Dreiwertige anorganische Arsenverbindungen wie Arsentrioxid oder Arsensulfid werden seit über 2400 Jahren in der Medizin verwandt. Nachdem Arsentrioxid durch die Entdeckung der Röntgenstrahlung und die Entwicklung potenter Zytostatika bei der Therapie akuter myeloischer Leukämien immer mehr verdrängt worden war, fanden organische und anorganische dreiwertige Arsenverbindungen bis Ende des 20. Jahrhunderts bei der Therapie der refraktären oder rezidivierten akuten Promyelozytenleukämie (APL) Verwendung. Bis vor kurzem wurde vermutet, daß Arsentrioxid seine therapeutischen Effekte nur in APL- Zellen entwickeln könne, da die Arsentrioxid-Wirkung an die Anwesenheit des Fusionsproteins PML-RARalpha gekoppelt sei. In dieser Arbeit wurde daher die Wirkung von Arsentrioxid auf Apoptose, Differenzierung und Proliferation an 22 malignen lymphatischen und myeloischen Zellinien unterschiedlichen Differenzierungsstadiums und Herkunftsgewebes untersucht. Aufgrund der unterschiedlichen Sensitivität dieser Zellinien gegenüber Arsentrioxid-Konzentrationen, welche auch bei der APL-Therapie im Plasma von Patienten zu erzielen sind, konnten drei Sensitivitätsgruppen für Zellinien definiert werden: Zellinien mit Sensitivität gegenüber 0,1 µM (Gruppe A), 1 µM (Gruppe B) und 5 µM (Gruppe C) Arsentrioxid. Arsentrioxid- Behandlung von Zellen führte zu einer Aktivierung der Caspasen-Kaskade, zum Zusammenbruch des mitochondrialen Membranpotentials und zur Bildung von ROS (reactive oxygen species). Die Mitochondrien sind als primärer Wirkungsort des Arsentrioxids anzusehen, da Caspasen-Inhibitoren zwar einen Rückgang des Prozentsatzes apoptotischer Zellen bewirkten und die Aktivierung von Caspasen hemmten, aber nur einen geringen Einfluß auf die Bildung von ROS und den Funktionsverlust der Mitochondrien hatten. NO-Radikale und erhöhte p53-Expression traten hingegen nur bei einigen Zellinien nach Arsentrioxid- Behandlung auf. Im Rahmen der Arsentrioxid-induzierten Apoptose konnte weder eine CD95-Induktion gemessen noch die Arsentrioxid-induzierte Apoptose durch Blockierung des CD95-Rezeptors gehemmt werden. Neben der Apoptose-Induktion zeigte Arsentrioxid eine Apoptose-unabhängige Proliferationsinhibition. Die Proliferationsinhibition trat bereits bei einer Arsentrioxid-Konzentration auf, welche entweder keine Apoptose auslöste oder aber Apoptose nur in einem kleinen Anteil der Gesamtpopulation induzierte. Aufgrund dieser Arbeit wurde eine Systematik eingeführt, anhand derer Zellinien gemäß ihrer Sensitivität gegenüber Arsentrioxid-induzierter Apoptose klassifiziert werden können. Ein für zahlreiche hämatopoetische Zellinien allgemeingültiger Mechanismus der Apoptose-Induktion wurde beschrieben: die Caspasen-unabhängige Mitochondrieninaktivierung. Es wurde ferner gezeigt, daß es im Rahmen der Arsentrioxid-Behandlung hämatopoetischer Zellinien zu einer Apoptose-unabhängigen Proliferationsinhibition kommen kann.
Trivalent anorganic arsenic compounds have been used in medicine for more than 2400 years. However, with the discovery of radiotherapy and high potential cytostatic drugs in the 20th century, arsenic(III)-oxide disappeared as one of the cancer standard therapies. Because of its effects in acute promyelocytic leikemia (APL), the therapeutic use of arsenic(III)-oxide was thought to be restricted to cells in which the fusion protein PML-RARalpha is present. In this work, the effects of arsenic(III)-oxide on apoptosis and differentiation was analyzed in 22 cell. These cell lines represented various stages of lympho-haematopoietic differentiation. According to their sensitivity towards apoptosis induction a classification system was introduced: induction of apoptosis with concentrations 0,1 µM, 1 µM or 5 µM arsenic(III)-oxide was classified as sensitivity group A, group B or group C, respectively. The potential mechanisms responsible for apoptosis induction were analysed in representative cell lines of all three sensitivity groups. Arsenic(III)-oxide induced activity of caspases, breakdown of the mitochondrial membrane potential and synthesis of reactive oxygen species (ROS), whereas an increase of NO-radicals and p53-protein level could be measured only for some cell lines. Mitochondria can be regarded as the primary target of action for arsenic(III)-oxide, as caspases specific inhibitors could reduce the percentage of apoptotic (i. e. Annexin V-FITC and 7-amino-actinomycin (7?AAD)-positive) cells and caspase activity (measured by FITC-VAD-FMK- binding) but had no effect on the breakdown of mitochondrial membrane potential. The treatment of cell lines with arsenic(III)-oxide had no regulatory effect on CD95, and no inhibition of arsenic(III)-oxide-induced apoptosis could be detected by blocking the CD95 pathway. Beside the effect of apoptosis induction, treatment of cell lines with arsenic(III)-oxide also lead to an apoptosis independent inhibition of proliferation. Proliferation inhibition could already be observed for concentrations of arsenic(III)-oxide that themselves were not able to induce apoptosis or induced apoptosis only in a low percentage of the cell population. A classification system of sensitivity for haematopoietic cell lines to arsenic(III)-oxide was introduced by this work. This system is based on the sensitivity of cell lines towards arsenic(III)-oxide induced apoptosis. This work clearly shows that a common mechanism is responsible for arsenic(III)-oxide effects on a variety of haematopoeitic cell lines: the caspase-independent breakdown of mitochondrial membrane potential. Furthermore, this work clearly shows that an apoptosis-independent inhibition of cell proliferation can occur during arsenic(III)-oxide treatment of haematopoietic cell lines.
