Institut für Pathologie
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Inhibition der Fettsäuresynthase während hormonell-induzierter hepatozellulärer Karzinogenese
(2024)
Auch wenn für das fortgeschrittene HCC mittlerweile mehrere systemische Therapieansätze zur Verfügung stehen, kommt es bei vielen Patienten dennoch zu einem Progress der Erkrankung. Ein Problem stellt die Heterogenität des HCC dar. Es existieren verschiedene Subtypen des HCC, welche sich in ihren molekularen und chromosomalen Aberrationen, epigenetischen Modifikationen sowie auch ihrem Tumor-Mikromilieu unterscheiden. Gleichzeitig gibt es für die häufigsten Treibermutationen des HCC bisher keine geeigneten Inhibitoren. Dadurch erklärt sich das zum Teil nur geringe oder fehlende Ansprechen auf systemische Therapien, was die Suche nach weiteren Therapieansätzen nötig macht. FASN-Inhibitoren stellen dabei vielversprechende Kandidaten einer HCC-Therapie dar. Zum einen konnte eine Überexpression von FASN in mehreren Tumoren wie auch dem HCC nachgewiesen werden, die Expression im Normalgewebe und die damit zu vermuteten Nebenwirkungen sind sehr gering. Zum anderen sprechen mehrere präklinische Studien dafür, dass FASN eine wichtige Rolle in der Hepatokarzinogenese spielt. An Zellkulturen fand sich eine Apoptoseinduktion sowie verminderte Proliferation von hepatozellulären Tumorzellen durch FASN-Inhibitoren. Außerdem konnte in Tiermodellen unter Einsatz von FASN-Inhibitoren die Entstehung von HCC verhindert oder verzögert werden.
In dem vorliegenden Modell der hormonell-induzierten Hepatokarzinogenese kommt es zur Entwicklung klarzelliger Herde, welche Präneoplasien darstellen und sich über Adenome in HCC entwickeln. Die in diesen klarzelligen Herden beschriebenen metabolischen Veränderungen sind der Hepatokarzinogenese auf dem Boden einer NASH sehr ähnlich und repräsentieren damit relativ gut einen Subtyp des HCC. Die Gabe von hochdosiertem Orlistat über eine Woche führte zu einer reduzierten Proliferationsaktivität der präneoplastischen Herde, eine erniedrigte Proliferation ließ sich jedoch auch in der zugehörigen Kontrollgruppe nachweisen, welche lediglich hochdosiert DMSO erhielt. Somit scheint die proliferationshemmende Wirkung in erster Linie über DMSO bedingt, eine Wirkung des FASN-Inhibitors Orlistat ist nicht sicher zu belegen. In der Literatur wird in Zellkulturen eine Wachstumshemmung bei hochdosierter DMSO-Gabe beschrieben. Des Weiteren führt DMSO bei einigen HCC-Zelllinien zu einer Ausreifung bzw. einem Verlust des malignen Phänotyps mit Herabregulierung u.a. der Fettsäuresynthese, was möglicherweise im vorliegenden Fall ebenfalls eine Rolle spielt.
Mittlerweile stehen neue, im Gegensatz zu Orlistat oral verfügbare FASN-Inhibitoren zur Verfügung, außerdem wird daran gearbeitet, die orale Bioverfügbarkeit von Orlistat zu erhöhen. Die neuen FASN-Inhibitoren haben in Tiermodellen des HCC bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Dabei fand sich häufig ein synergistischer Effekt in Kombination mit anderen Chemotherapeutika. Letztendlich scheint die Gabe eines FASN-Inhibitors in Kombination mit einem anderen Therapeutikum sinnvoll, da präklinische Studien darauf hinweisen, dass es zu einer Resistenz gegenüber einer FASN-Inhibition durch eine Aktivierung anderer Signalwege kommen kann.
Simple Summary
Our electron microscopic (EM) findings indicate that hydrodynamic based plasmid transfer to the hepatocytes possibly occurs via active or passive endocytosis with the plasmid entrapment in membrane bound multiple vesicle and vacuoles. Our ultramorphological study on the vacuole containing mouse hepatocytes did not show disrupted plasma membrane or other signs of cellular damage, thus keeping out the mechanism like membrane poration, but cannot be entirely excluded at the micro level. Independent of the plasmid itself or its enclosed components, we have also found the vesicle formations is a non-specific process. Therefore, it remains to be clarified as how the active or passive mechanisms are involved, leading to the vesicle generation and DNA-entry to the nucleus of the hepatocytes.
