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Mit dieser Arbeit sollte die Auswirkung eines P-gp knockouts auf das Genom des Gehirns von Mäusen (P-gp „knockout“ Mäuse) im Alter von 3, 6, 9 sowie 12 Monaten im Vergleich zu Wildtyptieren untersucht werden. Die vorgelegte Arbeit konnte Hinweise auf einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen P-gp knockout und neuronaler Dysfunktion geben. Dabei fanden sich insbesondere bei den jungen Tieren signifikante Unterschiede in der Expression von Genen, die für entzündliche Prozesse oder auch strukturelle und funktionelle Eigenschaften der verschiedenen Zellen des Gehirns eine wichtige Rolle spielen.
Große epidemiologische Studien haben gezeigt, dass Patienten mit einem Diabetes mellitus oder einem metabolischen Syndrom ein erhöhtes Risiko für die Entstehung eines Hepatozellulären Karzinoms (HCC) besitzen. In einem in der Arbeitsgruppe von F. Dombrowski entwickelten Tiermodell konnte gezeigt werden, dass eine dauerhaft erhöhte Insulin- und Glukosekonzentration nach niedrig-dosierter portal-embolischer Pankreasinseltransplantation in diabetischen Ratten einen karzinogenen Effekt auf die Hepatozyten ausübt. Da der Signalweg über die Proteinkinase AKT und seine Effektormoleküle wie mTOR (mammalian target of Rapamycin) einerseits in der humanen Hepatokarzinogenese aktiviert ist, andererseits aber auch einen typischen intrazellulären Mediatorweg des Insulinsignals darstellt, war das Ziel dieser Arbeit, die funktionelle Bedeutung einer AKT/mTOR-Aktivierung in diesem Tiermodell mittels Western Blot und Immunhistochemie zu charakterisieren. AKT und seine Effektormoleküle (mTOR, NFkB, Bcl-2) sind dabei bereits in den frühesten Präneoplasien verstärkt exprimiert, durch AKT in ihrer Funktion negativ-regulierte Effektormoleküle (FOXO1, 4EBP1 und BAD) werden hingegen inhibiert. Diese Effekte nehmen im Verlauf der Karzinogenese vom Stadium der Präneoplasien zu den HCC deutlich zu. Daher lässt sich schlussfolgern, dass in der Insulin-induzierten Hepatokarzinogenese nach Pankreasinseltransplantation in diabetischen Ratten der AKT/mTOR-Signalweg als intrazellulärer Mediator des Insulinsignals von Beginn an aktiviert ist und an der Entstehung der Präneoplasien und der nachfolgenden Transformation in hepatozelluläre Tumoren eine wesentliche Bedeutung haben dürfte. Die AKT/mTOR Aktivierung ist ferner für die Induktion des lipogenen Phänotyps und die Heraufregulation der lipogenen Enzyme FASN, ACAC, ACLY, ähnlich wie beim HCC des Menschen und im Mausmodell, verantwortlich. Zum einen bietet dieses Modell somit auf molekularer Ebene Erklärungsansätze für die epidemiologisch gesicherte aber bisher pathogenetisch nicht verstandene Entstehung des HCC beim Menschen mit hyperinsulinämischen Diabetes mellitus. Zum anderen bleibt darüber hinaus abzuwarten, inwieweit sich durch Hemmung dieses onkogenen Signalwegs Ansätze für die Therapie des HCC bei Patienten mit dereguliertem Insulinstoffwechsel ergeben könnten.
