Vitamin-D-receptor- and CYP24A1- expression in bone metastases of different primary origin

Knochenmetastasen sind unter den drei häufigsten Manifestationsorten metastatischer Absiedelungen von fortgeschrittenen Tumorerkrankungen. Dabei sind insbesondere Patientinnen und Patienten mit Prostata- und Mammakarzinom von Knochenmetastasen betroffen. Diese Knochenmetastasen führen häufig zu einer deutlichen Verschlechterung der Lebensqualität und zu einer Begrenzung der Therapieoptionen auf lediglich palliative Ansätze. Die biologisch aktive Form von Vitamin D3, 1,25(OH)2-Vitamin D3, zeigt in präklinischen Studien antiproliferative und differenzierende Effekte auf Tumorzellen (101, 102, 104), die haupsächlich durch die Bindung an den Vitamin D-Rezeptor (VDR) vermittelt werden. Darüberhinaus konnte präklinisch gezeigt werden, dass eine niedrige Expression des VDRs, ligandenunabhängig, die Knochenmetastasierung und das Tumorwachstum begünstigt (118). Eine niedrige VDR-Expression ist in Primärtumoren in klinischen Studien mit aggressiven Tumoreigenschaften assoziiert (111, 113, 115) und kann zudem mit einer erhöhten/früheren ossären Metastasierung einhergehen (167). Zudem gibt es Hinweise auf einen dysregulierten 1,25(OH)2-Vitamin D3-Katabolismus durch eine erhöhte Expression des 1,25(OH)2-Vitamin D3 katabolisierenden Enzyms CYP24A1/24-Hydroxylase in primärem Tumorzellen (70, 121, 122). Durch die Untersuchungen der Primärtumoren ist damit zu hypothetisieren, dass die Expression des VDRs und von CYP24A1 bei der Tumorprogression und Knochenmetastasierung von Bedeutung sein könnte. Entsprechende Untersuchungen des VDRs und der 24-Hydroxylase in Knochenmetastasen fehlen allerdings. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Expression des VDRs und von CYP24A1 in Knochenmetastasen unterschiedlicher Primärtumoren von 66 Patientinnen und Patienten untersucht und mögliche Assoziationen mit aggressiven Tumoreigenschaften analysiert. Der VDR konnte sowohl im Zytoplasma als auch im Nukleus nachgewiesen werden, während CYP24A1 nur im Zytoplasma lokalisiert war. Dabei wiesen insgesamt 71 % der Knochenmetastasen eine hohe VDR-Expression im Nukleus und 56 % im Zytoplasma auf. 59 % der Knochenmetastasen wiesen eine hohe Expression des VDRs insgesamt auf. CYP24A1 war ebenso in 59 % der Knochenmetastasen hoch exprimiert. Bei der Auswertung des Zusammenhangs zwischen den TNM-Stadien und des Gradings zeigte sich ein nicht signifikanter Trend von schlecht differenzierten Tumoren hin zu einer niedrigeren nukleären VDR-Expression (p=0.07, siehe Abbildung 33). Bezüglich der T-Stadien zeigten sich keine Unterschiede der Expression des VDRs und von CYP24A1 in den Knochenmetastasen zwischen lokal fortgeschrittenen und kleinen Primärtumoren. Weiterhin hatten Patientinnen und Patienten mit Lymphknotenmetastasen tendenziell eine verminderte VDR- und auch CYP24A1-Expression in den Knochenmetastasen im Vergleich zu Patienten und Patientinnen ohne Lymphknotenmetastasen (pVDR=0.15, pCYP24A1=0.06, siehe Abbildung 35). Außerdem hatten Patientinnen und Patienten mit multiple metastasierten Tumoren eine signifikant niedrigere nukleäre VDR- und auch CYP24A1-Expression im Vergleich zu Patientinnen und Patienten mit ausschließlich ossärer Metastasierung (pVDR=0.03, pCYP24A1=0.01, Abbildung 36). Die Proteinexpression des VDRs- und von CYP24A1 korrelierten signifikant (p=0.001). Somit konnte mit dieser Arbeit die Proteinexpression des VDRs und von CYP24A1 in Knochenmetastasen durch Immunhistologie nachgewiesen werden. Insgesamt wurde der VDR und CYP24A1 von Knochenmetastasen diverser Entität unterschiedlich stark exprimiert. Jedoch könnten insbesondere Patienten mit VDR-exprimierenden Knochenmetastasen von einer Vitamin D3-Supplementierung profitieren, die häufig einen 25-OH-Vitamin D3 Mangel zeigen (165, 166). Ebenso könnte eine Untersuchung