TY  - THES
A1  - Schwab, Thomas Henrik
T1  - Charakterisierung humaner Tumorzelllinien hinsichtlich der Expression von Oberflächenmarkern und des Warburg-Effektes
T1  - Characterization of human cancer cell lines concerning the expression of surface proteins and the Warburg effect
N2  - Tumoren weisen oftmals einen veränderten Energiestoffwechsel auf, der durch den Begriff „Warburg-Effekt“ bzw. „aerobe Glykolyse“ charakterisiert ist. Hierunter wird die Stoffwechselsituation verstanden, auch in Gegenwart von Sauerstoff aus Glukose Laktat zu bilden. Benigne Zellen zeigen diesen Effekt in aller Regel nicht so stark wie Tumorzellen. In dieser Arbeit wurden neun Tumorzelllinien, die von unterschiedlichen humanen Tumoren etabliert wurden, hinsichtlich ihres Energiestoffwechsels untersucht. Da der Warburg-Effekt auf einem erhöhten Glukosemetabolismus beruht, wurde die Stärke der Glukoseaufnahme und Laktatbildung für die neun Tumorzelllinien bestimmt. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war, einen Zusammenhang zwischen dem Warburg-Effekt und weiteren Eigenschaften der Tumorzellen wie ihrem Oberflächenprofil bzw. ihrer Malignität nachzuweisen. Zur Phänotypisierung wurden die Oberflächenmoleküle CD44 und CD24 ausgewählt, da sie Zellinteraktionen, Zelladhäsion und Zellmigration von Tumorzellen vermitteln. Die Malignität wurde im Xenograft-Modell überprüft. Hierzu wurden Tumorzellen unter die Haut immuninkompetenter Mäuse injiziert und anschließend die Wachstumsgeschwindigkeit der entstehenden, soliden Tumoren gemessen. Die Menge an produziertem Laktat durch Tumorzellen war eindeutig von der Anwesenheit von Glukose im Nährmedium abhängig. Insgesamt waren fünf der neun Tumorzelllinien starke Laktatbildner, was einer Laktatbildung von über 2,5 mmol/L innerhalb von 48 Stunden entspricht. Hierzu gehört u.a. die Mammakarzinomzelllinie MDAMB-231, wohingegen MCF-7, eine andere Mammakarzinomzelllinie, nur wenig Laktat bildete. Im Gegensatz zu MDAMB-231 wuchs MCF-7 zudem auch nicht im Xenograft-Modell. Dies scheint ein Hinweis darauf zu sein, dass starke Laktatbildner aggressiver, d.h. schneller wachsen, als schwache Laktatbildner. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit eine temperaturabhängige Aufnahme des Glukoseanalogons 2-NBDG beo-bachtet. Auch hier fiel die Tumorzelllinie MCF-7 im Vergleich zur Tumorzelllinie MDAMB-231 durch eine geringere Aufnahme von 2-NBDG auf. Dies wird als Hinweis darauf gedeutet, dass MCF-7 Glukose in erster Linie in den Mitochondrien veratmet, anstatt sie zu Laktat zu vergären. Die beiden Glukosetransporter GLUT-1 und GLUT-3 wurden hingegen auf den Zellen aller neun Tumorzelllinien gleichermaßen nachgewiesen. Lediglich auf den Zellen der Tumorzelllinien HT-29 und MDAMB-468 war GLUT-3 schwach exprimiert. Sechs der neun Tumorzelllinien weisen den so genannten „Phänotyp 1“ auf. Hierunter wird in dieser Arbeit die gemeinsame Expression von CD44 und CD24 auf der Zelloberfläche verstanden. Zwei Zelllinien waren ausschließlich positiv für CD44 („Phänotyp 2“), eine Zelllinie ausschließlich positiv für CD24 („Phänotyp 3“). Keiner dieser Phänotypen wies eine charakteristische Glukoseaufnahme bzw. Laktatbildung auf, auch wenn drei der fünf Zelllinien mit besonders starker Laktatbildung zum Phänotyp 2 bzw. 3 gehörten. Die im menschlichen Blut vorzufindende nicht-essentielle Aminosäure Glutamin ist auch in Kulturmedien unerlässlich. Deshalb wurde die Laktatbildung aus Glukose in neun Tumorzelllinien sowohl in An- als auch Abwesenheit von Glutamin gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass sich die Menge an gebildetem Laktat nach Inkubation in Glukose-haltigem, aber Glutamin-freiem Medium (Glc+ Gln-) besonders stark verringerte. Dieses Phänomen wurde für die Tumorzelllinien HT-29, 23132/87, BXPC-3 und HRT-18 beobachtet und deutet darauf hin, dass Glutamin in diesen Tumorzelllinien in irgendeiner Form auf die Laktatbildung aus Glukose Einfluss nimmt. Denkbar wäre, dass Glutamin Enzyme der Glykolyse über einen allosterischen Effekt moduliert, wodurch die Laktatbildung ansteigt. Dass diese Zellen eine Glutamin-abhängige Laktatbildung in Form der Glutaminolyse aufweisen, konnte in dieser Arbeit nicht beobachtet werden. Um diese Beobachtung abschließend zu klären, sind jedoch weiterführende Untersuchungen notwendig.
