Einfluss der Chromatinkondensation auf die zelluläre Strahlenempfindlichkeit unter dreidimensionalen Wachstumsbedingungen

Das Tumormikromilieu beeinflusst maßgeblich Tumorwachstum und -progression sowie das Ansprechen von Tumorzellen auf Strahlen- und Chemotherapie. Weiterhin ist bekannt, dass Wachstumsfaktoren, Sauerstoffgehalt und extrazelluläre Matrix (EZM) als Resistenzfaktoren das Zellüberleben nach Exposition mit ionisierender Strahlung oder zytotoxischen Substanzen bestimmen. Weitere zelluläre Parameter, wie Zellmorphologie, Zytoskelettarchitektur und Chromatinkondensation, werden ebenfalls in Abhängigkeit der Wachstumsbedingungen moduliert, wie vergleichende Untersuchungen an physiologischeren drei- (3D) mit herkömmlichen zwei-dimensionalen (2D) Zellkulturen zeigen. Veränderungen der Chromatindichte beeinflussen zudem die Genexpression, wodurch wichtige zelluläre Prozesse, wie Überleben, Proliferation und Differenzierung der Zellen, reguliert werden. Außerdem ist die Chromatinkondensation für eine effektive Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden, wie DNA-Doppelstrangbrüche (DSB), von großer Bedeutung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die zelluläre Strahlenempfindlichkeit unter Berücksichtigung der Chromatinkondensation in humanen Bronchial- (A549) und Plattenepithelkarzinomzellen (UTSCC-15) in Abhängigkeit der Wachstumsbedingungen zu analysieren. Da die molekularen Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Chromatindichte und Reparatur strahleninduzierter DSB bis heute unklar sind, war die Untersuchung dieser Zusammenhänge unter 2D, 3D und in vivo Wachstumsbedingungen von besonderem Interesse. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das Zellwachstum in einer physiologischen 3D Matrix im Vergleich zur herkömmlichen 2D Zellkultur zu einer geringeren Anzahl an strahleninduzierten residuellen DSB (rDSB) und letalen Chromosomenaberrationen führen kann, was wiederum für ein verbessertes Zellüberleben nach Bestrahlung verantwortlich sein könnte. Des Weiteren konnte in 3D im Zusammenhang mit einer höheren Chromatinkondensierung eine Erhöhung der zellulären Strahlenresistenz gezeigt werden. Auf molekularer Ebene zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit außerdem, dass eine siRNA-vermittelte Hemmung chromatinmodifizierender Histondeacetylasen (HDAC 1, 2 und 4) zu keiner Strahlensensibilisierung führt, während durch die Behandlung mit dem pharmakologischen HDAC-Inhibitor Panobinostat (LBH589) neben der Chromatindekondensierung auch eine erhöhte Strahlenempfindlichkeit der Zellen erreicht werden konnte. In Abhängigkeit der untersuchten Wachstumsbedingungen konnten Unterschiede in der Verteilung strahleninduzierter DSB zwischen hetero- und euchromatischen DNA-Bereichen nachgewiesen werden. Interessanterweise nimmt in 2D dosisabhängig der prozentuale Anteil der Heterochromatin (HC)-assoziierten Foci ab, wohingegen in 3D und im Xenografttumormodell dosisunabhängig etwa die Hälfte der Foci mit heterochromatischen DNA-Bereichen assoziiert sind. Diese Daten zeigen, dass Tumorzellen in 3D und in vivo in Abhängigkeit der veränderten Zellmorphologie und Chromatinkondensierung deutlich mehr HC-assoziierte rDSB besitzen als in 2D, was die Hypothese einer beeinträchtigten Reparatur im HC unterstützt. Dennoch zeigt die Korrelation zwischen der deutlich geringeren rDSB Gesamtanzahl und dem erhöhtem Zellüberleben in 3D, dass neben dem Anteil an kondensiertem Chromatin auch die Gesamtanzahl rDSB ein wichtiger Einflussfaktor der zellulären Strahlenempfindlichkeit zu sein scheint. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit wichtige Erklärungsansätze für einen direkten Zusammenhang zwischen Zellmorphologie, Chromatinkondensation und zellulärer Strahlenempfindlichkeit. Des Weiteren unterstreichen diese Untersuchungen das verwendete 3D Zellkulturmodell als Annäherung an die in vivo Situation. Damit sind diese Daten von großer Relevanz für ein besseres Verständnis der zellulären Strahlenempfindlichkeit auf molekularer Ebene und können entscheidend dazu beitragen die Behandlung von Tumorerkrankungen sowie die Heilungschancen der Patienten zu verbessern