-PGDH) inactivates PGE2 and is a tumor suppressor in colon, bladder, lung, breast, and gastric cancers. The objective of this study was to understand the contribution of COX-2 and 15-PGDH to gastric carcinogenesis, and we used cell- culture studies, clinical gastric cancer material, and an in vivo model to clarify the role of these enzymes. To understand the molecular mechanisms of COX-2 regulation, we investigated the impact of signaling pathways on COX-2 expression in gastric cancer cells. We found that the PI3K/Akt/GSK-3β pathway up-regulated COX-2 expression, and this was facilitated mostly via mRNA stabilization. We further investigated the expression of 15-PGDH and found that it was drastically down-regulated in human gastric cancer specimens. Furthermore, the proinflammatory cytokine interleukin-1β mediated 15-PGDH down-regulation by inhibiting its promoter activity in gastric cancer cells. To characterize the role of COX-2 in tumorigenesis in vivo we used trefoil factor 1- deficient mice. The pyloric adenomas that developed in these mice expressed COX-2 in stromal fibroblasts. Genetic deletion of COX-2 or inhibition of its activity with celecoxib reduced the size of the adenomas and led to ulceration and chronic inflammation. Discontinuation of celecoxib treatment resulted in reappearance of the adenoma. Inhibition of COX-2 is thus sufficient to suppress gastric adenomas in mice, but its effect is dependent on continuous and long-lasting inhibition. These data indicate that prostanoid-producing and -inactivating enzymes play an important role in gastric carcinogenesis. Whereas in gastric cancer, COX-2 is upregulated, 15-PGDH is down-regulated, and the resultant increased levels of prostanoids such as PGE2 contribute to tumor growth and maintenance. Whereas inhibition of COX-2 has been linked to adverse side effects, 15-PGDH may prove a novel target through which to treat gastric cancer patients, possibly by a gene therapy approach.Mahasyövän esiintyvyys on vähentynyt maailmanlaajuisesti. Kuolleisuus on kuitenkin edelleen korkea ja 5-vuoden elossaolo-osuus on vain 20-30%. Vuonna 2009 Suomessa diagnosoitiin 666 uutta mahasyöpätapausta. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin syklo-oksigenaasi 2:n (COX-2) ja 15-prostaglandiinidehydrogenaasin (15-PGDH) ilmenemisen merkitystä mahasyövän karsinogeneesiin. COX-2 ja 15-PGDH säätelevät epiteelisoluissa syntyvän prostaglandiini E2:n (PGE2) tuotantoa. COX-2 osallistuu PGE2:n syntyyn, kun taas 15-PGDH hajottaa sitä. PGE2 on epiteelisolujen eniten tuottama prostanoidi ja elimistössä se osallistuu verisuonten synnyn ja kehityksen säätelyyn, solujen tunkeutumiseen ympäröiviin kudoksiin sekä metastaasien muodostumiseen. Tässä väitöskirjatyössä käytettiin COX-2- ja 15-PGDH-entsyymien tutkimiseen potilaiden mahasyöpänäytteitä sekä solukasvu- ja koe-eläinmalleja. Tutkimustulokset osoittavat, että syövissä merkittävä signaalinvälitystie PI3K/Akt/GSK-3β aiheuttaa mahasyöpäsoluissa COX-2 proteiinin yli-ilmenemisen ja proinflammatorinen sytokiini interleukiini-1β estää 15-PGDH:n tuotantoa. Merkittävä löytö kliinisissä mahasyöpänäytteissä oli 15-PGDH:n ilmentymisen täydellinen puuttuminen 65% tapauksista. Ymmärtääksemme in vivo COX-2:n merkitystä syövän synnyssä käytimme trefoil factor 1 -poistogeenisiä hiiriä. Hiirille kehittyneet mahanportin adenoomat ilmensivät COX-2:ta strooman fibroblasteissa. Geneettinen COX-2 geenin poisto tai vastaavasti COX-2 proteiinin toiminnan esto selekoksibi-lääkkeellä pienensi adenoomien kokoa ja johti haavaumien muodostumiseen ja krooniseen tulehdukseen. Selekoksibi-hoidon lopettaminen aiheutti adenoomien uudelleen muodostumisen. COX-2-ilmentymisen esto on riittävä ehkäisemään hiirillä mahan adenoomien muodostumista. Vaikutus on kuitenkin riippuvainen jatkuvasta, pitkäkestoisesta estosta. Väitöskirjatyön tulokset osoittavat, että entsyymit, jotka osallistuvat prostanoidien tuottamiseen ja inaktivoimiseen ovat merkittävässä roolissa mahasyövän karsinogeneesissä. Tulevaisuudessa 15-PGDH saattaa osoittautua uudeksi kohteeksi hoitaa mahasyöpää