Zahlreiche Studien bestätigen einen Zusammenhang zwischen dem Cholesterolstoffwechsel des Gehirns und der Pathogenese der Alzheimer-Demenz (AD). Eine besondere Rolle soll dabei dem ABCA1-Transporter zukommen. Im Rahmen unserer Studie untersuchten wir an 79 Gehirnproben nichtdementer Probanden die Expression des ABCA1-Transporters und korrelierten dies mit Faktoren, die in der Pathogenese der AD eine Rolle spielen sollen: Alter, Geschlecht, Plaqueanzahl, ApoE-Genotyp, insbesondere des ApoE4-Allels, P-Glykoprotein sowie Abeta1-40 und Abeat1-42. Dabei wurden gesondert untersucht Hippocampus, Mark, Kortex und Leptomeninx. Wir detektierten eine signifikante Abnahme ABCA1-Expression beim Vergleich der Gruppe der 55-64jährigen mit der Altersgruppe der 65-74jährigen Probanden in der Leptomeninx bei höherem Lebensalter. Desweiteren konnte für den Kortex gezeigt werden, dass Träger des ApoE 2/4-Genotyps signifikant weniger ABCA1 exprimieren als Träger des ApoE 3/3 und ApoE 4/4- Allels. Auch konnte für die Leptomeninx gezeigt werden, dass ein signifikanter Zusammenhang besteht zwischen der Ablagerung von Abeta1-42 in den Gefässen und der ABCA1-Expression in den Gefässen.
Einleitung: Die Immunisierung gegen β-Amyloid in der Therapie des Morbus Alzheimer führt im Mausmodell zur Verbesserung von β-Amyloid-Clearance und Kognition. In klinischen Studien an Alzheimer-Patienten wurde eine gesteigerte β-Amyloid-Clearance beobachtet, jedoch blieb die Verbesserung der Kognition aus. Stattdessen fand sich eine verstärkte Amyloidangiopathie kombiniert mit einer Zunahme intrazerebraler Blutungen. Die alters-korrelierte Dysfunktion von P-Glycoprotein, welches β-Amyloid aktiv über die Blut-Hirn-Schranke transportiert, könnte diese Phänomene erklären.
Material und Methoden: Zunächst wurde ein transgenes Alzheimer-Mausmodell mit kombiniertem Knockout von P-Glycoprotein generiert. Versuchstiere dieses Stammes wurden zusammen mit einer Kontrollgruppe mit funktionalem P-Glycoprotein über einen Zeitraum von 56 Wochen aktiv seriell gegen β-Amyloid 1-42 immunisiert. Dann wurden die Anti-β-Amyloid-Antikörperbildung, die β-Amyloid-Last im Hirngewebe und an den Hirngefäßen, die mikrogliale Aktivität sowie Mikroblutungen und entzündliche Veränderungen an Gefäßen und Meningen qualitativ und quantitativ evaluiert.
Ergebnisse: Bei Tieren mit intaktem P-Glycoprotein führte die Immunisierung zur signifikanten Reduktion der senilen Plaques sowie des löslichen und unlöslichen
β-Amyloids. Bei Tieren mit Knockout von P-Glycoprotein war dieser Effekt wesentlich abgeschwächt, gleichzeitig bestand eine stärkere intrazerebrale Amyloidangiopathie als bei Tieren mit intaktem P-Glycoprotein. Die mikrogliale Aktivität und entzündliche Veränderungen waren in beiden Stämmen identisch ausgeprägt.
Diskussion: Der Knockout von P-Glycprotein an der Blut-Hirn-Schranke führt im transgenen Mausmodell nach aktiver Immunisierungstherapie gegen β-Amyloid 1-42 zu einer gestörten β-Amyloid-Clearence. Rückkopplungseffekte zwischen der Dysfunktion von P-Glycoprotein und der Amyloidangiopathie bilden dabei einen selbstverstärkenden Feedback-Mechanismus. Dies kann die diskrepanten Ergebnisse einer Anti-β-Amyloid-Immunisierungstherapie zwischen Tiermodell und klinischen Studien mit Alzheimer-Patienten erklären. Gleichzeitig ergibt sich ein Behandlungs- und Präventionsansatz für den Morbus Alzheimer durch eine Kombinationstherapie aus Anti-Aβ-Immunisierung und P-Glycoprotein-Induktion.
