Kerstin Kloos

• Die Kombination aus zytoreduktiver Chirurgie und einer anschließenden hyperthermen intraperitonealen Chemoperfusion (HIPEC) stellt sich als vielversprechende Therapiestrategie bei ausgesuchten Patienten mit Peritonealkarzinose, z. B. des kolorektalen Karzinoms, dar. Die intraperitoneale Chemoperfusion kombiniert eine lokale Hochdosis-Chemotherapie mit einer Hyperthermie. Hitzeschockproteinen (HSP) kommt dabei eine bedeutende Rolle zu, da sie infolge von zellulären Stressfaktoren wie Hitze oder Zytostatika-bedingter Chemotoxizität induziertDie Kombination aus zytoreduktiver Chirurgie und einer anschließenden hyperthermen intraperitonealen Chemoperfusion (HIPEC) stellt sich als vielversprechende Therapiestrategie bei ausgesuchten Patienten mit Peritonealkarzinose, z. B. des kolorektalen Karzinoms, dar. Die intraperitoneale Chemoperfusion kombiniert eine lokale Hochdosis-Chemotherapie mit einer Hyperthermie. Hitzeschockproteinen (HSP) kommt dabei eine bedeutende Rolle zu, da sie infolge von zellulären Stressfaktoren wie Hitze oder Zytostatika-bedingter Chemotoxizität induziert werden. HSPs setzen Reparatur- und Zellschutzmechanismen in Gang und vermindern so in einzelnen überlebenden Tumorzellen möglicherweise den gewünschten Therapieerfolg der HIPEC. Ziel der Arbeit war es, mithilfe eines bereits etablierten in vitro HIPEC-Modells die Auswirkungen der äußeren Stressoren Hyperthermie und Zytostatika auf die Expression von Hitzeschockproteinen (HSP27, HSP70 und HSP90) in drei humanen Kolonkarzinomzelllinien zu untersuchen. Dazu wurden die Zelllinien HT29, SW480 und SW620 jeweils mit und ohne Zytostatika (Mitomycin C, MMC und Oxaliplatin, OXA) für eine Stunde drei verschiedenen Temperaturstufen von 37°C als Normothermie, 41°C und 43°C als Hyperthermie ausgesetzt und nach einer Regenerationszeit von 30 min, 24 h, 48 h und 72 h mit Hilfe von RT-qPCR-Analysen und Western Blots untersucht. Zudem wurden nach gleichem Ablauf Effekte der HIPEC auf die Tumorzellproliferation und Apoptose mittels Proliferationsmarkern Ki-67, PCNA und MTS-Tests sowie dem antiapoptotischen Protein Bcl-xL in in vitro Tumorzellansätzen sowie in ex vivo Patientenproben vor und nach HIPEC analysiert. Sowohl die einstündige Chemotherapie mit Mitomycin C oder Oxaliplatin unter hyperthermen Bedingungen als auch die isolierte Hyperthermiebehandlung führte im Vergleich zu normothermen Kontrollbedingungen bei 37°C zu einer signifikanten Überexpression der untersuchten HSPs in RTq-PCR-Analysenaller drei Kolonkarzinomzelllinien. Interessanterweise wurden vermehrte HSP Genexpressionsmuster noch drei Tage nach Behandlung beobachtet. Eine verstärkte Proteinexpression zeigte sich bestätigend insbesondere für HSP27 und HSP70 unter zytostatischer Behandlung mit MMC oder OXA und führte zu einer bis zu 3-fachen Expressionssteigerung wenn die Zellen hyperthermen Bedingungen ausgesetzt waren. Tumorzellen, die zuvor der hyperthermen Chemotherapie unterzogen wurden, zeigten interessanterweise zudem proliferative anstelle von anti-proliferativen Effekten. In durchgeführten MTS-Tests führte sowohl die Hyperthermie allein als auch die zusätzliche Zytostatikagabe zu einer deutlich erhöhten Zellviabilität im Vergleich zu normothermer Chemotherapie im Modellansatz. Übereinstimmend mit den Ergebnissen der MTS-Tests konnte eine Induktion der Proliferationsmarker PCNA und Ki-67 durch Hyperthermie und Chemotherapie auf Gen- und Proteinebene beobachtet werden. Im Falle von PCNA ließ sich eine verstärkte Proteinexpression in ex vivo Proben von Patienten nach klinisch durchgeführter HIPEC bestätigen. Zusätzliche Untersuchungen des anti-apoptotisch wirkenden Regulatorproteins Bcl-xL in in vitro Tumorzellansätzen sowie in ex vivo Proben von Patienten nach hyperthermer Chemotherapie, zeigten zudem eine deutlich gesteigerte Proteinexpression unter alleiniger Hyperthermie sowie insbesondere in Kombination mit Zytostatika. Durch die Induktion von HSP27, HSP70 und HSP90 infolge von hyperthermem und zytotoxischem Stress werden in überlebenden Zellen nach hyperthermer Chemotherapie, unerwünschte antiapopotische sowie proliferative Effekte im Sinne von Reparatur- und Zellschutzmechanismen induziert und nehmen negativen Einfluss auf den Therapieerfolg der HIPEC. Schlussfolgernd wäre der Einsatz von HSP-Inhibitoren um die beschriebenen, unerwünschten Zellmechanismen zu verhindern, zu überprüfen. Diese bieten eine interessante Möglichkeit die Effizienz der im klinischen Einsatz gängigen Zytostatika zu steigern und somit einen positiven Einfluss auf den Erfolg der Therapie und die Überlebenszeit von Patienten mit Peritonealkarzinose zu nehmen. Weiterführende Studien der eigenen Arbeitsgruppe mit kombinierten HSP70/HSP90-Inhibitoren zeigten bereits eine signifikant reduzierte Zellviabilität in Kolonkarzinomzellen, die zuvor der hyperthermen Chemotherapie unterzogen wurden.…
