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In der vorliegenden Arbeit wurden die Interaktionen zwischen murinen Pankreaskarzinomzellen (6606PDA) und Makrophagen untersucht. Von zentralem Interesse war die Synthese von Zytokinen und Chemokinen durch die Tumorzellen und Makrophagen unter normoxischen respektive hypoxischen Bedingungen und deren wechselseitige Beeinflussung über das Mikromilieu des Tumors.
Das Ziel der Arbeit war es, in vitro mittels Tumorzellüberstand aus M0-Makrophagen Tumor-assoziierte Makrophagen (TAM) zu generieren und deren Eigenschaften mit denen von pro-inflammatorischen M1- sowie anti- inflammatorischen M2-Makrophagen zu vergleichen. Die TAM wiesen hinsichtlich ihrer iNOS- und Arginase-Aktivität sowie ihrer hohen TGF-β-Synthese Ähnlichkeit mit dem M2-Phänotyp auf. Zudem förderten TAM und M2-Makrophagen die Tumorzellproliferation. M1-Makrophagen waren durch eine hohe TNF-α-Synthese charakterisiert. Ihre Überstände zeigten allerdings keinen Einfluss auf die Proliferation der 6606PDA-Zellen.
Die Tumorzellen wiesen eine sauerstoffabhängige Synthese von Chemo- und Zytokinen auf. Unter Normoxie synthetisierten sie MCP-1, GM-CSF und TGF-β, unter Hypoxie VEGF und TGF-β. Zudem waren im Tumorzelllysat die Interleukine IL-4 und IL-10 nachweisbar, welche in der Lage sind, Makrophagen in Richtung des M2-Phänotyps zu differenzieren.
In der Histologie muriner, orthotoper Pankreaskarzinome stellten sich TAM sowohl M1- als auch M2-differenziert dar. Die M2-TAM stellten den Großteil der Makrophagen dar und waren diffus im hypoxischen Tumorstroma verteilt. Die in deutlich geringerer Anzahl vorgefundenen M1-TAM lagen konzentriert in perivaskulären Clustern sowie an der Invasionsfront der Tumoren vor, nur vereinzelt ließen sich M1-TAM im Tumorstroma darstellen. Damit befanden sich M1-TAM vorwiegend in Regionen mit vermutlich höherem Sauerstoffangebot. Die Sauerstoffabhängigkeit der Chemo- und Zytokinsynthese der Tumorzellen könnte die unterschiedliche Differenzierung und Verteilung der Makrophagensubpopulationen innerhalb der Pankreastumoren erklären.
Zu diskutieren war der Einfluss der M1- respektive M2-differenzierten TAM auf die Tumorprogression. Sowohl die M1- als auch die M2-Makrophagen scheinen in der Lage zu sein, das Tumorwachstum beziehungsweise die Metastasierung zu fördern. Dabei wurde die Wirkung der Zytokine TNF-α (M1) und TGF-β (M2) näher diskutiert:
Beide Zytokine könnten über direkte und indirekte Effekte das Tumorwachstum, die Invasivität und die Metastasierung von Pankreaskarzinomen begünstigen und sich möglicherweise gegenseitig verstärken.
Dieser Einblick in das Mikromilieu des Pankreaskarzinoms verdeutlicht die komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Makrophagen und Tumorzellen. Es zeigte sich, dass man vermutlich nicht kategorisch in „böse“, Tumorwachstum fördernde M2- und „gute“, Tumorwachstum hemmende M1-Makrophagen trennen kann. Beide Makrophagenpopulationen könnten einen wichtigen Anteil zu der Progression des Pankreaskarzinoms beitragen.
Diese Arbeit verbindet den Einfluss der 6606PDA-Zellen auf die Differenzierung von Makrophagen, über das Mikromilieu der Tumoren, mit der Verteilung verschiedener Makrophagenpopulationen innerhalb muriner Pankreastumoren. Dabei könnten unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen in verschiedenen Tumorarealen ursächlich für dieses Differenzierungsverhalten sein. Das Vertiefen der Erkenntnisse über Abläufe innerhalb des Tumormikromilieus und die Unterbindung dieser Prozesse könnte zukünftig neue Therapieoptionen beim Pankreaskarzinom ermöglichen.
