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Inflammation is a central aspect of tumour biology and can contribute significantly to both the origination and progression of tumours. The NFκB pathway is one of the most important signal transduction pathways in inflammation and is, therefore, an excellent target for cancer therapy. In this work, we examined the influence of four NFκB inhibitors — Cortisol, MLN4924, QNZ and TPCA1 — on proliferation, inflammation and sensitisation to apoptosis mediated by the death ligand FasL in the HNSCC cell lines PCI1, PCI9, PCI13, PCI52 and SCC25 and in the human dermal keratinocyte cell line HaCaT. We found that the selection of the inhibitor is critical to ensure that cells do not respond by inducing counteracting activities in the context of cancer therapy, e.g., the extreme IL-8 induction mediated by MLN4924 or FasL resistance mediated by Cortisol. However, TPCA1 was qualified by this in vitro study as an excellent therapeutic mediator in HNSCC by four positive qualities: (1) proliferation was inhibited at low μM-range concentrations; (2) TNFα-induced IL-8 secretion was blocked; (3) HNSCC cells were sensitized to TNFα-induced cell death; and (4) FasL-mediated apoptosis was not disrupted.
Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is known to overexpress a variety of receptor tyrosine kinases, such as the HGF receptor Met. Like other malignancies, HNSCC involves a mutual interaction between the tumor cells and surrounding tissues and cells. We hypothesized that activation of HGF/Met signaling in HNSCC influences glucose metabolism and therefore substantially changes the tumor microenvironment. To determine the effect of HGF, we submitted three established HNSCC cell lines to mRNA sequencing. Dynamic changes in glucose metabolism were measured in real time by an extracellular flux analyzer. As expected, the cell lines exhibited different levels of Met and responded differently to HGF stimulation. As confirmed by mRNA sequencing, the level of Met expression was associated with the number of upregulated HGF-dependent genes. Overall, Met stimulation by HGF leads to increased glycolysis, presumably mediated by higher expression of three key enzymes of glycolysis. These effects appear to be stronger in Met\(^{high}\)-expressing HNSCC cells. Collectively, our data support the hypothesized role of HGF/Met signaling in metabolic reprogramming of HNSCC.
The enzyme pyruvate kinase M2 (PKM2) plays a major role in the switch of tumor cells from oxidative phosphorylation to aerobic glycolysis, one of the hallmarks of cancer. Different allosteric inhibitors or activators and several posttranslational modifications regulate its activity. Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is a common disease with a high rate of recurrence. To find out more about PKM2 and its modulation in HNSCC, we examined a panel of HNSCC cells using real-time cell metabolic analysis and Western blotting with an emphasis on phosphorylation variant Tyr105 and two reagents known to impair PKM2 activity. Our results show that in HNSCC, PKM2 is commonly phosphorylated at Tyrosine 105. Its levels depended on tyrosine kinase activity, emphasizing the importance of growth factors such as EGF (epidermal growth factor) on HNSCC metabolism. Furthermore, its correlation with the expression of CD44 indicates a role in cancer stemness. Cells generally reacted with higher glycolysis to PKM2 activator DASA-58 and lower glycolysis to PKM2 inhibitor Compound 3k, but some were more susceptible to activation and others to inhibition. Our findings emphasize the need to further investigate the role of PKM2 in HNSCC, as it could aid understanding and treatment of the disease.
In recent years, various forms of caloric restriction (CR) and amino acid or protein restriction (AAR or PR) have shown not only success in preventing age-associated diseases, such as type II diabetes and cardiovascular diseases, but also potential for cancer therapy. These strategies not only reprogram metabolism to low-energy metabolism (LEM), which is disadvantageous for neoplastic cells, but also significantly inhibit proliferation. Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is one of the most common tumour types, with over 600,000 new cases diagnosed annually worldwide. With a 5-year survival rate of approximately 55%, the poor prognosis has not improved despite extensive research and new adjuvant therapies. Therefore, for the first time, we analysed the potential of methionine restriction (MetR) in selected HNSCC cell lines. We investigated the influence of MetR on cell proliferation and vitality, the compensation for MetR by homocysteine, the gene regulation of different amino acid transporters, and the influence of cisplatin on cell proliferation in different HNSCC cell lines.
