Klinik für Strahlentherapie – Radioonkologie

Forschung

Einfluss der Heparanase auf den Stammzellphänotyp und der Strahlenempfindlichkeit des Mammakarzinoms und des Hodgkin Lymphoms

Heparanase ist eine Endo-β-D-Glucuronidase, die Heparansulfate spaltet. Sie ist häufig in Tumoren hochreguliert und modifiziert wichtige zelluläre Eigenschaften wie Zell-Zell-Interaktion, Adhäsion, Migration und Signalverarbeitung. Ein hohes Expressionsniveau korreliert mit einer schlechten Prognose und ist assoziiert mit einer hohen Metastasierung, Vaskularisierung, Entzündung und Modifikation der extrazellulären Matrix. Viele dieser tumorigenen Effekte können der Spaltung von Heparansulfaten zugeordnet werden, allerdings reguliert die Heparanase auch die Signalverarbeitung und die Genexpression. So konnten andere Arbeitsgruppen an Myelomzellen durch eine artifizielle Überexpression der Heparanase eine erhöhte Expression der Matrix-Metalloproteinase-9 (MMP-9), VEGF, HGF und dem Liganden für die Aktivierung des Rezeptors von NFκB  (RNAKL) zeigen.

Eine weitere neue Eigenschaft der Heparanase konnte in eigenen Untersuchungen in Zusammenarbeit mit Prof. Martin Götte aus der Klinik für Frauenheilkunde am Kolonkarzinom gefunden werden. Mit Hilfe der vektorvermittelten Überexpression der Heparanase in verschiedenen Zelllinien konnte ein Zusammenhang mit dem Auftreten von Tumorstammzellen hergestellt werden. Diese mit der Fähigkeit zur Selbsterneuerung ausgestatteten Zellen werden derzeit mit der Entstehung von Rezidiven nach Abschluss einer Therapie in Zusammenhang gebracht. Die Daten sind zur Publikation eingereicht.

Hier setzt ein aktuelles Projekt an, bei dem die Heparanaseexpression beim Mammakarzinom untersucht werden soll. Das Projekt wird im Rahmen einer Doktorarbeit von M.Sc. Timo Braun bearbeitet. Hauptschwerpunkte sind dabei das Auftreten von Tumorstammzellen in verschiedenen modifizierten Zelllinien des Mammakarzinoms, Untersuchungen zur Strahlen- und Chemoresistenz in Abhängigkeit von der Heparanaseexpression und Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen der Heparanaseexpression und dem Auftreten des inflammatorischen Mammakarzinoms.

In einem weiteren Projekt, bearbeitet von Matthias Linsenmaier, wird der Einfluss der Heparanseexpression auf den Stammzellphänotyp und auf die Strahlenempfindlichkeit des Hodgkin Lymphoms untersucht.

Untersuchungen zum Einfluss von Zytokinen auf die Strahlenwirkung

Die Strahlentherapie ist ein wesentlicher Bestandteil in der multimodalen Therapie von Ewing-Sarkomen. In aktuellen Therapiekonzepten kommt sie insbesondere dann zum Einsatz, wenn Tumore nicht operiert werden können, nur knapp entfernt wurden oder auf die vorher durchgeführte Chemotherapie ein schlechtes Therapieansprechen zeigten. Im Vergleich zu anderen Sarkomen sprechen Ewing-Tumore in der Regel besser auf eine Strahlentherapie an. Dennoch gibt es immer wieder Tumore, die mittels Strahlentherapie als alleiniger Lokaltherapie nicht heilbar sind. Die Mechanismen, die einer möglichen Strahlenunempfindlichkeit zugrunde liegen, sind bisher nicht im Detail geklärt. Verschiedene molekulare Marker und Regelmechanismen, die möglicherweise einen Einfluss auf die Strahlenempfindlichkeit haben, konnten bisher jedoch schon identifiziert werden. Könnte die Strahlenempfindlichkeit von Ewing-Sarkomen moduliert werden, hätte dies einen großen Einfluss auf die Therapieerfolge bei Patienten mit Ewing-Sarkomen. In verschiedenen Forschungsprojekten konnten verschiedene Mechanismen und Interaktionen in der Modulation des Strahlen-induzierten Zelltods bei Ewing-Tumoren in vitro und in vivo charakterisiert werden. In einem aktuellen Projekt sollen ein weiterer viel versprechender Parameter, Survivin, in Hinblick auf seine Bedeutung für die Strahlenempfindlichkeit von Tumorzellen untersucht und die Möglichkeiten der medikamentösen Beeinflussung dieses Parameters mit Modulation der Strahlenempfindlichkeit charakterisiert werden.
Ziel dieses Projektes ist es, den Stellenwert der Survivin-Modulation für die Strahlentherapie von Ewing-Tumoren in vitro zu charakterisieren und ggf. die Vorraussetzung für eine spätere klinische Anwendung zu schaffen. Das Projekt wird von der Freitag-Stiftung gefördert.

