Expression HIF-1 abhängier Gene nach Inhibition von HIF-1α mittels Sirna in humanen Lungenadenokarzinomzellen und deren Regulation nach Photonen- und Kohlenstoffionenbestrahlung

Die Strahlentherapie spielt eine bedeutende Rolle in der Behandlung von Bronchialkarzinomen; Dabei gilt es Resistenzfaktoren zu erkennen und nach Möglichkeit zu umgehen. Für die Bestrahlung mit Photonen ist bekannt, dass Hypoxie zu Therapieversagen führen kann. Dies liegt zum einen an dem sogenannte...

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1. Verfasser: Westholt, Niklas
Beteiligte: Engenhart-Cabillic, R. (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2016
Radiologie
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2016.0041
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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topic Bestrahlung
Onkologie
Carbonionirradiation
Strahlentherapie
Kohlenstoffionenbestrahlung
Hypoxie
mTOR
HIF-1
HIF-1
mTOR
Strahlenresistenz
Medizin, Gesundheit
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Onkologie
Carbonionirradiation
Strahlentherapie
Kohlenstoffionenbestrahlung
Hypoxie
mTOR
HIF-1
HIF-1
mTOR
Strahlenresistenz
Medizin, Gesundheit
Westholt, Niklas
Expression HIF-1 abhängier Gene nach Inhibition von HIF-1α mittels Sirna in humanen Lungenadenokarzinomzellen und deren Regulation nach Photonen- und Kohlenstoffionenbestrahlung
Radiation therapy plays an important role in treatment of lung cancer. Hereby, it is helpful to identify and, if possible, avoid resistance factors. It is known that hypoxia can lead to failure of treatment in radiotherapy with photons. On the one hand, this is due to a so-called chemical oxygen effect, which refers to a reduced formation of free radicals. On the other hand, it is caused by the biological oxygen effect and thus an increased expression of HIF-1 and HIF-1 dependent genes. Further it is also known that the photon radiation itself leads to increased HIF-1 expression and therefore to radiation-induced radio resistance. In regard to radiation-induced radioresistance, this thesis reviewed the situations and underlying mechanisms leading to increased HIF-1 expression and the effect this has on HIF-1 dependent genes. Further, this work was concerned with the means of preventing radiation-induced radioresistance; More specifically, it studied the following three methods of avoiding radiation-induced radioresistance: 1. Irradiation with carbon ions 2. Inhibition of PI3K / AKT / mTOR signaling cascade 3. Degradation of the mRNA of HIF-1α by siRNA transfection In summary it could be shown that both hypoxia as well as irradiation with photons (but not with carbon ions) leads to increased expression of HIF-1 and the HIF-1 dependent genes. Furthermore, it was shown that this could be due to activation of the PI3K / AKT / mTOR signaling cascade. Ultimately, it was also shown that all three methods to bypass an increased radio resistance in our in vitro system were suitable to prevent the overexpression of HIF-1 and HIF-1 dependent genes. On the one hand, cells which were irradiated with carbon ions did not show increased HIF-1 expression. On the other hand HIF-1 however does not play a major role in treatment with carbon ions. The inhibition of the PI3K / AKT / mTOR signaling pathway with rapamycin prevents induction of HIF-1 by photon irradiation and can circumvent a radiation-induced radio resistance. And furthermore transfection with siRNA can reliably prevent high HIF-1 expression and thereby possibly prevent an increased radiation resistance. To decide whether such methods are suitable for the use on humans, further research is necessary. Especially carbon ion irradiation has yet to be researched until patients can benefit from this in a regular therapy regimen and with the best possible outcome. However, it can be said that this is a promising method to overcome treatment failure in photon radiation. Furthermore the administration of rapamycin is already used in clinical practice under other conditions and could potentially contribute to higher treatment success rates. But it remains unlikely whether siRNA transfection can be performed in the human body.
