Das Harnblasenkarzinom (BCa) stellt in Deutschland die vierthäufigste Tumorneuerkrankung und die zehnthäufigste krebsbedingte Todesursache bei Männern dar. Nichtmuskelinvasive BCa werden organerhaltend aus der Blasenwand entfernt und zur Rezidiv- und Progressionsprophylaxe mittels intravesikaler Chemo- oder Immuntherapien behandelt. Trotz dieser adjuvanten Therapien, die mit starken Nebenwirkungen verbunden sein können, ist nur eine bedingte Minimierung des Rezidivrisikos möglich. Besonders im fortgeschrittenen Stadium weisen Harnblasenkarzinome eine schlechte Prognose auf. Obwohl das BCa eine chemosensitive Erkrankung darstellt, wird das Ansprechen auf lokale oder systemische Chemotherapien häufig durch auftretende Resistenzmechanismen limitiert. Daher stehen sowohl die Verbesserung konventioneller Chemotherapien als auch die Suche nach neuartigen Behandlungsstrategien im Fokus der experimentellen BCa-Forschung. Die Apoptose, eine Form des programmierten Zelltodes, ist ein essenzieller, streng regulierter biologischer Prozess, welcher der Aufrechterhaltung der Gewebshomöostase und der gezielten, entzündungsfreien Eliminierung geschädigter Zellen dient. Fehlregulationen in den Apoptosesignalwegen stellen ein zentrales Ereignis in der Tumorgenese dar und tragen außerdem zur Entstehung von Chemo- und Radiotherapieresistenzen bei. Eine wichtige Rolle in der Apoptoseregulation spielen die Mitglieder der BCL2- und der Inhibitor of Apoptosis Protein (IAP)-Familien, deren wichtigste antiapoptotische Vertreter BCL2, BCL-XL, XIAP und Survivin häufig in Tumoren, einschließlich des BCa, überexprimiert sind. Unter Verwendung von small interfering RNAs (siRNAs), synthetischen Nukleinsäurekonstrukten zur selektiven Geninhibition, wurde im Rahmen der Arbeit in vitro und in vivo untersucht, ob die Hemmung der Apoptoseinhibitoren BCL2, BCL-XL, XIAP und Survivin – allein und in Kombination mit Chemotherapie – eine Therapieoption zur Behandlung des BCa darstellen könnte. Da zur Tumorentstehung und -progression eine Vielzahl von genetischen Veränderungen beitragen, erscheint der Angriff eines einzelnen Zielgens unzureichend für eine effektive Tumortherapie. Aufgrund dessen wurde untersucht, ob durch simultane Reduktion der ausgewählten Apoptoseinhibitoren in BCa-Zellen stärkere wachstumsinhibitorische Effekte erzielt werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass insbesondere die siRNA-vermittelte Hemmung von BCL-XL und Survivin in den BCa-Zelllinien EJ28 und J82 antiproliferative Effekte hervorruft und diese Tumorzellen gegenüber einer nachgeschalteten Chemotherapie mit Mitomycin C oder Cisplatin sensitiviert. Hingegen bewirkte sowohl die transiente als auch die stabile RNAi-induzierte Hemmung von BCL2 und XIAP in den untersuchten BCa-Monolayerzellkulturen, möglicherweise infolge kontinuierlicher Versorgung der Tumorzellen mit Sauerstoff und Nährstoffen, keine Reduktion des Tumorwachstums. Eine gegenüber den Einzelbehandlungen deutliche Verstärkung der antitumoralen und insbesondere der chemosensitivierenden Effekte in den BCa-Zelllinien wurde durch simultane Hemmung von BCL-XL und Survivin erzielt. Beispielsweise stieg der Anteil apoptotischer Zellen von 64 % nach Survivin-siRNA+Cisplatin-Behandlung auf 94 % nach gleichzeitiger BCL-XL+Survivin-Inhibition in Kombination mit Cisplatin. Folglich stellt die simultane Inhibition von BCL-XL und Survivin in Kombination mit Chemotherapeutika eine äußert viel versprechende BCa-Therapieoption dar. Tierexperimentelle Studien belegen die wachstumsinhibitorische Wirkung der Survivin-Reduktion und der kombinierten BCL-XL-siRNA+Chemotherapie-Behandlung, so wurde das Tumorendvolumen im Vergleich zur Kontrollbehandlung um 43 % bzw. um 48 % reduziert.