In Deutschland gibt es pro Jahr etwa 8000 Neuerkrankungen an primären Hirntumoren. Bei Erwachsenen stehen die neuroepithelialen Hirntumoren, zu denen die Astrozytome und die Oligodendrogliome zählen, im Vordergrund. Die größte Gruppe stellen die Astrozytome. Diese Tumoren sind verhältnismäßig häufig und hinsichtlich verschiedener prognostischer Marker eingehend untersucht worden. Oligodendrogliome sind seltener und weniger ausführlich untersucht als Astrozytome. Ihnen wird im Vergleich zu den Astrozytomen eine bessere Prognose zugeschrieben. In der vorliegenden Arbeit wurden vier unterschiedliche Prognosemarker untersucht: P-Glycoprotein (P-gp), Survivin, Ki-67 und Caspase-3. Bei den Astrozytomen fand sich mit steigendem Malignitätsgrad eine Zunahme der Expression von P-gp, Survivin und Ki-67, während die Expression von Caspase-3 abfiel. Bei den Oligodendrogliomen stellten sich ebenfalls mit zunehmendem Anaplasiegrad steigende Expressionslevel von P-gp, Survivin und Ki-67 dar, diese jedoch auf einem signifikant niedrigeren Niveau als bei den Astrozytomen. Die Level für Caspase-3 waren niedriger als bei den Astrozytomen. Dies bedeutet, dass mit zunehmendem Malignitätsgrad der Hirntumoren die proliferative Aktivität zu-, und die apoptotische Aktivität abnimmt. Dies steht im Einklang mit dem biologischen Verhalten der Gliome in Abhängigkeit vom Malignitätsgrad. Die signifikant niedrigeren Expressionslevels bei den Oligodendrogliomen im Vergleich mit den Astrozytomen untermauern weiter die These, dass oligodendroglialen Hirntumoren eine bessere Prognose zukommt als astrozytären Hirntumoren. Um sichere, für die Prognose relevante Grenzwerte für die einzelnen Marker bestimmen zu können, sollten weitere prospektive Studien durchgeführt werden, in denen der klinische Verlauf einheitlich erhoben und analysiert wird. Hierbei wären vor allem Untersuchungen an größeren Kollektiven von Oligodendrogliomen sinnvoll.
In dem verwendeten Pankreasinseltransplantationsmodel wirkt ein lokaler Hyperinsulinismus bei gleichzeitig bestehender diabetischer Stoffwechsellage kanzerogen. Die transplantierten Pankreasinseln gelangen über die Pfortader in die Portalvenen der Portalfelder und erzeugen hier den Hyperinsulinismus im Abstromgebiet der Transplantate von Azinuszone 1 zu Azinuszone 3. Dieser führt nach einiger Zeit zu hepatozellulären Präneoplasien und später zu hepatozellulären Adenomen und Karzinomen. Zu dieser Entwicklung führt eine Überexpression von TGF-alpha, welche wiederum den EGFR stimuliert. Dessen Folge ist eine Proliferationsaktivierung der Hepatozyten. Eine selektive Blockierung des EGFR wäre ein möglicher Therapieansatz. Um zu untersuchen, welche Effekte diese Blockade auf die Progression im hormonellen Modell der Ratte zeigt, erfolgte die orale Applikation des intrazellulären Tyrosinkinaseinhibitors Gefitinib über 2 Wochen (20 mg/kg Körpergewicht) bzw. 3 Monate (10 mg/kg Körpergewicht) vor den Tötungszeitpunkten, welche 3 Wochen bzw. 6 Monate lebten, jeweils bei transplantierten und nicht transplantierten Tieren. Gefitinib blockiert die intrazelluläre Tyrosinkinase des EGFR, führt somit zu einer Unterbrechung der Signalkaskade der über TGF-alpha vermittelten Proliferationsaktivierung und induziert Apoptose sowie Zellzyklusarrest. Es sollte untersucht werden, inwieweit sich die Proliferationsrate in veränderten Leberherden durch die Gefitinibgabe beeinflussen lässt. Die Proliferationsaktivität der Herde und des extrafokalen Lebergewebes wurden mittels des BrdU-Labeling-Index nach intravitaler BrdU-Applikation und die Expressionsmuster von EGFR und TGF-alpha immunhistochemisch ermittelt. In allen Hauptgruppen entwickelten sich präneoplastische Herde nach Transplantation. Im Kurzzeit- wie auch im Mittellangzeitexperiment ließ sich nach intraportaler Pankreasinseltransplantation durch 2-wöchige höher-dosierte Gefitinibgabe eine Reduktion der Proliferationsaktivität in den präneoplastischen Herden erreichen. Die längere niedriger-dosierte Gefitinibgabe über 3 Monate führte im Mittellangzeitexperiment nicht zu einer Reduktion der Proliferationsaktivität in den Herden. Gefitinib kann also in frühen Stadien der Hepatokarzinogenese die Initiation auf Ebene der präneoplastischen Herde hemmen. Dabei spielt der Signalweg des EGFR und seines Liganden TGF-alpha eine wichtige Rolle.
