In der vorliegenden Arbeit wurde in einem in-vivo-Tiermodell das Ausmaß der Tumorzelladhäsion an chirurgischen Nahtmaterialien untersucht. In zwei Nacktmäusen wurde durch orthotope Implantation ein humanes Magenkarzinom induziert. Nach Laparotomie wurde das Magenkarzinom freigelegt und folgende acht kommerziell verfügbare Fadensorten in der Stärke 4/0 (USP) in vivo durch vitales Tumorgewebe gezogen: Prolene®, Monoplus®, Monosyn®, PDS II® und Maxon® (jeweils monofil), Polysorb®, Safil® und Vicryl® (jeweils polyfil). Anschließend wurde die Fadenoberfläche direkt hinter der Nadel sowie zehn Zentimeter hinter der Nadel raster-elektronenmikroskopisch dargestellt und immunzytochemisch sowie molekular-biologisch auf die Adhäsion humaner Tumorzellen hin untersucht. Als qualitatives Nachweisverfahren dienten die EPIMET®-Färbung, bei der das humane epitheliale Stukturprotein Zytokeratin CK-20 im Zytoplasma farblich markiert wird, sowie eine nested-reverse-Transkriptase-Polymerasekettenreaktion (PCR) mit human-CK-20-spezifischen Primerpaaren. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte bei jeder Fadensorte auf mindestens einer Probe Zellbeläge. Der immunzytologische Nachweis erwies sich als wenig sensitiv und gelang nur für Proben von Monoplus®, Maxon® und Safil®. Die PCR identifizierte CK-20-positive Zellen auf allen polyfilen Fäden (Polysorb®, Safil® und Vicryl®) sowie den monofilen Sorten Monosyn®, Monoplus® und Maxon®. Alle PCR-Proben von Prolene® oder PDS II® waren negativ. Damit fiel die Tumorzelladhäsion auf monofilen Proben in der PCR signifikant geringer aus als auf polyfilen Proben (p < 0.017). Dies kann im wesentlichen mit der ausgeprägten Traumatisierung des Gewebes durch den Sägeeffekt polyfiler Fäden begründet werden. Unterschiede in der Zelladhäsion zwischen den einzelnen monofilen Fadensorten lassen sich möglicherweise auf ihre unterschiedliche chemische Struktur (polare Gruppen, Wasserstoffbrückenbindungen) und deren Interaktion mit der Tumorzelloberfläche zurückführen. Für die gastrointestinale Tumorchirurgie wird empfohlen, weiterhin eine konsequente No-Touch-Technik einzuhalten, um eine Exfoliation viabler Tumorzellen, deren Adhäsion an Nahtmaterial und damit das Risiko eines Anastomosenrezidivs durch Implantation der am Faden adhärenten Tumorzellen zu reduzieren. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die monofilen Fäden aus PDS II® und Prolene® in der Gesamtschau der Ergebnisse die geringste Tendenz zur Tumorzelladhäsion aufweisen und somit im Vergleich zu den anderen untersuchten Fäden bei onkologischen Eingriffen bevorzugt werden sollten; die mehrfache Verwendung eines Fadens sollte wegen der verlängerten Kontaktzeit zwischen Faden und Anastomose vermieden und für jeden Durchstich ein neuer Faden verwendet werden. Geflochtene Nahtmaterialien sollten dagegen wegen des erhöhten Risikos für Tumorzelladhäsion und -implantation in der onkologischen Anastomosentechnik keine Anwendung finden. Es bedarf weiterer Studien zum Verständnis der unterschiedlich stark ausgeprägten Tumorzelladhäsion unter den verschiedenen monofilen Fäden. Als Ursachen denkbar wären Oberflächeneigenschaften wie z. B. elektrische Ladung, Hydrophilie/-phobie oder chemische Eigenschaften. Ein weiterer Ansatz wäre die Beschichtung von monofilen Nahtmaterialien mit Zytostatika zur Inhibition der Tumorzellvermehrung auf der Oberfläche der Anastomosennaht. / The aim of the present study was to evaluate the adhesion of tumor cells on surgical sutures in an in-vivo animal model. A human gastric carcinoma was induced by orthotopic implantation into two nude mice. After laparotomy, the following eight commercial surgical sutures (4/0 USP) were pulled through vital tumor tissue: Prolene®, Monoplus®, Monosyn®, PDS II® and Maxon® (monofilament structure), and Polysorb®, Safil® and Vicryl® (multifilament structure). Three methods were used to evaluate the results: scanning electron microscopy (SEM) of the suture surface, detection of tumor cells by immunocytochemical EPIMET® staining (which stains the human epithelial structure protein cytokeratin CK-20 in cytoplasm) and by detection of tumor specific mRNA (encoding CK-20) by nested reverse transcriptase polymerase chain reaction (PCR). In SEM each type of suture showed cellular coating on the surface of at least one sample, although the cells could not be identified as of tumor origin. The