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author Westholt, Niklas
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institution Radiologie
description Die Strahlentherapie spielt eine bedeutende Rolle in der Behandlung von Bronchialkarzinomen; Dabei gilt es Resistenzfaktoren zu erkennen und nach Möglichkeit zu umgehen. Für die Bestrahlung mit Photonen ist bekannt, dass Hypoxie zu Therapieversagen führen kann. Dies liegt zum einen an dem sogenannten chemischen Sauerstoffeffekt und damit an einer verminderten Radikalbildung. Zum anderem an dem biologischen Sauerstoffeffekt und damit an einer vermehrten Expression von HIF-1 und den davon abhängigen Zielgenen. Weiterhin ist bekannt, dass auch die Photonenstrahlung selber zu einer erhöhten HIF-1 Expression und damit zu einer strahleninduzierten Strahlenresistenz führt. In dieser Arbeit wurde modellhaft überprüft, wann es zu einer erhöhten HIF-1 Expression kam, wie sich dies auf die von HIF-1 abhängigen Zielgene auswirkte, was die Mechanismen hinter der vermehrten Expression waren und ob sich eine strahleninduzierte Strahlenresistenz verhindern ließ. Dabei wurden drei unterschiedliche Methoden untersucht, um diese strahleninduzierte Strahlenresistenz zu umgehen: 1. Abbau der mRNA von HIF-1α mittels siRNA Transfektion 2. Hemmung der PI3K/AKT/mTOR-Signalkaskade 3. Bestrahlung mit Kohlenstoffionen Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass sowohl Hypoxie als auch Photonenstrahlung (nicht jedoch Kohlenstoffionenstrahlung) zu einer erhöhten Expression von HIF-1 und den davon abhängigen Zielgenen führte. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass dies auf eine Aktivierung der PI3K/AKT/mTOR-Signalkaskade zurück zu führen sein könnte. Und letztlich konnte außerdem gezeigt werden, dass alle drei Methoden geeignet waren in unserem in vitro System eine vermehrte Expression von HIF-1 und den davon abhängigen Zielgenen zu verhindern und dadurch eine vermehrte Strahlenresistenz zu umgehen. Bei der Bestrahlung mit Kohlenstoffionen kam es so zum einen nicht zu einer erhöhten HIF-1 Expression; Zum anderen spielt jedoch HIF-1 bei der Therapie mit Kohlenstoffionen wahrscheinlich nur eine untergeordnete Rolle. Die Hemmung der PI3K/AKT/mTOR-Signalkaskade mittels Rapamycin verhinderte eine Induktion von HIF-1 nach Photonenbestrahlung und kann dadurch einer strahleninduzierten Strahlenresistenz entgegenwirken. Und letztlich ließ sich eine erhöhte HIF-1 Expression, beziehungsweise eine erhöhte Expression der von HIF-1 abhängigen Zielgene und dadurch womöglich auch eine vermehrte Strahlenresistenz zuverlässig durch die Transfektion mit siRNA verhindern. Um zu entscheiden, ob diese Methoden jedoch am Menschen einsetzbar sind, bedarf es weiterer Forschung. Im Bereich der Kohlenstoffionenstrahlung muss noch viel geforscht werden, bis Patienten regelhaft und mit bestmöglichen Ergebnissen von dieser Therapie profitieren können; Es lässt sich jedoch sagen, dass dies eine vielversprechende Methode bei Therapieversagen unter Photonenstrahlung ist. Auch Rapamycin wird bereits in der Klinik unter anderen Indikationen angewandt und könnte hier möglicherweise zu höheren Therapieerfolgsquoten beitragen. Ob jedoch eine siRNA Transfektion im menschlichen Organismus durchgeführt werden kann, ist unwahrscheinlich, da bei systemischer Anwendung mit weitreichenden Nebenwirkungen zu rechnen ist.