Das Harnblasenkarzinom (BCa) stellt in Deutschland die vierthäufigste Tumorneuerkrankung und die zehnthäufigste krebsbedingte Todesursache bei Männern dar. Nichtmuskelinvasive BCa werden organerhaltend aus der Blasenwand entfernt und zur Rezidiv- und Progressionsprophylaxe mittels intravesikaler Chemo- oder Immuntherapien behandelt. Trotz dieser adjuvanten Therapien, die mit starken Nebenwirkungen verbunden sein können, ist nur eine bedingte Minimierung des Rezidivrisikos möglich. Besonders im fortgeschrittenen Stadium weisen Harnblasenkarzinome eine schlechte Prognose auf. Obwohl das BCa eine chemosensitive Erkrankung darstellt, wird das Ansprechen auf lokale oder systemische Chemotherapien häufig durch auftretende Resistenzmechanismen limitiert. Daher stehen sowohl die Verbesserung konventioneller Chemotherapien als auch die Suche nach neuartigen Behandlungsstrategien im Fokus der experimentellen BCa-Forschung. Die Apoptose, eine Form des programmierten Zelltodes, ist ein essenzieller, streng regulierter biologischer Prozess, welcher der Aufrechterhaltung der Gewebshomöostase und der gezielten, entzündungsfreien Eliminierung geschädigter Zellen dient. Fehlregulationen in den Apoptosesignalwegen stellen ein zentrales Ereignis in der Tumorgenese dar und tragen außerdem zur Entstehung von Chemo- und Radiotherapieresistenzen bei. Eine wichtige Rolle in der Apoptoseregulation spielen die Mitglieder der BCL2- und der Inhibitor of Apoptosis Protein (IAP)-Familien, deren wichtigste antiapoptotische Vertreter BCL2, BCL-XL, XIAP und Survivin häufig in Tumoren, einschließlich des BCa, überexprimiert sind. Unter Verwendung von small interfering RNAs (siRNAs), synthetischen Nukleinsäurekonstrukten zur selektiven Geninhibition, wurde im Rahmen der Arbeit in vitro und in vivo untersucht, ob die Hemmung der Apoptoseinhibitoren BCL2, BCL-XL, XIAP und Survivin – allein und in Kombination mit Chemotherapie – eine Therapieoption zur Behandlung des BCa darstellen könnte. Da zur Tumorentstehung und -progression eine Vielzahl von genetischen Veränderungen beitragen, erscheint der Angriff eines einzelnen Zielgens unzureichend für eine effektive Tumortherapie. Aufgrund dessen wurde untersucht, ob durch simultane Reduktion der ausgewählten Apoptoseinhibitoren in BCa-Zellen stärkere wachstumsinhibitorische Effekte erzielt werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass insbesondere die siRNA-vermittelte Hemmung von BCL-XL und Survivin in den BCa-Zelllinien EJ28 und J82 antiproliferative Effekte hervorruft und diese Tumorzellen gegenüber einer nachgeschalteten Chemotherapie mit Mitomycin C oder Cisplatin sensitiviert. Hingegen bewirkte sowohl die transiente als auch die stabile RNAi-induzierte Hemmung von BCL2 und XIAP in den untersuchten BCa-Monolayerzellkulturen, möglicherweise infolge kontinuierlicher Versorgung der Tumorzellen mit Sauerstoff und Nährstoffen, keine Reduktion des Tumorwachstums. Eine gegenüber den Einzelbehandlungen deutliche Verstärkung der antitumoralen und insbesondere der chemosensitivierenden Effekte in den BCa-Zelllinien wurde durch simultane Hemmung von BCL-XL und Survivin erzielt. Beispielsweise stieg der Anteil apoptotischer Zellen von 64 % nach Survivin-siRNA+Cisplatin-Behandlung auf 94 % nach gleichzeitiger BCL-XL+Survivin-Inhibition in Kombination mit Cisplatin. Folglich stellt die simultane Inhibition von BCL-XL und Survivin in Kombination mit Chemotherapeutika eine äußert viel versprechende BCa-Therapieoption dar. Tierexperimentelle Studien belegen die wachstumsinhibitorische Wirkung der Survivin-Reduktion und der kombinierten BCL-XL-siRNA+Chemotherapie-Behandlung, so wurde das Tumorendvolumen im Vergleich zur Kontrollbehandlung um 43 % bzw. um 48 % reduziert.

