Effects of novelly synthesized nucleolipides on different tumor cell lines (HT29, HepG2, Panc-1, RenCa) with special respect to glioma cell lines (BT4Ca, GOS3, G28, G112, U251, U87) of human or other species

Today cancer is the second leading cause of death around the world. The World Health Organization predicts an increase from 9.6 million in 2018 up to 16.4 million cancer deaths in 2040. Although tumors of the brain and the nervous system are rather unusual among adults (2 %), they are the second mos...

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Main Author: Hammerbacher, Katharina
Contributors: Kinscherf, Ralf (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2020
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Table of Contents: Aktuell gehört Krebs zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Die Welt-Gesundheits-Organisation prognostiziert einen Anstieg von 9,5 Millionen Krebs assoziierten Todesfällen im Jahre 2018 auf 16,4 Millionen im Jahre 2040. Obwohl Tumore des Gehirns und des zentralen Nervensys-tems bei Erwachsenen eher selten vorkommen (2 %), sind sie bei Kindern die am zweithäufigsten diagnostizierte Krebsart. Gliome und Meningiome stellen 30 % aller Tumore des Gehirns und Zent-ralen Nervensystems sowie 80 % aller bösartigen intrakranialen Tumore. Die Standardtherapie beginnt im Regelfall mit der operativen Entfernung, gefolgt von Radio- und Chemotherapie. Auf Grund der intrakranialen Lokalisation von Gliomen sind chirurgische Maßnahmen jedoch sehr ris-kant, wodurch Bestrahlungen und chemotherapeutische Behandlungen an Bedeutung gewinnen. 5-Fluorouracil (5-FU) ist ein seit vielen Jahren genutzter Wirkstoff, das als Chemotherapeutikum gegen schnell wachsende Krebszellen eingesetzt wird. Bedauerlicherweise bringt er auch ein breites Spektrum an unerwünschten Nebeneffekten für einige Organsysteme mit sich. Um die Passage durch die Blut-Hirn-Schranke und die Aufnahme in die Zelle und damit die Effektivität solcher Sub-stanzen zu verbessern, entwickelten und synthetisierten unsere Kooperationspartner Prof. Dr. Ro-semeyer und seine Kollegen am Institut für Chemie und Materialien der Universität Osnabrück über 120 neue Nukleolipidderivate. Die Struktur dieser Nukleolipide beruht auf dem 5-FU Derivat 5-Fluorouridine (5-FUrd) oder den Nukleosiden Adenosin, Cladribin, Formycin, Guanosin, Inosin und weiteren. Die Derivate dieser Grundsubstanzen sind an mehreren Positionen verändert und tragen zusätzlich verschiedene chemische Seitenketten um ihre Wasser- und Fettlöslichkeit zu beeinflus-sen. Durch diese Modifikationen soll der Übergang durch die Blut-Hirn-Schranke sowie die Aufnahme in die Zelle erleichtert werden. Zu Beginn der Studie untersuchten wir den Einfluss von 5-FUrd und den 120 neu synthetisierten Derivaten auf die Viabilität der aus Ratten stammenden BT4Ca und humanen GOS3 Gliom Zellen sowie differenzierten humanen Makrophagen (THP1). Fünf Derivate (S.18, 19, 38, 98 und 101), die keine oder nur eine geringe schädliche Wirkung für die Makrophagen zeigten, gleichzeitig jedoch effektiv gegen beide Gliom Zelllinien (BT4Ca und GOS3) wirkten, wurden ausgewählt und weiter analysiert. Bemerkenswert ist, dass trotz der Anzahl von 120 getesteten Substanzen, die sowohl Purine als auch Pyrimidine einschlossen, alle fünf ausgewählten Derivate zur Gruppe der Pyrimidine gehören. Vergleicht man die chemische Struktur der ausgewählten