Die Rolle des Heparansulfatproteoglykans Syndecan-1 bei der Strahlenresistenz des Mammakarzinoms
Die Behandlung des Mammakarzinoms erfolgt aktuell in der Regel multimodal, die Strahlentherapie spielt dabei eine zentrale Rolle. Trotz verbesserter Behandlungserfolge treten nicht selten Rezidive auf, die im Zusammenhang mit der Entwicklung von Resistenzen stehen. Die Mechanismen hierfür sind auf molekularer Ebene nur unzureichend verstanden, könnten aber die Basis für eine wirksamere Therapie sein. Das vorgeschlagene Projekt adressiert diese Problematik und basiert auf gemeinsam mit der Klinik für Frauenheilkunde (Prof. Dr. Martin Götte) generierten Daten, die einen Zusammenhang zwischen dem Zelloberflächen-Proteoglykan Syndecan-1 und einer erhöhten Resistenz von Mammakarzinomzellen gegenüber einer Strahlentherapie herstellen. Hierbei ist eine erhöhte Aktivierung von Integrinen und der focal adhesion kinase (FAK) ein möglicher mechanistischer Grund, da Publikationen anderer Arbeitsgruppen kürzlich eine Rolle dieser Moleküle bei der Vermittlung von Strahlenresistenz belegen. Unsere Arbeitshypothese lautet, dass eine Herabregulation von Syndecan-1 beim Mammakarzinom über eine verstärkte Aktivierung von beta-Integrinen und FAK eine erhöhte Strahlenresistenz und eine erhöhte Zellmotilität vermittelt. Zusammenfassend sollen die Daten des Projekts molekulare Strukturen, die für den Syndecan-1-vermittelten Strahlenresistenzphänotyp von Mammakarzinomzellen verantwortlich sind, identifizieren und deren mechanistischen Zusammenhang mit Syndecan-1 aufklären. Der hierbei zu erwartende Erkenntnisgewinn soll die Grundlage für spätere pharmakologische Ansätze zur Modulation der Strahlenresistenz von Mammakarzinomen bilden, welche gleichzeitig unerwünschte Nebeneffekte wie die strahlungsinduzierte Metastasierung ausschließen.
Gefördert für drei Jahre (2020-2023) durch die DFG (GR 4743/5-1)
Untersuchungen zum Einfluss des RNA-bindenden Proteins Musashi auf die Strahlen- und Chemoresistenz von Tumoren
Die Musashi-Proteine MSI-1 und MSI-2 gehören als RNA-bindende Proteine zum posttranskriptionellen Genregulationsnetzwerk. Beide Proteine sind in neuronalen Progenitorzellen des Zentralnervensystems von Vertebraten hoch exprimiert und gelten als Marker für neuronale Stammzellen. MSI-1 und MSI-2 weisen eine hohe Homologie, insbesondere in ihren RNA-bindenden Domänen, und folglich einen signifikanten funktionalen Overlap auf.
Neuere Studien unserer und anderer Arbeitsgruppen legen nahe, dass dysregulierte Expression der Musashi-Proteine auch in der Tumorgenese, Tumorprogression und insbesondere in der Tumorstammzellnische eine wichtige Rolle spielt. In Arbeiten im Endometriumkarzinom konnten wir die Überexpression von MSI-1 nachweisen und auch erstmals antiproliferatives und pro-apoptotisches Signaling nach MSI-1-Knockdown zeigen.
In neueren Arbeiten gehen wir vor allem der Frage nach, inwiefern ein MSI-Knockdown die Therapieresistenz senologischer und gynäkologischer Tumoren verändert. In einer intramural geförderten Publikation konnten wir zeigen, dass die Herunterregulation der MSI-Proteine tripelnegative Mammakarzinomzellen sensibler für Bestrahlung macht. In einer Folgearbeit wiesen wir nach, dass MSI-1 im Mammakarzinom ein negativer prognostischer Marker ist. Unsere These einer Therapiesensitivierung durch MSI-Knockdown validierten wir in Folgestudien im Ovar - und Endometriumkarzinom.
Aktuell gehen wir in einem durch die Else Kröner-Fresenius-Stiftung drittmittelfinanzierten Projekt der Frage nach, welche Signalwege für die beschriebenen funktionellen Veränderungen verantwortlich sind. Außerdem wollen wir unsere Ergebnisse im Rahmen einer IZKF-SEED-Juniorarbeitsgruppe unter Einsatz von Inhibitoren weiterentwickeln.
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 Dr. Fabian Troschel und um die Charakterisierung strahlenrelevanter miRNAs im Ösophaguskarzinom bearbeitet durch Tim Denz.
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.
