Institut für Pathologie
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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.
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.
Der Transkriptionsfaktor ChREBP ist ein zentraler Regulator des Fett- und Glukosestoffwechsels
und wird insbesondere in der Leber intensiv erforscht. Allerdings ist seine Rolle in
der Niere, die maßgeblich an der Glukose-Homöstase beteiligt ist und einen wichtigen Ort
der Glukoneogenese darstellt, noch weitgehend unerforscht.
Zentrales Ziel dieser Arbeit ist es, im Rahmen des hepatischen Pankreasinseltransplantationsmodells
die Auswirkungen eines Diabetes mellitus und eines Fehlens des Transkriptionsfaktors
CHREBP auf das renale Tubulusepithel anhand von Wildtyp- und ChREBPKnockout-
Mäusen über einen Versuchszeitraum von drei bzw. sechs Monaten zu evaluieren.
Dazu wurden die tubuläre Glykogenspeicherung in Form von Glykogenspeicherkernen und
Armanni-Ebstein-Läsionen, die Proliferationsaktivität des renalen Tubulusepithels sowie das
Auftreten von renalen Tumoren untersucht.
Das Vorliegen eines Diabetes mellitus führt in der Niere der Wildtyp-Mäuse zu einer tubulären
Glykogenakkumulation, die durch einen ChREBP-Knockout deutlich verstärkt wurde.
Diese Glykogenspeicherung fehlte bei nicht diabetischen Tieren völlig. Gleichzeitig ließ sich
bei diabetischen Wildtyp-Tieren eine zum Teil erhöhte Proliferationsaktivität sowie das Auftreten
von Nierentumoren beobachten. Das Ausschalten des Transkriptionsfaktors ChREBP
führte nicht nur zu einem vermehrten Auftreten von Glykogenspeicherkernen und Armanni-
Ebstein-Läsionen, sondern resultierte auch in einem deutlich gesteigertem Vorkommen von
renalen Tumoren. Diese Tumoren traten hier auch ohne das gleichzeitige Vorliegen eines
Diabetes mellitus auf. Auch die Proliferationsaktivität der Tubulusepithelien war bei den
ChREBP-Knockout-Mäusen gesteigert.
Somit führt ein Diabetes mellitus, insbesondere bei einem gleichzeitigem Knockout von
ChREBP, zu einer Akkumulation von Glykogen innerhalb der renalen Tubulusepithelien
und fördert die Entstehung von Tumoren in der Niere bei Mäusen. Auch ein Knockout von
ChREBP scheint- unabhängig vom Vorliegen eines Diabetes- einen fördernden Einfluss auf
die renale Tumorgenese zu haben. Allerdings sind die daran beteiligten Mechanismen noch
weitgehend unbekannt. Daher sollte die Rolle von ChREBP und die Bedeutung der diabetisch
bedingten tubulären Veränderungen in Form der Glykogenspeicherkerne und Armanni-
Ebstein-Läsionen
Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss des Transkriptionsfaktors ChREBP und eines
Diabetes mellitus auf die hepatische Tumorgenese sowie das Wachstum und die Glykogenspeicherung
der Hepatozyten. Im speziellen sollte untersucht werden, inwieweit sich
die in den Kurzzeitversuchen beobachteten Glykogenspeicherherde nach drei Monaten
Versuchszeitraum weiterentwickeln.
ChREBP beeinflusst als Transkriptionsfaktor maßgeblich den Zucker- und Fettstoffwechsel,
indem es unter anderem die Lipogenese, Glykolyse und den Pentosephosphatweg
aktiviert und die Glukoneogenese hemmt. Zudem ist ChREBP an der Tumorentstehung
in verschiedenen Geweben z.B. der Leber, des Kolons und der Brust beteiligt, indem es
unter anderem den zellulären Metabolismus in Richtung einer starken Proliferation und
einer erhöhten Glykolyse, Laktatbildung und Aktivierung des Pentosephosphatwegs verändert.
Mäusen mit einem durch Streptozotocin induzierten Diabetes wurden je 200 isolierte,
isologe Pankreasinseln intraportal transplantiert. Somit entstand in den Empfängertieren
lokal in der Leber sowohl eine Hyperglykämie als auch eine Hyperinsulinämie im Sinne
eines Typ 2 Diabetes. Der Einfluss von ChREBP auf die Leber wurde durch den Einsatz eines
Knockout-Stammes untersucht. Nach drei Monaten wurden die Tiere nach einer Perfusion
getötet und Paraffinschnittpräparate der Lebern angefertigt und hinsichtlich ihrer
Proliferationsaktivität, Glykogenspeicherung und Herd- bzw. Tumorentstehung histologisch
ausgewertet.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen ein deutlich geringeres Auftreten von Glykogenspeicherherden
nach drei Monaten Versuchsdauer im Vergleich zu den Kurzzeitversuchen
nach einer und vierWochen. Auch sind nach drei Monaten noch keine manifesten Leberzelltumoren
entstanden. Es gab keinen Unterschied in der Herdfrequenz zwischen den
beiden Genotypen.
