Der Einfluss von Sphingosin-1-Phosphat auf Hypoxie-induzierbare Faktoren im bestrahlten Tumormikromilieu

Glaser, Ulrike Gesine GND

Bereits vor mehr als einer Dekade zeigte sich die hohe Relevanz des sauren Sphingomyelinase (Asm)/Ceramid-Systems für die Wirkung von hochdosierter Strahlentherapie (SDRT) zur Behandlung von radioresistenten Tumoren. Die hohe Einzelstrahlendosis aktiviert die Asm und induziert Ceramid-abhängige Endothelzell-apoptose im Tumormikromilieu (TME). In dieser Arbeit konnten im bestrahlten Fibrosarkom die Effekte der Asm-abhängigen Perfusionsunterbrechung 24 h nach der SDRT, und somit später als bisher postuliert, nachgewiesen werden. Diese beinhalteten den Trend einer Gewebehypoxie verbunden mit einer Aktivierung des Hypoxie-induzierbaren Faktors 1 (HIF 1). HIFs steuern die hypoxische Gewebeantwort im inflammatorischen TME und ihre Aktivität korreliert mit Therapieresistenz. Es wird zunehmend beobachtet, dass das TME und weniger die Tumorzellen einen starken Einfluss auf die Entwicklung von Resistenzen, z.B. gegenüber Radiotherapien, nehmen. Speziell der vaskuläre Wachstumsfaktor VEGF-A, sekretiert von Makrophagen, nimmt dabei aufgrund seiner pro-angiogenetischen Eigenschaften eine wichtige Rolle ein. Hier konnte in diesem Kontext die Relevanz der nicht-tumoralen Asm und des myeloidem HIF 1α für die Regulation von Vegfa in Lewis-Lung-Karzinomen gezeigt werden. In vitro führte die pharmakologische Manipulation des Sphingolipidstoffwechsels zu Veränderungen der HIF 1α-Akkumulation in humanen Leukozyten. In murinen Fibroblasten kam es sowohl durch den Verlust der Asm, als auch durch den der Sphingosine-1-Phosphat (S1P)-Lyase (S1PL) zu signifikanten Veränderungen des S1P-Spiegels. Es ist anzunehmen, dass dies die Reduktion der HIF 2α-mRNA und des Proteins unter Asm-Defizienz und den Anstieg der HIF 1α-mRNA und des Proteins unter S1PL-Defizienz induzierte. Wahrscheinlich war die Regulation der HIF α-Untereinheiten zusätzlich auf die Veränderung der Prolylhydroxylase 3 (Phd3)-Expression, gegenläufig zur Reduktion (Asm-Defizienz) oder Akkumulation (S1PL-Defizienz) von intrazellulärem S1P, zurückzuführen. Da die in murinen Makrophagen erhaltenen Ergebnisse nicht analog zu denen in Fibroblasten ausfielen, kann von einer Zelltyp-abhängigen Regulation dieser Prozesse ausgegangen werden. Die Verbindung zwischen Sphingolipidstoffwechsel und HIF-Signalweg erfolgte wechselseitig. Neben der Regulation des HIF-Signalweges durch Veränderungen im Sphingolipidspiegel, konnten ebenfalls Hypoxie-abhängige Änderungen des S1P-Levels in Fibroblasten gezeigt werden. Diese Arbeit beweist die Relevanz vom Sphingolipidstoffwechsel und der HIF-Aktivität in Fibroblasten und Makrophagen für das TME. Beide untersuchten Signalwege sind beteiligt an der Regulation der pro-angiogenetischen Faktoren VEGF-A und S1P und beeinflussen somit die Oxygenierung des TME. Die Diskrepanz zwischen den Ergebnissen für Makrophagen und Fibroblasten sensibilisiert für Zelltyp-spezifische Unterschiede der Regulationsmechanismen im TME. Insgesamt konnten der S1P-Spiegel und der HIF-Signalweg als Ansatzpunkte für Tumortherapien bestätigt werden. Weitere Untersuchungen sollten unter Beachtung einer gegenseitigen Regulation von Sphingolipid-Gehalt und Hypoxie bzw. HIFs durchgeführt werden.

More than a decade ago, the importance of the acid sphingomyelinase (Asm)/ceramide system was demonstrated for the effect of single high dose radiation therapy (SDRT) in the treatment of radioresistant cancers. The high dose of irradiation activates the Asm and induces ceramide-dependent endothelial cell apoptosis in the tumor microenvironment (TME). In this study, the effects of the Asm-dependent interruption of perfusion was shown in irradiated fibrosarcoma 24 h after SDRT, hence later than previously postulated. The effects included the trend of tissue hypoxia combined with activation of hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1). HIFs control the hypoxic tissue response in the inflammatory TME and their activity correlates with treatment resistance. It is increasingly observed that the TME and to a lesser degree tumor cells have a strong influence on the development of resistance, e.g. to radiotherapy. Especially vascular growth factor, VEGF-A, secreted by macrophages, plays an important role due to its pro-angiogenetic properties. In this context, the relevance of the non-tumoral Asm and the myeloid HIF-1α for the regulation of Vegfa in Lewis-Lung carcinoma was demonstrated. In vitro, pharmaceutical manipulation of sphingolipid metabolism led to changes in HIF-1α accumulation in human leukocytes. In murine fibroblasts both, the loss of Asm and the loss of sphingosine-1-phosphate (S1P) lyase (S1PL), led to significant changes in S1P levels. It is assumed that this induced the reduction of HIF 2α-mRNA and protein under Asm deficiency and the increase of HIF 1α-mRNA and protein under S1PL deficiency. Most likely the regulation of the HIF-α subunits was additionally affected due to the change in prolyl hydroxylase 3 (Phd3) expression, contrary to the reduction (Asm deficiency) or accumulation (S1PL deficiency) of intracellular S1P levels. Since the results obtained in murine macrophages were not analogous to those obtained in fibroblasts, a cell type-dependent regulation of these processes can be assumed. The connection between sphingolipid metabolism and HIF pathway was bilateral. Besides the regulation of the HIF signalling by changes in the sphingolipid level, hypoxia-dependent changes of the S1P level in fibroblasts were also shown. This work proves the relevance of sphingolipid metabolism and HIF activity in fibroblasts and macrophages for TME. Both signalling pathways are involved in the regulation of the pro-angiogenetic factors VEGF-A and S1P and thus influence the oxygenation of the TME. The discrepancy between the results for macrophages and fibroblasts sensitizes to cell type-specific differences in regulatory mechanisms in the TME. However, S1P levels and the HIF signaling pathway were confirmed as targets for tumor therapies. Further investigations should be performed considering a reciprocal regulation of sphingolipid levels and hypoxia or HIFs.

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Glaser, U.G., 2020. Der Einfluss von Sphingosin-1-Phosphat auf Hypoxie-induzierbare Faktoren im bestrahlten Tumormikromilieu. https://doi.org/10.17185/duepublico/71420
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