Lavinia Stingl

• Krebs ist die zweithäufigste Todesursache in Deutschland. Für die Behandlung von Tumorerkrankungen wird unter anderen die Strahlentherapie angewendet. Allerdings ist die Wirkung der Bestrahlung durch die Radiotoxizität auf normalem Gewebe sowie durch die Radioresistenz vieler Tumoren bei klinisch relevanten Dosen limitiert. Ein vielversprechendes Target für die Radiosensibilisierung von Tumorzellen scheint das Hitzeschockprotein HSP90 zu sein, ein wichtiges molekulares Chaperon, das für die Faltung, Aktivierung, Translokation und DegradationKrebs ist die zweithäufigste Todesursache in Deutschland. Für die Behandlung von Tumorerkrankungen wird unter anderen die Strahlentherapie angewendet. Allerdings ist die Wirkung der Bestrahlung durch die Radiotoxizität auf normalem Gewebe sowie durch die Radioresistenz vieler Tumoren bei klinisch relevanten Dosen limitiert. Ein vielversprechendes Target für die Radiosensibilisierung von Tumorzellen scheint das Hitzeschockprotein HSP90 zu sein, ein wichtiges molekulares Chaperon, das für die Faltung, Aktivierung, Translokation und Degradation der so genannten Klientenproteine zuständig ist. Durch die pharmakologische Blockierung seiner Funktion wird die simultane Degradation multipler HSP90 Klientenproteine eingeleitet, darunter Radioresistenz-assoziierte Proteine wie RAF-1, AKT, EGFR, Survivin, DNA-Reparaturproteine. Verschiedene Studien belegen das Potential der HSP90 Inhibitoren Geldanamycin und seiner Derivaten als Radiosensibilisatoren. Im Gegensatz zu diesen Substanzen sind die neuartigen HSP90 Inhibitoren NVP-AUY922 und NVP-BEP800 wasserlöslich und nicht hepatotoxisch. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wirkung von NVP-AUY922 und NVP-BEP800 (200 nM, 24 h vor der Bestrahlung) auf die Strahlenempfindlichkeit humaner Tumorzelllinien unterschiedlicher Entitäten, darunter eine Lungenkarzinomzellinie A549, eine Fibrosarkomzelllinie HT1080, sowie zwei Glioblastomzelllinien GaMG und SNB19, untersucht. Die neuartigen HSP90 Inhibitoren zeigten in Kolonietest eine strahlensensibilisierende Wirkung in allen getesteten Tumorzelllinien. Weiterhin wurde mit diversen Methoden den Mechanismus der Radiosensibilisierung untersucht. Die HSP90 Inhibition erhöhte den Anteil der Zellen mit hypodiploiden DNA-Gehalt in den meisten untersuchten Tumorzelllinien. Außerdem induzierte die HSP90 Inhibition die Depletion der anti-apoptotischen Proteine AKT, pAKT und RAF-1 in allen Tumorzelllinien. Wie die erhöhte Expression von beiden Apoptosemarkern, aktivierte Caspase-3 und inaktiviertes PARP, nahe legt, wurde verstärkt die Caspase-abhängige Apoptose in den meisten untersuchten Tumorzelllinien nach HSP90 Inhibition eingeleitet. Laut Comet Assay induzierte die HSP90 Inhibition eine geringere DNA-Fragmentierung in bestrahlten Tumorzellen, gleichzeitig konnte aber eine langsamere Restitution der chromosomalen DNA festgestellt werden. Über die Messungen der γH2AX-Expression als Marker für DNA-Doppelstrangbrüche konnte eine erhöhte Induktion von DNA-Schäden nach HSP90 Inhibition und Bestrahlung sowie eine verlangsamte Reparatur der induzierten DNA-Schäden gemessen werden. Diese korrelierte mit der Depletion der DNA-Reparaturproteine KU70/KU80. Die HSP90 Inhibition führte zusätzlich zu einem ausgeprägten G2/M-Arrest, der durch die Bestrahlung verstärkt werden konnte. NVP-AUY922 induzierte außerdem eine Depletion der S-Phase. Die Depletion der Zellzyklus-regulierenden Proteine CDK1 und CDK4 sowie pRB korrelierte mit den beobachteten Zellzyklusstörungen. Die hier gewonnenen Ergebnisse verdeutlichen, dass der komplexe Mechanismus der Radiosensibilisierung nach HSP90 Inhibition die simultane Degradation diverser HSP90 Klientenproteine involviert, was verschiedene zelluläre Auswirkungen hat: verlangsamte Zellteilung durch anhaltende Zellzyklusstörungen, erhöhte DNA-Schäden und Verlangsamung der Reparatur der DNA-Schäden nach Bestrahlung sowie Apoptoseinduktion. Die HSP90 Inhibition induzierte gleichzeitig die Expression der