Abstract
Hydrodynamic transfection (HT) or hydrodynamic tail vein injection (HTVi) is among the leading technique that is used to deliver plasmid genes mainly into the liver of live mice or rats. The DNA constructs are composed of coupled plasmids, while one contains the gene of interest that stably integrate into the hepatocyte genome with help of the other consisting sleeping beauty transposase system. The rapid injection of a large volume of DNA-solution through the tail vein induces an acute cardiac congestion that refluxed into the liver, mainly in acinus zone 3, also found through our EM study. Although, HT mediated hydrodynamic force can permeabilizes the fenestrated sinusoidal endothelium of liver, but the mechanism of plasmid incorporation into the hepatocytes remains unclear. Therefore, in the present study, we have hydrodynamically injected 2 mL volume of empty plasmid (transposon vector) or saline solution (control) into the tail vein of anesthetized C57BL/6J/129Sv mice. Liver tissue was resected at different time points from two animal group conditions, i.e., one time point per animal (1, 5, 10–20, 60 min or 24 and 48 hrs after HT) or multiple time points per animal (0, 1, 2, 5, 10, 20 min) and quickly fixed with buffered 4% osmium tetroxide. The tissues fed with only saline solution was also resected and fixed in the similar way. EM evaluation from the liver ultrathin sections reveals that swiftly after 1 min, the hepatocytes near to the central venule in the acinus zone 3 shows cytoplasmic membrane-bound vesicles. Such vesicles increased in both numbers and size to vacuoles and precisely often found in the proximity to the nucleus. Further, EM affirm these vacuoles are also optically empty and do not contain any electron dense material. Although, some of the other hepatocytes reveals sign of cell damage including swollen mitochondria, dilated endoplasmic reticulum, Golgi apparatus and disrupted plasma membrane, but most of the hepatocytes appeared normal. The ultrastructural findings in the mice injected with empty vector or saline injected control mice were similar. Therefore, we have interpreted the vacuole formation as nonspecific endocytosis without specific interactions at the plasma membrane.
Background and Aims
Hepatocellular ballooning is a common finding in chronic liver disease, mainly characterized by rarefied cytoplasm that often contains Mallory-Denk bodies (MDB). Ballooning has mostly been attributed to degeneration but its striking resemblance to glycogenotic/steatotic changes characterizing preneoplastic hepatocellular lesions in animal models and chronic human liver diseases prompts the question whether ballooned hepatocytes (BH) are damaged cells on the path to death or rather viable cells, possibly involved in neoplastic development.
Methods
Using specimens from 96 cirrhotic human livers, BH characteristics were assessed for their glycogen/lipid stores, enzyme activities, and proto-oncogenic signaling cascades by enzyme- and immunohistochemical approaches with serial paraffin and cryostat sections.
Results
BH were present in 43.8% of cirrhotic livers. Particularly pronounced excess glycogen storage of (glycogenosis) and/or lipids (steatosis) were characteristic, ground glass features and MDB were often observed. Decreased glucose-6-phosphatase, increased glucose-6-phosphate dehydrogenase activity and altered immunoreactivity of enzymes involved in glycolysis, lipid metabolism, and cholesterol biosynthesis were discovered. Furthermore, components of the insulin signaling cascade were upregulated along with insulin dependent glucose transporter glucose transporter 4 and the v-akt murine thymoma viral oncogene homolog/mammalian target of rapamycin signaling pathway associated with de novo lipogenesis.
Conclusions
BH are hallmarked by particularly pronounced glycogenosis with facultative steatosis, many of their features being reminiscent of metabolic aberrations documented in preneoplastic hepatocellular lesions in experimental animals and chronic human liver diseases. Hence, BH are not damaged entities facing death but rather viable cells featuring metabolic reprogramming, indicative of a preneoplastic nature.
