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Die Bedeutung der Modulation zellulärer Sauerstoffsensoren für das Wachstum autochthoner Mammakarzinome in der Maus

Thiel, Anika

Die Anpassung an Hypoxie, die in schnell wachsendem Tumorgewebe durch Mangeldurchblutung und Sauerstoffunterversorgung entsteht, wird maßgeblich durch den Transkriptionsfaktorkomplex Hypoxie-induzierbarer Faktor-1 (HIF-1) reguliert. Prolylhydroxylasen (PHDs) kontrollieren den Gehalt der Untereinheit HIF-1α, welche entscheidend für die Aktivität und Zielgenexpression von HIF-1 ist. In in vitro Experimenten konnte gezeigt werden, dass der Gehalt an PHD2 sowie die Aktivität durch Stickstoffmonoxid beeinflusst werden können. In einem autochthonen Mausmodell, welches spontan Mammatumore entwickelt, sollte der Einfluss von NO und HIF auf das Tumorwachstum untersucht werden. Dieses Modell ist in der Literatur bekannt für die Entwicklung von soliden Tumoren und Metastasen in den Lungen. Der HIF-1α-Knockout in den Brustepithelzellen beeinflusste nicht den Beginn des Tumorwachstums, und phänotypisch konnte kein signifikanter Unterschied in den Tumorgewichten am Endzeitpunkt festgestellt werden. Durch die Injektionen des NO-Donors DETA-NO wurden die Tumorgewichte tendenziell erhöht. Des Weiteren wurden keine Lungenmetastasen festgestellt, was zu einem mit den genetischen Hintergrund der Mäuse zusammenhängen kann oder aber mit dem Alter beim Endzeitpunkt. Der HIF-1α-Knockout führte zwar zu einer verminderten Expression von HIF-1α und typischen Zielgenen wie Glucosetransporter 1 und Phosphoglyceratkinase 1 sowie den Entzündungsfaktoren Cyclooxygenase 2 und FOXP3, aber zum hier gewählten Endzeitpunkt konnten keine Unterschiede in der Tumorentwicklung bezüglich der Blutgefäßentwicklung und der Proliferationsrate festgestellt werden. In den Tumoren der Wildtyp-Mäuse konnte eine vermehrte Expression der oben genannten Gene unter Behandlung mit DETA-NO gemessen werden. Dies spricht zumindest dafür, dass die gewählte Dosis von DETA-NO die Tumorzellen erreicht und HIF-1α und PHD2 durch NO in der Aktivität beeinflusst werden. Die Untersuchung der infiltrierten Immunzellen in Tumoren und sekundären lymphatischen Organe konnte nicht zur Aufklärung der Rolle von NO und HIF auf das Tumorwachstum beitragen. Es konnte zwar eine vermehrte Anzahl an NK-Zellen in den Tumoren, Lymphknoten und Milz der Knockout-Mäuse festgestellt werden, was aber zu dem Endpunkt keinerlei Auswirkungen auf den Krankheitsverlauf hatte. Dieses Mausmodell bietet im Vergleich zu anderen Xenograft-Modellen sicherlich Vorteile hinsichtlich des intakten Immunsystems und des autochthonen Tumorwachstums, was mit der humanen Tumorentwicklung durchaus vergleichbar ist. Dennoch bringt es auch eine hohe Varianz der Tumorentwicklung aufgrund des genetischen Hintergrundes mit sich. Ob eine höhere Endzahl der Versuchstiere eindeutigere Ergebnisse liefern würde, ist ebenso fraglich, da Vorversuche mit höherer Endzahl auch zu keinen signifikanten phänotypischen Unterschieden führten.

The adaptation to hypoxia, resulting in fast-growing tumor tissue from insufficient perfusion, is mainly regulated by the transcription factor complex hypoxia inducible factor-1 (HIF-1). Prolyl hydroxylases (PHDs) control the content of the subunit HIF-1α, which is crucial for the activity and target gene expression of HIF-1. In vitro experiments showed, that the level and activity of PHD2 can be affected by nitric oxide (NO). To investigate the influence of HIF-1α in tumors upon exposure of NO we used an autochthonous mouse model, which spontaneously develops mammary tumors. This model is known in the literature for the development of solid tumors and lung metastases. We used mice with a tumor cell-specific knockout of HIF-1α and mice whose tumor cells expressing HIF-1α as control. The HIF-1α knockout in the mammary epithelial cells did not affect the tumor onset and no significant differences in tumor weights were determined within both mice strains at the endpoint. In both mice strains a tendency to higher tumor weights caused by the NO donor DETA-NO could be observed. Furthermore, no lung metastases were detected which may be explained by the genetic background of the mice or may be associated with the age at endpoint. Still, the HIF-1α knockout resulted in a reduced expression of HIF-1α and in typical target genes such as glucose transporter 1 and phosphoglycerate kinase 1, as well as inflammation factors like cyclooxygenase 2 and FOXP3, but at the endpoint there were no differences in the development of tumors concerning blood vessel development and proliferation rate. In the tumors of wild-type mice, an increased expression of the genes named above was measured under treatment with DETA-NO. This indicates at least that the selected dose of DETA-NO reached the tumor cells and HIF-1α and PHD2 activity was affected by NO. The study of the infiltrated immune cells in tumors and secondary lymphoid organs could not contribute to the elucidation of the role of NO and HIF on tumor growth. However, there was an increased number of NK cells in the tumors, lymph nodes and spleen in the knockout mice detected, but with no effect on disease progression at the endpoint. This mouse model provides in comparison to other xenograft models certainly advantages in terms of the intact immune system and the autochthonous tumor growth, which is quite comparable with the human tumor development. However, it also appears to have a high variance of tumor development due to the genetic background. Whether a higher final number of animals would provide clearer results is also questionable since preliminary experiments with higher final number also resulted in no significant phenotypic differences.

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Thiel, Anika: Die Bedeutung der Modulation zellulärer Sauerstoffsensoren für das Wachstum autochthoner Mammakarzinome in der Maus. 2015.

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