EGFR vermittelte AGO2 Phosphorylierung als neuer Aspekt der zellulären Strahlenantwort

Mikro-RNAs sind kleine, genkodierte RNAs, die als Vorstufen im Zellkern synthetisiert werden und über den cytosolischen Proteinkomplex RNA induced silencing complex (RISC) in die aktive miRNA überführt werden. Sie besitzen selber keine codierenden Eigenschaften, sondern regulieren über sequenzspezifische Interaktionen mit den passenden mRNAs deren Translation. Ein bereits mehrfach beschriebener Effekt ist die miRNA gesteuerte post-transkriptionale Genregulation nach Bestrahlung, mit der die Zelle die Expression strahlenrelevanter Proteine reguliert. Der molekulare Mechanismus, dem dieser Effekt zugrunde liegt, ist weitestgehend noch unverstanden.

Eine kürzlich publizierte Studie zeigte den Einfluss der Rezeptor-Tyrosinkinase EGFR auf die miRNA Reifung unter hypoxischen Bedingungen. Hypoxie-induziert wird EGFR durch Endosomenbildung von der Zellmembran zum Kern transportiert und phosphoryliert auf seinem Weg Argonaut-2 (AGO2), eine Endonuklease, welche mit den Proteinen TRBP und Dicer den RNA induced silencing complex (RISC) bildet. Der RISC-Komplex ist für die Reifung der miRNAs zuständig und kann durch die Phosphorylierung von AGO2 nicht in seine aktive Form überführt werden. Dadurch werden bestimmte (hypoxierelevante) miRNAs herunterreguliert und die entsprechenden Zielproteine hochreguliert.

Dieser Aspekt wird im Rahmen unseres Projektes aufgegriffen, um zu klären, ob die EGFR/AGO2-Achse auch für die Reifung strahlenrelevanter miRNAs zur Steuerung der zellulären Strahlenantwort verantwortlich ist. Weitere Projekte mit Bezug zum oben genannten Zusammenhang werden derzeit im Rahmen von Doktorarbeiten bearbeitet, inhaltlich geht es dabei um den Einfluss der mikro-RNA miR-142-3p auf den Stammzell- und Strahlenphänotyp beim Mammakarzinom bearbeitet durch Fabian Troschel und um die Charakterisierung strahlenrelevanter miRNAs im Ösophaguskarzinom bearbeitet durch Tim Denz.

Untersuchungen zur immunmodulierenden Wirkung von PD-L1 und PD-L2 beim Hodgkin Lymphom: Möglichkeiten zur zielgerichteten Therapie

Ein im Vergleich zu anderen Tumorerkrankungen wichtiges Merkmal des Hodgkin Lymphoms sind die wenigen malignen Hodgkin Reed-Sternberg Zellen, die sich mit Immunzellen, bevorzugt T-Lymphozyten, umgeben. Die meisten der T-Zellen sind reversibel inaktiviert, unter anderem durch die Interaktion mit den von den Tumorzellen exprimierten immunmodulierenden Liganden „Programmed Cell-death“ (PD-L1 und 2). Eine Strategie in der Therapie ist es daher, die T-Zellen in der Mikroumgebung zu aktivieren und so eine Anti-Tumor-Immunreaktion zu provozieren. Die Entwicklung humanisierter Antikörper gegen den T-Zell-Rezeptor PD-1, wie Nivolumab und Pembrolizumab, folgen dieser Strategie und zeigen auch als Monotherapie gute Erfolge an therapierefraktären Patienten. Derzeit wird in klinischen Studien getestet inwiefern sich die Antikörpertherapie mit einer Strahlentherapie kombinieren lässt, um sogenannte abskopale Effekte zu nutzen. Antikörper gegen den Liganden PD-L1 erwiesen sich in klinischen Studien als nicht so wirkungsvoll.

Hier setzen die Untersuchungen im Rahmen unseres Projektes an, mit dem Ziel, die immunmodulierenden Eigenschaften ionisierender Strahlung zu untersuchen. Veränderungen in der Markerexpression von Lymphozyten, Monozyten und Makrophagen sollen nach einer Ko-Kultur mit Tumorzellen mit und ohne Bestrahlung untersucht werden. Dabei freigesetzte Zytokine sollen ebenfalls charakterisiert werden. Darüber hinaus soll an Serumproben von Patienten mit metastasiertem Melanom bestimmt werden, inwiefern sich die im Serum befindliche sPD-L1 Konzentration für die Therapieentscheidung nutzen lässt. Diese Untersuchungen werden von Frau Dr. med. Andrea Siebers geleitet und durchgeführt.