In den letzten Jahren erhöhte sich die Inzidenz des humanen hepatozellulären Karzinoms in nicht-zirrhotischen Lebern bei gleichzeitigem Diabetes mellitus Typ 2 deutlich. Im Hepatokarzinogenesemodell nach intraportaler Pankreasinseltransplantation in der diabetischen Ratte konnte Prof. Dr. F. Dombrowski durch eine kombinierte Hyperinsulinämie und Hyperglykämie glykogen- und lipidreiche, klarzellige Herde induzieren, sogenannte clear cell foci (CCF), die sich in Langzeitexperimenten zu hepatozellulären Adenomen und Karzinomen entwickelten. Sowohl in den CCF als auch in humanen und rodenten hepatozellulären Karzinomen fand sich eine Heraufregulation des Transkriptionsfaktors carbohydrat-responsive element-binding proteins (ChREBP), der glukoseabhängig und insulinunabhängig Enzyme der Glykolyse und Lipogenese reguliert. Das Inseltransplantationsmodell wurde anschließend auf die Maus unter Verwendung von 70 transplantierten Inseln übertragen, wobei die Frequenz der CCF sehr niedrig und die Anzahl thrombosebedingten Leberzellnekrosen hoch war. Das primäre Ziel meiner Doktorarbeit war es, die Frequenz der CCF am Modelltier Maus zu steigern. Mit der These, eine erhöhte transplantierte Inselanzahl führt zu einer höheren Frequenz der CCF, modifizierte ich die Inselisolationsprozesse systematisch, um qualitativ hochwertige und vom exokrinen Pankreasgewebe bereinigte Inseln zu erhalten. Anschließend schloss ich anhand immunhistochemischer Reaktionen und Vitalitätstests mögliche schädliche Einflüsse der Isolation aus. Ich konnte somit die Anzahl auf 120 und 200 Inseln erhöhen, die Streptozotocin-diabetischen Wildtyp (WT) - und ChREBP-Knockout-Mäusen intraportal transplantiert wurden, ohne Leberzellnekrosen zu induzieren. Nicht-transplantierte Kontrollgruppen blieben vier Wochen lang hyperglykämisch. Nach einer und nach vier Wochen konnte ich klarzellige Leberherde in transplantierten WT-Mäusen histologisch, immunhistochemisch und elektronenmikroskopisch nachweisen, die den klassischen CCF entsprachen. Durch Erhöhung der Inselzahl konnte ich eine tendenziell jedoch nicht signifikant erhöhte Frequenz der CCF erreichen. Nach vier Wochen kam es bei diabetischen transplantierten ChREBP-Knockoutmäusen ebenfalls zur Induktion klarzelliger Herde, die sich durch eine enorme Glykogenakkumulation, fehlende Lipidspeicherung und eine erniedrigte Proliferationsaktivität von den WT-CCF unterschieden. Durch diese Ergebnisse konnte ChREBP als Vermittler zwischen proliferationsärmeren, glykogenreichen und proliferationsaktiveren, lipidreicheren hepatischen Läsionen charakterisieren. Das primäre Ziel meiner Doktorarbeit, die Frequenz der CCF signifikant zu erhöhen, konnte nicht erreicht werden, jedoch durch ein verringertes Transplantatvolumen der Weg für Folgeexperimente mit erhöhter Inselzahl sowie für Langzeitexperimente geebnet werden.
Bei der Entstehung des hepatozellulären Karzinoms (HCC) nimmt das metabolische Syndrom zunehmend einen bedeutenden Risikofaktor ein. In diesem Zusammenhang konnte ein von F. Dombrowski et al. entwickeltes Tiermodell darstellen, dass nach intraportaler Pankreasinseltransplantation durch erhöhte Insulin- und Glukosekonzentrationen sehr frühe präneoplastische Läsionen in der Leber entstehen, die sich zu hepatozellulären Karzinomen weiterentwickelt haben. Dieses hormonelle Karzinogenesemodell konnte von S. Ribback et al. bereits erfolgreich auf die Maus übertragen und mit einem ChREBP-Knockoutmodell erweitert werden.
In meiner Arbeit sollte die Häufigkeit dieser Leberherde im Mausmodell erhöht werden, um deren Signifikanz in der experimentellen Hepatokarzinogenese ermitteln zu können.
Es konnte in dieser Arbeit eine präoperative subkutane Insulinbehandlung etabliert werden, um den Blutzucker innerhalb von fünf Tagen bei diabetischen WT- (C57BL/6J) und ChREBP-KO-Mäusen auf normoglykäme Werte zu halten. Das Ziel, die Häufigkeit präneoplastischer CCF in der Leber bei den WT-Mäusen zu erhöhen, konnte jedoch mit der subkutanen Insulintherapie nicht erreicht werden. Des Weiteren stellte sich die subkutane Insulintherapie aufgrund starker Blutzuckerschwankungen als eine ungeeignete Behandlungsmethode dar.
Durch die Behandlung mit Insulinsticks konnte jedoch der Blutzuckerspiegel auf konstante Werte eingestellt werden. Damit konnte eine geeignete Methode gefunden werden, um die diabetischen Komplikationen für spätere Langzeitversuche zu minimieren und ein langes Überleben der Versuchstiere zu gewährleisten.
