Mechanismen der Hypoxie-induzierten Chemoresistenz in Lungenkarzinomzellen - Die Rolle von HIF-1, COX-2 und S1P

Mechanisms of hypoxia-induced chemoresistance in lung carcinoma cells - The role of HIF-1, COX-2 and S1P.

  • Die Resistenz solider Tumoren gegenüber der Behandlung mit Medikamenten oder Bestrahlung ist ein häufig auftretendes Phänomen. Insbesondere das Auftreten von Chemoresistenzen stellt ein großes Problem bei der Behandlung von Krebs dar. Aufgrund einer Unterversorgung des Gewebes kommt es in soliden Tumoren zur Bildung des so genannten ‚hypoxischen Kern’ (hypoxic core), welcher bei der Progression und Metastasierung des Tumors eine wichtige Rolle spielt. Es wird diskutiert, inwieweit Hypoxie an der Entstehung von Resistenzen gegenüber unterschiedlichen Therapieansätzen beteiligt ist. Das Ziel der Arbeit war es, die Fragestellung zu klären, ob Hypoxie vor Apoptose, ausgelöst durch Chemotherapeutika, schützt. Wenn sich diese Vermutung bestätigen sollte, sollten die zu Grunde liegenden Mechanismen dieser Chemoresistenz aufgeklärt werden. Es konnte festgestellt werden, dass es in A549 Zellen unter Hypoxie durch ein Zusammenspiel mehrerer unabhängiger Signalwege zum Schutz vor Etoposid-induzierter Apoptose kommt. Zum einen induziert Hypoxie die Stabilisierung und Aktivierung von HIF-1. Über einen intrazellulären Mechanismus, wahrscheinlich der Expression anti-apoptotischer Zielgene, kommt es zur Desensitivierung der Zellen gegenüber der Behandlung mit Etoposid. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass es unter Hypoxie unabhängig von HIF-1 zur Freisetzung von Schutzfaktoren kommt. Diese vermitteln über auto- oder parakrine Wege anti-apoptotische Signale. Hypoxie führte zu einer Akkumulation der Cyclooxygenase-2 (COX-2), welche maßgeblich an der Freisetzung des Schutzfaktors beteiligt ist. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass die Stimulation mit PGE2 zu einer erhöhten Resistenz von A549 Zellen gegenüber Etoposid-induzierter Apoptose führte. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die basale Aktivität der Sphingosin-Kinasen für die Vitalität von A549 Zellen essenziell ist. Unter Hypoxie wurde darüber hinaus eine Aktivierung der Sphingosin-Kinase 2 (SphK2) festgestellt, wodurch eine vermehrte Synthese und Freisetzung von Sphingosin-1-phosphat (S1P) induziert wurde. Es kommt unter Hypoxie über zwei unabhängige Signalwege zur Freisetzung von PGE2 und S1P, welche in Zielzellen einen chemoresistenten Phänotyp induzieren. Die Übertragung des anti-apoptotischen Signals erfolgte über die Aktivierung der ERK1/2-Signalkaskade. Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass Hypoxie über die Aktivierung von HIF-1, COX-2 und SphK2 in A549 Zellen die Resistenz gegenüber Chemotherapeutika induziert. Hierbei sind neben intrazellulären Signalen auch auto- und parakrin wirkende Mechanismen beteiligt. Als Übermittler des übertragbaren anti-apoptotischen Signals konnten S1P und PGE2 identifiziert werden, die über die Aktivierung von ERK1/2 vor Apoptose schützen.
  • Chemoresistance is a common feature of most solid tumours that often correlates treatment failure. Due to reduced oxygen availability, solid tumours develop hypoxic areas – so called hypoxic core. This region plays an important role in tumor progression and metastasis. In recent years, the impact of hypoxia in the development of a chemoresistant phenotype of solid tumours is lively discussed. The aim of this work to answer the question, whether or not, hypoxia protects cells from chemotherapeutic-induced apoptosis. If so, the underlying mechanisms will be elucidated. A549 cells pre-incubated under hypoxia showed a chemoresistant phenotype due to an interaction of at least three independent signalling pathways. First, hypoxia-induced activation of HIF-1 induced intracellular expression of anti-apoptotic target genes leading to cell protection from drug-induced apoptosis. Moreover, hypoxia triggered the release of anti-apoptotic molecules mediating an auto-/paracrine cell protection. Activation of Cyclooxygenase-2, observed under hypoxia, was applicable for the release of anti-apoptotic molecules, most likely Prostaglandine E2, which showed strong anti-apoptotic properties. Additionally, basal activity of Sphingosine-kinases was essential for viability of A549 cells. Hypoxia caused the induction of Sphingosine-kinase 2 activity, leading to an enhanced synthesis and release of anti-apoptotic Sphingosine-1-phosphate. The release of Prostaglandine E2 and Sphingosine-1-phosphate leads to a downstream activation of ERK1/2 signalling that mediates chemoresistance in target cells, independently of oxygen concentrations. In summary I could show, that hypoxia induces the activation of HIF-1 that protects A549 cells via the expression of protective target genes acting intracellular. Second, accumulation of cyclooxygenase-2 and activation of sphingosine-kinase 2 trigger the release of anti-apoptotic molecules, most likely PGE2 and S1P, protecting cells via an auto-/paracrine mechanisms activating ERK1/2 signalling in target cells.

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Metadaten
Author:Steffen Erik Schnitzer
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-21695
Advisor:Bernhard Brüne
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2008
Year of Publication:2008
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2008/03/05
Tag:COX-2 ; HIF-1 ; S1P ; SphK2
COX-2; HIF-1 ; S1P ; chemoresistance ; hypoxia
GND-Keyword:Apoptosis; Arzneimittelresistenz ; Hypoxie
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Biologie
DDC-Cassification:570 Biowissenschaften; Biologie

$Rev: 12793 $