Weiterhin wurde der Einfluss von ChREBP auf die Proliferationsaktivität der Hepatozyten
untersucht. In der nicht diabetischen, transplantierten Gruppe zeigten die ChREBPKnockout-
Tiere eine stärkere und bei den diabetischen nicht transplantierten Mäusen
eine geringere Proliferationsaktivität als die Wildtyp-Tiere.
Die Hepatozyten der diabetischen Knockout-Tiere speicherten weniger und die der nicht
diabetischen mehr Glykogen als ihre Vertreter aus der Wildtyp-Gruppe.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ChREBP zu einer veränderten Glykogenspeicherung
der Hepatozyten führt. Sein Einfluss zeigt sich bei der diabetischen Stoffwechsellage
durch eine Steigerung und bei der nicht diabetischen durch eine Verminderung
dieser. Auch die Proliferationsaktivität der Hepatozyten wird von ChREBP beeinflusst,
indem es sie beim Vorliegen eines Diabetes mellitus steigert. Da sich auch aus
den vorhandenen klarzelligen Herden keine Tumoren entwickelt haben scheint die Tumorentstehung
bei der Maus bei beiden Genotypen länger als drei Monate zu dauern.
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.
Simple Summary
The tumor suppressor protein P53 is a major player in preventing liver cancer development and progression. In this study we could show that P53 negatively regulates the expression of Helicase, lymphoid specific (HELLS), previously described as an important pro-tumorigenic epigenetic regulator in hepatocarcinogenesis. The regulatory mechanism included induction of the P53 target gene P21 (CDKN1A) resulting in repression of HELLS via downregulation of the transcription factor Forkhead Box Protein M1 (FOXM1). Our in vitro and in vivo findings indicate an important additional aspect of the tumor suppressive function of P53 in liver cancer linked to epigenetic regulation.
Abstract
The major tumor suppressor P53 (TP53) acts primarily as a transcription factor by activating or repressing subsets of its numerous target genes, resulting in different cellular outcomes (e.g., cell cycle arrest, apoptosis and senescence). P53-dependent gene regulation is linked to several aspects of chromatin remodeling; however, regulation of chromatin-modifying enzymes by P53 is poorly understood in hepatocarcinogenesis. Herein, we identified Helicase, lymphoid specific (HELLS), a major epigenetic regulator in liver cancer, as a strong and selective P53 repression target within the SNF2-like helicase family. The underlying regulatory mechanism involved P53-dependent induction of P21 (CDKN1A), leading to repression of Forkhead Box Protein M1 (FOXM1) that in turn resulted in downregulation of HELLS expression. Supporting our in vitro data, we found higher expression of HELLS in murine HCCs arising in a Trp53−/− background compared to Trp53+/+ HCCs as well as a strong and highly significant correlation between HELLS and FOXM1 expression in different HCC patient cohorts. Our data suggest that functional or mutational inactivation of P53 substantially contributes to overexpression of HELLS in HCC patients and indicates a previously unstudied aspect of P53′s ability to suppress liver cancer formation.
The utilization of fluorescein-guided biopsies has recently been discussed to improve and expedite operative techniques in the detection of tumor-positive tissue, as well as to avoid making sampling errors. In this study, we aimed to report our experience with fluorescein-guided biopsies and elucidate distribution patterns in different histopathological diagnoses in order to develop strategies to increase the efficiency and accuracy of this technique. We report on 45 fluorescence-guided stereotactic biopsies in 44 patients (15 female, 29 male) at our institution from March 2016 to March 2021, including 25 frame-based stereotactic biopsies and 20 frameless image-guided biopsies using VarioGuide®. A total number of 347 biopsy samples with a median of 8 samples (range: 4–18) per patient were evaluated for intraoperative fluorescein uptake and correlated to definitive histopathology. The median age at surgery was 63 years (range: 18–87). Of the acquired specimens, 63% were fluorescein positive. Final histopathology included glioblastoma (n = 16), B-cell non-Hodgkin lymphoma (n = 10), astrocytoma, IDH-mutant WHO grade III (n = 6), astrocytoma, IDH-mutant WHO grade II (n = 1), oligodendroglioma, IDH-mutant and 1p/19q-codeleted WHO grade II (n = 2), reactive CNS tissue/inflammation (n = 4), post-transplantation lymphoproliferative disorder (PTLD; n = 2), ependymoma (n = 1), infection (toxoplasmosis; n = 1), multiple sclerosis (n = 1), and metastasis (n = 1). The sensitivity for high-grade gliomas was 85%, and the specificity was 70%. For contrast-enhancing lesions, the specificity of fluorescein was 84%. The number needed to sample for contrast-enhancing lesions was three, and the overall number needed to sample for final histopathological diagnosis was five. Interestingly, in the astrocytoma, IDH-mutant WHO grade III group, 22/46 (48%) demonstrated fluorescein uptake despite no evidence for gadolinium uptake, and 73% of these were tumor-positive. In our patient series, fluorescein-guided stereotactic biopsy increases the likelihood of definitive neuropathological diagnosis, and the number needed to sample can be reduced by 50% in contrast-enhancing lesions.
