Wachstumsfaktorrezeptoren als Zielproteine in der gastrointestinalen Onkologie: Bedeutung des EGF- und IGF-1-Rezeptors bei der Wachstumsregulation gastrointestinaler Tumoren

Abstract

Die beiden Wachstumsfaktorrezeptoren EGFR und IGF-1R sind als Zielproteine für neuartige, zielgerichtete Krebstherapien aus verschiedenen Gründen interessant. Zum einen sind beide Rezeptoren in vielen Tumoren überexprimiert oder besitzen aufgrund von Mutationen eine unphysiologisch hohe Aktivität. Da gerade die Aktivität dieser beiden Wachstumsfaktorrezeptoren eine wichtige Rolle bei der Tumorentstehung und -progression spielt, bieten Inhibitionen auf der Ebene der Rezeptoraktivierung bzw. Hemmungen der vorhandenen Rezeptoraktivität interessante Behandlungsstrategien für innovative Tumortherapieansätze. Zum anderen könnten sich neue Möglichkeiten für nebenwirkungsärmere und patientenverträglichere Therapien eröffnen, da Wachstumsfaktorrezeptor-basierte Ansätze im Gegensatz zu den konventionellen palliativen Behandlungsmethoden mit Zytostatika und/oder Bestrahlung eine größere Zielgerichtetheit und Selektivität aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirksamkeit der zielgerichteten Blockade von EGFR und IGF-1R an verschiedenen gastrointestinalen Tumorentitäten überprüft, die bislang in diesem Zusammenhang noch nicht untersucht worden sind. Hierbei konnte der Nachweis der in-vitro-Wirksamkeit dieses Therapiekonzepts gezeigt werden. Durch die zusätzliche Charakterisierung der beteiligten Signaltransduktionswege erweitern die Untersuchungsergebnisse außerdem das Verständnis hinsichtlich der Bedeutung von EGFR- und IGF-1R-Inhibitionen zur Proliferationskontrolle gastrointestinaler Karzinome. So konnte gezeigt werden, dass die Blockade von EGFR und IGF-1R durch spezifische EGFR- Tyrosinkinaseinhibitoren oder durch monoklonale Antikörper das Wachstum der Tumorzellen von hepatozellulären, kolorektalen, ösophagealen und neuroendokrinen gastrointestinalen Karzinomen inhibiert, und dass daran Apoptose und/oder Zellzyklusmodulationen beteiligt sind. Aus dem Wissen um die beteiligten Signalwege lassen sich wichtige Schlussfolgerungen für mögliche kombinationstherapeutische Ansätze ableiten, bei denen die Wachstumsfaktorrezeptor-basierten Inhibitionen mit Arzneistoffen kombiniert werden, die in der Therapie der jeweiligen Tumoren bereits etabliert sind. In diesem Zusammenhang konnte herausgearbeitet werden, dass EGFR- und IGF-1R Inhibitoren das Potenzial besitzen, die Wirkung konventioneller Chemotherapeutika (über-)additiv zu steigern. Diese Eigenschaft könnte sie daher in besonderem Maße für kombinationstherapeutische Ansätze zur dringend benötigten effizienteren medikamentösen Therapie gastrointestinaler Tumoren qualifizieren. Ferner wurde die Transaktivierung des EGFR durch Aktivierung des IGF-1R nachgewiesen. Der interessante Ansatz einer kombinierten Inhibition der beiden miteinander interagierenden Wachstumsfaktorrezeptoren wurde weiter verfolgt und es konnte gezeigt werden, dass die simultane Blockade von EGFR- und IGF-1R zu einer (über-)additiven Steigerung der antiproliferativen Wirksamkeit führt. Auch die Möglichkeit eines dualen Angriffs an einem Wachstumsfaktorrezeptor zur Wirkungssteigerung wurde untersucht. So konnte am Beispiel des EGFR gezeigt werden, dass die simultane Wachstumsfaktorrezeptor- Inhibition mittels Tyrosinkinaseinhibitor und monoklonalem Antikörper zu einer deutliche Zunahme der antiproliferativen Effektivität bei den untersuchten gastrointestinalen Karzinomzellmodellen führt. Zur Übertragbarkeit der an Zelllinien gewonnenen Ergebnisse wurden zudem Untersuchungen an Primärzellkulturen aus Biopsaten/Resektaten von humanen kolorektalen-, neuroendokrinen- und ösophagealen Karzinomen durchgeführt, welche im Vergleich zur ausschließlichen Verwendung humaner Zelllinien ein patientennäheres Untersuchungsmodell darstellen. Die besondere Notwendigkeit und das prädiktive Potenzial derartiger Testungen wurde dadurch unterstrichen, dass trotz des grundsätzlich guten Ansprechens auf die Behandlungen deutliche individuelle Sensitivitätsunterschiede bis hin zur relativen Unsensitivität einzelner Proben beobachtet wurden. Insofern erscheint die vorgestellte Methode zur in- vitro-Testung an Primärkulturzellen als eine einfache und praktikable Möglichkeit zur Einschätzung, ob ein individuelles Therapieansprechen zu erwarten ist.

