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Background
Medulloblastoma is the most common malignant brain tumor in children and can be divided in different molecular subgroups. Patients whose tumor is classified as a Group 3 tumor have a dismal prognosis. However only very few tumor models are available for this subgroup.
Methods
We established a robust orthotopic xenograft model with a cell line derived from the malignant pleural effusions of a child suffering from a Group 3 medulloblastoma.
Results
Besides classical characteristics of this tumor subgroup, the cells display cancer stem cell characteristics including neurosphere formation, multilineage differentiation, CD133/CD15 expression, high ALDH-activity and high tumorigenicity in immunocompromised mice with xenografts exactly recapitulating the original tumor architecture.
Conclusions
This model using unmanipulated, human medulloblastoma cells will enable translational research, specifically focused on Group 3 medulloblastoma.
Das Medulloblastom ist der häufigste, maligne Hirntumor des Kindesalters. In den letzten Jahren ist es gelungen, molekularbiologisch definierte Subgruppen innerhalb dieser Tumorentität zu definieren, die sich durch ein unterschiedliches therapeutisches Ansprechen differenzieren lassen. Es werden vier Gruppen abgegrenzt: Tumore mit Aktivierung des WNT-Signalwegs, des SHH-Signalwegs, sowie der Gruppe 3, die sich vor allem durch eine Myc Amplifikation auszeichnen und Gruppe 4, in der MycN amplifiziert wird. Während Patienten mit SHH- und WNT-Tumoren eher eine günstige Prognose haben, ist der Bedarf an neuen Therapieansätzen für Patienten mit Gruppe 3- und Gruppe 4-Tumoren auf Grund der schlechten Prognose sehr hoch. Die aus einem malignen Pleuraerguss eines Gruppe 3-Medulloblastom Patienten gewonnenen Tumorzellen konnten erfolgreich als permanente Zelllinie etabliert sowie in vitro und in vivo charakterisiert werden. Dieses Tumormodell habe ich in meiner Dissertationsarbeit genutzt um die zytotoxische Wirkung neuer Zytostatika und Inhibitoren Kombinationen auf das Gruppe 3-Medulloblastom in vitro und im Tiermodell zu untersuchen. Bei der Auswahl neuer Therapieansätze galt die Maßgabe, Substanzen zu wählen, die für den klinischen Einsatz geeignet sind, neue gezielte zytostatische Mechanismen aufweisen und bei denen bereits publizierte Vorarbeiten nahelegen, dass diese das ZNS tatsächlich erreichen. In unserem in vitro Modell testeten wir 23 Substanzen und wählten dann die fünf vielversprechendsten für das subkutane Tumormausmodell aus. Als Vergleichsgruppen für das Therapieansprechen wählten wir die Kombination aus Cisplatin und Etoposid, die gerade bei den Patienten mit einem HochrisikoMedulloblastom die Therapie der Wahl ist. Im ersten Tierversuch konnte gezeigt werden, dass Gemcitabin als Monotherapie den gleichen zytotoxischen Therapieeffekt zeigt, wie Cisplatin und Etoposid in Kombination. Deshalb war nun das Ziel eine Substanz zu finden, welche dann in Kombination mit Gemcitabin einen besseres Therapieansprechen als die Standardtherapie zeigt. Bei der Tumorpräparation im initialen Tierversuch fiel auf, dass die Tumoren stark vaskularisiert sind. Nach dieser Beobachtung stellten wir uns die Fragen, ob die Inhibition des Vaskularisierungsvorgangs im Tumor einen additiven zytotoxischen Effekt auf das Tumorwachstum hat. Daraufhin erweiterten wir die Suche nach geeigneten Substanzen für das Gruppe 3-Medulloblastom um Multikinaseinhibitoren, die auch VEGF-Rezeptoren inhibieren. Überraschenderweise konnten wir zeigen das Gemcitabin in Kombination mit verschiedenen VEGF-Rezeptor-Inhibitoren in den Toxizitätsversuchen in vitro eine 10.000 fach niedrigere EC50 hat als die Kombination aus Cisplatin und Etoposid. Auch in den anschließenden Tierversuchen konnten wir zeigen, dass Gemcitabin in Kombination mit Axitinib einen besseren Therapieerfolg bezogen auf das Tumorwachstum zeigt, als die bisherige Standardtherapie. Darüber hinaus verloren die Tiere, die mit Gemcitabin und Axitinib behandelt wurden deutlich weniger an Gewicht, als die Tiere die die Standardtherapie erhielten. Zusammenfassend können wir zeigen, dass Axitinib, ein neuer pan-VEGF-Rezeptor-Inhibitor der bisher nur in anderen Tumorentitäten wie dem Nierenzellkarzinom zum Einsatz kommt, in Kombination mit Gemcitabin, einem Nukleosidanalogon, einen deutlichen zytotoxischen Effekt an Medulloblastom Zelllinien in vitro als auch im subkutanen und orthotopen Tiermodell hat. Diese Ergebnisse könnten die Basis sein für neue therapeutische Strategien gegen das Gruppe 3-Medulloblastom bei Kindern, die die bisherige Therapie nicht mehr tolerieren oder bereits irreversible Nebenwirkungen der Standardtherapie entwickelt haben
Medulloblastoma is the most common high-grade brain tumor in childhood. Medulloblastomas with c-myc amplification, classified as group 3, are the most aggressive among the four disease subtypes resulting in a 5-year overall survival of just above 50%. Despite current intensive therapy regimens, patients suffering from group 3 medulloblastoma urgently require new therapeutic options. Using a recently established c-myc amplified human medulloblastoma cell line, we performed an in-vitro-drug screen with single and combinatorial drugs that are either already clinically approved or agents in the advanced stage of clinical development. Candidate drugs were identified in vitro and then evaluated in vivo. Tumor growth was closely monitored by BLI. Vessel development was assessed by 3D light-sheet-fluorescence-microscopy. We identified the combination of gemcitabine and axitinib to be highly cytotoxic, requiring only low picomolar concentrations when used in combination. In the orthotopic model, gemcitabine and axitinib showed efficacy in terms of tumor control and survival. In both models, gemcitabine and axitinib were better tolerated than the standard regimen comprising of cisplatin and etoposide phosphate. 3D light-sheet-fluorescence-microscopy of intact tumors revealed thinning and rarefication of tumor vessels, providing one explanation for reduced tumor growth. Thus, the combination of the two drugs gemcitabine and axitinib has favorable effects on preventing tumor progression in an orthotopic group 3 medulloblastoma xenograft model while exhibiting a favorable toxicity profile. The combination merits further exploration as a new approach to treat high-risk group 3 medulloblastoma.