Das Pankreasadenokarzinom (PDAC) ist aufgrund seiner hohen Letalität die vierthäufigste Todesursache unter den Krebserkrankungen in der westlichen Welt. PDAC ist durch eine erhebliche desmoplastische Stromareaktion mit geringer Vaskularisierung gekennzeichnet, so dass die Karzinomzellen ständigem Nährstoffmangel und Hypoxie ausgesetzt sind. In gesunden Zellen wird die Autophagie, welche konstitutiv auf einem basalen Niveau aktiv ist, als Reaktion auf umweltbedingte Stressfaktoren als Recyclingmechanismus aktiviert, um die Zellen mit Nährstoffen zu versorgen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Basalautophagie in den Karzinomzellen so hoch war, dass eine zusätzliche Aktivierung durch Mangelzustände nur schwach oder überhaupt nicht möglich war. Als Ursache hierfür ist die fehlende Sensitivität von mTOR zu nennen, wodurch eine verminderte Reaktion auf Nährstoffmangel oder Hypoxie bedingt ist. Ebenso sind Mutationen im KRAS-Gen, welche den RAS-Signalweg konstitutiv aktivieren, dafür verantwortlich, die Autophagie auch unter normalen Bedingungen zu steigern, so dass eine zusätzliche Induktion kaum möglich ist. Diese erhöhte Basalautophagie ist für die gesteigerte Proliferationsrate der Karzinomzellen sowie für die Versorgung der Zellen mit Aminosäuren notwendig. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich Karzinomzellen durch einen uneinheitlichen oxidativen/ glykolytischen Stoffwechsel auszeichnen, wobei die oxidative Phosphorylierung eine größere Bedeutung innehat. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Proliferation der Karzinomzellen unter OXPHOS-Inhibitoren unterdrückt wurde. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass die Aufrechterhaltung der oxidativen Phosphorylierung der Schlüsselmechanismus ist, über den Autophagie und Nährstoffversorgung zum Zellwachstum beitragen. Dies stellt einen Widerspruch zur Warburg-Hypothese dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auf, dass der Mechanismus der Autophagie ein therapeutisches Target für eine unterstützende Therapie im Pankreaskarzinom darstellt, welches in nachfolgenden Arbeiten weiterführend evaluiert werden muss.
Das Ziel des Projektes war die Untersuchung der erworbenen Chemotherapie-Resistenz des Pankreaskarzinoms gegenüber den Zytostatika 5FU und Gemcitabin in Hinblick auf eine potentielle Regulation durch microRNAs.
Im ersten Schritt wurden Zelllinien mit einer intrinsischen Sensitivität identifiziert. Sieben etablierte Zelllinien des Pankreaskarzinoms (BXPC-3; COLO 357; PATU8988-S; PATU8988-T; CAPAN-1; MIA-PaCa-2; PANC-1) wurden mit Hilfe einer Annexin-V/DAPI-Färbung auf eine 5FU- oder Gemcitabin-induzierte Apoptose untersucht. Vier Zelllinien mit einer intrinsischen Sensitivität (BXPC-3; COLO 357; PATU8988-S; PATU8988-T) konnten identifiziert werden. Es folgte die Etablierung einer sekundären Chemotherapie-Resistenz in diesen sensitiven Zelllinien und die Bestätigung durch einen Proliferationsassay. Um die Hypothese einer veränderten microRNA-Expression in den sekundär resistenten Zelllinien zu untermauern, wurde die Expression der microRNAs miR-21, miR-200b und miR-214 untersucht. Eine veränderte Expression wurde gefunden und eine microRNA-Transkriptom-Analyse folgte. Diese deckte eine aberrante Expression von neun microRNAs (miR-7-5p; miR-23a-3p; miR-24-3p; miR-100-5p; miR-125b- 5p; miR-301a- 3p; miR-3158-5p; miR-3621; miR-3940- 5p) auf. Die Validierung dieser microRNAs via RTPCR zeigte eine Überexpression von miR-100 und miR-125b in allen resistenten Tumorzellen. Dies ist die erste Studie, welche valide Beweise für die Beteiligung beider microRNAs an der erworbenen Resistenz gegen 5FU und Gemcitabin zeigt. Für die Evaluation ihrer biologischen Rolle wurde die miR-100 oder miR-125b durch eine transiente Transfektion in den resistenten Zellen inhibiert. Eine Einschränkung der Viabilität und ein Anstieg der Caspasen 3 und 7 konnte nach Applikation der Zytostatika gesehen werden. Durch einen Proliferationsassay konnte eine langfristige Inhibition des Tumorzellwachstums, des Metabolismus und der Viabilität nach dem Knock-down der microRNAs bewiesen werden. Ein Zytotoxizitäts-Assay zeigte, dass die microRNA-Inhibition zu einer Wiederherstellung von Sensitivität und Dosis-Wirkungs-Beziehung gegenüber 5FU oder Gemcitabin führt. Es ist somit gezeigt, dass die miR-100 und miR-125b eine entscheidende Rolle in der Ausbildung einer sekundären Antimetabolit-Resistenz spielen. Ob diese microRNAs als Zielmolekül einer zukünftigen Antitumortherapie oder als Screeningparameter genutzt werden können, müssen weitere Studien zeigen.
Pankreaskarzinome zählen zu den aggressivsten Tumorentitäten, metastasieren früh und haben eine sehr schlechte Prognose. Aktuellen Untersuchungen zufolge liegt die Fünf-Jahres-Überlebensrate nach einem in kurativer Absicht durchgeführten Eingriff mit anschließender Chemotherapie bei ca. 20 bis 30 %. Bedingt durch die meist erst sehr spät einsetzenden Frühsymptome sind zum Zeitpunkt der Diagnosestellung jedoch nur noch 10 bis 20 % der Tumoren operabel. Chronischer Stress könnte diese Prognose zusätzlich verschlechtern.
In dieser Arbeit wurde in vivo in einem murinen, syngenen und immunkompetenten Pankreaskarzinommodell mittels magnetresonanztomographischer Bildgebung untersucht, ob sich chronischer Stress auf die Tumorprogression eines orthotop implantierten Pankreaskarzinoms bei C57BL/6-Mäusen und deren Prognose auswirkte. Die Stressquantifizierung ließ sich über die Erfassung eines Stressscores und mittels Messung von Corticosteron aus dem Serum der Mäuse eindeutig validieren. Immunhistochemisch wurde die Expression der Matrixmetalloproteinase-9 im Tumorstroma untersucht.
Die Ergebnisse zeigten ein durch Stress induziertes schnelleres Tumorwachstum mit konsekutiv schlechterer Überlebensprognose. Eine unselektive β-Rezeptoren-Blockade mittels Propranolol reduzierte die in dieser Arbeit beschriebenen negativen Auswirkungen von Stress signifikant und verlängerte das Überleben der tumortragenden Versuchstiere unter Stressbedingungen. Die immunhistochemische Aufarbeitung zeigte eine vermehrte MMP-9-Expression im Tumorstroma unter Stressbedingungen.
Die Blockade der β-Rezeptoren wäre zukünftig eine mögliche additive therapeutische Maßnahme, und erste klinisch retrospektive Kohortenstudien legen nahe, dass β-Blocker die Prognose von Tumorerkrankungen positiv beeinflussen können. Zukünftig könnte eine weitere intensive Erforschung stressassoziierter Auswirkungen und Signalkaskaden zum Verständnis und zur Weiterentwicklung dieser vielversprechenden therapeutischen Ansätze beitragen.