sensitivity of immunocytochemical staining was poor; positive staining was successful in Monoplus®, Maxon® and Safil® samples only. PCR identified CK-20 positive cells on each multifilament suture and on monofilament Monosyn®, Monoplus® and Maxon®. No Prolene® and PDS II® samples were positive in PCR. Thus, there was significantly less tumor cell adhesion in PCR on monofilament than on multifilament sutures (p < 0.017). This is mainly due to gross tissue damage by the “sawing effect” of multifilament sutures. Differences in the tumor cell adhesion among monofilament sutures may be due to different chemical structure (polar groups, hydrogen bonds) and their interaction with the tumor cell surface. A consequent no-touch-technique in gastrointestinal tumor surgery is recommended in order to prevent exfoliation of viable tumor cells, cell adhesion on suture threads and to reduce the risk of local anastomostic recurrence by implantation of adherent tumor cells. Regarding the results, monofilament PDS II® and Prolene® show the least tendency for tumor cell adhesion. Multiple use of one thread should be avoided and a new thread should be taken for each stitch in order to minimize contact time between thread and anastomosis. Evidence of a higher risk of both tumor cell adhesion and implantation makes the use of braided suture obsolete in oncological surgery. Further studies are needed to better understand the differences in tumor cell adhesion among different monofilament sutures due to surface qualities like electrical charge, hydrophilia/-phobia or chemical qualities. Other approaches should include cytostatic coating of monofilament threads in order to inhibit tumor cell growth on the surface of threads used for anastomotic sutures.

Unter dem Namen Avemar sind fermentierte Weizenkeimlinge als onkologisches Supportivprodukt erhältlich. Der hohe Anteil an 2,6-Dimethoxy-1,4-benzochinonen (DMBQ) in Avemar soll für das \(in\) \(vitro\) und \(in\) \(vivo\) belegte antikanzerogene Potential verantwortlich sein. DMBQ wirken über Semichinonradikale bzw. durch Ausbildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und Induktion von oxidativem Stress zytotoxisch. Da Tumorzellen empfindlicher auf oxidativen Stress reagieren als gesunde Zellen, kann dies die selektive zytotoxische Wirkung von Avemar erklären. Die Beteiligung von DMBQ am antiproliferativen Effekt von Avemar und die Wirkung von Avemar auf den Stoffwechsel maligner Zellen sind derzeit nicht eindeutig geklärt. Die antiproliferativen Eigenschaften von Avemar und DMBQ als Reinsubstanz wurden miteinander verglichen. Hierzu wurden DMBQ in einer zu Avemar mit 0,04% Benzochinonen äquimolaren Konzentration von 24 μmol/L eingesetzt. Die Ergebnisse der Arbeit lassen den Schluss zu, dass der starke zytotoxische Effekt von Avemar bei BxPc-3 Zellen auf einen DMBQ-induzierten oxidativen Stress zurückzuführen ist. Im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle wurde für BxPc-3 Zellen bei der Inkubation mit DMBQ eine 20-fache bzw. mit Avemar eine 40-fache Zunahme des ROS-Indikators 2',7'-Dichlorofluorescein gemessen. Im Westernblot ließ sich bei BxPc-3 Zellen das Enzym DT-Diaphorase, welches die Zellen vor Benzochinon-induziertem oxidativem Stress schützt, nicht nachweisen. In Zellen der anderen beiden Zelllinien konnte das Enzym nachgewiesen werden. Das mangelnde Schutzsystem gegenüber DMBQ-induziertem oxidativen Stress könnte demzufolge den DMBQ vermittelten zytotoxischen Effekt von Avemar in BxPc-3 Zellen erklären. Zusätzlich zum zytotoxischen Effekt wies Avemar zwei weitere antiproliferative Effekte auf: Zytostase bei 23132/87 Zellen und Wachstumsverzögerung bei HRT-18 Zellen. Beide antiproliferativen Effekte waren auf die Beeinflussung des Zellmetabolismus zurückzuführen. Avemar verringerte den zellulären Glukoseverbrauch von HRT-18 Zellen um 69% und von 23132/87 Zellen um 99%. In 23132/87 Zellen korrelierte der verringerte Glukoseverbrauch mit einer Abnahme von ATP um 70% und einem Zellzyklusarrest in der G\(_2\)/M Phase. Der durch die Inkubation von HRT-18 Zellen mit Avemar ausgelöste verringerte Glukoseverbrauch beeinflusste hingegen weder den ATP-Gehalt noch den Zellzyklus, induzierte aber Autophagie. Dies ließ sich zeigen durch morphologische Veränderungen wie die Bildung von intrazellulären Vakuolen und durch den Nachweis des Autophagiemarkers LC3-II. Die Wertigkeit dieses