auf einen niedrigen VDR-Status in Primärtumoren dabei helfen, Krebspatienten mit einem hohen Metastasierungsrisiko zu identifizieren. Allerdings sind weitere und größere Studien inbesondere mit Evaluation des gesamten Vitamin D-Metabolismus und -Signalwegs notwendig, um diesen Zusammenhang weiter zu untersuchen.Bone metastases are among the three most frequent sites of metastatic manifestation of late-stage cancers, particularly of prostate and breast cancers. Bone metastases often reduce patient’s quality of life due to skeletal-related events. Additionally, bone metastatic tumor treatment is predominantly restricted to palliative measures. In preclinical studies, the biologically active form of vitamin D3, 1,25(OH)2-vitamin D3, has been demonstrated to have antiproliferative and differentiating effects on cancer cells (101, 102, 104), which are mostly mediated by binding to the vitamin D receptor (VDR). Moreover, the VDR expression itself may affect cancer growth and the metastatic potential to bone. For example, preclinically, it has been shown that VDR knockdown promotes bone metastases manifestation and growth (118). Furthermore, low VDR expression is associated to aggressive cancer characteristics in primary cancers (111, 113, 115) and also linked to earlier bone metastasis manifestation in breast cancer (120). In addition, there is evidence that 1,25(OH)2-vitamin D3- catabolism is altered in cancer cells. Thus, inactivation of local 1,25(OH)2-vitamin D3-levels in cancer cells may be increased (70, 121, 122). VDR and CYP24A1 expression could therefore be important concerning cancer progression and bone metastases manifestation and growth. However, there are currently no reports of studies investigating VDR expression and vitamin D-metabolism in bone metastases. The aim of this study was hence to assess VDR and CYP24A1 (vitamin D-catabolizing enzyme) expression in bone metastases of 66 patients secondary to prostate-, breast-, kidney-, lung-, follicular thyroid- and colorectal cancers using immunohistochemistry (132). While the VDR was localised in the nucleus and cytoplasm, CYP24A1 was identified in the cytoplasm only. A high VDR nuclear protein expression was detected in 47/66 (71 %) and cytoplasmatic in 37/66 (56 %). 39/66 (59 %) of bone metastases had a high total VDR expression. CYP24A1 was also strongly expressed in 39/66 (59 %) of bone metastases. Expression levels were correlated to patient data and cancer characteristics. There was a non-significant trend of high-grade cancers towards low nuclear VDR expression (p=0.07, see figure 33). Additionally, patients with lymph node metastases (N-stage) tended to have a reduced bone metastatic VDR and CYP24A1 expression compared to patients without lymph node metastases (pVDR=0.15, pCYP24A1=0.06, see figure 35). There was no difference of VDR and CYP24A1 expression in bone metastases between locally advanced and small primary cancers (T-stage). Interestingly, patients with further metastases other than bone metastases had reduced nuclear VDR and CYP24A1 levels compared to patients without other distant metastases (pVDR=0.03, pCYP24A1=0.01, see figure 36). Nuclear VDR and CYP24A1 expression showed a significant positive correlation (p=0.001). In conclusion, this study demonstrated that the VDR and CYP24A1 are widely expression in bone metastases of various origin. Therefore, patients with VDR-expressing bone metastases could, in particular, benefit from vitamin D3-supplementation, as vitamin D deficiency is frequent in patients with bone metastases (165, 166). Additionally, screening for a low VDR status in primary cancers could help to identify cancer patients at a high risk of metastasis. However, further and larger studies, that evaluate the entire vitamin D metabolism and signalling pathway, are needed to investigate this association