Choline metabolism and choline kinase gene expression in human breast cancer

Abstract

Breast cancer (BrCa) is the most frequently diagnosed malignancy and the most frequent cause of cancer death in the western female population. The diagnostic workup of suspicious breast lesions requires invasive tissue biopsies, most of which produce negative results, along with discomfort and side effects for patients. Novel methods are needed to raise the quality of diagnostics and clinical care for BrCa patients. In-vivo 1H-MR Spectroscopy (1H-MRS) allows a direct view into cellular activity by measuring tissue metabolite concentrations. 1H-MRS commonly detects increased concentrations of the metabolites Choline (Cho) and Phosphocholine (PCho) in BrCa tissue. Cell- line studies suggest that these changes are caused by altered gene expression of Choline Kinases Alpha (CHKA) and Beta (CHKB). This study was undertaken to investigate in detail the underlying basic mechanisms leading to changes in tissue metabolite concentrations in BrCa. Ex-vivo High-Resolution 1H-Magic- Angle-Spinning-MRS was used to quantify Cho and PCho metabolites in 18 invasive human BrCa samples and in 11 matching normal benign breast tissue samples at high resolution. Laser-Capture Microdissection was used to microscopically isolate benign and cancerous epithelial cells, from which CHKA and CHKB expression levels were quantified by real-time quantitative PCR. Lastly, changes in metabolism were compared to changes in gene expression. Malignant BrCa tissue contained significantly higher PCho metabolite concentrations than benign tissue. The highest concentrations of PCho were found in low-grade, invasive ductal type BrCa. Concentrations of metabolites Cho and PCho were strongly correlated. CHKA was over expressed in low-grade BrCa of all types, and CHKA expression and PCho metabolite levels correlated. These results demonstrate the potential of metabolite measurements to distinguish between benign breast tissue and BrCa, as well as between different types of BrCa. Furthermore, they indicate that changes in metabolism and in expression of underlying CHK genes are associated. While these results point to potential pathways for future research and development, more in-depth studies of BrCa tumor biology will be necessary to investigate a possible future role in the clinical care of BrCa patients.

Brustkrebs ist die am häufigsten diagnostizierte Tumorerkrankung und die häufigste tumorbedingte Todesursache der weiblichen Bevölkerung in der westlichen Welt. Die diagnostische Aufarbeitung verdächtiger Läsionen der Brust erfordert die invasive Entnahme von Gewebebiopsien. Der Großteil der Biopsien liefert negative Ergebnisse und verursacht gleichzeitig signifikante Nebenwirkungen und Unbehagen. Zur Verbesserung der Qualität der Diagnostik und Therapie werden neue Methoden benötigt. Die in-vivo 1H-MR Spektroskopie (1H- MRS) ermöglicht einen direkten Einblick in zelluläre Aktivität durch die Messung von Gewebemetabolitenkonzentrationen. In Brustkrebsgeweben finden sich regelmäßig erhöhte Konzentrationen der Metaboliten Cholin (Cho) und Phosphocholin (PCho). Untersuchungen an Zelllinien deuten an, dass diese Veränderungen durch veränderte Genexpression der Cholinkinasen Alpha (CHKA) und Beta (CHKB) bedingt sind. Diese Studie hatte das Ziel, die zugrunde liegenden Mechanismen, welche zu Veränderungen der Gewebemetabolitenkonzentrationen in Tumoren führen, im Detail zu erforschen. In 18 humanen Brusttumorgewebeproben und 11gepaarten normalen gesunden Brustproben wurden die Konzentrationen von Cho und PCho mittels Ex-Vivo High- Resolution 1HMagic-Angle-Spinning-MRS quantifiziert. Benigne und karzinomatöse Epithelzellen wurden durch Laser-Capture Mikrodissektion exzidiert und die Expressionsniveaus der CHKA und CHKB mittels real-time quantitativer PCR gemessen. Metabolitenkonzentrationen wurden mit Genexpressionsniveaus in den verschiedenen Gruppen verglichen. Tumoren zeigten signifikant höhere Konzentrationen von PCho in benignem Gewebe, wobei die höchsten Konzentrationen in niedriggradigen, invasiv-duktalen Tumoren zu finden waren. Konzentrationen von Cho und PCho korrelierten stark. CHKA war in niedriggradigen Tumorproben überexprimiert und korrelierte mit PCho. Die Ergebnisse zeigen, dass Gewebemetabolitenkonzentrationen zwischen benignem und malignem Tumorgewebe der Brust unterscheiden können und dass Änderungen im Metabolismus mit Änderungen der Genexpression einhergehen. Hieraus ergeben sich mögliche Ansätze für zukünftige Forschung und Entwicklung. Weiterführende Untersuchungen der Tumorbiologie des Brustkrebses sind jedoch um eine mögliche klinische Anwendung zu realisieren.