Kombinationseffekte von TRAIL und Retinoiden an Zellkulturmodellen des Mammakarzinoms und des Osteosarkoms

Abstract

Mit einer aktuellen Lebenszeitprävalenz von 12,5% ist das Mammakarzinom die häufigste Krebserkrankung der weiblichen Bevölkerung Deutschlands. Aufgrund der sich häufig im Therapieverlauf entwickelnden oder habituellen Pharmakoresistenz jener Tumorentität besteht die Notwendigkeit zur Exploration alternativer, gezielter Wirkmechanismen und Therapieansätze. Trotz seiner Zugehörigkeit zur Kategorie der seltenen malignen Neoplasien ist das Osteosarkom der häufigste Knochentumor im Kindes- und Jugendalter. Da sich die Prognose der sogenannten poor responders sowie des metastasierten Osteosarkoms als besonders ungünstig erweist, ist die Etablierung weiterer wirksamer und tumorselektiver Therapieansätze auch für diese Entität von klinischer Relevanz. Für rhTRAIL, einen Vertreter der TNF-Proteinfamilie, der über Ligandierung von Transmembranrezeptoren Apoptose-Prozesse initiiert, ist am in-vitro- sowie am Mausmodell eine Neoplasie-spezifische bei geleichzeitig geringer systemischer Toxizität bereits nachgewiesen worden. Retinoide fungieren über die Bindung nukleärer Hormonrezeptoren, die wiederum als Liganden-aktivierbare Transkriptionsfaktoren mit Response-Elementen distinkter Gene assoziieren, als Regulatoren Proliferations- und Apoptose-relevanter Signaltransduktionskomponenten. Die vorliegende Arbeit dient der Untersuchung und Charakterisierung Tumorzellinhibierender Wirkungen einer Kombination von TRAIL und Retinoiden am in-vitroModell des Mammakarzinoms und des Osteosarkoms. Die dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, dass von den angewandten Tumorzelllinien alle mesenchymalen Phänotypen hohe TRAIL- und geringe Retinoid-Suszeptibilitäten aufwiesen. Ein Großteil der epithelialen Kulturen hingegen verhielt sich TRAIL-resistent. Zudem zeigten Zelllinien hoher Retinoid-Responsivität sämtlich epitheliale Morphologien. Die simultane Inkubation mit TRAIL und atRA bzw. 9cisRA resultierte in einer synergistischen Proliferationsinhibition, der sowohl zytostatische als auch zytotoxische Mechanismen zugrunde lagen. Entsprechend korrelierte der an Mammakarzinom- Zellkulturen vom Typ SK-BR-3 beobachtete Kombinationseffekt mit einer Augmentation der Fragmentierung nukleärer DNA sowie mit einer Hochregulation der TRAIL-Rezeptor-Expression. An Saos-2-Osteosarkom-Zellen ging jener Synergismus mit einer Steigerung der Caspase-3-Aktivierung einher. Da an beiden Kulturmodellen die Inhibition von Caspasen in einer Diminution der Kombinations-vermittelten Zellviabilitäts-Reduktion resultierte, ist festzuhalten, dass der TRAIL- und Retinoid-vermittelten Tumorzelltoxizität mitunter die Aktivierung von Caspasen und demnach eine Induktion von Apoptose zugrunde liegt. Zudem waren an SK-BR-3-Zellen TRAIL- bzw. atRA-induzierte Alterationen der Bcl-2-Proteine tBid, Bak, Mcl-1 und Bcl-2 sowie des Inhibitor-of-Apoptosis-Proteins Survivindetektierbar. Während die kombinierte Exposition der genannten Tumorzell-Modelle gegenüberTRAIL und Retinoiden mit einer synergistischen Proliferationsinhibition assoziiert war, wiesen primäre Osteoblasten sowie mammäre Epithelzellen selbst bei Applikation verhältnismäßig hoher Konzentrationen allenfalls geringe Suszeptibilitäten auf. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse bestätigen demnach das Potenzial einer Malignom-selektiven zytotoxischen und zytostatischen Wirksamkeit des untersuchten Kombinationskonzepts und geben Anlass zur Evaluation seiner klinischen Anwendbarkeit als zielgerichtete und nebenwirkungsarme Alternative zur aktuellen Pharmakotherapie des Mammakarzinoms und des Osteosarkoms.

With a lifetime prevalence of 12.5%, breast cancer is the most common malignancy in women. The frequent occurrence of habitual or in the clinical course establishing pharmacoresistances implicates the necessity of exploring further mechanisms of action. Despite of being a rare neoplasm in the general population, osteosarcoma is the most frequent bone tumour in children and adolescents. Due to the dismal prognosis of especially poor responders and patients with metastatic disease, exploration of alternative, effective and tumour selective pharmacotherapies is clinically relevant. For rhTRAIL, a member of the TNF protein family that induces apoptosis via ligation of cell surface receptors, malignancy-specific and low systemic toxicity has already been verified. By binding nuclear hormone receptors that in turn fungate as ligand-activated transcription factors, retinoids act as regulators of signal transduction components directing proliferation and apoptosis. The present work focuses on analysing and characterizing tumour cell-inhibiting effects of a TRAIL and retinoid combination on breast cancer and osteosarcoma cell culture models. The outlined results indicate that from the applied tumour cell lines, all mesenchymal phenotypes exhibited high TRAIL and low retinoid susceptibility, whereas the bulk of epithelial cell cultures was TRAIL- resistant. In addition, all highly retinoid-sensitive cell lines had epithelial morphologies. The simultaneous incubation with TRAIL and atRA or 9cisRA resulted in a synergistic inhibition of proliferation based on cytostatic and cytotoxic mechanisms. In SK-BR-3 breast cancer cells, the combination effect correlated with augmented fragmentation of nuclear DNA and TRAIL receptor upregulation. In Saos-2 osteosarcoma cultures, the synergism was associated with elevated activation of caspase 3. The diminution of antiproliferative combination effects on both in-vitro-models by inhibition of caspases implicates, that the TRAIL- and retinoid-induced tumour cell toxicity may – at least in part – result from caspase activation and thus, induction of apoptosis. Moreover, TRAIL- and atRA-treated SK-BR-3 cells showed alterations of the Bcl-2 proteins tBid, Bak, Mcl-1 and Bcl-2 as well as of the inhibitor of apoptosis protein Survivin. Whereas the combined exposition of the above- named tumour cell culture models to TRAIL and retinoids lead to synergistic growth inhibition, primary osteoblasts and mammary epithelial cells showed – even at proportionally high concentrations – merely slight susceptibilities. Hence, the results revealed by this work clearly confirm the tumour-selective cytostatic and cytotoxic effects of a TRAIL and retinoid combination scheme and give rise to its evaluation as a targeted and adverse event-depleted alternative to actual treatment algorithms in breast cancer and osteosarcoma pharmacotherapy.