Untersuchungen zur Wechselbeziehung zwischen Proteom, Energiestoffwechsel, Redoxstatus und Radiosensibilität von Tumorzellen in vitro und in vivo

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Erforschung ursächlicher Unterschiede im Energiestoffwechsel von hoch- und niedrig-glykolytischen Tumorzelllinien. Darüber hinaus wurde die Hypothese überprüft, wonach eine hohe glykolytische Aktivität in Tumorzellen zu einer Anreicherung von antioxidativen Metaboliten führt und infolgedessen eine Therapieresistenz gegen Gammabestrahlung hervorruft. Abschließend sollte durch biochemische und gentechnische Manipulationen des Energie- bzw. Glukosestoffwechsels die Strahlenresistenz von Tumorzellen verändert und somit neue therapeutische Interventionen eröffnet werden.rnDie zur Klärung dieser Fragestellung erforderlichen molekularbiologischen Experimente erfolgten an jeweils zwei Ovarialkarzinomzelllinien (OC316 und IGROV-1) und zwei Plattenepithelkarzinomzelllinien der Kopf- und Halsregion (SAS und FaDu) sowie den entsprechenden Experimentaltumoren.rnUnabhängig von der Tumorentität und dem Tumormodell konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression Stoffwechsel-assoziierter Proteine mit einem gesteigerten Energiestoffwechsel einhergeht. Der Transfer der Ovarial- und Plattenepithelkarzinomzelllinien in das Mausmodell führte zu keiner grundsätzlichen Änderung des Tumormikromilieus. So wies die hoch-metabolische Linie OC316 in vitro und in vivo eine stark erhöhte MCT-4 Expression auf, deren gentechnische Inhibition jedoch zu keiner Reduktion der Glykolyserate führte.rnDie Hypothese, dass die Laktatproduktion als prädiktiver Marker für die Strahlenresistenz einer Tumorzelllinie fungiert, konnte nicht bestätigt werden. Jedoch führte die Manipulation der intrazellulären Laktatbildung und des Energiestoffwechsels mit nicht zelltoxischen Konzentrationen von 2-Deoxy-D-glukose (2DG) und Rotenon (ROT) bei den Ovarialkarzinomzelllinien zu einer Erhöhung der intrazellulären O2--Anionen, einer Zunahme der Strahlenempfindlichkeit sowie zur Steigerung der initialen und residualen DNA-Doppelstrangbrüche nach Gammabestrahlung.rnHierbei wirken 2DG und ROT synergistisch durch die Inhibierung antioxidativer Systeme sowie durch die Erhöhung des zellulären Radikal-Status. Die Anwendung von Stoffwechselmanipulatoren zur Optimierung und Unterstützung vorhandener Radikal-erzeugender Therapieformen wird aktuell in klinischen Studien überprüft. Translational könnte die durch 2DG und ROT beschriebene Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit bei Ovarialkarzinomzelllinien z. B. in Kombination mit intensitätsmodulierten Strahlentherapien neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, was in weiterführenden in vivo Studien zu überprüfen ist.rnThe current work is focused on the interrelation between tumor metabolism, reactive oxygen species, double strand breaks and radioresistance in vitro and in vivo.rnAs a model system, two ovarian cancer cell lines, OC316 and IGROV-1, and two head and neck squamous cell carcinoma cell lines, SAS and FaDu, were used, showing fundamental metabolic differences in vitro and in vivo.rnAn increased metabolic flux and lactate production in OC316 and SAS compared to IGROV-1 and FaDu cells was accompanied by elevated expression levels of glycolysis-related enzymes and membrane transporters. But the hypothesis that a high glycolytic turnover attended by a high lactate production correlates with radioresistance in vitro could not be confirmed here.rnBased on the metabolic diversity in vitro, the influence of three different inhibitors of tumor cell metabolism was investigated: Oxamate (OXA), a pyruvate analogue and inhibitor of lactate dehydrogenase, 2-deoxy-D-glucose (2DG), an inhibitor of glycolysis, and rotenone (ROT), a specific inhibitor of mitochondrial electron complex I. All three inhibitors led to significant changes in tumor cell energy metabolism at non-cytotoxic concentrations. Furthermore, in OC316 and IGROV-1 cells inhibition of tumor glycolysis by 2DG in combination with ROT decreased radioresistance at a clinically relevant radiation dose of 2 Gy. This apparent radiosensitizing effect seems to be based on an increased level of double strand breaks 1 and 24 h after gamma irradiation. Therefore, disruption of energy metabolism may radiosensitize tumor cells through inhibiting reactive oxygen species (ROS) scavenger systems and by enhancing cytotoxicity via oxidative stress.rnAll cancer lines maintained their metabolic properties, as well as protein expression profiles and levels of reactive oxygen species in xenografts, therefore providing a suitable model system for further investigations in vivo. A combination of metabolic inhibitors and reactive oxygen species-generating therapies, such as irradiation, may therefore effectively enhance the therapeutic response particularly in ovarian cancer tumors.r