Molecular mechanisms of therapy resistance and recurrence in glioblastoma multiforme

Das Glioblastom (GBM) WHO Grad 4 ist der bösartigste und häufigste primäre Hirntumor mit einer Gesamtüberlebensrate von 9,8 % nach fünf Jahren. Praktisch jedes Mal scheitert die Standardbehandlung bestehend aus Operation und Radio- und Chemotherapie mit Temozolomid (TMZ), und der Tumor entwickelt sich weiter, bildet Resistenzmechanismen aus und kehrt in Form eines Rezidivs zurück. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, das Forschungsfeld auszuweiten, um diese Mechanismen besser zu verstehen, den Tumor tiefer zu klassifizieren, kombinatorische Biomarker zu erstellen und neue therapeutische Ansätze zur Überwindung der Therapieresistenzen zu entwickeln. Die hier aufgeführte erste Veröffentlichung thematisiert TMZ-Resistenzmechanismen, die auf dem veränderten Stoffwechsel des Tumors und der pH-Wert Regulierung beruhen. Die Carboanhydrase 2 (CA2) wurde zuvor als konsistent und signifikant hochreguliert in rezidiviertem GBM-Gewebe und in TMZ-resistenten GBM-Stammzellen (GSZs) beschrieben. In CA2-hochexprimiertenden GBM-Zelllinien, die durch CRISPR/Cas9 induziert wurden, konnte ein erhöhter Sauerstoffverbrauch und eine erhöhte extrazelluläre Ansäuerung festgestellt werden. Diese Beobachtung ergibt sich aus der bekannten Funktion des Protonenaustauschers CA2, die aerobe Glykolyse (Warburg Effekt) und den Protonenausstoß mit voranzutreiben. Dies führt zu einem niedrigen extrazellulären pH-Wert und zu einer pro-invasiven und pro-entzündlichen Tumormikroumgebung. Der pan-CA Inhibitor Acetazolamid (ACZ) unterdrückte den Sauerstoffverbrauch und die extrazelluläre Übersäuerung effizienter als der selektivere CA2-Inhibitor Brinzolamid (BRZ) in CA2-überexprimierenden GBM-Zellen, was auf die entscheidende Rolle zusätzlicher CA-Isoenzyme hinweist, die zur pH-Regulierung und damit zum Warburg-Effekt beitragen. Im Gegensatz dazu reduzierte BRZ die Infiltrationsrate effizienter und verstärkte die TMZ-induzierte und Zelltod-vermittelnde Autophagie in CA2-überexprimierenden Zellen sowie in hoch CA2-exprimierenden und in TMZ-resistenten GSZ deutlicher. Diese Daten deuten darauf hin, dass eine BRZ-induzierte pH-Wert-Verschiebung auf ein physiologisches Niveau die TMZ-Behandlung optimieren könnte. In einem weiteren Manuskript wurden die Signalwege, die zur Tumorprogression und Resistenzentwicklung beitragen, auf den Einfluss der Disintegrin- und Metalloproteinase 8 (ADAM8) untersucht. Neben seiner Fähigkeit, extrazelluläre Matrixproteine zu spalten und dadurch die Tumormikroumgebung mitzugestalten, kann ADAM8 als Multidomänenenzym an Integrine binden und so verschiedene Signalwege modulieren. Hier wurde untersucht, wie ADAM8 die microRNA (miRNA) Expressionsprofile durch intra- und extrazellulare Signalübertragung reguliert. Beim Vergleich von GBM-Zellen mit endogener ADAM8 Expression zu CRISPR/Cas9 induziertem Verlust der ADAM8 Expression wurden mehrere dysregulierte miRNAs identifiziert. Die Expression des Tumorsuppressors miR-181a-5p war in Zellen mit fehlender ADAM8 Expression hochreguliert. Es wurde festgestellt, dass ADAM8 die Unterdrückung von miR-181a-5p über STAT3 und MAPK-Signalwege vermittelt. Die Transfektion einer miR-181a-5p Mimik unterdrückte die GBM-Zellproliferation teilweise durch die post-transkriptionelle Hemmung von MEK1/2, ERK1/2 und CREB-1, was indirekt auf die MMP9 Expressionsunterdrückung abzielte. Bei der Aufschlüsselung der ADAM8-vermittelten Signalübertragung unter der Beteiligung von miR-181a-5p wurde eine ADAM8/STAT3/miR-181a-5p/Osteopontin- und ADAM8/ERK1/2/CREB-1/miR/181a-5p Achse mit einer negativen Rückkopplungsschleife auf MMP9 untersucht. Mit dem Verlust der zellulären ADAM8 Expression gingen niedrigere miR-181a-5p Mengen in extrazellulären Vesikeln einher. Somit könnte die ADAM8-vermittelte Unterdrückung von miR-181a-5p in den benachbarten Zellen eine Runterregulation von MMP9 verhindern und dadurch Invasivität und Proliferation fördern. Klinisch wurde miR-181a-5p in Serum-EVs nachgewiesen und in GBM-Gewebeproben im Vergleich zu ADAM8 herunterreguliert vorgefunden, wobei ADAM8 mit der MMP9 mRNA Expression korrelierte. Die vielseitigen Einflüsse von ADAM8 auf progressions- und resistenzfördernde Signalwege, auch durch miRNA Regulation, rechtfertigen weitere experimentelle Ansätze, die auf ADAM8 beim GBM abzielen. Schließlich wurden die miRNA-Expressionsmuster von drei von Patienten stammenden GSZs im Vergleich zu den entsprechenden differenzierten astrozytären Zelllinien untersucht. Einundreißig signifikant veränderte miRNAs wurden identifiziert, darunter zehn stark dysregulierte miRNAs, die an der GBM-Progression und der Ausbildung eines Stammzellphänotyps beteiligt sind. Die Transfektion von miR-425-5p reduzierte die PTEN- und GFAP-Proteinexpression in von Patienten stammenden GBM-Zelllinien, was darauf hindeutet, dass sie den GSC-Phänotyp teilweise induziert. Eine KEGG-Anreicherungsanalyse der miRNA-mRNA-Beziehung offenbarte einen Teil des dynamischen miRNA/Signalnetzwerks, das über die Differenzierung von Stammzellen entscheidet. Diese Daten führen zu einer weiteren Klassifizierung des zellulären Subtyps. Ferner deuten sie auf potenzielle Zielmoleküle, die zur Stimulation der SZ-Differenzierung beitragen können, um den Tumor anfälliger für Behandlungsstrategien zu machen.