• The combination of cytoreductive surgery followed by hyperthermic intraperitoneal chemoperfusion (HIPEC) emerges as a promising therapeutic strategy in selected patients with peritoneal carcinomatosis, such as colorectal carcinoma. Intraperitoneal chemoperfusion combines local high-dose chemotherapy with hyperthermia. Heat shock proteins (HSPs) play an important role in this process, as they are induced as a result of cellular stress factors such as heat or cytostatic drug-induced chemotoxicity. HSPs induce repair and cell protection mechanismsThe combination of cytoreductive surgery followed by hyperthermic intraperitoneal chemoperfusion (HIPEC) emerges as a promising therapeutic strategy in selected patients with peritoneal carcinomatosis, such as colorectal carcinoma. Intraperitoneal chemoperfusion combines local high-dose chemotherapy with hyperthermia. Heat shock proteins (HSPs) play an important role in this process, as they are induced as a result of cellular stress factors such as heat or cytostatic drug-induced chemotoxicity. HSPs induce repair and cell protection mechanisms and thus possibly reduce the desired therapeutic success of HIPEC in individual surviving tumor cells. The aim of this work was to investigate the effects of the external stressors hyperthermia and cytostatic drugs on the expression of heat shock proteins (HSP27, HSP70 and HSP90) in three human colon carcinoma cell lines using an already established in vitro HIPEC model. For this purpose, cell lines HT29, SW480, and SW620 were each exposed to three different temperature levels of 37°C as normothermia, 41°C, and 43°C as hyperthermia for one hour with and without cytostatic drugs (mitomycin C, MMC, and oxaliplatin, OXA). After a regeneration period of 30 min, 24 h, 48 h, and 72 h they were examined by RT-qPCR analysis and Western blots. In addition, following the same procedure, effects of HIPEC on tumor cell proliferation and apoptosis were analyzed using proliferation markers Ki-67, PCNA and MTS assays, and the anti-apoptotic protein Bcl-xL in in vitro tumor cell mounts as well as in ex vivo patient samples before and after HIPEC. Both, one-hour chemotherapy with mitomycin C or oxaliplatin under hyperthermic conditions and isolated hyperthermia treatment resulted in significant overexpression of the HSPs in RTq-PCR analyses of all three colon carcinoma cell lines compared with normothermic control conditions at 37°C. Interestingly, increased HSP gene expression patterns were still observed three days after treatment. Increased protein expression was confirmatory especially for HSP27 and HSP70 under cytostatic treatment with MMC or OXA and resulted in up to a 3-fold increase in expression when cells were exposed to hyperthermic conditions. Tumor cells previously subjected to hyperthermic chemotherapy also interestingly showed proliferative instead of anti-proliferative effects. In MTS assays performed, both hyperthermia alone and additional cytostatic administration resulted in significantly increased cell viability compared to normothermic chemotherapy in the model approach. Consistent with the results of the MTS assays, induction of the proliferation markers PCNA and Ki-67 by hyperthermia and chemotherapy was observed at the gene and protein levels. In the case of PCNA, increased protein expression could be confirmed in ex vivo samples from patients after clinically performed HIPEC. Additional investigations of the anti-apoptotic regulator protein Bcl-xL in in vitro tumor cell preparations as well as in ex vivo samples from patients after hyperthermic chemotherapy, also showed a significantly increased protein expression under hyperthermia alone as well as especially in combination with cytostatic drugs. The induction of HSP27, HSP70 and HSP90 as a result of hyperthermic and cytotoxic stress induces undesired anti-apopotic and proliferative effects in surviving cells after hyperthermic chemotherapy in terms of repair and cell protection mechanisms and has a negative impact on the therapeutic success of HIPEC. In conclusion, the use of HSP inhibitors to prevent the described undesired cellular mechanisms should be investigated. These offer an interesting opportunity to increase the efficiency of cytostatic drugs commonly used in clinical practice and thus have a positive influence on the success of therapy and survival time of patients with peritoneal carcinomatosis. Further studies of the own research group with combined HSP70/HSP90 inhibitors already showed a significantly reduced cell viability in colon carcinoma cells previously subjected to hyperthermic chemotherapy.…