Entzündliche Prozesse stellen einen zentralen Aspekt der Karzinogenese dar und können sowohl zur Induktion als auch zum Progress von Tumoren beitragen. Der NF-kB-Signalweg ist einer der wichtigsten Signaltransduktionswege der In- flammation und Tumorpromotion, was ihn zur plausiblen Zielstruktur für die pros- pektive klinische Tumortherapie machen könnte. In der vorliegenden Arbeit wur- den die Eigenschaften von vier unterschiedlich targetierenden NF-kB-pathway- Inhibitoren – Cortisol, MLN4924, QNZ und TPCA1 – auf die Inflammation, Zell- proliferation und proapoptotische Sensitivierung am in vitro Modell des HNSCC untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die spezifische Auswahl des Inhi- bitors bzw. seines targets entscheidend für den wirkungsvollen Einsatz dieser Wirkstoffgruppe in der antiproliferativen Therapie des HNSCC zu sein scheint. Beispielsweise vermittelte MLN4924 die Freisetzung von IL-8. Cortisol bewirkte die Resistenz der FasL-induzierten Apoptose von HNSCC-Zellen. QNZ wirkte in einigen Zelllinien antiproliferativ und sensitivierend für den FasL-induzierten Zell- tod, beeinflusste jedoch in diesem Zusammenhang kontraproduktiv die IL-8-Sek- retion. Dies disqualifizierte diese Wirkstoffe für die Anwendung in der Therapie von Kopf-Hals-Tumoren. Dahingegen qualifizierte sich TPCA-1 aufgrund folgen- der Eigenschaften als geeigneter Wirkstoff für den prospektiven klinischen Ein- satz:
1) TPCA-1 wirkte antiproliferativ,
2) hemmte die TNF-a-induzierte Inflammation,
3) regulierte die IL-8-Expression herab,
4) wirkte sensitivierend für den TNF-a-induzierten Zelltod,
5) interferierte kaum mit der FasL-vermittelten Apoptose und 6) induzierte Apoptose.
Grundsätzlich sollte in dieser Arbeit der Einfluss der Glutamin-Restriktion als eine Form der Aminosäure-Restriktion auf das Proliferationsverhalten, den Stoffwechsel sowie die Morphologie der murinen Fibroblastenzelllinie L929 untersucht werden. Es sollte dabei auch gezeigt werden, ob sich Indizien für die Induktion eines LEM finden lassen. Weiterhin sollten die Polyamine Spermidin, Spermin, Putrescin und N-Acetylputrescin als CRMs diskutiert und ihr Einfluss auf das Proliferationsverhalten an sieben Zelllinien herausgestellt werden. Der antiproliferative Effekt der Polyamine Spermidin und Spermin auf das Wachstum der untersuchten Zelllinien konnte in dieser Arbeit bestätigt werden, wobei sich Spermin als potenter erwies als Spermidin. Eine durch Spermidin/Spermin induzierte Autophagie konnte in den Western Blots nicht signifikant nachgewiesen werden. Putrescin und N-Acetylputrescin zeigten nur leichte Wirkungen bei hoher Dosis (10 mM). Während Putrescin einen leicht antiproliferativen Effekt hatte, zeigte N-Acetylputrescin eine leicht proliferationssteigernde Wirkung. Die Autophagie-Induktion durch Methionin-Restriktion konnte durch den Nachweis Autophagie-assoziierter Proteine in den durchgeführten Western Blots bestätigt werden. Um regelmäßig von den positiven Effekten der Autophagie zu profitieren, wäre eine pflanzenbasierte Ernährungsweise sinnvoll und gut durchführbar, da Methionin hauptsächlich in tierischen Lebensmitteln und nur geringfügig in pflanzlichen Nahrungsmitteln vorkommt. Ein völliger Verzicht auf Methionin ist nicht empfehlenswert, da die Aminosäure essentiell ist und somit über die Nahrung aufgenommen werden muss. Um das Methionin-Level konstant, aber niedrig zu halten, erscheint eine Bedarfsdeckung über pflanzliche Nahrung als ideal. Die an den Zelllinien L929 und HeLa durchgeführten Proliferationsstudien zeigten, dass die Zellen selbst nach fünftägiger Glutamin- Restriktion geringfügig weiter proliferierten und keinerlei Merkmale des Zelltodes aufwiesen. Die massenspektrometrische Analyse der Modellzelllinie L929, welche über einen Zeitraum von fünf Tagen einer Glutamin-Restriktion ausgesetzt war, zeigte deutliche metabolische Veränderungen bei den über 150 untersuchten Metaboliten, die auf die Induktion eines LEM schließen lassen. Es konnte ein metabolischer Fingerabdruck nach 48 h für die Zelllinie L929 unter Glutamin-Restriktion definiert werden, der zukünftig als Referenz bei der Testung potentieller CRMs herangezogen werden kann.
Die Krebserkrankung ist bis zum heutigen Zeitpunkt eine große Belastung in unserer Gesellschaft. Obwohl es stets Fortschritte in der Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten gibt, stellt die Behandlung auch in der modernen Medizin eine enorme Herausforderung dar. Darum besteht bis heute ein hoher Bedarf an neuen und weiterentwickelten Behandlungsmöglichkeiten.
