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Da in den letzten Jahrzehnten nur geringfügige Verbesserungen der Überlebensraten bei an einem Pankreaskarzinom erkrankten Patienten erzielt wurden, besteht ein dringender klinischer Bedarf für die Entwicklung wirksamer therapeutischer Strategien. Dreidimensionale in vitro Modelle sind für das Screening und die Validierung von Therapeutika essenziell.
In der vorliegenden Arbeit konnte mittels der Methoden des Tissue Engineerings ein biolumineszenzbasiertes dreidimensionales in vitro Testsystem des pankreatischen Karzinoms aufgebaut und charakterisiert werden. Für die Detektion von LumineszenzIntensitäten wurde die pankreatische Krebszelllinie PANC-1 zuvor mit firefly luciferase (FLUC) transduziert. PANC-1 FLUC Zellen wurden auf porziner Pankreasmatrix (PanMa) und Dünndarmmatrix (SISser) kultiviert, um den Einfluss unterschiedlicher Matrizen auf das Verhalten der Zellen im Tumormodell zu untersuchen. Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit die PANC-1 FLUC mit einem Standardtherapeutikum der Pankreaskarzinomtherapie, Gemcitabin, behandelt und die Wirkung mittels biolumineszenbasierter Bildgebung detektiert.
Es konnte gezeigt werden, dass die Lumineszenz-Intensität von PANC-1 FLUC Zellen einer bestimmten Zellzahl durch biolumineszenzbasierte Messverfahren zugeordnet werden kann. Weiter wurde nachgewiesen, dass die Extrazellulärmatrix einen Einfluss auf die Expression tumorspezifischer Marker hat und PANC-1 FLUC Zellen ein unterschiedlich invasives Wachstum auf organspezifischen Matrizen aufweisen. Die Wirkung von Gemcitabin auf die Tumorzellen kann durch das hier vorgestellte biolumineszenzbasierte Messverfahren detektiert werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse sind die Grundlage für die weitere Validierung eines biolumineszenzbasierten dreidimemsionalen in vitro Testystems des pankreatischen Karzinoms für die präklinische Erforschung neuartiger Therapiestrategien.
Das Mikromilieu solider Tumor (tumor mircoenvironment, TME) weist verschiedene Besonderheiten auf, von denen bekannt ist, dass sie zu Chemotherapieresistenz und Tumorprogression beitragen können. Neben der Extrazellulären Matrix (ECM), den cancer associated cells (CAC) und diversen Entzündungszellen tragen auch chemische und physikalische Besonderheiten (Hypoxie, Azidose, erhöhter Gewebedruck, oxidativer Stress und Nährstoffmangel) zu Tumorprogression und Chemotherapieresistenz bei. Zudem wissen wir, dass Hitzeschock-Proteine (HSPs), Toll-like Rezeptoren (TLRs) und ABC-Transporter mit erhöhter Chemotherapieresistenz und Tumorprogression im Pankreas- und Kolonkarzinom einhergehen.
Hier wurde untersucht, ob ein in vitro induzierter Nährstoffmangel im HT29 Kolonkarzinom, im Panc-1 Pankreaskarzinom und im MIA PaCa-2 Pankreaskarzinom zu einer gesteigerten Expression von HSP70, HSP90, MDR1, ABCB5 und TLR1 bis TLR10 auf mRNA und Proteinebene führt. Zudem wurde unter allen Versuchsbedingungen die Stoffwechselaktivität über einen MTS-Test gemessen. Der Nährstoffmangel wurde über die Kultivierung in einem Hybridomamedium, welches als proteinfreies Medium gilt und über die Kultivierung in einem serumfreien Medium induziert.
Es zeigte sich, dass insbesondere die entdifferenzierte Panc-1 Pankreaskarzinomzelllinie eine erhöhte Resistenz gegenüber dem induzierten Nährstoffmangel aufwies. Auf mRNA-Ebene zeigten sich bei allen drei Tumorzelllinien deutliche Expressionssteigerungen. Diese waren insbesondere im Hybridomamedium nachweisbar und traten beim HT29-Kolonkarzinom nach 48h und im Panc-1 Pankreaskarzinom bereits nach 24h auf. Besonders intensive Expressionssteigerungen konnten im HT29 Kolonkarzinom bei ABCB5, TLR7 und TLR9 nachgewiesen werden. Die Expression von MDR1 war insbesondere im MIA PaCa-2 Pankreaskarzinom gesteigert. Auf Proteinebene konnte im HT29 Kolonkarzinom eine Expressionssteigerung bei HSP90 und TLR6 nachgewiesen werden.
Die Ergebnisse lassen zwei Interpretationen zu. Zum einen könnte über den Nährstoffmangel eine aggressivere Subpopulation selektioniert worden sein. In diesem Zusammenhang konnten die Expressionsdaten des Tumorstammzellmarkers CD133 leider nicht ausgewertet werden. Alternativ kann angenommen werden, dass die untersuchten Tumorzelllinien ihren aggressiven Phänotyp erst unter Nährstoffmangelbedingungen, wie wir sie regelmäßig in soliden Tumoren finden, zur Expression bringen.
Das duktale Adenokarzinom des Pankreas stellt weiterhin trotz aller medizinischen Entwicklungen eine Herausforderung in der Diagnostik und Therapie bei einer nahezu identischen Inzidenz und Mortalität dar. Auch die Genese der Erkrankung ist bis zum heutigen Tag nicht geklärt. Als eine mögliche Ursache wird das inflammatorische Mikromilieu diskutiert, bzgl. dessen Entstehung und Aufrechterhaltung ebenfalls noch Unklarheiten bestehen.
Als möglicher Trigger hierfür kommen die endosomalen Toll like-Rezeptoren 7 und 8 in Frage, die sowohl in ihrer Immunfunktion virale RNA-Bestandteile, so genannte pathogen-associated molecular patterns, als auch damage-associated molecular patterns, d.h. RNA-Fragmente von geschädigten oder sterbenden Zellen erkennen können. Durch ihre Stimulation kommt es zu einer Immunantwort.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Auswirkung der Stimulation von TLR 7 und TLR 8 exprimierenden PANC-1-Zellen bzgl. des Wachstumsverhaltens und der Chemosensibilität auf 5-FU untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einem spezifischen TLR7 und TLR8-Agonisten (R848) das Wachstum signifikant im Vergleich zu unbehandelten Zellen gesteigert werden konnte. Das dieser Effekt abhängig von der Expression von TLR7 und TLR8 war, konnte dadurch bewiesen werden, dass PANC-1 Zellen ohne die Expression von TLR7 oder TLR8 sowie mittels siRNA-Knockdown für TLR7 oder TLR8 behandelte TLR7- oder TLR8-exprimierende PANC1-Zellen kein gesteigertes Wachstum zeigten.
Die Chemosensibilität auf 5-FU in einer LD50-Dosierung war bei den stimulierten Zellen im Vergleich zu den unstimulierten Zellen signifikant reduziert.
Auf molekularer Ebene war ein Trend hinsichtlich eines Anstiegs Apoptose-inhibierender, Wachstums-fördernder und Inflammation-aufrechterhaltender Faktoren (IL-6, NF-kB, COX-2) zu erkennen.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Stimulation von Toll like-Rezeptoren 7 und 8 exprimierenden Pankreaskarzinomzellen mit einem weiteren Tumorwachstum sowie einer reduzierten Chemosensibilität sowie daraus resultierenden schlechten Therapieansprechen vergesellschaftet sein können.