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contents Radiation therapy plays an important role in treatment of lung cancer. Hereby, it is helpful to identify and, if possible, avoid resistance factors. It is known that hypoxia can lead to failure of treatment in radiotherapy with photons. On the one hand, this is due to a so-called chemical oxygen effect, which refers to a reduced formation of free radicals. On the other hand, it is caused by the biological oxygen effect and thus an increased expression of HIF-1 and HIF-1 dependent genes. Further it is also known that the photon radiation itself leads to increased HIF-1 expression and therefore to radiation-induced radio resistance. In regard to radiation-induced radioresistance, this thesis reviewed the situations and underlying mechanisms leading to increased HIF-1 expression and the effect this has on HIF-1 dependent genes. Further, this work was concerned with the means of preventing radiation-induced radioresistance; More specifically, it studied the following three methods of avoiding radiation-induced radioresistance: 1. Irradiation with carbon ions 2. Inhibition of PI3K / AKT / mTOR signaling cascade 3. Degradation of the mRNA of HIF-1α by siRNA transfection In summary it could be shown that both hypoxia as well as irradiation with photons (but not with carbon ions) leads to increased expression of HIF-1 and the HIF-1 dependent genes. Furthermore, it was shown that this could be due to activation of the PI3K / AKT / mTOR signaling cascade. Ultimately, it was also shown that all three methods to bypass an increased radio resistance in our in vitro system were suitable to prevent the overexpression of HIF-1 and HIF-1 dependent genes. On the one hand, cells which were irradiated with carbon ions did not show increased HIF-1 expression. On the other hand HIF-1 however does not play a major role in treatment with carbon ions. The inhibition of the PI3K / AKT / mTOR signaling pathway with rapamycin prevents induction of HIF-1 by photon irradiation and can circumvent a radiation-induced radio resistance. And furthermore transfection with siRNA can reliably prevent high HIF-1 expression and thereby possibly prevent an increased radiation resistance. To decide whether such methods are suitable for the use on humans, further research is necessary. Especially carbon ion irradiation has yet to be researched until patients can benefit from this in a regular therapy regimen and with the best possible outcome. However, it can be said that this is a promising method to overcome treatment failure in photon radiation. Furthermore the administration of rapamycin is already used in clinical practice under other conditions and could potentially contribute to higher treatment success rates. But it remains unlikely whether siRNA transfection can be performed in the human body.
title_alt Expression of HIF-1 dependen genes after inhibiotion of HIF-1α with Sirna in human bronchialcarcinoma cells and their regulation after photon- and carbonionirradiation
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In dieser Arbeit wurde modellhaft überprüft, wann es zu einer erhöhten HIF-1 Expression kam, wie sich dies auf die von HIF-1 abhängigen Zielgene auswirkte, was die Mechanismen hinter der vermehrten Expression waren und ob sich eine strahleninduzierte Strahlenresistenz verhindern ließ. Dabei wurden drei unterschiedliche Methoden untersucht, um diese strahleninduzierte Strahlenresistenz zu umgehen: 1. Abbau der mRNA von HIF-1α mittels siRNA Transfektion 2. Hemmung der PI3K/AKT/mTOR-Signalkaskade 3. Bestrahlung mit Kohlenstoffionen Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass sowohl Hypoxie als auch Photonenstrahlung (nicht jedoch Kohlenstoffionenstrahlung) zu einer erhöhten Expression von HIF-1 und den davon abhängigen Zielgenen führte. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass dies auf eine Aktivierung der PI3K/AKT/mTOR-Signalkaskade zurück zu führen sein könnte. Und letztlich konnte außerdem gezeigt werden, dass alle drei Methoden geeignet waren in unserem in vitro System eine vermehrte Expression von HIF-1 und den davon abhängigen Zielgenen zu verhindern und dadurch eine vermehrte Strahlenresistenz zu umgehen. Bei der Bestrahlung mit Kohlenstoffionen kam es so zum einen nicht zu einer erhöhten HIF-1 Expression; Zum anderen spielt jedoch HIF-1 bei der Therapie mit Kohlenstoffionen wahrscheinlich nur eine untergeordnete Rolle. Die Hemmung der PI3K/AKT/mTOR-Signalkaskade mittels Rapamycin verhinderte eine Induktion von HIF-1 nach Photonenbestrahlung und kann dadurch einer strahleninduzierten Strahlenresistenz entgegenwirken. Und letztlich ließ sich eine erhöhte HIF-1 Expression, beziehungsweise eine erhöhte Expression der von HIF-1 abhängigen Zielgene und dadurch womöglich auch eine vermehrte Strahlenresistenz zuverlässig durch die Transfektion mit siRNA verhindern. Um zu entscheiden, ob diese Methoden jedoch am Menschen einsetzbar sind, bedarf es weiterer Forschung. Im Bereich der Kohlenstoffionenstrahlung muss noch viel geforscht werden, bis Patienten regelhaft und mit bestmöglichen Ergebnissen von dieser Therapie profitieren können; Es lässt sich jedoch sagen, dass dies eine vielversprechende Methode bei Therapieversagen unter Photonenstrahlung ist. Auch Rapamycin wird bereits in der Klinik unter anderen Indikationen angewandt und könnte hier möglicherweise zu höheren Therapieerfolgsquoten beitragen. Ob jedoch eine siRNA Transfektion im menschlichen Organismus durchgeführt werden kann, ist unwahrscheinlich, da bei systemischer Anwendung mit weitreichenden Nebenwirkungen zu rechnen ist. 2016 Radiation therapy plays an important role in treatment of lung cancer. Hereby, it is helpful to identify and, if possible, avoid resistance factors. It is known that hypoxia can lead to failure of treatment in radiotherapy with photons. On the one hand, this is due to a so-called chemical oxygen effect, which refers to a reduced formation of free radicals. On the other hand, it is caused by the biological oxygen effect and thus an increased expression of HIF-1 and HIF-1 dependent genes. Further it is also known that the photon radiation itself leads to increased HIF-1 expression and therefore to radiation-induced radio resistance. In regard to radiation-induced radioresistance, this thesis reviewed the situations and underlying mechanisms leading to increased HIF-1 expression and the effect this has on HIF-1 dependent genes. Further, this work was concerned with the means of preventing radiation-induced radioresistance; More specifically, it studied the following three methods of avoiding radiation-induced radioresistance: 1. Irradiation with carbon ions 2. Inhibition of PI3K / AKT / mTOR signaling cascade 3. Degradation of the mRNA of HIF-1α by siRNA transfection In summary it could be shown that both hypoxia as well as irradiation with photons (but not with carbon ions) leads to increased expression of HIF-1 and the HIF-1 dependent genes. Furthermore, it was shown that this could be due to activation of the PI3K / AKT / mTOR signaling cascade. Ultimately, it was also shown that all three methods to bypass an increased radio resistance in our in vitro system were suitable to prevent the overexpression of HIF-1 and HIF-1 dependent genes. On the one hand, cells which were irradiated with carbon ions did not show increased HIF-1 expression. On the other hand HIF-1 however does not play a major role in treatment with carbon ions. The inhibition of the PI3K / AKT / mTOR signaling pathway with rapamycin prevents induction of HIF-1 by photon irradiation and can circumvent a radiation-induced radio resistance. And furthermore transfection with siRNA can reliably prevent high HIF-1 expression and thereby possibly prevent an increased radiation resistance. To decide whether such methods are suitable for the use on humans, further research is necessary. Especially carbon ion irradiation has yet to be researched until patients can benefit from this in a regular therapy regimen and with the best possible outcome. However, it can be said that this is a promising method to overcome treatment failure in photon radiation. Furthermore the administration of rapamycin is already used in clinical practice under other conditions and could potentially contribute to higher treatment success rates. But it remains unlikely whether siRNA transfection can be performed in the human body. Expression of HIF-1 dependen genes after inhibiotion of HIF-1α with Sirna in human bronchialcarcinoma cells and their regulation after photon- and carbonionirradiation http://dx.doi.org/10.17192/z2016.0041 2016-02-04 opus:6527 Philipps-Universität Marburg Westholt, Niklas Westholt Niklas ths Prof. Dr. Engenhart-Cabillic R. Engenhart-Cabillic, R. (Prof. Dr.)
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