Inhibition des Zellstoffwechsels von Pankreastumorzellen im Hinblick auf die Regulation des Hypoxie-induzierbaren Faktors-1α und Bestrahlung

Hegmann, Linda Madeleine GND

Das Pankreaskarzinom betrifft als dritthäufigster Tumor des Verdauungstraktes jährlich etwa 17.000 Menschen (Stand 2016). Trotz chirurgischer und chemotherapeutischer Therapien bestehen kaum Heilungschancen für Patienten mit diesem aggressiven und wenig strahlensensiblen Tumor. Es konnte bereits gezeigt werden, dass Tumore wie das Pankreaskarzinom einen geringeren Sauerstoffpartialdruck (Hypoxie) als normales Gewebe aufweisen und sich durch schnelles Wachstum hypoxische Areale in den Tumoren bilden. Dabei induziert Hypoxie die Expression des Hypoxie-induzierbaren Faktors-1α (HIF-1α), der in Tumoren die Chemo- und Strahlenresistenz begünstigen kann. HIF-1α könnte damit einen Angriffspunkt für die Therapie von Pankreaskarzinomen bieten. Ziel dieser Arbeit war es, die Wirkung von Zellstoffwechselinhibitoren (Piericidin A, BAY 87-2243, Substanz B) und Bestrahlung in Bezug auf das HIF-1α-Protein, die HIF-abhängige Genexpression und die Koloniebildung in Panc-1-Zellen zu untersuchen. Alle Inhibitoren in Kombination mit Bestrahlung führten hierbei unter Anwesenheit von Sauerstoff zu einer Verringerung der Zellviabilität, wobei BAY 87-2243 den größten Effekt zeigte. Durch Messung des extrazellulären Sauerstoffs konnten wir nachweisen, dass der Sauerstoffverbrauch der Zellen nach Bestrahlung deutlich höher ist. Die Atmungskettenhemmer Piericidin A und besonders BAY 87-2243 konnten den Sauerstoffverbrauch sogar vor und nach Bestrahlung deutlich reduzieren, was sich über eine verringerte Glykolyse und niedrige ATP-Level auch positiv auf die Radiosensitivität der Tumorzellen auswirken könnte. Auf Proteinebene reduzierten alle Inhibitoren die HIF-1α-Akkumulation, wobei Piericidin A und BAY 87-2243 zudem die Akkumulation der Isoform HIF-2α verringerten. Dieser Effekt ließ sich durch den PHD-Hemmer DMOG aufheben, sodass die Wirkung der Inhibitoren auf vermehrt verfügbarem O2 zu beruhen scheint. Ebenso konnten die Komplex-I-Hemmer die HIF-Zielgene (ADM, PAI-1) supprimieren. Auch reduzierten Substanz B und besonders BAY 87-2243 die Fähigkeit der Koloniebildung von Panc-1 nach Bestrahlung deutlich. Diese Arbeit konnte somit zeigen, dass Zellstoffwechselinhibitoren bei Panc-1-Zellen in der Lage sind, die HIF-1α-Protein-Akkumulation zu verringern, die HIF-Zielgen-Expression zu reduzieren sowie die Überlebensrate der Zellen nach Bestrahlung zu vermindern. Die Blockade von HIF-1α könnte daher zukünftig eine Rolle in der Therapie des Pankreaskarzinoms spielen.

Pancreatic cancer is known to be the third most frequent tumor of the digestive tract and annually affects around 17,000 people (data as of 2016). Despite surgical and chemotherapeutic therapies there are few chances of recovery for patients with this aggressive tumor, which shows less radiosensitivity. It has already been shown that tumors like the pancreatic carcinoma have lower partial oxygen pressure (hypoxia) compared to normal tissue. Due to rapid growth, hypoxic areas are formed in the tumors. Hypoxia induces the expression of the hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) which can lead to chemo- and radiation resistance in tumors. Thus, HIF-1α could provide a target for treatment of pancreatic carcinoma. The purpose of this work was to investigate the effects of cell metabolism inhibitors (Piericidin A, BAY 87-2243, Substance B) and irradiation on HIF-1α protein, on HIF-dependent gene expression and on colony formation in Panc-1 cells. Combined with irradiation and in the presence of oxygen all inhibitors led to a reduction of cell viability, with BAY 87-2243 showing the greatest effect. Through measurements of extracellular oxygen, we were able to show that the cells’ oxygen consumption is significantly higher after irradiation. The respiratory chain inhibitors Piericidin A and notably BAY 87-2243 were able to significantly reduce oxygen consumption, even before and after irradiation. Via reduced glycolysis and low ATP levels this could also have a positive effect on the tumor cells’ radiosensitivity. Concerning protein levels, all inhibitors reduced HIF-1α accumulation. Piericidin A and BAY 87-2243 also reduced the accumulation of the HIF-2α isoform. This effect could be reversed by the PHD inhibitor DMOG. This means that the effect of the inhibitors seems to be based on the availability of O2. Similarly, the complex I inhibitors were able to suppress the HIF target genes (ADM, PAI-1). Furthermore, Substance B and especially BAY 87-2243 significantly reduced the ability of colony formation of Panc-1 after irradiation. This work has demonstrated that cell metabolism inhibitors are able to reduce HIF-1α protein accumulation, HIF target gene expression and cell survival after irradiation in Panc-1 cells. Therefore, the blockade of HIF-1α could play a role in the treatment of pancreatic carcinoma in the future.

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Hegmann, Linda Madeleine: Inhibition des Zellstoffwechsels von Pankreastumorzellen im Hinblick auf die Regulation des Hypoxie-induzierbaren Faktors-1α und Bestrahlung. 2019.

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