N2  - Unlike normal cells, the energy metabolism in tumour cells is characterised by the Warburg effect, which means high aerobic glycolysis even in the presence of oxygen. Most of the glucose is metabolised to lactate, which is not observed to this extent in normal cells. The present thesis examines the energy metabolism of nine cancer cell lines which were all established from different human solid tumours. Because of the high glucose consumption of the Warburg effect, glucose uptake and lactate output were quantified. The objective was to find out whether there is a link between the Warburg effect and other properties of the tumour cells, e.g. the cell-surface phenotype or malignancy. The surface proteins CD44 and CD24, markers for cellular interactions, cellular adhesion and migration, were selected as phenotyping molecules. Tumour malignancy was validated in xenograft experiments in which tumour cells were injected subcutaneously into immunodeficient mice and the subsequent rate of tumour growth determined. The amount of lactate produced in tumours cells was dependent on the presence of glucose in the culture medium. Five out of nine tumour cell lines produced lactate in high concentrations (on average more than 2.5 mmol/L within 48 hours). One of these was MDAMB-231, a breast tumour cell line. In contrast, another breast tumour cell line, MCF-7, showed a low rate of lactate production and no growth in xenograft experiments. This implies that lactate production correlates with malignancy. Moreover, the uptake of the glucose analogon 2-NBDG was dependent on temperature. Again, MCF-7 showed a lower uptake of 2-NBDG than the cells of MDAMB-231, which suggests that MCF-7 metabolizes glucose in the mitochondria rather than via aerobic glycolysis. However, the expression of glucose carriers GLUT-1 and GLUT-3 was nearly equal on all tumour cell lines except for the cells of HT-29 and MDAMB-468 where GLUT-3 was seen only sparsely. Six out of nine tumour cell lines displayed the phenotype CD44+ / CD24+, meaning the concomitant expression of CD44 and CD24. The single expression of CD44 was seen on two tumour cell lines and one tumour cell line showed the single expression of CD24. A correlation between glucose uptake, lactate production and a particular phenotype respectively could not be shown unambiguously, albeit three out of five tumour cell lines with a high lactate production exhibited the single expression of CD44 or CD24. The non-essential amino-acid glutamine is a constituent of human blood and therefore, was added to the culture medium. The tumour cell lines’ lactate production was measured in the presence and absence of glutamine. The lactate production in some tumour cell lines decreased strongly in glutamine-free but glucose-containing culture medium (Glc+ Gln-). The tumour cell lines HT-29, 23132/87, BXPC-3 and HRT-18 showed this phenomenon, indicating an influence of glutamine on the metabolism of glucose to lactate. For example, glutamine may affect glycolysis by an allosteric impact on particular enzymes, resulting in a higher lactate production. Lactate production by glutaminolysis could not be proven within this thesis. Further investigations are required to elucidate this.