ABCB1, a member of the ATP binding cassette (ABC) transporter family, hydrolyses ATP as energy source for the translocation of substrate chemicals across the cell membrane. ABCB1-like transporters are found in all studied species. Typically, these transporters are abundant in tissues that separate compartments of the body such as the blood-brain barrier. Among the ABC transporters the ABCB1-like transporter proteins are of particular interest because they accept a broad variety of substrates and are therefore able to confer multidrug resistance (MDR) and multixenobiotic resistance (MXR) in wildlife, respectively. Inhibitors of the ABCB1-like transporter function can cause chemosensitisation, i.e. accumulation and increased sensitivity of organisms towards potentially harmful (natural/man-made) ABCB1-like substrate chemicals. In zebrafish (Danio rerio) Abcb4 was identified as functionally homologous to ABCB1. The aim of this study was to further characterise Danio rerio Abcb4 and to provide a database to approach the question to what extent ABCB1-like transporter related functions/effects are of ecotoxicological relevance. Main objectives are whether and how known ABCB1 ATPase stimulators and inhibitors interact with Abcb4 ATPase activity; to what extent ABCB1 ATPase assay data are transferable to Abcb4 ATPase assay data; and whether and how environmental chemicals interact with Danio rerio Abcb4 ATPase activity. In this study we established a test system – the ATPase assay with recombinant Danio rerio Abcb4 – to study the interaction of chemicals with the ATPase activity of the transporter protein. To relate obtained data to data for the well-known Homo sapiens ABCB1 and because available data for Homo sapiens ABCB1 were not in all cases suitable for a comparison, the ATPase assay with recombinant ABCB1 was adapted accordingly. Chemicals were tested up to concentrations in the range of their water solubilities to modulate basal and stimulator co-treated Abcb4 and/or ABCB1 ATPase activities. ATPase stimulators are often transported substrates. However, lipophilic compounds stimulating the transporter ATPase activity are not or little transported by transporter action. Therefore, experiments revealing whether compounds are translocated by transporters chemical interference with the transporter protein will not be indicated. Chemicals inhibiting the stimulator (here verapamil) co-treated ATPase activity compete with the verapamil to stimulate ATPase activity or are non-competitive inhibitors. When tested individually, these chemicals can be stimulators or inhibitors of basal ATPase activity, or do not interact with basal ATPase activity. ATPase inhibitors mitigate ATPase activity and ABCB1-like transporter mediated translocation of substrate chemicals. Obtained ATPase assay data were analysed with regard to concentrations at half-maximal effects (EC50s) and effect strengths (percent modulation). ATPase assays with recombinant Abcb4 (at 27 °C) are comparable to ABCB1 ATPase assay data obtained at 37 °C. Danio rerio Abcb4 seems less temperature-sensitive than ABCB1. Calculated activation energies for Abcb4 ATPase activities (40.75 kJ/mol for basal ATPase activity) were up to half as high as those for ABCB1 ATPase activities (81.61 kJ/mol for basal ATPase activity). Larger activation energies were previously proposed to be indicative for larger conformational rearrangements and hence possibly smaller rearrangements take place in Abcb4 compared to ABCB1. Known standard modulators of Homo sapiens ABCB1 ATPase activity interacted specifically with Danio rerio Abcb4 ATPase actitiy. The EC50s of the tested chemicals – 16 of 17 tested chemiacals interacted with the ABCB1 and the Abcb4 ATPase activity – ranged from 0.09 to 296 µM for ABCB1 and from 0.14 to 171 µM for Abcb4. Qualitative ATPase assay data for ABCB1, as interaction or not, seems transferable to Danio rerio Abcb4. Furthermore, when aligning amino acid sequences of mammalian ABCB1 transporter proteins and Danio rerio Abcb4 and comparing ABCB1 residues known to bind to (lipophilic) chemicals no obvious hints were found that chemical binding to Abcb4 is certainly different from ABCB1. Twenty-five of 33 studied environmental chemicals modulated the Abcb4 ATPase activity as stimulators and/or inhibitors. Stimulation of basal Abcb4 ATPase activity was lower for environmental chemicals than for known standard modulators. EC50s of environmental chemicals ranged from below 10 to 357 µM. Effects by environmental chemicals on Abcb4 ATPase activity with EC50s close to their water solubilities may be rather unspecific. The results of this work underline that Abcb4 function is of ecotoxicological importance as on the one hand several environmental chemicals were identified to inhibit Abcb4 ATPase activity – likely acting as chemosensitisers, while on the other hand chemicals stimulating basal ATPase activity suggest that these chemicals are possibly transported. A number of environmental chemicals also inhibited the basal Abcb4 ATPase activity. Especially non-transported inhibitors of the basal Abcb4 ATPase activity would be of ecotoxicological relevance as organisms (here Danio rerio) exposed to these chemicals would not be protected by Abcb4 mediated multixenobiotic resistance and were moreover threatened by chemosensitisation. Future studies should systematically elucidate under which circumstances chemicals are apparently net transported by ABCB1-like transporters and relate these findings to concentrations of environmental chemicals and ABCB1-like transporter protein abundance in wildlife.