In addition to the classical oestrogen receptors, ERα and ERβ, a G protein-coupled oestrogen receptor (GPER) has been identified that primarily mediates the rapid, non-genomic signalling of oestrogens. Data on GPER expression at the protein level are contradictory; therefore, the present study was conducted to re-evaluate GPER expression by immunohistochemistry to obtain broad GPER expression profiles in human non-neoplastic and neoplastic tissues, especially those not investigated in this respect so far. We developed and thoroughly characterised a novel rabbit monoclonal anti-human GPER antibody, 20H15L21, using Western blot analyses and immunocytochemistry. The antibody was then applied to a large series of formalin-fixed, paraffin-embedded human tissue samples. In normal tissue, GPER was identified in distinct cell populations of the cortex and the anterior pituitary; islets and pancreatic ducts; fundic glands of the stomach; the epithelium of the duodenum and gallbladder; hepatocytes; proximal tubules of the kidney; the adrenal medulla; and syncytiotrophoblasts and decidua cells of the placenta. GPER was also expressed in hepatocellular, pancreatic, renal, and endometrial cancers, pancreatic neuroendocrine tumours, and pheochromocytomas. The novel antibody 20H15L21 will serve as a valuable tool for basic research and the identification of GPER-expressing tumours during histopathological examinations.
Simple Summary
Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is one of the most deadly cancers worldwide. The occurrence of oncogenic KRAS mutations is considered a signature event in PDAC, leading to genomic instability. The aim of our study was to evaluate the impact of the oncogenic KRAS G12D mutation on the activity of the error-prone alt-EJ repair mechanism, and to investigate the potential role of Polθ in the development of pancreatic cancer. We found that oncogenic KRAS increases the expression of key alt-EJ proteins in a mouse and human PDAC model. Using TLR assay, we also found increased alt-EJ activity in mouse and human cell lines upon the expression of KRAS D12D. The inactivation/impairment of alt-EJ by polymerase theta (Polθ) depletion delays the development of pancreatic cancer and prolongs the survival of experimental mice, though it does not prevent the PDAC development, which leads to full-blown PDAC with disseminated metastasis. Our studies provide a high-value target as a novel therapeutic candidate for the treatment of pancreatic and other cancers.
Abstract
Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), due to its genomic heterogeneity and lack of effective treatment, despite decades of intensive research, will become the second leading cause of cancer-related deaths by 2030. Step-wise acquisition of mutations, due to genomic instability, is considered to drive the development of PDAC; the KRAS mutation occurs in 95 to 100% of human PDAC, and is already detectable in early premalignant lesions designated as pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN). This mutation is possibly the key event leading to genomic instability and PDAC development. Our study aimed to investigate the role of the error-prone DNA double-strand breaks (DSBs) repair pathway, alt-EJ, in the presence of the KRAS G12D mutation in pancreatic cancer development. Our findings show that oncogenic KRAS contributes to increasing the expression of Polθ, Lig3, and Mre11, key components of alt-EJ in both mouse and human PDAC models. We further confirm increased catalytic activity of alt-EJ in a mouse and human model of PDAC bearing the KRAS G12D mutation. Subsequently, we focused on estimating the impact of alt-EJ inactivation by polymerase theta (Polθ) deletion on pancreatic cancer development, and survival in genetically engineered mouse models (GEMMs) and cancer patients. Here, we show that even though Polθ deficiency does not fully prevent the development of pancreatic cancer, it significantly delays the onset of PanIN formation, prolongs the overall survival of experimental mice, and correlates with the overall survival of pancreatic cancer patients in the TCGA database. Our study clearly demonstrates the role of alt-EJ in the development of PDAC, and alt-EJ may be an attractive therapeutic target for pancreatic cancer patients.