Cancer cells typically collected a number of mutations resulting in modified metabolism optimized to fulfill their needs to a maximize growth. In the recent years -with development of reliable high-throughput techniques- there was a shift from measuring single actors to an integrated view of the complex regulatory network in a biological system. This thesis aimed at elucidation and under-standing of the metabolic difference between cancer and healthy cells in order to target these differences therapeutically. Firstly, cancer and healthy cells differ metabolically in many aspects. It is generally accepted that most cancer cells have a higher rate of glycolysis that results in elevated level of lactate production, even in the presence of oxygen (known as Warburg effect). Further the function and activity of the TCA cycle and the glutaminolysis in cancer cells is heavily debated. Current, static metabolomics protocols deliver only a limited amount of information and need careful interpretation. With the help of heavy-labeled isotopes the metabolism can be monitored in a more dynamic way. In frame of this thesis a method was established that allows for monitoring changes in the carbon routing of the highly connected central carbon metabolism in human tumor model cell lines. The usage of substrates such as glucose can be compared under different conditions. With this method the high activity of glycolysis and a tight connection to lactate production as well as a truncated TCA cycle could be shown. Secondly, cancer cells can be characterized by their permanent and unlimited replication. During different phases of the cell cycle, cells are expected to have different needs, with respect to precursors for synthesis or energy production. The difference in metabolism during various phases of the cell cycle was monitored with the established approach in synchronized cells. Further the protein-turnover was measured in a pulsed-SILAC approach. Third, both permanent growth and elevated glycolytic activity are potential targets for therapy, aiming at cancer cells but leaving healthy cells unharmed. The established method is perfectly suitable to detect rearrangements of metabolism on the minute time scale, therefore differentiating between direct inhibition of enzymes targeted by inhibitors and long-termed rearrangements of metabolism. The strategy was tested with three different, putative inhibitors of glycolysis: 3-bromopyruvate, glyceraldehyde and 2-deoxyglucose. The monitored effects partially resembled effects previously described in the literature and further evidenced criticism of 2-deoxyglucose as selective inhibitor of glycolysis. Finally, the methods and strategies developed in cancer-model cell lines were and will be further translated to in vivo mouse models. Pulsed labeling with stable isotope enriched substrates such as glucose or glutamine showed differences in the substrate utilization between female and male HCC tumor model mice.
Krebszellen sammeln in ihrer Entwicklung zahlreiche verschiedene Mutationen, die sich häufig in einem veränderten Stoffwechsel manifestieren, einem Stoffwechsel optimiert auf maximales Wachstum. Die Entwicklung von zuverlässigen Hochdurchsatz-Methoden ermöglichte einen Wechsel von der Betrachtung einzelner Aspekte zu einer integrierten Betrachtung des gesamten, komplexen Systems. Diese Arbeit zielt auf ein tieferes Verständnis der Unterschiede zwischen Krebs und gesunden Zellen mit dem Ziel diese Unterschiede therapeutisch auszunutzen. Krebs- und gesunde Zellen unterscheiden sich in ihrem Metabolismus. Die meisten Krebszellen zeigen eine höhere Glykolyse, die sich in einer starken Laktatausscheidung auch in Gegenwart von Sauerstoff zeigt, der wohlbekannte „Warburg-Effekt“. Darüber hinaus werden die Rolle des Citratzyklus und die Rolle des Glutaminstoffwechsels intensiv diskutiert. Klassische Metabolitmessungen liefern nur eingeschränkte Ergebnisse, die vorsichtig interpretiert werden müssen. Das ändert sich durch die Verwendung stabiler, schwerer Isotope. In dieser Arbeit wurde eine Methode etabliert um Veränderungen im Kohlenstoff- Stoffwechsel in menschlichen Tumormodell-Zelllinien mit Hilfe von stabilen Isotopen zu messen. Die Verwendung verschiedener Susbtrate, wie Glukose oder Glutamin, kann somit unter verschiedenen Konditionen verglichen werden. Mit dieser Methode konnte eine starke glykolytische Aktivität, eine enge Kopplung von Pyruvat und Laktat und ein unvollständiger Citratzyklus gezeigt werden. Krebszellen sind weiterhin charakterisiert durch ein unbegrenztes Wachstum. Während verschiedener Phasen des Zell-Zyklus können unterschiedliche metabolische Profile erwartet werden. Das wurde überprüft durch Anwendung der etablierten Methode in verschiedenen Phasen des Zellzyklus von synchronisierten Zellen. Zusätzlich wurde die Protein-Neusynthese mit Hilfe eines „pulsed SILAC“ Ansatzes bestimmt. Beide Faktoren, erhöhte Glykolyse und permanentes Wachstum sind potentielle Ziele für Krebstherapien. Die etablierte Methode ist perfekt geeignet um kurzfristige Veränderungen des Stoffwechsels zu beobachten. Damit können direkte Wirkungen auf die Enzyme von langfristigen metabolischen Umstrukturierungen unterschieden werden. Mit diesem Ansatz wurden drei verschiedene mögliche Inhibitoren der Glykolyse getestet und verglichen, 3-Brompyruvate, Glyceraldehyd und 2-Deoxyglukose. Die beobachteten Effekte spiegeln zum Teil bekannte Effekte wider, liefern aber auch neue Hinweise und stärken die Kritik an 2-Deoxyglukose als selektiven Inhibitor der Glykolyse. Die gleichen Methoden und Strategien die in Zellkulturproben entwickelt wurden können schließlich auch in in vivo Mäuse Modellen benutzt werden. Der kurzzeitige Einbau von stabilen Isotopen in Intermediate des Stoffwechsels lieferte Hinweise über die notwendigen Zeiträume und über die verschiedenartige Nutzung von Glukose und Glutamin in Mäusen die als Modelle für menschlichen HCC-Tumor dienen.
