Wirkungen von YC-1 (3-(5´-hydroxymethyl-2´furyl)-1-benzylindazole) auf Zellwachstum, Vitalität und Radiosensibilität von Tumorzellen unter hypoxischem Stress

Abstract

Tumorzellen in akuter aber auch in wechselnden Phasen chronischer Hypoxie sind deutlich resistenter gegenüber Bestrahlung mit ionisierenden Strahlen als Zellen, die ausreichend mit Sauerstoff versorgt sind. Gleichzeitig weist die Mehrzahl aller soliden Tumore zumindest Regionen mit erniedrigten Sauerstoffpartialdrücken auf. Dies ist eines der großen aktuellen Probleme der Strahlentherapie. Eine zentrale Rolle in diesem Anpassungsprozess spielt der Hypoxie-induzierte Transkriptionsfaktor HIF-1 (hypoxia inducible factor 1), der nicht nur die Anpassung zellulärer Stoffwechselvorgänge an Sauerstoff-reduzierte Umgebungsbedingungen reguliert, sondern auch an zahlreichen anderen regulatorischen Vorgängen beteiligt ist. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass der postulierte HIF-1 Inhibitor YC-1 die hypoxie-induzierte Expression von HIF-1 und HIF-1 regulierter Gene vermindert. Hypoxie alleine führte zu einer Reduktion der Zellproliferation, starke Hypoxie dagegen zur Induktion der Apoptose in Jurkat- und NCI-H460-Zellen, was mit mitochondrialen Veränderungen und der Aktivierung von Caspasen einherging. YC-1 verminderte das Wachstum von Tumorzellen in Normoxie und verstärkte den Hypoxie-induzierten Wachstumsarrest. Darüber hinaus wirkte YC-1 selbst zytotoxisch und verstärkte die hypoxie-induzierte Apoptose. Mögliche Mediatoren der YC-1 vermittelten zytostatischen und zytotoxischen Wirkung sind zum einen die von uns angestrebte HIF-1 Hemmung in hypoxischen Zellen, zum anderen scheint es aber auch eine HIF-1 unabhängige Zytotoxizität zu geben, hier kann man sich gut vorstellen, dass das zumindest teilweise an der Trägersubstanz DMSO liegt. YC-1 verstärkte die Wirkung ionisierender Strahlung und verminderte die Hypoxie-vermittelte Strahlenresistenz von Adenocarcinom und Lymphom Zellen. Die Steigerung der Zytotoxizität ionisierender Strahlung war sowohl in Kurzzeitassays zur Apoptose-Induktion als auch in Langzeitversuchen zu beobachten. Hypoxie bewirkte eine Verschiebung von Zellen aus G2 in G0/G1 im Zellzyklus, ein Effekt, der sich durch YC-1 umkehren ließ. In der Analyse Hypoxie-selektionierter Zellen ließen sich Veränderungen des Zellzyklus-Verhaltens nachweisen, die denen nicht-selektionierter hypoxischer Zellen ähnelten und sich ebenfalls durch YC-1 umkehren ließen. Interessanterweise war YC-1 in der Lage, die Apoptoseresistenz Hypoxie-selektionierter Tumorzellen gegenüber Stimuli des mitochondrialen Apoptoseweges zu überwinden. Die Kombination aus Bestrahlung und YC-1 erzielte in den Hypoxie-selektionierten Zellen vergleichbare Effekte wie in nicht selektionierten normoxischen Zellen.

Tumour cells exposed to constant or repeated hypoxia are more resistant to radiation than cells in a normoxic environment. In addition, there are regions of partial or thorough hypoxia in almost all solid tumours detectable. This is one of the most important problems in today’s radio oncology. One central part of this adjustment process is played by HIF-1 (hypoxia inducible factor 1) that regulates adaptation of cellular metabolism to oxygen-reduced environment, but plays also a key role at a diversity of regulatory procedures. Our work shows that a proposed HIF-1 inhibitor, YC-1, reduces the amount of hypoxia-induced expression of HIF-1 regulated genes. Hypoxic environment reduced proliferation of cells and intensified hypoxia induced apoptosis as recorded by activation of caspases and mitochondrial damage. YC-1 reduced tumour growth under normoxic conditions in vitro and augmented hypoxia-induced growth arrest. Moreover, YC-1 led to cell death itself and increased hypoxia-induced apoptosis. Possible modes of action are either inhibition of HIF-1 expression in hypoxic cells or a HIF-1 independent way of cytotoxicity possibly enhanced by the carrier substance DMSO. YC-1 intensified radiation-induced effects on tumour cells and decreased hypoxia-induced radio resistance in cells originating from adenocarcinoma or from B-cell lymphoma. This augmentation of radiation-induced cytotoxicity could be demonstrated in short-term assays, monitoring induction of apoptosis, as well as in long-term experiments. Hypoxia induced a shift in cell cycle progression by reducing the amount of cells in G2 and increasing the number of cells in G0/G1 phase. Analysing hypoxia-selected cells revealed changes during the cell cycle that resembled those of non-selected hypoxic cells and could be reversed using YC-1. Most interestingly, YC-1 was able to overcome resistance against stimuli emitted by the mitochondrial apoptotic pathway, as observed in hypoxia-selected tumour cells. A combination of radiation and YC-1 showed similar effects in hypoxia-selected and non-selected normoxic tumour cells.