KW  - Lactate
KW  - Glutaminstoffwechsel
KW  - Antigen CD44
KW  - Warburg Effekt
KW  - CD24
KW  - Warburg effect
KW  - CD44
KW  - CD24
KW  - glutamine
KW  - lactate
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66684
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pfetzer, Nadja
T1  - Identifizierung und Testung spezifischer Inhibitoren des Energiestoffwechsels von Tumorzellen
T1  - Identification and testing of specific inhibitors of metabolism in tumour cells
N2  - Charakteristisch für viele maligne Tumorzellen ist eine erhöhte Aufnahme von Glucose und die Bildung großer Mengen Milchsäure auch in Anwesenheit von Sauerstoff (Warburg Effekt) und eine verminderte Nutzung des Zitratzyklus. Als Grund werden Defekte in der mitochondrialen Atmungskette diskutiert. Aber auch eine durch Onkogene gesteigerte Glykolyserate, könnte ursächlich sein. Ein weiterer für Tumorzellen wichtiger Stoffwechselweg, in dem Glucose abgebaut wird, ist der Pentosephosphatweg, dessen Blockade das Wachstum der Krebszellen hemmen könnte. Zudem stellt die Manipulation derjenigen Signalwege, die in den Tumorstoffwechsel involviert und in Tumorzellen überaktiviert (Ras/PI3K/Akt/mTOR- und Raf/MEK/ERK-Signalweg) oder unterdrückt (oxidative Phosphorylierung) sind, mögliche Ansatzpunkte dar. In dieser Arbeit wurde daher in vitro die Wirkung von 15 Substanzen an drei verschiedenen Tumorzelllinien und vier verschiedenen benignen Zellen untersucht, welche in die oben genannten charakteristischen Stoffwechselwege von Tumorzellen eingreifen und gegenwärtig intensiv als mögliche Tumortherapeutika diskutiert werden. Ziel war es, geeignete Kandidaten für eine zielgerichtete Therapie zu identifizieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war die Beeinflussung des Glucosestoffwechsels in Tumorzellen. Da Glucose sowohl aerob als auch anaerob verstoffwechselt werden kann, wurden in einem ersten Ansatz zum einen Substanzen gestestet, die die Glykolyse auf verschiedenen Ebenen hemmen, zum anderen wurden Substanzen untersucht, die den mitochondrialen Stoffwechsel beeinflussen. Die Wirkung aller 15 Substanzen wurde zunächst jeweils als Einzelbehandlung getestet. Hierbei führten nur sehr hohe Konzentrationen in Tumorzellen zu einem drastisch verminderten ATP-Gehalt, die für benigne Zellen aber ebenfalls toxisch waren. Daher wurde in einem zweiten Schritt untersucht, ob durch die gleichzeitige Manipulation des Glucosestoffwechsels und des mitochondrialen Stoffwechsels mit jeweils subtoxischen Konzentrationen eine tumorselektive Wirkung erreicht werden kann. Bei der Kombination der Substanzen Oxythiamin/NaDCA bzw. 2-DG/Rotenon ergaben sich zwar synergistische Effekte auf die Verminderung des ATP-Gehaltes in den getesteten Tumorzellen, eine generelle tumorselektive Wirkung konnte jedoch durch die kombinierte Behandlung nicht erreicht werden. In jüngster Zeit mehren sich die Hinweise, dass die Glutaminolyse einen sehr wichtigen Stoffwechselweg für Energiegewinnung und Syntheseprozesse von Tumorzellen darstellt. Deshalb wurde in einem dritten Schritt untersucht, ob durch die Hemmung der Glutaminolyse mit der Substanz 6-Diazo-5-oxo-L-norleuzin (DON) eine tumorspezifische Wirkung erreicht werden kann. In der Tat konnte durch DON eine andeutungsweise tumorselektive Wirkung auf den ATP-Gehalt der Zellen erzielt werden, jedoch war das therapeutische Fenster sehr eng. Durch die Hemmung der oxidativen Phosphorylierung wurde in allen drei untersuchten Tumorzelllinien eine gesteigerte Milchsäureproduktion nachgewiesen. Dies ist ein eindeutiger Hinweis dafür, dass in diesen Tumorzellen die Mitochondrien keine Defekte aufweisen. Die hier untersuchten benignen und malignen Zellen wurden hinsichtlich des Glucosestoffwechsels mit verschiedenen Methoden näher charakterisiert, um zu beurteilen, ob sich die Zellen in ihrem Stoffwechselphänotyp unterscheiden. Bei der Quantifizierung der Glucoseaufnahme wurde deutlich, dass auch manche benigne Zellen deutliche Mengen an Glucose aufnehmen, welche allerdings nur der Tumorzelllinie mit der niedrigsten Aufnahme glich. Mittels immunhistochemischer Färbungen wurden charakteristische Proteine des Zuckerstoffwechsels dargestellt. Zudem wurde die Expression von zentralen Genen des Stoffwechsels auf mRNA- bzw. Proteinebene untersucht. Hierbei wurde deutlich, dass sowohl Tumorzellen als auch manche benigne Zellen für die Glykolyse typische Proteine bzw. mRNA stark exprimieren. Fazit der Charakterisierung ist, dass es zwischen den hier verwendeten malignen und benignen Zellen keine eindeutige Differenzierung aufgrund des Stoffwechselprofils gibt, sondern sich die getesteten Zellen nur graduell unterscheiden. Dieses Ergebnis erklärt möglicherweise die geringe Tumorspezifität der getesteten Substanzen. Im Vergleich mit den vielversprechenden Ergebnissen aus der Literatur zeigten die hier gewonnenen in vitro-Daten eindeutig, dass die Wirkung von potenziell tumorhemmenden Substanzen je nach Tumorzelltyp extrem verschieden war. Dies beruht darauf, dass der vorherrschende Stoffwechseltyp (oxidativ bzw. glykolytisch) für jede Tumorentität verschieden ist. Daher muss vermutlich für jede Tumorentität bzw. sogar für jeden Patienten individuell die Wirkung und der Nutzen einer Hemmung des Tumorstoffwechsels untersucht werden, bevor künftig an eine zielgerichtete Therapie gedacht werden kann.