Hitzeschockproteine HSP90 und HSP70, deren anti-apoptotischen Funktionen die radiosensibilisierenden Effekte der HSP90 Inhibitoren vermindern können. In dieser Arbeit wurden zwei Strategien getestet, um die Hochregulation von HSP90/HSP70 nach HSP90 Inhibition in den Tumorzelllinien A549 und GaMG zu unterdrücken. Zum einen wurden siRNAs gegen die stressinduzierbare α-Isoform von HSP90 angewendet, zum anderen wurde KNK437, eine Substanz die die Expression der HSP auf Transkriptionsebene unterdrückt, eingesetzt. Im zweiten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Transfektion mit siRNA gegen HSP90α gefolgt von NVP-AUY922 die Hochregulation von HSP90α um circa 50% unterdrückte. Allerdings wurde dadurch keine Erhöhung der NVP-AUY922-vermittelten Radiosensibilisierung erreicht. Es wurden außerdem keine signifikanten Veränderungen betreffend der Induktion und Reparatur der DNA-Schäden, Zellzyklusverteilung, Apoptoseinduktion sowie Expression der getesteten HSP90 Klientenproteine im Vergleich zu alleiniger HSP90 Inhibition festgestellt. Im dritten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die simultane Behandlung mit NVP-AUY922 und KNK437 die NVP-AUY922-vermittelte Hochregulation von HSP90 und HSP70 in beiden Tumorzelllinien temporär unterdrückt. Obwohl die alleinige Behandlung mit KNK437 in der A549-Tumorzelllinie laut Kolonietest radiosensibilisierend wirkte, konnte die simultane Behandlung mit beiden Inhibitoren die NVP-AUY922-vermittelte Radiosensibilisierung nicht erhöhen. Obwohl die Unterdrückung der Stressantwort nach HSP90 Inhibition mittels KNK437 in beiden Tumorzelllinien einen anhaltenden G2/M-Arrest induzierte, blieb die Expression der anti-apoptotischen HSP90-Klientenproteine AKT und RAF-1 unverändert im Vergleich zu NVP-AUY922. Außerdem wurde die inhibierende Wirkung von NVP-AUY922 auf die Reparatur der strahleninduzierten DNA-Schäden nicht erhöht. Die hier gezeigten in vitro Ergebnisse unterstützen die Anwendung von NVP-AUY922 und NVP-BEP800 für in vivo Studien sowie in klinischen Studien alleine oder in Kombination mit der Bestrahlung. Unsere Arbeit ist von besonderem Interesse für die Strahlentherapie, da NVP-AUY922 bereits in klinischen Studien getestet wird.…
• Besides important improvement of tumor therapy, which increased the chance of survival for the patients, cancer remains the second cause of death in Germany. Among others, radiotherapy is one of the treatment options for tumor diseases. However, radiotherapy has some limitations due to the radiotoxicity on normal tissue and to the radioresistance of several tumors at therapeutic doses. One of the promising radiosensitizers of tumor cells seems to be the heat shock protein HSP90 – an essential molecular chaperone involved in folding, activation,Besides important improvement of tumor therapy, which increased the chance of survival for the patients, cancer remains the second cause of death in Germany. Among others, radiotherapy is one of the treatment options for tumor diseases. However, radiotherapy has some limitations due to the radiotoxicity on normal tissue and to the radioresistance of several tumors at therapeutic doses. One of the promising radiosensitizers of tumor cells seems to be the heat shock protein HSP90 – an essential molecular chaperone involved in folding, activation, translocation and degradation of its so called client proteins. The pharmacological inhibition of its chaperone function leads to simultaneous degradation of several HSP90 client proteins such as RAF-1, AKT, EGFR, survivin, DNA repair proteins and consequent disruption of several radioresistance-associated pathways. Several studies proved the radiosensitizing ability of geldanamycin and its derivates. In contrast to these drugs, the synthetic HSP90 inhibitors NVP-AUY922 and NVP-BEP800 are more water soluble and not hepatotoxic. In the first part of this work, we tested the effect of NVP-AUY922 and NVP-BEP800 (200 nM, 24 h prior irradiation) on the radiation response of tumor cell lines of different entities: the