Effekte mesenchymaler Knochenstammzellen auf Kopf-Hals-Tumorzelllinien in 2D- und 3D- Zellkultur

Plattenepithelkarzinome stellen die häufigste Malignität im Kopf- und Halsbereich dar (engl.: head and neck squamous cell carcinomas, HNSCCs). Trotz Intensivierung von Forschung und Entwicklung an erweiterten und neuen Therapieansätzen hat sich die Überlebensprognose von Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren, vorwiegend in fortgeschrittenen Stadien, bisher nicht wesentlich verbessert. Die Metastasierung ins Knochengewebe stellt einen der häufigsten Metastasierungsorte in allen HNSCC-Patienten dar und geht mit einer besonders schlechten Prognose einher. Hier wird die Dringlichkeit deutlich, grundlegende Interaktionen von Zellen im Tumornetzwerk weiter aufzuklären und zu verstehen. Bis heute ist noch nicht vollständig geklärt, wie Tumorzellen ihre Umgebung beeinflussen und welche Interaktionen zwischen Tumorzellen und der Tumormikroumgebung das Tumorwachstum begünstigen. Vor allen in weiter fortgeschrittenen Stadien konnten unter anderem mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark (engl.: bone marrow-derived mesenchymal stem cells, BMSCs) im Tumorgewebe von HNSCC-Patienten nachgewiesen werden. Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkung der Wechselwirkung zwischen HNSCC-Zellen und BMSCs auf Matrixmetalloprotease-9 (MMP-9) Expression und Funktion weiter aufzuklären. Diesen Stammzellen werden sowohl tumorhemmende als auch tumorprogressive Eigenschaften zugeschrieben. Ihre Auswirkung auf Tumorzellen und die Tumormikroumgebung ist bis heute jedoch nicht eindeutig geklärt und wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Die aktuellen Forschungsergebnisse bieten derzeit überwiegend Hinweise auf die Förderung aggressiver Tumoreigenschaften durch die Infiltration mesenchymaler Stammzellen. Aus der Arbeitsgruppe war bekannt, dass es bei Co-Kultivierung von BMSCs und HNSCC-Zellen in 3D-Zellkultur zu einer erhöhten Gen- und Proteinexpression der osteogenen Differenzierungsmarker Runt-verwandte Transkriptionsfaktor 2 (Runx2) und Alkalische Phosphatase (ALP) kam. Neben der osteogenen Differenzierung konnten sowohl Runx2 als auch ALP eine Beeinflussung der epitheliale-mesenchymale Transition (EMT), Invasion und Metastasierung von Tumoren zugeschrieben werden. In dieser Arbeit wurde die Rolle von ALP bei der Ausbreitung von co-kultivierten Sphäroiden untersucht. Um eine möglichst realitätsnahe Wachstums- und Versorgungsumgebung zu ermöglichen, stand besonders die 3D-Kultivierung der untersuchten Zellen nach der sogenannten Hanging Drop-Methode, neben einer 2D-Kultivierung adhärenter Zellen, im Vordergrund. Es konnte gezeigt werden, dass ALP das Ausbreitungsverhalten von HNSCC-Zellen begünstigt, da die Inhibition von ALP die Ausbreitung von Co-Kultur Sphäroiden auf Basallamina-ähnlichem Matrigel® hemmte. Daten der Arbeitsgruppe konnten zudem eine erhöhte Expression und Sekretion von MMP-9 bei Kultivierung von HNSCC-Zellen zusammen mit BMSCs nachweisen. Bei MMP-9 handelt es sich um eine Gelatinase, die für den Abbau extrazellulärer Matrix verantwortlich ist und mit einer erhöhten Tumorinvasion und Metastasierung assoziiert ist. Der genaue zelluläre Ursprung einer erhöhten Expression von MMP-9 im Tumorgewebe war bisher nicht bekannt. Diese Arbeit konnte aufzeigen, dass die mesenchymalen Knochenmarkstammzellen Ursprung der erhöhten MMP-9 Expression bei Co-Kultivierung mit HNSCC-Zellen waren. Zur Beantwortung der Frage, ob HNSCC-Zellen nach Co-Kultivierung mit BMSCs eine erhöhte MMP-9 Promotoraktivität aufweisen, erfolgte die Durchführung eines Dual-Luciferase® Reporter Assays. Hierbei stellte sich heraus, dass in HNSCC-Zellen bei Co-Kultivierung mit BMSCs keine Steigerung der MMP-9 Promotoraktivität auftrat. Eine Analyse der MMP-9 Sekretion nach spezifischem MMP-9 small interfering RNA (siRNA) Knockdown in BMSCs bzw. HNSCC-Zellen konnte nur nach Knockdown in BMSCs eine deutliche Reduktion der MMP-9 Expression herbeiführen. Des Weiteren diente diese Arbeit der genaueren Erforschung der Regulation der MMP-9 Expression durch Runx2 aus HNSCC-Zellen. Dafür wurde ein Knockdown von Runx2 mittels spezifischer siRNA in HNSCC-Zellen durchgeführt. Es folgte die Analyse der MMP-9 Aktivität in der Gelatinase-Zymographie. Hierbei konnte kein eindeutiger Einfluss von Runx2 auf die MMP-9 Aktivität in Sphäroiden aus HNSCC-Zellen gezeigt werden. Hier sind weiterführende Untersuchungen zur Regulation von MMP-9 notwendig. Zusammenfassend konnte diese Arbeit zeigen, dass BMSCs durch Sekretion von MMP-9 einen tumorprogressiven Einfluss auf HNSCC-Zellen ausüben und der osteogene Differenzierungsmarker ALP BMSCs und HNSCC-Zellen zur Interaktion mit Basallamina-ähnlichem Matrigel® befähigt und deren Ausbreitung begünstigt. Die durchgeführten Experimente lassen auf einen synergistischen Einfluss von MMP-9 und ALP auf die Migrations- und Invasionsfähigkeit von HNSCCs schließen