Derivate, spielt die Position der angehängten Farnesylkette offenbar eine wichtige Rolle für die Effektivität (S.98 versus S.18, 38 und 101). Wir zeigen, dass die ausgewählten Derivate, deren Grundlage Adenosin (S.38), Formycin (S.98) und Inosin (S.18, 19, 101) bilden, einen vergleichbaren oder sogar stärkeren zytostati-schen/zytotoxischen Effekt wie das bekannte chemotherapeutische Mittel 5-FU haben. Auch bei weiteren untersuchten humanen Gliom Zellen (G28, G112, U251 und U87) und anderen Tumorenti-täten (HT29, HepG2, Panc-1 und RenCa) können wir diese Effekte beobachten. Diese sind abhängig vom eingesetzten Derivat sowie dessen Konzentration und des verwendeten, spezifischen Zelltyps. Für weiterführende Versuche wurden die Ratten BT4Ca Gliom Zellen exemplarisch als Model für schnellwachsende Glioblastomzellen verwendet. Wir analysierten unterschiedliche intrazelluläre Mechanismen, die möglicherweise an den bereits beobachteten zytotoxischen Wirkungen der fünf ausgewählten Derivate (S.18, 19, 38, 98 und 101) beteiligt sind. Unsere Versuchsergebnisse dokumentieren, dass die Behandlung der Ratten BT4Ca Gliom Zellen mit einem dieser fünf Derivate zu einem konzentrationsabhängigen Anstieg der apoptotischen Zellzahl führt. In den Konzentrationen 25 und 50 µM löst jedes der ausgewählten Derivate eine deutliche Steigerung der Capspase 3 Aktivität aus, wodurch die beobachtete Induktion der Apoptose bestätigt wird. Mit steigenden Konzentrationen (12.5, 25 und 50 µM) sehen wir allerdings auch einen erhöhten Anteil an nekrotischen Zellen. Dieser Anstieg ist vermutlich auf den Prozess der sekundär-Nekrose zurückzuführen. Neben dem Zelltod durch Apoptose, detektieren wir nach der Behandlung mit den jeweiligen Derivaten auch ein verringertes Level des Proteins PCNA, wodurch die Zellteilung der Ratten BT4Ca Zellen zusätzlich vermindert wird. Im Gegensatz zu den Derivaten hat die Behandlung mit 5-FUrd keinen Einfluss auf die gemessene Menge von PCNA. Demnach hat 5-FUrd unter unseren experimentellen Bedingungen keinen Einfluss auf die Zellteilungsrate der Ratten BT4Ca Zellen, was den beobachteten zytostatischen Effekt von 5-FUrd erklärt. Darüber hinaus beobachten wir nach der Behandlung der Ratten BT4Ca Zellen mit den Derivaten (50 µM) eine enorme Anhäufung von Sauerstoff Radikalen (ROS) pro Zelle. Besonders der Einsatz der Derivate S.18, 38 und 98 verursacht hohen oxidativen Stress für die Ratten BT4Ca Zellen. Allerdings führt nur die Behandlung mit Derivat S.98 zu einer eindeutigen Verringerung des rGSH/GSSG Verhältnisses und beeinflusst damit die physiologisch zur Verfügung stehende Menge des Antioxidans Glutathion. Keines der fünf ausgewählten Derivate führt zur Translokation der NFκB-Untereinheit p65 vom Zytoplasma in den Zellkern und damit zur Aktivierung von NFκB in den Ratten BT4Ca Zellen. Der Einfluss der Derivate auf die Migration der Ratten BT4Ca Zellen muss durch weitere Untersu-chungen validiert werden. Die bisherigen Analysen zeigen, dass die Derivate S.18, 19, 38, 98 und 101 grundlegende Eigenschaften aufweisen, wodurch sie für die Behandlung von diversen bösarti-gen Krebszellen geeignet sind. Die fünf ausgewählten Derivate, besonders, S.19 und S.98, tragen durch ihr breites zytotoxisches Wirkungsspektrum und die Hemmung der Zellteilungsrate ein hohes Potential gegen mehrere, unterschiedliche Tumorentitäten als neue Wirkstoffe im Bereich der Chemotherapie Verwendung zu finden.