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Die vorliegende Arbeit liefert ein Modell zur Erzeugung PI3K-mutierter Tumoren in der
Mausleber, je nach Mutationsart mit unterschiedlichem onkogenen Potenzial. Bekannte und
bisher unbekannte nachgeschaltete Ziele der PI3K konnten identifiziert werden. Diese
können im Rahmen von künftigen Target Therapien von Bedeutung sein.
Die in diesem Versuch verwendete Methode des hydrodynamischen Gentransfers bietet eine
zuverlässige Möglichkeit, ohne aufwendige Zucht von transgenen Mausstämmen,
verschiedene (Onko)Gene in der Mausleber langfristig zu exprimieren und ihre
Auswirkungen in vivo zu untersuchen.
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.
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.
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.
Tumornekrosefaktor-Alpha, sein Rezeptor und c-Met sowie die elektronenmikroskopische Morphologie der Nicht-Parenchymzellen während der östrogeninduzierten Hepatokarzinogenese der Ratte Das Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob die im Rahmen eines Models, einer intraportalen Transplantation von Ovargewebe in Rattenlebern beobachteten, morphologischen Veränderungen der Hepatozyten des Rezipientengewebes, die sich mit zunehmender Versuchsdauer als präneoplastische Herde bis zu Entwicklung von hepatozellulären Neoplasien erwiesen, von Alterationen der Nicht-Parenchymzellen begleitet werden. Die Untersuchung der Nicht-Parenchymzellen der Leber wurde mittels morphometrischer Methoden betrieben, indem die Volumenanteile der einzelnen Zellfraktionen und Zellzwischenräume der Versuchsgruppen untereinander verglichen wurden. Signifikanzen ergaben sich hierbei bei Betrachtung der Endothel- und Sternzellen, dem Dissé-Raum und dem Zellzwischenraum. Die Endothelzellen jüngerer Versuchstiere zeigten mehr Volumenanteile als diejenigen älterer Tiere. Ebenso fanden sich Endothelzellen in Kontroll- und ovarektomierten Gruppen mit weniger Volumen als diejenigen der transplantierten Tiergruppen bzw. Leberseiten. Das Volumen der Sternzellen zeigte sich vermindert in der HCC-Gruppe im Vergleich zu der gleichaltrigen Kontrollgruppe. Ebenso verhielt es sich bei der 6 Monate alten Kontrollgruppe und der ovarektomierten Tiergruppe. In der Beurteilung des Dissé-Raums fand sich lediglich eine Signifikanz, bei der in den ovarektomierten Tiergruppen das 6 Monate alte Versuchstier mehr Dissé-Raum-Volumen besitzt als das 24 Monate alt gewordene. Der Zellzwischenraum der HCC-Tiere nahm statistisch weniger Volumen ein als das der Hauptgruppe 3 Wochen post transplantationem. Zusätzlich wurden die Sternzellen hinsichtlich ihres Anteils der Fettvakuolen am Zytoplasmavolumen und der mittleren Größe der Fettvakuolen bestimmt. Letztere zeigten sich in keiner Gruppe statistisch signifikant verändert, während sich der Anteil der Fettvakuolen am Zytoplasmavolumen vor allem beim Vergleich älterer mit jüngeren Tieren vergrößert fand sowie sich transplantierte Tiergruppen mit kleineren Fettvakuolen als Kontrolltiere zeigten. Die immunhistochemische Diagnostik von TNF α zeigte sich korrespondierend zu den Literaturangaben in den Nichtparenchymzellen und den Hepatozyten. Hierbei ergaben sich keine Unterschiede beim Vergleich von unverändertem und verändertem Lebergewebe, während sich bei der Auswertung seines Rezeptors (TNF-R1) eine stärkere Farbreaktion in den präneoplastischen Hepatozyten ergab. Die Beobachtungen legen eine Bedeutung der Nicht-Parenchymzellen und der von ihnen während der östrogenvermittelten Hepatokarzinogenese gebildeten parakrinen Faktoren nahe.