Strahlensensitivierung von Kopf-Hals-Tumorzellen durch den dualen PI3K/mTOR-Inhibitor NVP-BEZ235

ZUSAMMENFASSUNG Plattenepithelkarzinome der Kopf-Hals-Region (HNSCC) zählen seit Jahren zu den sechs häufigsten bösartigen Neuerkrankungen weltweit. Neben Alkohol- und Nikotinkonsum trägt die lokale Infektion mit Humanen Papillomaviren (vornehmlich HPV-16 und HPV-18) zur Onkogenese bei. Damit begründen sie eine eigene molekulare Tumorentität mit steigender Inzidenz. Die Strahlentherapie ist neben der chirurgischen Resektion eine der wichtigsten Therapieoptionen bei der multimodalen Behandlung dieser Tumore und stellt eine effektive Möglichkeit dar, den Tumor organ- und funktionserhaltend zu behandeln. Da diese Tumore oft sehr spät erkannt und in einem fortgeschrittenen Stadium behandelt werden, sowie eine relativ hohe Rate an Rezidiven und Zweittumoren aufweisen, geht die Erkrankung meist mit einer schlechten Prognose einher. Lediglich für HPV-assoziierte Karzinome wird ein deutlich besseres Überleben beobachtet, was vor allem auf eine hohe Strahlenempfindlichkeit zurückgeführt werden kann. Die intensive Therapie ist allerdings trotz vieler Fortschritte mit einer hohen Normalgewebetoxizität verbunden. Deshalb gibt es seit Jahren Bestrebungen eine Verbesserung der Therapie zu erreichen, die es ermöglicht, höhere Heilungsraten bei gleichzeitiger Reduzierung der Normalgewebetoxizität zu erzielen. Im wissenschaftlichen Fokus stehen hierbei vor allem molekulare Ansätze, die gezielt in spezifische Abläufe der Tumoren eingreifen. Zu den vielversprechenden Zielstrukturen gehört bei HNSCC-Tumoren insbesondere der PI3K/mTOR/Akt-Signalweg, da er in einer Vielzahl dieser Tumore im Sinne einer Überaktivierung fehlreguliert ist. Der Signalweg nimmt über eine Vielzahl von Effektoren Einfluss auf Proliferation, Metabolismus sowie die DNA-Reparatur. Die Hoffnung ist daher, durch Inhibition dieses Signalweges eine gezielte Strahlensensibilisierung zu erreichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig an HPV-pos. sowie HPV-neg. HNSCC-Zelllinien untersucht, ob durch die Behandlung mit BEZ235 die Reparatur der strahleninduzierten DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) effektiv unterdrückt und dadurch eine deutliche Strahlensensitivierung erreicht werden kann. Verwendet wurden hierfür die vier HPV-negativen HNSCC-Zelllinien (UM-SCC-3, UM-SCC-6, UM-SCC-11b, UM-SCC-33) sowie die vier HPV-positiven Linien (UM-SCC-104, UD-SCC-2, UM-SCC-47, 93VU-147T). Die Wirkung auf das Zellüberleben wurde mittels des Koloniebildungstests bestimmt. Der Nachweis der DSB erfolgte mit der sehr sensitiven gH2AX-Foci-Technik. Bestimmt wurde jeweils der Anteil der Zellen mit ≥5 gH2AX-Foci. Um bei dieser Analyse zwischen G1- und G2-Phase-Zellen zu unterscheiden, wurde die Zellzyklus-abhängige Expression des Zentromer-spezifischen Proteins F (CenpF) genutzt. Insgesamt konnten folgende Beobachtungen gemacht werden: 1. Die Behandlung mit 50 nM BEZ235 allein hat keinen oder nur sehr geringen Einfluss auf das Zellüberleben. 2. In Kombination mit Bestrahlung bewirkt BEZ235 eine deutliche Strahlensensibilisierung, wobei dieser Effekt unabhängig vom HPV-Status der HNSCC-Zellen ist. 3. In unbehandelten HPV-negativen wie -positiven HNSCC-Zelllinien ist der Anteil an Zellen mit ≥5 gH2AX Foci sehr gering mit im Mittel nur 1-2%. Zusammenfassung 41 4. Bei einer Bestrahlung mit 2 Gy ist der Anteil der Zellen mit ≥5 gH2AX Foci in den HPV-positiven Zellen deutlich höher als in den HPV-negativen Zellen, was – in Übereinstimmung mit früheren Daten - auf einen Defekt der DSB-Reparatur in den HPV-positiven Zellen hinweist. 5. Sowohl in HPV-negativen als auch in HPV-positiven HNSCC-Zellen wird durch BEZ235 die DSB Reparatur inhibiert, was zu einer deutlichen Zunahme des Anteils an Zellen mit ≥5 Foci führt. 6. Diese Zunahme zeigt sich nur in G1-Phase-Zellen und nicht in G2-Phase-Zellen. Dies deutet daraufhin, dass BEZ235 primär die Nicht-homologe Endverknüpfung (NHEJ) unterdrückt, welche in der G1-Phase der wichtigste Reparaturprozess ist. 7. Bei der Kombination von BEZ235 mit Bestrahlung korreliert der Anteil der Zellen mit ≥5 Foci, wie er in den G1-Phase-Zellen gemessen wird, sehr gut mit der entsprechenden Abnahme in der Überlebensrate. Dies bedeutet, dass die Strahlensensibilisierung durch BEZ235 primär auf eine Hemmung der DSB-Reparatur zurückgeführt werden kann. Insgesamt kann mit dieser Arbeit erstmalig dargestellt werden, dass durch eine effektive Unterdrückung des PI3k/mTOR/Akt-Signalweges mittels des dualen Inhibitors BEZ235 in allen HPV-negativen bzw. HPV-positiven HNSCC-Zelllinien eine starke Strahlensensibilisierung erreicht werden kann. Dieses Ergebnis bietet langfristig die Möglichkeit, durch eine gezielte Strahlensensibilisierung der Tumore die Heilungsrate von HNSCC durch eine kombinierte Behandlung zu steigern bei gleichzeitiger Reduktion der Normalgewebetoxizität. Die Daten dieser Arbeit wurden zusammen mit anderen Ergebnissen in der Zeitschrift Cancers veröffentlicht: Schötz U, Balzer V, Brandt FW, Ziemann F, Subtil FSB, Rieckmann T, Köcher S, Engenhart-Cabillic R, Dikomey E, Wittig A, Arenz A. Dual PI3K/mTOR Inhibitor NVP-BEZ235 Enhances Radiosensitivity of Head and Neck Squamous Cell Carcinoma (HNSCC) Cell Lines Due to Suppressed Double-Strand Break (DSB) Repair by Non-Homologous End Joining. Cancers (Basel). 2020 Feb 18;12(2)