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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
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.
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.
Die bedeutende Rolle eines insulinomimetischen Stoffwechsel- und Signalmilieus in glykogenotischen hepatozellulären Präneoplasien konnte in zwei etablierten Rattenmodellen der Zirrhose-unabhängigen Hepatokarzinogenese unlängst belegt werden. Trotz des Einwirkens unterschiedlicher Karzinogene verläuft dieser Prozess sowohl im Modell der niedrigdosierten intrahepatischen Pankreasinseltransplantation in diabetischen Ratten als auch im chemischen Modell mit nicht-diabetischen Ratten nach N-Nitrosomorpholin (NNM)-Exposition nach der typischen glykogenotisch-basophilen Entwicklungssequenz mit ausgeprägten Ähnlichkeiten bezüglich Morphologie und molekularbiologischen Veränderungen. Welche Bedeutung insulinomimetische Mechanismen während der weiteren Karzinogenese in diesen Modellen noch haben und welche zusätzlichen pathogenetischen Faktoren hinzukommen, ist bisher weitgehend unbekannt und soll durch eine globale Genexpressionsanalyse näher beleuchtet werden. Dazu wurden verschiedene morphologische Karzinogenesestadien von Ratten aus dem Inseltransplantations- und NNM-Modell mit Hilfe der komparativen cDNA-Mikroarray-Technik auf intraindividuelle Expressionsveränderungen mehrerer tausend Gene untersucht. Neben glykogenotischen Präneoplasien, weiter fortgeschrittenen gemischtzelligen Präneoplasien und hepatozellulären Karzinomen (HCC) aus dem Transplantationsmodell Streptozotocin (Stz)-diabetischer Ratten sowie glykogenotischen Präneoplasien und HCC aus dem NNM-Modell befand sich auch eine Gruppe autoimmun-diabetischer Ratten mit glykogenotischen Präneoplasien nach Inseltransplantation unter den Versuchstieren. Mit Hilfe dieser Versuchsgruppe sollten potentiell relevante Unterschiede der Expressionsveränderungen zwischen den glykogenotischen Präneoplasien der verwandten Transplantationsmodelle aufgedeckt werden, welche auf die einmalige Stz-Applikation im klassischen Transplantationsmodell zurückzuführen sein könnten. Die Expressionveränderungen betreffen in beiden Modellen mehrere hundert Gene aus zahlreichen zellulären Prozessen, wobei insgesamt (2512 versus 1717) und bei Gegenüberstellung der korrespondierenden Stadien im klassischen Inseltransplantationsmodell stets mehr Gene alteriert sind als im NNM-Modell. Am geringsten ist die Zahl alterierter Gene in den glykogenotischen Präneoplasien der autoimmun-diabetischen Ratten. Die in allen Versuchsgruppen prozentual am stärksten von den Expressionsveränderungen betroffenen Gene stammen von intrazellulären Signalmediatoren, Transkriptionsregulatoren und Membranrezeptoren. Aus dem Bereich des Grundstoffmetabolismus sind Lipid- und Kohlenhydratstoffwechsel am stärksten betroffen. Insgesamt gibt es bezüglich der alterierten Zellprozesse keine wesentlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Versuchsgruppen. Die Expressionsveränderungen nehmen bis zur Vervierfachung im Karzinomstadium im Verlauf der Karzinogenese in beiden Modellen zu (kumulativer Effekt). Unter den alterierten Genen finden sich neben solchen des Glukose-Turnovers und der Insulin-Signaltransduktion zahlreiche weitere Karzinogenese-assoziierte Gene, darunter lipogene Mediatoren, mehrere Wachstumsfaktoren (ErbB-, FGF- und Annexin-Familie), Mediatoren der Angiogenese, Apoptoseregulation und der intrazellulären Signaltransduktion, onkogene Transkriptionsfaktoren, DNA-Reparaturgene sowie einige bekannte Protoonko- und Tumorsuppressorgene. Die Expressionsveränderungen sprechen auch für eine Rolle von insulinomimetischen Mechanismen in der späten experimentellen Hepatokarzinogenese, wobei diese eher durch andere Karzinogenese-assoziierte Phänomene als durch direkte Insulinrezeptor-Signalübertragung aufrechterhalten werden könnten. So ließen sich einige Expressionsveränderungen des Glukosestoffwechsels zum Beispiel mit Hilfe des Warburgeffekts oder als Hypoxie-induziert erklären. Darüber hinaus liefern vorliegende Ergebnisse Anhaltspunkte für weitere pathogenetisch relevante Mechanismen während der Karzinogeneseprogression in den untersuchten Modellen. Dazu gehören unter anderem der wachstumsfördernde Einfluss von überexprimierten Wachstumsfaktoren der ErbB-Familie und lipogenen Mediatoren aber auch die Dysregulation des intrazellulären Signalkaskadennetzwerks und des programmierten Zelltods. Die Alteration derselben zellulären Prozesse im Transplantations- und NNM-Modell bestätigt eine große Übereinstimmung im Verlauf der Karzinogenese in beiden Modellen auf Transkriptionsebene. Insgesamt sind die Alterationen im Stz-Modell stärker ausgeprägt. Sowohl die Anzeichen für mögliche vorübergehende Stz-induzierte Genexpressionsveränderungen in den klarzelligen Präneoplasien als auch Ursache und tatsächliche kausalpathogenetische Bedeutung der hier nachgewiesenen Expressionsveränderungen müssen durch weitere Untersuchungen validiert und gezielter analysiert werden.
Das Apolipoprotein E wird mit verschiedenen Krankheiten wie Arteriosklerose, Herzinfarkt, Lungenembolie, Diabetes mellitus, Pneumonie, Tumore assoziert. Es interessierte, ob unterschiedliche Apo E-Genotypen, speziell das Apo E4, mit diesen Krankheiten im Zusammenhang stehen, und ob dies im Obduktionsgut seinen Niederschlag findet. Es wurde kein statistisch signifikanter Einfluß der E4-Allelpräsenz auf das Auftreten von Arteriosklerose, Herzinfarkt gefunden. Dagegen waren die männlichen E4-Allelträger häufiger an Beinvenenthrombosen oder an Lungenembolien erkrankt im Vergleich zu Personen, die dieses Allel nicht hatten.