lung carcinoma A549, the fibrosarcoma HT1080 and the glioblastoma cell lines GaMG and SNB19. The colony forming assay revealed that pre-treatment with the novel HSP90 inhibitors increased the radiosensitivity of all tested tumor cell lines. Furthermore we investigated the mechanism of radiosensitization after HSP90 inhibition. HSP90 inhibition led to an increased percentage of tumor cells with hypodiploid DNA content (subG1 fraction) in most tested cell lines. Moreover, it led to the depletion of the anti-apoptotic HSP90 client proteins AKT, pAKT and RAF-1. In addition, it increased the pro-apoptotic caspase-3 and PARP cleavage in most of the tested cell lines. Our comet assay revealed a lower DNA fragmentation in drug-treated and irradiated tumor cells, but a slower restoration of DNA damage. Measurements of γH2AX expression as a sensitive marker for DNA-DSB showed an increased induction of DNA damage as well as DNA repair protraction in drug-treated and irradiated tumor cells. Inhibition of DNA repair after HSP90 inhibition was supported by the depletion of the DNA repair proteins KU70/KU80. Moreover the novel HSP90 inhibitors led to an increased G2/M-arrest, which could be enhanced by irradiation. In addition, NVP-AUY922 induced S-Phase depletion. The cell cycle disturbances correlated with the drug-mediated degradation of cell cycle regulating proteins CDK4, CDK1 and pRB. In conclusion, our results made clear that the complex mechanism of radiosensitization involves simultaneous degradation of several HSP90 client proteins, thus causing slower proliferation of the tumor cells due to dramatic cell cycle disturbances, increased DNA damage and protraction of DNA repair after irradiation as well as apoptosis induction. However, the radiosensitizing effect of the novel HSP90 inhibitors might be limited by the simultaneous drug-mediated induction of the expression of the anti-apoptotic heat shock proteins HSP90 and HSP70. In this study, we tested two strategies to suppress the drug-mediated up-regulation of HSP90 and HSP70 in the tumor cell lines A549 and GaMG. The first strategy was the siRNA-mediated down-regulation of the stress-inducible isoform HSP90α, combined with drug treatment and irradiation. The second strategy was the inhibition of the stress response by simultaneous treatment with the HSF-1 inhibitor KNK437. In the second part of this work we could show that pre-silencing of HSP90α followed by treatment with NVP-AUY922 indeed reduced the drug-mediated up-regulation of HSP90α to about 50%. However, it did not enhance the radiosensitizing effect of NVP-AUY922. In addition, it did not show any significant changes concerning the induction and the repair of DNA damage, the cell cycle distribution or the expression of the tested HSP90 client proteins AKT, RAF-1, CDK1 and CDK4 compared with drug-only treatment. In the third part of this work we could show that simultaneous treatment with NVP-AUY922 and KNK437 temporary suppressed the NVP-AUY922-mediated up-regulation of HSP90 and HSP70. Although treatment with KNK437 alone increased the radiosensitivity of A549 tumor cells as shown by colony forming assays, simultaneous treatment with both inhibitors did not increase NVP-AUY922-mediated radiosensitization in both tumor cell lines. Our cell cycle analyses revealed that the suppression of stress response after HSP90 inhibition by KNK437 led to a sustained G2/M-arrest in both tumor cell lines. However, the expression of the anti-apoptotic proteins AKT and RAF-1 remained unchanged compared with HSP90 inhibition alone. The evaluation of γH2AX expression showed that simultaneous treatment did not enhance NVP-AUY922-mediated inhibition of DNA repair after irradiation. Our in vitro results support the use of the novel HSP90 inhibitors in in vivo studies as well as in clinical studies alone or in combination with irradiation. This work is of particular interest for the radiation therapy of cancer, because the novel HSP90 inhibitor NVP-AUY922 is currently in clinical trials.…