Um die Proliferation einer neoplastischen Zelle zu beeinflussen, stellen die Biomasse und die Energie einen grundlegenden Ansatz dar. Hier bieten sich vor allem die Aminosäuren als wesentlicher Baustein der Zellmasse und der Energieträger „Glukose“ an, wodurch sich die beiden Ansätze einer Protein- bzw. Aminosäure-Restriktion und einer Glukose-Restriktion ergeben. Ziel ist es durch eine veränderte Stoffwechsellage einen Low-Energy-Metabolismus (LEM) zu induzieren, welcher die Zelle in einen sich selbst regenerierenden, antiproliferativen Zustand versetzt.
Zusätzlich sollte untersucht werden, ob sich die beiden Ansätze grundsätzlich als Therapieform gegen das Plattenepithelkarzinom (HNSCC) eignen. Zudem sollte ein Modell einer humanen Zelllinie erstellt werden, mit Hilfe dessen sich ein LEM auf metaboler Ebene charakterisieren lässt.
Die Ergebnisse zeigen, dass Zellen unter konstanter Glukose-Restriktion teils sensitiver auf Todesliganden reagieren. Außerdem wirken Kalorien-Restriktions-Mimetika antiproliferativ auf HNSCC Zellen. Hinzu kommt, dass eine Methionin-Restriktion Einfluss auf die Genexpression jener Gene hat, die mit der LEM-Signalkaskade in Zusammenhang stehen. Zuletzt lieferte die massenspektrometrische Analyse von mehr als 150 Metaboliten der humanen Zelllinie HeLa ein detailliertes Bild ihres Metabolismus unter Methionin-Restriktion. Durch die Definition eines charakteristischen Fingerabdrucks nach 72 h und eines kleinen Fußabdrucks aus wenigen Metaboliten, konnte ein humanes Modellsystem etabliert werden, dass zukünftig u.a. die schnelle Analyse von Kalorien-Restriktions-Mimetika ermöglicht.
Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is a widespread disease with a low survival rate and a high risk of recurrence. Nowadays, immune checkpoint inhibitor (ICI) treatment is approved for HNSCC as a first-line treatment in recurrent and metastatic disease. ICI treatment yields a clear survival benefit, but overall response rates are still unsatisfactory. As shown in different cancer models, hepatocyte growth factor/mesenchymal–epithelial transition (HGF/Met) signaling contributes to an immunosuppressive microenvironment. Therefore, we investigated the relationship between HGF and programmed cell death protein 1 (PD-L1) expression in HNSCC cell lines. The preclinical data show a robust PD-L1 induction upon HGF stimulation. Further analysis revealed that the HGF-mediated upregulation of PD-L1 is MAP kinase-dependent. We then hypothesized that serum levels of HGF and soluble programmed cell death protein 1 (sPD-L1) could be potential markers of ICI treatment failure. Thus, we determined serum levels of these proteins in 20 HNSCC patients before ICI treatment and correlated them with treatment outcomes. Importantly, the clinical data showed a positive correlation of both serum proteins (HGF and sPD-L1) in HNSCC patient’s sera. Moreover, the serum concentration of sPD-L1 was significantly higher in ICI non-responsive patients. Our findings indicate a potential role for sPD-L1 as a prognostic marker for ICI treatment in HNSCC.
Der HGF/c-Met-Signalweg wurde bereits seit vielen Jahren als ein wesentlicher Faktor in der Tumorgenese von Kopf-Hals-Karzinomen diskutiert. Allerdings lag der Fokus bisher nur auf den Tumorzellen selbst. In letzter Zeit wurde jedoch mehr über das umgebende Tumormikromilieu und seine bedeutende Rolle in der Tumorprogression bekannt. In anderen Tumormodellen wurde bereits gezeigt, dass der HGF/c-Met-Signalweg eine immunologische und metabolische Wirkung auf das Tumormikromilieu hat. Eine Signal-Aktivierung führte zu einer Zunahme des Immun-Checkpoint-Proteins PD-L1 auf der Tumorzelloberfläche. PD-L1 bewirkt wiederum eine Hemmung des Immunsystems, indem es die T-Zell-Aktivierung im Mikromilieu verhindert und somit die Tumorzellen nicht vom Immunsystem erkannt und beseitigt werden können.
Außerdem wurde gezeigt, dass HGF/c-Met eine Glykolyse-steigernde Wirkung auf Tumorzellen hat und durch die Energiezufuhr indirekt zu einer hohen Proliferationsrate beiträgt. Ein Nebeneffekt ist hier, dass das durch die hochregulierte Glykolyse anfallende Laktat im Tumormikromilieu akkumuliert und dadurch die T-Zellen der Immunabwehr zusätzlich schädigt.