Kaltes, gewebeverträgliches Plasma (tissue tolerable plasma – TTP) besitzt vielfach nachgewiesene anti-Tumor Effekte und stellt eine potentielle Option für die Tumortherapie dar. TTP ist ein partiell ionisiertes Gas, das durch Generierung reaktiver Spezies dosisabhängig proliferationshemmende Eigenschaften besitzt und dabei selektiver auf maligne gegenüber nicht-maligne Zellen wirkt. Das Pankreaskarzinom ist trotz moderner Medizin noch immer eine große Herausforderung im klinischen Alltag. Charakteristisch für das Pankreaskarzinom ist eine hochgradige Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Das potenteste Standardchemotherapeutikum Gemcitabin verlängert die mittlere Überlebenszeit nur um knapp zwei Wochen. TTP könnten hier eine Verbesserung bringen und durch synergistische Effekte eine Therapieergänzung darstellen.
Die vorliegende Arbeit untersucht in vitro die Effekte von TTP-behandeltem Medium und Gemcitabin auf murine 6606PDA-Pankreaskarzinomzellen und C57BL/6 Fibroblasten. Im Zellviabilitätsassay zeigte die Kombinationstherapie einen signifikant höheren inhibitorischen Effekt auf 6606PDA-Zellen als die jeweiligen Monotherapien. 25 s TTP-Behandlung führten bereits zu einer 50 % Reduktion der Zellviabilität. Im Gegensatz dazu waren es bei den Fibroblasten 70 s. Die Zugabe des Radikalfängers N-Acetylcystein bestätigte durch Abschwächung der TTP-Effekte die Mitbeteiligung reaktiver Spezies. Apoptose wurde im Caspase 3/7 Assay und p38 MAPK im Western Blot analysiert. Auch hier konnte die höchste Apoptoserate in 6606PDA-Zellen nach Kombinationsbehandlung nachgewiesen werden. Weiterhin inhibierte TTP alleine sowie in Kombination mit Gemcitabin signifikant die Tumorzellmigration. Durch die synergistischen Effekte war insgesamt eine Dosisreduktion von Gemcitabin bei signifikant hohem Tumorzelluntergang möglich.
Erstmalig konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass TTP-behandeltes Zellkulturmedium mit Gemcitabin in 6606PDA-Zellen synergistische anti-Tumor Effekte aufweist. Dabei konnten grundlegende Erkenntnisse über die molekularen Wirkungen gewonnen werden. Diese Ergebnisse müssen nun in weiteren Arbeiten in vivo verifiziert werden, um später einen erfolgreichen Transfer „from bench to bedside“ zu ermöglichen.
Das duktale Adenokarzinom des Pankreas gehört zu den Tumorentitäten mit geringen therapeutischen Möglichkeiten. Neue Erkenntnisse über relevante Signalwege in der Tumorprogression und Metastasierung sind daher von hoher Relevanz für den klinischen Alltag. Die vorliegende Arbeit untersuchte den Einfluss der Humanen neutrophilen Elastase (HNE) auf humane Pankreaskarzinomzelllinien über den Protease-aktivierten Rezeptor 2 (PAR-2).
In Immunfluoreszenzfärbung und Western Blot konnte gezeigt werden, dass PAR-2 von verschiedenen Pankreaskarzinomzelllinien exprimiert wird. Die HNE ist ein bekannter Aktivator dieses Rezeptors, wobei der zugrunde liegende Mechanismus einzigartig im Vergleich zu anderen Proteasen wie bspw. Trypsin ist. Im Folgenden wurden die grundlegenden Tumorcharakteristika wie gesteigerte Proliferation, Migration und Unabhängigkeit von externen Wachstumsfaktoren in verschiedenen Verfahren untersucht. Hierfür wurden neben der HNE das synthetische PAR-2- Aktivierungspeptid (SLIGKV) bzw. reverse Peptid (VKGILS) genutzt. Dabei zeigten sich signifikante Steigerungen von Migration und Proliferation im Scratch- bzw. MTT-Assay für HNE und SLIGKV, jedoch nicht für VKGILS. Auch nach kombinierter Inkubation mit HNE und VKGILS konnte kein signifikanter Unterschied zur Kontrolle festgestellt werden, was einen PAR-2-abhängigen Wirkmechanismus der HNE belegt. Eine Ausnahme bildet hierbei die Zelllinie Patu-89888T bezogen auf den Scratch-Assay. Dieser und weitere Unterschiede stellen die Komplexität der Interaktionen in verschiedenster Weise dar.