ABCB1, a member of the ATP binding cassette (ABC) transporter family, hydrolyses ATP as energy source for the translocation of substrate chemicals across the cell membrane. ABCB1-like transporters are found in all studied species. Typically, these transporters are abundant in tissues that separate compartments of the body such as the blood-brain barrier. Among the ABC transporters the ABCB1-like transporter proteins are of particular interest because they accept a broad variety of substrates and are therefore able to confer multidrug resistance (MDR) and multixenobiotic resistance (MXR) in wildlife, respectively. Inhibitors of the ABCB1-like transporter function can cause chemosensitisation, i.e. accumulation and increased sensitivity of organisms towards potentially harmful (natural/man-made) ABCB1-like substrate chemicals. In zebrafish (Danio rerio) Abcb4 was identified as functionally homologous to ABCB1. The aim of this study was to further characterise Danio rerio Abcb4 and to provide a database to approach the question to what extent ABCB1-like transporter related functions/effects are of ecotoxicological relevance. Main objectives are whether and how known ABCB1 ATPase stimulators and inhibitors interact with Abcb4 ATPase activity; to what extent ABCB1 ATPase assay data are transferable to Abcb4 ATPase assay data; and whether and how environmental chemicals interact with Danio rerio Abcb4 ATPase activity. In this study we established a test system – the ATPase assay with recombinant Danio rerio Abcb4 – to study the interaction of chemicals with the ATPase activity of the transporter protein. To relate obtained data to data for the well-known Homo sapiens ABCB1 and because available data for Homo sapiens ABCB1 were not in all cases suitable for a comparison, the ATPase assay with recombinant ABCB1 was adapted accordingly. Chemicals were tested up to concentrations in the range of their water solubilities to modulate basal and stimulator co-treated Abcb4 and/or ABCB1 ATPase activities. ATPase stimulators are often transported substrates. However, lipophilic compounds stimulating the transporter ATPase activity are not or little transported by transporter action. Therefore, experiments revealing whether compounds are translocated by transporters chemical interference with the transporter protein will not be indicated. Chemicals inhibiting the stimulator (here verapamil) co-treated ATPase activity compete with the verapamil to stimulate ATPase activity or are non-competitive inhibitors. When tested individually, these chemicals can be stimulators or inhibitors of basal ATPase activity, or do not interact with basal ATPase activity. ATPase inhibitors mitigate ATPase activity and ABCB1-like transporter mediated translocation of substrate chemicals. Obtained ATPase assay data were analysed with regard to concentrations at half-maximal effects (EC50s) and effect strengths (percent modulation). ATPase assays with recombinant Abcb4 (at 27 °C) are comparable to ABCB1 ATPase assay data obtained at 37 °C. Danio rerio Abcb4 seems less temperature-sensitive than ABCB1. Calculated activation energies for Abcb4 ATPase activities (40.75 kJ/mol for basal ATPase activity) were up to half as high as those for ABCB1 ATPase activities (81.61 kJ/mol for basal ATPase activity). Larger activation energies were previously proposed to be indicative for larger conformational rearrangements and hence possibly smaller rearrangements take place in Abcb4 compared to ABCB1. Known standard modulators of Homo sapiens ABCB1 ATPase activity interacted specifically with Danio rerio Abcb4 ATPase actitiy. The EC50s of the tested chemicals – 16 of 17 tested chemiacals interacted with the ABCB1 and the Abcb4 ATPase activity – ranged from 0.09 to 296 µM for ABCB1 and from 0.14 to 171 µM for Abcb4. Qualitative ATPase assay data for ABCB1, as interaction or not, seems transferable to Danio rerio Abcb4. Furthermore, when aligning amino acid sequences of mammalian ABCB1 transporter proteins and Danio rerio Abcb4 and comparing ABCB1 residues known to bind to (lipophilic) chemicals no obvious hints were found that chemical binding to Abcb4 is certainly different from ABCB1. Twenty-five of 33 studied environmental chemicals modulated the Abcb4 ATPase activity as stimulators and/or inhibitors. Stimulation of basal Abcb4 ATPase activity was lower for environmental chemicals than for known standard modulators. EC50s of environmental chemicals ranged from below 10 to 357 µM. Effects by environmental chemicals on Abcb4 ATPase activity with EC50s close to their water solubilities may be rather unspecific. The results of this work underline that Abcb4 function is of ecotoxicological importance as on the one hand several environmental chemicals were identified to inhibit Abcb4 ATPase activity – likely acting as chemosensitisers, while on the other hand chemicals stimulating basal ATPase activity suggest that these chemicals are possibly transported. A number of environmental chemicals also inhibited the basal Abcb4 ATPase activity. Especially non-transported inhibitors of the basal Abcb4 ATPase activity would be of ecotoxicological relevance as organisms (here Danio rerio) exposed to these chemicals would not be protected by Abcb4 mediated multixenobiotic resistance and were moreover threatened by chemosensitisation. Future studies should systematically elucidate under which circumstances chemicals are apparently net transported by ABCB1-like transporters and relate these findings to concentrations of environmental chemicals and ABCB1-like transporter protein abundance in wildlife.