In der Leber diabetischer ChREBP-KO-Mäuse entstanden spontane glykogenotische Veränderungen, die zuvor in dieser Form noch nicht beschrieben wurden, von kleinen herdförmigen Glykogenspeicherherden bis hin zu einer diffusen Glykogenose der Leber. Innerhalb dieser diffusen Glykogenose bestand eine leichte steatohepatitis-ähnliche Entzündung und es konnte eine gesteigerte Proliferationsaktivität nachgewiesen werden, was eine Tumorentstehung begünstigen könnte. ChREBP könnte daher, neben seinen bislang nachgewiesenen protoonkogenen Eigenschaften, auch tumorsuppressive Funktionen in der Leber haben.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss des Transkriptionsfaktors Carbohydrate responsive element binding protein (ChREBP) auf die experimentelle Hepatokarzinogenese untersucht, der eine wichtige Rolle in der protoonkogenen AKT/mTOR-vermittelten Karzinogenese der Leber spielen soll.
Dazu diente das Pankreasinseltransplantationsmodell bei diabetischen C57Bl/6J- Wildtyp- (WT; n = 180) und ChREBP-Knockout-Mäusen (KO; n = 143). Es erfolgten histologische, proliferationskinetische, immunhistochemische und Western-Blot- Analysen.
Das Hauptergebnis dieser Arbeit stellt die Hyperproliferation im Lebergewebe der diabetischen, transplantierten Mäuse dar, aus der sich klarzellige Leberherde (CCF) und im weiteren Verlauf auch hepatozelluläre Adenome (HCA) und Karzinome (HCC) entwickelten. Die Proliferationsaktivität lag in den Herden der Knockout- Mäuse bei 21,77 ± 3,38 % (Mittelwert ± S.E.M.), in denen der Wildtyp-Mäuse bei 29,04 ± 11,97 %. Die Leberherde unterschieden sich in ihrer Morphologie: Die Herde der KO-Mäuse waren kleiner und sie zeigten nur eine starke Glykogenspeicherung, während die Herde der Wildtyp-Mäuse neben dem Glykogen auch viel Fett speicherten.
Die Entstehung manifester Tumoren setzte im Knockout-Stamm später ein und die Tumoren wiesen auch ein langsameres Wachstum auf. Tumoren entstanden nicht nur in diabetischen, transplantierten Mäusen (WT-HCC n = 3; KO-HCC n = 1; KO-HCA n = 2), sondern auch in diabetischen Wildtyp-Kontrollmäusen (n = 4), aber nicht bei diabetischen KO-Tieren. Immunhistochemisch konnte in den Tumoren des KO- Stamms eine verminderte Glykolyse und de novo Lipogenese sowie ein herunterregulierter AKT/mTOR-Signalweg nachgewiesen werden.
Diese Ergebnisse weisen auf einen protoonkogenen Charakter von ChREBP zum einen in der hormonell-induzierten Hepatokarzinogenese, aber auch in einem metabolischen Karzinogeneseprozess im Rahmen eines Insulinmangeldiabetes hin. Der Einfluss von ChREBP auf den Energiestoffwechsel der Zelle und auf den metabolischen Switch vom glykogenotischen zum lipogenen Phänotyp in der experimentellen Hepatokarzinogenese-Sequenz scheint essentiell zu sein. Der Knockout von ChREBP reduziert dementsprechend die Proliferation im Lebergewebe und scheint die Hepatokarzinogenese in diesem Modell zu verzögern.
GPR68 (OGR1) belongs to the proton-sensing G protein-coupled receptors that are involved
in cellular adaptations to pH changes during tumour development. Although expression of GPR68
has been described in many tumour cell lines, little is known about its presence in human tumour
entities. We characterised the novel rabbit monoclonal anti-human GPR68 antibody 16H23L16
using various cell lines and tissue specimens. The antibody was then applied to a large series of
formalin-fixed, paraffin-embedded normal and neoplastic human tissue samples. Antibody specificity
was demonstrated in a Western blot analysis of GPR68-expressing cells using specific siRNAs.
Immunocytochemical experiments revealed pH-dependent changes in subcellular localisation of the
receptor and internalisation after stimulation with lorazepam. In normal tissue, GPR68 was present in
glucagon-producing islet cells, neuroendocrine cells of the intestinal tract, gastric glands, granulocytes,
macrophages, muscle layers of arteries and arterioles, and capillaries. GPR68 was also expressed
in neuroendocrine tumours, where it may be a positive prognostic factor, in pheochromocytomas,
cervical adenocarcinomas, and endometrial cancer, as well as in paragangliomas, medullary thyroid
carcinomas, gastrointestinal stromal tumours, and pancreatic adenocarcinomas. Often, tumour
capillaries were also strongly GPR68-positive. The novel antibody 16H23L16 will be a valuable tool for
basic research and for identifying GPR68-expressing tumours during histopathological examinations.