Due to several reasons the epidermal growth factor receptor (EGFR) and also the insulin-like growth factor receptor-1 (IGF-1R) are promising targets for innovative and targeted anti-tumor therapies. Tumor -development and -progression particularly depend on the activity of these two receptors, which are over-expressed and/or over-activated in many tumors. Thus, inhibition of EGFR- and IGF-1R signaling by blocking the receptors´ intrinsic tyrosine kinase activities or by blocking the receptors´ ligand binding sites with monoclonal antibodies are encouraging strategies for future anti-tumor therapies. Moreover, growth factor receptor-based strategies may offer new possibilities for a more effective and well-tolerated medical treatment, because of an enhanced tumor selectivity as compared to conventional chemotherapy with cytostatics and/or radiation. In the present work the growth inhibitory effectiveness and specificity of EGFR- and IGF-1R- blockade was evaluated in gastrointestinal tumors (e.g. hepatocellular-, colorectal-, esophageal carcinoma and neuroendocrine gastrointestinal tumors), which have not been evaluated in this respect so far. In-vitro-studies clearly demonstrated the excellent suitability of EGFR- and IGFR-1R-inhibition for growth control of gastrointestinal tumor cells. The antiproliferative effects were shown to be based on cell cycle arrest and/or the induction of apoptosis, while unspecific cytotoxicity did not contribute to the observed growth inhibition. The in-depth characterization of the signaling events and pathways which were causative for the observed antineoplastic effects expands the current knowledge on the particular meaning of EGFR- and IGF-1R-inhibition for growth control of gastrointestinal tumors. Moreover, these findings are of great interest for combination treatments, in which growth-factor receptor inhibitors were combined with cytostatics that are already in use for the palliative treatment of the respective gastrointestinal cancers. Both EGFR- as well as IGF-1R- inhibitors were shown to (over-)additively enhance the effectiveness of conventional cytostatics qualifying them as promising drugs for future combination treatments. Moreover, transactivation of the EGFR- system by IGF-1R activation was detected, leading to the idea of dual- targeting gastrointestinal tumor cells by both EGFR- and IGF-1R inhibitors for enhanced growth inhibition. In fact, the simultaneous blockade of both growth- factor receptors resulted in additive and even over-additive growth inhibitory effects. Additionally, the growth inhibitory potency of a dual inhibition of EGFR signaling by simultaneous treatment with EGFR-specific monoclonal antibodies and tyrosine kinase inhibitors was evaluated. This dual inhibition strategy also resulted in enhanced antiproliferative and apoptotic effects as compared to mono-treatment with either inhibitor alone. In addition to in- vitro studies on permanent cell lines, primary cell cultures of human gastrointestinal cancers (e.g. colorectal-, esophageal carcinoma and neuroendocrine gastrointestinal tumors) were established and investigated. The primary goal of these additional investigations was to study the antineoplastic potency of EGFR- and IGF-1R-inhibition in clinically more relevant cell models, as permanent cell lines may represent well- suited but nevertheless non-representative models of the respective gastrointestinal cancers. Moreover, chemosensitivity testing of primary cultures was performed to establish a new method for predicting the response of an individual patient to a certain drug. The findings on primary cell cultures generally underlined the suitability of EGFR- and IGF-1R blockade for growth inhibition of gastrointestinal cancers. Nevertheless, as discrepancies concerning the individual sensitivity to the respective treatment with EGFR- and IGF-1R inhibitors were observed between the different gastrointestinal cancers but also within a respective tumor entity, these findings also emphasize the need for individual pre-testings. Because of its convenience and practicability the presented approach using preprocessed primary cell cultures appears to be a promising method to do that. Taken together, the findings present here clearly demonstrated that both the EGFR as well as the IGF-1R are promising targets for innovative and targeted anti-tumor therapies of gastrointestinal tumors. The present work provided first information for a better understanding of the underlying mechanisms of the antiproliferative potency of EGFR- and IGF-1R- based approaches for the treatment of gastrointestinal tumors. The findings will open up multiple points of contact for further investigations, especially concerning the development of tailored combination treatments with enhanced efficacy. Moreover, the interesting data on dual targeting gastrointestinal tumor cells with EGFR- and IGF-1R inhibitors for simultaneous inhibition of these two interacting growth factor receptors appears to be a very promising approach for future treatment strategies. The same holds true for dual inhibition of one growth factor receptor by simultaneous blockade with tyrosine kinase inhibitors and monoclonal antibodies. Future investigations will aim to confirm the in vivo suitability of the in vitro data presented in this study. The encouraging findings on primary cell culture testings give rise to the assumption that respective in vivo evaluations will be successful.