Um auch den Einfluss von HGF/c-Met auf das Tumormikromilieu von Kopf-Hals-Karzinomen zu prüfen, wurden zwei etablierte Zelllinien (Detroit562 und FaDu), aus humanen Plattenepithelkarzinomen der Kopf-Hals-Region, für die Versuchsreihen in der vorliegenden Arbeit herangezogen.
Die Durchflusszytometrie ergab, dass nach HGF-Stimulation die Menge an
PD-L1 auf der Zelloberfläche beider Tumorzelllinien im Vergleich zur unbehandelten Probe zunahm. Bei Detroit562 war die Zunahme signifikant. Als Kontrolle wurde zusätzlich mit zwei verschiedenen Hemmprinzipien (PHA-665752 und c-Met-siRNA) das HGF-Signal unterbunden. Zusammen konnte damit bestätigt werden, dass die Zunahme von PD-L1 durch die Zugabe von HGF ausgelöst wurde. Mit Hilfe eines Verfahrens zur Messung des Glykolyse-bedingten Protonenausstroms, konnte festgestellt werden, dass eine Behandlung mit HGF in Detroit562 und FaDu zu einer gesteigerten Glykolyse führt.
Auffällig war, dass sowohl beim durchflusszytometrischen Nachweis von
PD-L1, als auch bei der Messung der Glykolyse, nach HGF-Stimulation bei Detroit562 im Vergleich zu FaDu ein deutlich größerer Effekt zu sehen war. Ein Zusammenhang könnte darin bestehen, dass die Detroit562-Tumorzellen aus Metastasen stammen. Aus anderen Vorarbeiten ist bekannt, dass Metastasen eine höhere Expression des HGF-Rezeptors c-Met zeigen. Eine im Vergleich zu FaDu höhere c-Met-Expression in Detroit562 kann zu einem stärkeren HGF-Signal und damit zu einem stärkeren Effekt auf nachfolgende Prozesse führen.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erweitern unser Verständnis bezüglich des HGF/c-Met-Signalwegs und zeigen, dass eine simultane Hemmung der
PD-1/PD-L1-Achse und des HGF/c-Met-Signalwegs synergistische Effekte haben könnte.
Die Aktivierung des HGF/c-Met-Signalweges wird unter anderem seit längerer Zeit als verantwortlicher Mechanismus für die Entwicklung von Resistenzen gegen den EGF-Rezeptor gerichteter Medikamente diskutiert. In verschiedenen Studien konnte die klinische Bedeutung des HGF/c-Met-Signalwegs belegt werden.
In der jüngeren Vergangenheit konzentriert sich die Forschung immer mehr auf das Tumormikromilieu und dessen Einfluss auf die Tumorprogression. So konnte gezeigt werden, dass erhöhte Laktatwerte, resultierend aus einer gesteigerten Glykolyse, zytotoxische T-Zellen inhibieren.
Es wurden vier etablierte Zelllinien des oralen Plattenepithelkarzinoms sowie eine Zelllinie eines Mukoepidermoidkarzinom verwendet, um den Einfluss von HGF und des Tyrosinkinaseinhibitors Foretinib auf den Glukosemetabolismus zu prüfen.
Bei allen Zelllinien konnte der c-Met-Rezeptor nachgewiesen werden. Ebenso konnte in einem ELISA belegt werden, dass die Zelllinien selbst kein HFG produzieren.
Es wurden proliferationsfördernde Effekte für HGF sowie zytotoxische Effekte durch Foretinib aufgezeigt. Ferner konnte der proliferationsfördernde Effekt durch HGF durch die Behandlung mit Foretinib aufgehoben werden.
Im RT-PCR-Verfahren wurden die Auswirkungen auf die Transkription verschiedener Gene, die für wichtige Enzyme des Glukosemetabolismus kodieren, nach der Stimulation mit HGF sowie der Inhibition mit Foretinib untersucht. Es konnten substanzielle Veränderungen in der Expression einzelner Gene nachgewiesen werden. Zelllinienübergreifend konnte allerdings keine verstärkte bzw. verminderte Transkription durch die Behandlung mit HGF bzw. Foretinib nachgewiesen werden. Die Ergebnisse lassen auf die Komplexität der Regulierung des Glukosemetabolismus schließen.
In der Durchflusszytometrie konnte gezeigt werden, dass eine Behandlung mit HGF nicht zu einer Zunahme des GLUT1 in der Zellmembran führt, wohingegen eine Behandlung mit Foretinib mit einer gesteigerten Menge von GLUT1 einhergeht. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit belegen einen Einfluss des HGF/c-Met-Signalwegs auf den Glukosemetabolismus bei Zelllinien des oralen Plattenepithelkarzinoms.