Des Weiteren zeigte die Inkubationen mit HNE und SLIGKV vergleichbare Ergebnisse im Western Blot bezüglich einer Aktivierung des MAP/Erk- und des PI3K/Akt-Signalweges.
Darüber hinaus steigern sowohl HNE als auch SLIGKV die Sekretion von Vascular endothelial growth factor wie mittels ELISA demonstriert werden konnte.
Abschließend kann also davon ausgegangen werden, dass die Effekte die HNE auf Pankreaskarzinomzelllinien in bedeutendem Maße über PAR-2 vermittelt werden. Hierbei werden verschiedene Signalkaskaden stimuliert, die letztendlich zu einer gesteigerten Proliferation, Migration und VEGF-Sekretion der Zellen führen. Sowohl eine Inhibition des PAR-2 als auch der HNE könnten daher neue mögliche Therapieoptionen darstellen.
Trotz allen wissenschaftlichen Fortschritts und verbesserter Therapien bleibt das Pankreaskarzinom
eine äußerst schwerwiegende Erkrankung und ist gekennzeichnet durch eine späte Diagnosestellung,
eine - sofern noch möglich - anspruchsvolle und risikoreiche Operation zur Resektion und eine trotz
aller Bemühungen niedrige Überlebensrate.
Die körpereigene Tumorabwehr umfasst eine Vielzahl an ineinandergreifenden immunologischen
Prozessen und unterliegt der Beeinflussung durch zahlreiche Faktoren. Gerade für den Verlauf nach
einer ausgedehnten Operation ist ein intaktes Immunsystem von ganz besonderer Bedeutung.
So ist es unabdingbar, die Kenntnisse über den Einfluss einer operativ ausgelösten Immundysfunktion
auf den Verlauf des Pankreaskarzinoms zu erweitern und die Mechanismen dezidiert zu untersuchen.
Die Kombination beider Mausmodelle stellt dafür eine ausgezeichnete Möglichkeit dar.
Die Kombination von Tumor und SID löst eine starke Aktivierung des Immunsystems aus. In Blut und
Milz konnte eine ausgeprägte Verschiebung der zellulären Zusammensetzung zugunsten der
Neutrophilen Granulozyten und der Monozyten beobachtet werden. T-Helfer- und Zytotoxische TZellen
zeigten eine verstärkte Aktivierung. Sowohl pro- (z.B. IL-6, IL-1β, TNF) als auch
antiinflammatorische (z.B. IL-10) Zytokine waren im Serum bzw. im Splenozytenüberstand in
erhöhter Konzentration messbar. Dies unterstreicht die Vermutung, dass die Kombination beider
Stressoren (Tumor + SID) zu einer verstärkten und möglicherweise prolongierten sowie
dysregulierten Aktivierung des Immunsystems führt. Wesentliche Ergebnisse dieses Teils der Arbeit
wurden im August 2022 im Cancers (Basel) veröffentlicht.
Zusätzlich konnte durch die Bestimmung verschiedenster Metabolite gezeigt werden, dass die
Kombination von Tumor und SID einen katabolen Stoffwechsel hervorruft. Viele Metabolite, wie
Spermin, Spermidin oder Carnosin, die das Tumorwachstum beeinflussende Eigenschaften
aufweisen, zeigten sich durch die Kombination der beiden Stressoren signifikant verändert. Nicht
zuletzt wurde der Einfluss von Tumor und SID sogar auf den Stoffwechsel von
Plasmamembranbestandteilen sichtbar.
Die Kombination dieser beiden Modelle bietet viel Potential für wichtige Erkenntnisse in Bezug auf
den Einfluss der postoperativen Immundysfunktion auf den Verlauf des Pankreaskarzinoms und kann
einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis der immunologischen wie metabolischen Mechanismen
leisten. Nur so besteht die Möglichkeit, in Zukunft vielversprechende Therapieansätze entwickeln zu
können.