N2  - A characteristic feature of aggressive tumour cells is a high uptake of glucose and enhanced lactic acid production even in the presence of oxygen (aerobic glycolysis, “Warburg effect”) with a reduced use of the tricarboxylic acid cycle. Defects in mitochondrial function and oncogene activation are supposed to contribute to increased glycolysis, that is not subjected to the Pasteur effect (reduced rate of glycolysis in the presence of oxygen). The pentose phosphate pathway (PPP) is an important metabolic pathway in cancer cells, supplying building blocks for nucleotide synthesis and NADPH for proper redox control. Hence, inhibition of the PPP might block tumour cell growth. Perturbation of signalling pathways that are involved in tumour cell metabolism and are hyperactivated (Ras/PI3K/Akt/mTOR- and Raf/MEK/ERK-pathway) or suppressed (oxidative phosphorylation, p53) in cancer cells are possible targets for anticancer drugs. Thus, in this work the effect of 15 substances highly discussed as potential anticancer agents which influence the aforementioned metabolic and signalling pathways was evaluated in vitro on three different tumour cells lines [two breast cancer cells lines with different metastatic phenotype (MDA-MB 231 and 468) and one gastric cancer cell line (23132/87)] and four normal cell types [endometrial fibroblasts, endothelial cells (HUVEC), peripheral blood leukocytes and skin keratinocytes]. Aim of the study was to identify suitable candidates for targeted therapies. ATP-level was measured as readout to determine the efficacy of the substances, because the ATP content of cells correlates well with cell viability. The main focus of this work was to selectively modulate the glucose metabolism of cancer cells. Because glucose can be metabolized aerobically and anaerobically, we first tested substances that inhibit glycolysis at different steps and substances that interfere with mitochondrial metabolism. All of the 15 substances were tested as single treatment. Here, only very high concentrations of the respective substance significantly decreased ATP-levels in cancer cells - but to a much greater extend in normal cells. Therefore, in the next step we determined if impairing glucose and mitochondrial metabolism simultaneously with less toxic drug concentrations would be more specific in targeting cancer cells. Although synergistic effects were observed by co-treatment with oyxthiamine/NaDCA and 2-DG/rotenone respectively on reducing ATP-levels, this effect was not selective for tumour cells too. Recently, evidence is coming up that glutaminolysis (degradation of glutamine) is an important metabolic pathway for cancer cells providing energy substrates and building blocks. Thus, we examined if a tumour-specific effect could be achieved by inhibition of glutaminolysis with 6-Diazo-5-oxo-L-norleuzin (DON). Actually, other than the substances interfering with glucose metabolism, DON showed a tumour-specific effect to some extent, although the therapeutical range was very small. Inhibition of oxidative mitochondrial metabolism with the substances rotenone, oligomycin, 2,4-dinitrophenol and rhodamine 123 increased lactic acid production in all three cancer cell lines. Thus, it was possible to impede oxidative phosphorylation and to force the cells to increase glycolysis, indicating that mitochondria had no defects. To determine if tumour cells and normal cells differ in regard of their metabolic phenotype, the cells were analyzed for parameters concerning glucose metabolism with different methods. Quantifying glucose uptake of the cells revealed that some normal cells (fibroblasts, T-cells) take up significant amounts of glucose that are similar to those of cancer cells (MDA-MB 231) which showed the lowest glucose uptake among the three tumour cell lines tested. Characteristic proteins of glucose metabolism were analyzed using immunohistochemistry. Furthermore expression patterns of crucial genes involved in glucose metabolism were analyzed on mRNA and protein level. Thereby, it became obvious that both tumour cells as well as normal cells have very similar expression patterns regarding these typical genes. In conclusion, the characterization of tumour and normal cells did not show any substantial but rather gradual differences concerning the metabolic phenotype. These results might explain the marginal tumour specific effect of the drugs tested herein Compared to the promising results from the literature our in vitro data clearly show that the effect of potential anticancer drugs is extremely different for several tumour cell types. This might be due to the predominant metabolic phenotype (oxidative or glycolytic) of different tumour entities. Thus, we suppose that inhibition of tumour cell metabolism has to be evaluated for every single cancer cell type or even every cancer patient on regard of effect and benefit for implementation of selective cancer pharmacotherapy.
KW  - Tumorzelle
KW  - Glykolyse
KW  - Inhibitor
KW  - Warburgeffekt
KW  - Stoffwechsel
KW  - Tumor
KW  - glycolysis
KW  - metabolism
KW  - tumour
KW  - glucose
KW  - Warburg effect
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65406
ER  -