Hepatocellular carcinoma (HCC) is a deadly form of liver malignancy with limited treatment
options. Amplification and/or overexpression of c-MYC is one of the most frequent genetic events
in human HCC. The mammalian target of Rapamycin Complex 1 (mTORC1) is a major functional
axis regulating various aspects of cellular growth and metabolism. Recently, we demonstrated that
mTORC1 is necessary for c-Myc driven hepatocarcinogenesis as well as for HCC cell growth in vitro.
Among the pivotal downstream effectors of mTORC1, upregulation of Fatty Acid Synthase (FASN) and
its mediated de novo lipogenesis is a hallmark of human HCC. Here, we investigated the importance
of FASN on c-Myc-dependent hepatocarcinogenesis using in vitro and in vivo approaches. In mouse
and human HCC cells, we found that FASN suppression by either gene silencing or soluble inhibitors
more effectively suppressed proliferation and induced apoptosis in the presence of high c-MYC
expression. In c-Myc/Myeloid cell leukemia 1 (MCL1) mouse liver tumor lesions, FASN expression
was markedly upregulated. Most importantly, genetic ablation of Fasn profoundly delayed (without
abolishing) c-Myc/MCL1 induced HCC formation. Liver tumors developing in c-Myc/MCL1 mice
depleted of Fasn showed a reduction in proliferation and an increase in apoptosis when compared
with corresponding lesions from c-Myc/MCL1 mice with an intact Fasn gene. In human HCC samples,
a significant correlation between the levels of c-MYC transcriptional activity and the expression
of FASN mRNA was detected. Altogether, our study indicates that FASN is an important effector
downstream of mTORC1 in c-MYC induced HCC. Targeting FASN may be helpful for the treatment
of human HCC, at least in the tumor subset displaying c-MYC amplification or activation.
EGFR is overexpressed in the majority of clear cell renal cell carcinomas (CCRCCs). Although EGFR deregulation was found to be of great significance in CCRCC biology, the EGFR
overexpression is not associated with EGFR-targeted therapy responsiveness. Moreover, the prognostic role of EGFR expression remains controversial. In the present study, we evaluated the role
played by EGFR overexpression in CCRCC and its prognostic significance associated with different
immunohistochemical localization patterns. In our study, the Total Score (TS) related to membranouscytoplasmic EGFR expression showed a significant correlation with grade, pathologic stage (pT),
and Stage, Size, Grade, and Necrosis (SSIGN) score, and a negative correlation with nuclear EGFR
expression. No significant correlations were shown between nuclear EGFR and clinic-pathological
features. Additionally, a correlation between SGLT1 expression levels and pT was described. Multivariate analysis identifies pT and SSIGN score as independent prognostic factors for CCRCC. A
significantly increased survival rate was found in the case of positive expression of nuclear EGFR
and SGLT1. Based on our findings, SGLT1 and nuclear EGFR overexpression defines a subgroup of
CCRCC patients with good prognosis. Membranous-cytoplasmic EGFR expression was shown to be
a poor prognostic factor and could define a CCRCC subgroup with poor prognosis that should be
responsive to anti-EGFR therapies
FAM159B is a so-called adaptor protein. These proteins are essential components in numerous cell signalling pathways. However, little is known regarding FAM159B expression in normal and neoplastic human tissues. The commercially available rabbit polyclonal anti-human FAM159B antibody HPA011778 was initially characterised for its specificity using Western blot analyses and immunocytochemistry and then applied to a large series of formalin-fixed, paraffin-embedded normal and neoplastic human tissue samples. Confirmation of FAM159B’s predicted size and antibody specificity was achieved in BON-1 cells, a neuroendocrine tumour cell line endogenously expressing FAM159B, using targeted siRNA. Immunocytochemical experiments additionally revealed cytoplasmic expression of the adaptor protein. Immunohistochemical staining detected FAM159B expression in neuronal and neuroendocrine tissues such as the cortex, the trigeminal ganglia, dorsal root and intestinal ganglia, the pancreatic islets and the neuroendocrine cells of the bronchopulmonary and gastrointestinal tract, but also in the syncytiotrophoblasts of the placenta. FAM159B was also expressed in many of the 28 tumour entities investigated, with high levels in medullary and anaplastic thyroid carcinomas, parathyroid adenomas, lung and ovarian carcinomas, lymphomas and neuroendocrine tumours of different origins. The antibody HPA011778 can act as a useful tool for basic research and identifying FAM159B expression in tissue samples.