Selektive Apoptoseinduktion duch das TNF System im hepatozellulärem Karzinom

Das Hepatozelluläre Karzinom (HCC) ist die dritthäufigste tumorassoziierte Todesursache. Man sucht nachwievor nach einer effektiveren zielgerichteten regionalen Krebsbehandlung innerhalb der Leber. TNF war das erste Zytokin das für die Krebstherapie angewendet wurde. Eine systemische Anwendung von TNF ist nicht möglich, da die benötigte antitumorale Dosis die maximal tolerierte Dosis übersteigt. Die in situ isoliert perfundierte Leber ermöglicht die Applikation von TNF ohne systemische Toxizität, jedoch mit Schädigung gesunden Lebergewebes. Im Gegensatz zum klassischen Ansatz des selektiven Tumor-Treffers verfolgt diese Arbeit die Alternative des selektiven Schutzes der gesunden Zellen vor TNF-induzierter Apoptose. Fruktose-induzierte ATP Depletion, die auf den leberspezifischen Fruktosestoffwechsel zurückzuführen ist, verhindert TNF- induzierten Zelltod. Es wurde zunächst der Fruktose-induzierte zytoprotektive Mechanismus und Veränderungen im Energiemetabolismus untersucht. Die verwendeten Hepatomzelllinien wiesen keine durch Fruktose hervorgerufene ATP Depletion und den damit verbundenen Schutz gegenüber TNF auf, während primäre Hepatozyten der Maus, Ratte und des Menschen durch Fruktose-induzierte ATP Depletion geschützt waren. Veränderungen der spezifischen Aktivität der am leberspezifischen Fruktosestoffwechsel beteiligten Enzyme Fruktokinase und Aldolase B konnten das Ausbleiben der ATP Depletion in den Zelllinien nicht erklären. Die Aktivität der low-Km Hexokinasen war in allen Zelllinien im Gegensatz zu den entsprechenden Primärzellen erhöht, und eine verstärkte Expression der Hexokinase Isoform II (HKII) auf mRNA- und Proteinebene wurde nachgewiesen. Pharmakologische Inhibition der Hexokinasen durch 3-Brompyruvat ermöglichte fruktoseinduzierte ATP Depletion in HepG2-Zellen. Auf der anderen Seite wurde Fruktose-vermittelte ATP Depletion durch HIF1-induzierte Hochregulation der HKII in primären murinen Hepatozyten verhindert. Entsprechend konnte die Protektion der primären murinen Hepatozyten mittels Fruktose gegenüber TNF-induzierter Apoptose durch Überexpression der HKII aufgehoben werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die erhöhte Expression der HKII in transformierten Zellen hepatischen Ursprungs zu einem Übergang vom leberspezifischen zu einem muskelspezifischen Fruktosemetabolismus führt, wodurch Fruktose-vermittelte ATP Depletion und der daraus resultierende Zellschutz vor TNF-induzierter Apoptose verhindert wird. Daraus folgt, dass die Hochregulation der HKII in malignen Zellen hepatozellulären Ursprunges eine Voraussetzung darstellt, um selektiv diese Zellen durch TNF in Anwesenheit von Fruktose zu attackieren und gleichzeitig selektiv gesunde Hepatozyten zu schützen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der molekulare Mechanismus untersucht, welcher durch ATP Depletion diesen Schutz verursacht. Fruktose-induzierte ATP Depletion führte zu transienter extrazellulärer Akkumulierung des ATP Abbauproduktes Adenosin in vitro und in vivo. Adenosin induzierte in einem autokrinen Mechanismus die Produktion des second Messenger cAMP. Adenosin und cAMP führten in Analogie zu Fruktose zu inversen Effekten auf CD95- und TNF-induzierte Apoptose. Beide Effekte waren sensitiv gegenüber Inhibitoren der PKA. Die Analyse des TNF- induzierten MAP-Kinase Signalweges zeigte auf, dass ATP Depletion mittels Fruktose, sowie cAMP die proapoptotische, verlängerte Phase der TNF- induzierten JNK Aktivierung inhibieren. Dies könnte die konträren Effekte von Fruktose auf CD95- und TNF-induzierte Apoptose erklären, da JNK nur im TNF-vermittelten Zelltod essentiell ist. Inhibition des proapoptotischen JNK Signalweges durch Fruktose verhinderte die Aktivierung des mitochondrialen Verstärkungsmechanismus durch Bid, da sowohl die Spaltung von Bid, als auch die Translokation von tBid zum Mitochondrium unter Mitwirkung der PKA gehemmt wurde. Basierend auf diesen Daten postulieren wir, dass ATP Depletion durch Fruktose die TNF- und CD95-induzierte Apoptose über einen Adenosin-/cAMP-/PKA-vermittelten Prozess moduliert. Des Weiteren hemmt PKA die TNF-induzierte verlängerte und proapoptotische JNK Aktivierung, die als essentiell für TNF-vermittelte Apoptose beschrieben wurde. Diese Daten erklären das mechanistische Prinzip der Modulation der zytokininduzierten Apoptose in Hepatozyten durch Fruktose. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit auf, dass maligne Hepatozyten ihren leberspezifischen Fruktosestoffwechsel durch tumorspezifische Veränderungen im Energiemetabolismus verlieren. Dies bedingt, dass diese Zellen nicht durch Fruktose vor TNF-induzierter Apoptose geschützt werden, da der zytoprotektive Effekt direkt auf dem Fruktosestoffwechsel basiert. Der Schutzmechanismus vor TNF-induziertem Zelltod wurde aufgeklärt. Die Befunde führen zu einem neuen Konzept der Machbarkeit selektiver Tumortherapie innerhalb der Leber, indem in malignen Hepatozyten Apoptose induziert wird, während die gesunden Leberzellen geschützt werden