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Effect of hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) deficiency in tumor cells and murine tumor stroma on radiation sensitivity and growth of tumors

Wolf, Alexandra

Poor prognosis of many solid tumors is often associated with hypoxic regions and an increased level of hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α). Previous findings indicate that HIF-1α expression is relevant for radiation resistance. Furthermore, there are evidences that the tumor microenvironment is also involved in protecting tumor cells from irradiation (IR). To clarify the role of HIF-1α deficiency in apoptosis, DNA damage repair and radiosensitization in vitro, murine Lewis Lung Carcinoma (LLC) cells with a doxycycline-inducible knockdown for HIF-1α were used. The data provided strong evidence that depletion of HIF-1α increased IR-induced apoptosis and impairment of clonogenic potential of LLC cells and thus increased radiosensitivity of cells. Furthermore, HIF-1α deficient LLC cells demonstrated IR-induced increase of DNA damage measured by γH2AX foci and increased recruitment of RAD51, which suggests an alteration in homologous recombination repair. The level of 53BP1 IR-induced foci remained unchanged, as well as fast repair kinetics indicating that non-homologous end joining repair capacity was not affected. Next, this study investigated an effect of surrounding microenvironment on HIF-1α signaling in tumor cells and the effect of this interaction on the radiation sensitivity in vivo. The analysis of HIF-1α depletion in tumors in an allograft mouse model with wild-type C57BL/6 mice demonstrated unchanged tumor growth regardless of HIF-1α deficiency in tumor cells. Afterwards, a murine allograft model with HIF-1α conditional knockout was used for the investigation, whether HIF-1α elimination in surrounding stroma cells simultaneously with tumor cells affects the radiosensitivity of tumors. The tumor volume of the irradiated groups was not significantly changed regardless of HIF-1α deficiency in tumor cells and in the mice. However, the non-irradiated groups demonstrated that the volume of tumors with HIF-1α positive cells that grew in HIF-1α knockout mice was significantly decreased compared to tumors with HIF-1α depleted cells that grew in HIF-1α positive mice. In vitro results of present study indicate that inactivation of HIF 1α leads to an enhanced radiation sensitivity of tumor cells. In vivo results are more controversial, although the data indicated an influence of HIF-1α deficiency in stromal cells on the tumor growth. The demonstrated complexity of HIF-1α-related network in tumor cells and surrounding tissue during irradiation makes it an attractive future target for further investigation to enhance the outcome of radiation treatment.

Hypoxische Bereiche mit einer erhöhten Expression des Hypoxie-induzierbaren Faktor 1α (HIF-1α) sind charakteristisch für viele feste Tumore. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Expression von HIF-1α bei der Entwicklung einer Tumorresistenz während der Bestrahlungstherapie eine Rolle spielt. Außerdem wurde gezeigt, dass die Zellen aus der Mikroumgebung ebenfalls die Tumore vor der Bestrahlung schützen können. Die murine Krebszelllinie Lewis-Lungenkarzinom (engl. Lewis Lung Carcinoma; LLC) Zellen mit einem Doxycyclin-induzierbaren Knockdown von HIF-1α wurde bezüglich der Rolle von HIF-1α-Inaktivierung in der Apoptose, DNA Schadensreparatur und Radiosensibilisierung untersucht. Die gezeigten Ergebnisse weisen auf eine erhöhte Apoptoserate und Verschlechterung des klonogenen Potentials, und somit auf eine erhöhte Radiosensitivität bei der HIF-1α-Inaktivierung in den LLC Zellen hin. Außerdem wurde in der Abwesenheit von HIF-1α die Erhöhung von γH2AX und vermehrte Rekrutierung von RAD51 gemessen, die auf ein erhöhte Anzahl an DNA Schäden und eine veränderte Reparatur durch homologe Rekombination hinweisen. Allerdings wurden nach der Inaktivierung von HIF-1α keine Veränderungn bei der Reparaturkinetik und der 53BP1 Rekrutierung gemessen, was auf eine unveränderte Aktivität der nicht-homologen Endverknüpfung hinweist. Als Nächstes wurden die Effekte der Interaktion von umgebenden Stromazellen mit den HIF-1α inaktiven Tumorzellen auf die Radiosensibilisierung in einem Maus-Allotransplantant-Model mit der Wildtyp C57BL/6 Maus untersucht. Diese Versuche zeigten keine Unterschiede bezüglich der HIF-1α Inaktivierung. In einem Maus-Allotransplantant-Model mit einem konditionalen HIF-1α Knockout wurde gezeigt, dass die Tumorgröße nach der Bestrahlung nicht von der HIF-1α Inaktivierung in den Stroma- und Tumorzellen beeinflusst wird. Bei den nicht bestrahlten Gruppen war das Tumorvolumen bei HIF-1α positiven Tumorzellen aus der HIF-1α Knockout-Maus geringer, als bei den HIF-1α inaktiven Tumoren aus der HIF 1α positiven Maus. In vitro Ergebnisse dieser Studie haben gezeigt, dass die Inaktivierung von HIF-1α die Radiosensibilisierung in Tumorzellen erhöht. In vivo Ergebnisse sind dagegen kontroverser, weisen allerdings auf den Einfluss von HIF-1α inaktiven Stromazellen auf das Tumorwachstum hin. Die gezeigte Komplexität des HIF-1α-abhängigen Netzwerkes in Stroma- und Tumorzellen während der Bestrahlung machen dieses Protein zum attraktiven Ziel der Forschung zwecks der Verbesserung von Bestrahlungstherapie.

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Wolf, Alexandra: Effect of hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) deficiency in tumor cells and murine tumor stroma on radiation sensitivity and growth of tumors. 2019.

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