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.
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
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.
Das hepatozelluläre Karzinom stellt weltweit einen der am häufigsten auftretenden malignen Tumoren mit limitierten therapeutischen Optionen dar. Ein besseres Verständnis der Tumorigenese durch tierexperimentell gewonnene Erkenntnisse kann zur Entwicklung zielgerichteter Medikamente beitragen. Ein langjährig etabliertes Modell zur Erzeugung hepatozellulärer Karzinome im Tierexperiment ist die tägliche orale Gabe von N-Nitrosomorpholin (NNM). Die chemische Hepatokarzinogenese durch NNM führt abhängig von Dosis und Dauer in der Rattenleber zur Entstehung von Präneoplasien, hepatozellulären Adenomen und Karzinomen. Zu diesem Prozess trägt der Transforming Growth Factor alpha (TGF-alpha) über die Aktivierung des transmembranären Epidermal Growth Factor Rezeptors (EGFR) im Sinne einer Proliferationsaktivierung der Hepatozyten bei. In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der chemischen Hepatokarzinogenese in Kombination mit der oralen Gabe des Tyrosinkinaseinhibitors Gefitinib, der selektiv die intrazelluläre Tyrosinkinase des EGFR blockiert und somit zu einer Unterbrechung der Signalkaskade in der Zelle führt, angewandt. Die Tiere erhielten NNM über einen Zeitraum von entweder drei oder sechs Monaten. Es sollte überprüft werden, ob sich durch die parallele Applikation von Gefitinib über zwei Wochen oder drei Monate die Entwicklung von Präneoplasien, Adenomen und Karzinomen beeinflussen lässt. Es entwickelten sich in allen über drei Monate mit NNM behandelten Tieren klarzellige und auch gemischtzellige präneoplastische Leberherde. Die Gruppe, die gleichzeitig über drei Monate Gefitinib erhielt, entwickelte statistisch signifikant weniger präneoplastische Leberherde. Die Tiere der über sechs Monate mit NNM behandelten Gruppen wiesen neben klarzelligen und gemischtzelligen Herden auch basophile Präneoplasien sowie hepatozelluläre Adenome und Karzinome auf. Die Anzahl der hepatozellulären Adenome und Karzinome war in den Gruppen, die neben NNM über sechs Monate auch über drei Monate Gefitinib erhielten, statistisch signifikant geringer. Die ebenfalls statistisch signifikante geringere Proliferation in dieser Gruppe zeigt, dass sich die Progression einmal initiierter Herde verlangsamen lässt. Mit diesen Ergebnissen korrelierte bei den Gruppen beider Zeiträume die Verminderung der immunhistochemischen Expression von EGFR und TGF-alpha der Präneoplasien. Gleichzeitig beleuchtet diese Arbeit, dass TGF-alpha und EGFR in der Entstehung früher präneoplastischer Herde sowie späterer Adenome und Karzinome eine wichtige Rolle spielen.