Rolle der Hypoxie-induzierbaren Faktoren für die Strahlensensibilität des Bronchialkarzinoms gegenüber Partikelbestrahlung im Vergleich zur Photonenbestrahlung
Final Report Abstract
Strahlentherapie ist zentraler Bestandteil einer multimodalen Therapie des Bronchialkarzinoms. Für die konventionelle Strahlentherapie mit Photonen ist bekannt, dass hypoxische Tumorareale schlecht auf Photonenbestrahlung ansprechen. Hierfür ist auf physikalisch/chemischer Ebene die mangelnde Radikalbildung mit reduzierter DNA-Schädigung und auf biologischer Ebene die Photonen-abhängige Induktion des Hypoxieinduzierbaren Faktors 1 (HIF-1) relevant. Diese wird durch Reoxygenierungsvorgänge und Aktivierung bestimmter intrazellulärer Signalwege nach Photonenbestrahlung ausgelöst und führt sekundär insbesondere zur Induktion der Tumorangiogenese. Im letzten Jahrzehnt ist neben der Bestrahlung mit Photonen die Bestrahlung mit Schwerionen zunehmend untersucht und angewandt worden. Schwerionen wie Kohlenstoffionen weisen eine höhere relative biologische Wirksamkeit im Vergleich zu Photonen auf und führen zu einer Anhäufung irreparabler, komplexer DNA-Schäden, welche weitgehend unabhängig von der Oxygenierung des Gewebes entstehen. Die Hauptfragestellung in diesem Antrag war es zu untersuchen, welchen Einfluss die Hypoxie-induzierbaren Faktoren nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen haben. Diese Fragestellung wurde in vitro an den humanen nicht kleinzelligen Adenokarzinomzelllinien (NSCLC) A549 und H1299 und in vivo am subkutanen A549 Xenograftmodell untersucht. Zunächst wurde an diesem System die biologisch äquivalente Dosis (RBE) von Photonen und Kohlenstoffionen durch klonogenes Zellüberleben bei 10 % bestimmt. Es wurde dabei ein RBE Wert von ungefähr 3 ermittelt und mit entsprechenden Dosen in den weiteren Experimenten gearbeitet. Es wurde die Regulation von HIF und seinen Zielgenen auf mRNA und Proteinebene unter verschiedenen Sauerstoffbedingungen nach den beiden Bestrahlungsformen untersucht. Ferner wurden verschiedene funktionelle und analytische Experimente durchgeführt. Dabei wurde HIF-1α durch RNA Interferenz inhibiert und dann das Tumorwachstum, die Proliferation und Tumorangiogenese analysiert. Um auf molekularer Ebene die Reaktion der Tumorzellen auf beide Bestrahlungsformen hin zu untersuchen, wurden eine DNA- Microarray-Analyse und biochemische Experimente durchgeführt. Zusammengefasst konnten wir für das untersuchte System zeigen: 1) HIF-1α wird durch Photonenbestrahlung induziert und HIF-1-abhängige Signaltransduktion stellt für diese Bestrahlungsform eine wesentliche Komponente für die Strahlenresistenz des untersuchten Tumormodells dar. Kohlenstoffionenbestrahlung hingegen führt zur Herunterregulation von HIF-1α und löst somit keine HIF-1-bedingte Strahlenresistenz aus. 2) Auf biologischer Ebene erwies sich dabei als relevanter Unterschied zwischen beiden Bestrahlungsformen der mTOR/Akt Signalweg, der durch Photonen aber nicht Schwerionen induziert war. 3) Kohlenstoffionenbestrahlung resultiert im Vergleich zur Photonenbestrahlung in einer verringerten Tumorangiogenese gefolgt von einer massiven Gewebsnekrose, die eine deutliche Verzögerung und Reduzierung des Tumorwachstums nach sich zieht. 4) Kohlenstoffionenbestrahlung hat in vivo – vermutlich bedingt durch die oben genannten Aspekte - eine höhere relative biologische Wirksamkeit als in vitro. Die Ergebnisse des Projektes zeigen einen Vorteil für die Kohlenstoffionenbestrahlung im Rahmen der Tumortherapie des nicht-kleinzelligen Bronchialkarzinoms (NSCLC) gegenüber Photonenbestrahlung auf. Für diese Unterschiede ist der mTOR/Akt Signalweg relevant, der Auswirkungen auf die HIF-1-abhängige Signaltransduktion hat.
Publications
- (2010) Role of hypoxia and HIF for the effects of heavy ion radiation in the human lung adenocarcinoma cell line (A549). Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) Scientific Report
Kamlah, F., Arenz, A., Bill, V., Bischoff, B., Engenhart-Cabillic, R., Fournier, C., Hänze, J., Hornickel, C., Rose, F., Scholz, M., Taucher-Scholz, G.
- (2011) Cellular survival of human lung adenocarcinoma cell line (A549) after carbon ion irradiation under different oxygenation conditions. Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) Scientific Report
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- (2011) Comparison of the effects of carbon ion and photon irradiation on the angiogenic response in human lung adenocarcinoma cells. Int J Radiat Oncol Biol Phys 80, 1541-1549
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- (2011) Photonenbestrahlung der humanen Adenokarzinomzellen der Lunge (A549) induziert im Gegensatz zur Bestrahlung mit Kohlenstoffionen die Angiogenese mittels Induktion von Stem Cell Factor (SCF). Deutsche Gesellschaft für Radioonkologie (DEGRO); Strahlenther Onkol 2011;187 (Sondernr 1):64
Kamlah, F., Hänze, J., Seay, U., Arenz, A., Juricko, J., Hasan, D., Bischoff, B., Gottschald, O.R., Fournier, C., Taucher-Scholz, G., Scholz, M., Engenhart-Cabillic, R.
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Subtil, F.S.B., Scheel, S., Bischoff, B., Rose, F., Engenhart-Cabillic, R., Arenz, A., Scholz, M., Fournier, C., Taucher-Scholz, G., Hänze J.
- (2012) Untersuchungen zur Rolle des Hypoxie-induzierbaren Faktor HIF-1α in humanen Lungenadenokarzinomzellen nach Photonen- versus Partikelbestrahlung. Deutsche Gesellschaft für Radioonkologie, DEGRO; Strahlenther Onkol; Suppl 1
Kamlah F., Bill V., Rudolph S., Westholt N., Fournier C., Taucher-Scholz G., Scholz M., Kraft-Weyrather W., Hänze J., Arenz A., Rose F., Engenhart-Cabillic R.
- (2013) Expression HIF-1-abhängiger Gene in humanen Lungenadenokarzinom (A549)-Zellen und deren Regulation nach Photonen- und Schwerionenbestrahlung. Dissertationsschrift Fachbereich Medizin, Philipps-Universität Marburg
Verena Bill
- (2014) Carbon ion radiotherapy of human lung cancer attenuates HIF- 1 signaling and acts with considerably enhanced therapeutic efficiency. FASEB Journal
Subtil, F.S.B., Wilhelm, J., Bill, V., Westholt, N., Rudolph, S., Fischer, J., Scheel, S., Seay, U., Fournier, C., Taucher-Scholz, G., Scholz, M., Seeger, W., Engenhart-Cabillic, R., Rose, F., Dahm-Daphi, J., Hänze, J.
(See online at https://doi.org/10.1096/fj.13-242230)