Entwicklung eines 3D-Zellkulturmodells zur Charakterisierung der Strahlenreaktion und des Stammzellphänotyps nach Modifikation des Proteoglykans Syndecan-1

Tumoren sind komplex und Organ-ähnlich aufgebaut. Neben der Masse der Tumorzellen existieren sich selbst erneuernde Tumorstammzellen (TSZ) die aufgrund spezieller Strategien und ihrer Lokalisation in hypoxischen Nischen therapeutische Interventionen (Chemo- und/oder Strahlenbehandlung) überstehen. Diese spezifischen Eigenschaften hängen unter anderem mit der Zell-Zell-Interaktion z.B. vermittelt durch Integrine und Syndecane zusammen. Bereits publizierte Daten unserer Arbeitsgruppe zeigen, dass Syndecan-1 (Sdc-1) sowohl den Stammzellphänotyp als auch die Strahlenempfindlichkeit beeinflusst. Während der Stammzellphänotyp eher abnimmt, zeigen Sdc-1 depletierte Zellen eine höhere Strahlenresistenz, die möglicherweise mit einer verstärkten Aktivierung der Focal Adhesion Kinase (FAK) zusammenhängt. Sowohl der Beitrag der Hypoxie als auch der der Zell-Zell-Interaktion an der Strahlenresistenz, lassen sich in zweidimensionaler Kultur nicht vollständig darstellen.

In einem 3D-Zellkulturmodell mit MCF-7 Mammakarzinomzellen sollen folgende Aspekte untersucht werden: 1. Wie wirkt sich die Syndecan-1 Modifikation auf den Stammzellphänotyp im 3D-Modell aus. 2. Wie verändert sich die Strahlenempfindlichkeit der 3D-kultivierten Zellen bei Einzeldosen von 2-6Gy. 3. Wie verhalten sich die Zellen bei einer Normofraktionierung (8Gy als Gesamtdosis bei einer täglichen Einzeldosis von 2Gy) gegenüber einer Hypofraktionierung (8Gy als Gesamtdosis bei eine Einzeldosis von 4Gy alle 2 Tage). 4. Welchen Einfluss haben FAK Inhibitoren auf die Strahlenreaktion. Die Untersuchungen werden im Rahmen einer Doktorarbeit von Frau Schaak durchgeführt.

In vitro Untersuchungen zum Einfluss von Antioxidantien auf den strahleninduzierten oxidativen Stress

Therapeutische Bestrahlungen mit Röntgen-  oder Protonenstrahlung zielen auf die Zerstörung des Tumorgewebes ab, die gleiche Strahlung schädigt aber auch immer gesundes Gewebe. Das Verhältnis zwischen Normalgewebsreaktion und Tumorkontrolle definiert die therapeutische Breite. Je weniger Normalgewebsreaktion erwartet werden kann, desto höher kann die Dosis zur Behandlung des Tumors gewählt werden, damit steigt die Wahrscheinlichkeit der Tumorkontrolle. Durch die Radiolyse z.B. von Wasser werden sekundär generierte radikalische Spezies erzeugt, insbesondere zelltoxische reaktive Sauerstoff- (ROS) sowie Stickstoffspezies (RNS), diese können indirekt die DNA schädigen. Außerdem beeinflussen sie den zellulären Stoffwechsel, indem sie u.a. den NF-kB Signalweg mit Auswirkungen auf das Immunsystem, Mitosefähigkeit und Apoptose modulieren. Im Gegensatz zur systemischen Prophylaxe gegen strahleninduzierten oxidativen Stress, die immer auch den Tumor schützt, lässt die lokale Anwendung von Antioxidantien einen für gesunde Zellen effizienteren Schutz erwarten. Im Rahmen dieser Studie sollen verschiedene Antioxidantien auf ihre strahlenprotektive Wirksamkeit im Zellkulturexperiment untersucht werden. Die vergleichenden Untersuchungen an Tumorzellen und Zellen aus gesundem Gewebe zielen auf die Entwicklung eines Overlays als lokales Drug-delivery-System für die intraoperative Strahlentherapie (IORT) und die Teletherapie ab. Die Untersuchungen werden im Rahmen einer Doktorarbeit von Dipl.-Chemikerin Katrin Borrmann durchgeführt.

 
 
 
 

Leiter Strahlenbiologie


Prof. Dr. Burkhard Greve
E-Mail: greveb(at)­uni-muenster(dot)­de