Phänomens für die zytotoxischen Eigenschaften von Avemar ist in weiteren Untersuchungen zu klären. Die antiproliferativen Eigenschaften von Avemar führen zu Veränderungen im Zellmetabolismus von gastrointestinalen Tumorzellen. Ausschlaggebend dafür, welcher der drei antiproliferativen Effekte von Avemar (zytotoxisch, zytostatisch oder wachstumsverzögernd) dominiert, sind vermutlich zelleigene Schutzsysteme und metabolische Charakteristika der Zellen. Avemar weist ein breites Spektrum antiproliferativer Effekte auf, deren Einfluss auf Zellfunktion und Zellstoffwechsel im Detail noch weiter untersucht werden sollte. / The commercial product Avemar is an oncologic supportive drug that consists of fermented wheat germ extracts. The high content of 2,6-dimethoxy-1,4-benzoquinone (DMBQ) in Avemar is thought to be responsible for the anticancer effects, which were observed both \(in\) \(vitro\) and \(in\) \(vivo\) experiments. The cytotoxic effect of DMBQ is caused by semiquinone radicals which induce oxidative stress in cells. Because tumor cells are more sensitive to oxidative stress than benign cells, the presence of semiquinone radicals might explain the selective cytotoxic effect of Avemar. However, the role of DMBQ in the antiproliferative mechanism of Avemar and the effect of Avemar on the metabolism of malignant cells have not yet been clarified. In this work, the antiproliferative features of Avemar were compared to those of DMBQ as a pure substance. DMBQ was investigated in a concentration of 24 μmol/L, which is equimolar to Avemar with a concentration of 0.04% of DMBQ. Both Avemar and DMBQ exhibited an increase of reactive oxygen species in BxPc-3 cells, which resulted in a cytotoxic effect within 24 hours after starting treatment. Compared to untreated cells, intracellular DCF fluorescence as a measure of reactive oxygen species increased by 20 times for DMBQ and 40 times for Avemar in BxPc-3 cells. Western Blot analysis revealed that the enzyme DT-diaphorase, which protects cells against benzoquinone-induced oxidative stress, was not present in BxPc-3 cells. In contrast, the enzyme could be detected in cells of the other two cell lines. The lack of DT-diaphorase in BxPc-3 cells indicates insufficient protection against DMBQ-induced oxidative stress which could consequently result in a DMBQ-mediated cytotoxic effect when exposed to Avemar. Besides the cytotoxic effect, Avemar showed two additional antiproliferative features: cytostasis in 23132/87 cells and growth delay in HRT-18 cells. Both antiproliferative effects of Avemar were caused by the influence of the substance on the cell metabolism. Avemar impaired the cellular consumption of glucose by 69% in HRT-18 cells and by 99% in 23132/87 cells. The impaired consumption of glucose in 23132/87 cells correlated with a decrease of ATP by 70% and an arrest in the G\(_2\)/M phase during the cell cycle of 23132/87. In contrast, when treated with Avemar, the impaired consumption of glucose in HRT-18 cells did not affect the ATP concentration and did not alter the cell cycle. Instead, Avemar leads to autophagy, as indicated by the formation of intracellular vacuoles. The presence of autophagy in HRT-18 cells was confirmed by the detection of the autophagy marker LC3-II. The relevance of this phenomenon for the cytotoxic properties of Avemar is to be clarified in further studies. Three different mechanisms of action of Avemar were identified: cytotoxic, cytostasis, and growth delay. The relevant effect on each cell type is presumably determined by the available protection mechanism and metabolic character of the cells. Avemar shows a broad spectrum of antiproliferative features whose exact influence on the functions and metabolism of the cell remains to be investigated in more detail in future studies.

Das DNA-Mismatch-Reparatur-(MMR-) System ist das einzig bekannte postreplikativ arbeitende DNA-Reparatur-System. Es wurde gezeigt, dass die MMR-Aktivität für den Erhalt der genomischen Stabilität in Prokaryoten und Eukaryoten notwendig ist. Defekte in Genen des MMR-Systems (wie beispielsweise MLH1 oder MSH2) wurden als Ursache für die Entstehung des hereditären nicht-polypösen kolorektalen Karzinoms (HNPCC) und anderen Tumorarten beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wurde die Tumorgenese in Mlh1 defizienten Mäusen (Mlh1-/-) untersucht und eine umfassende Charakterisierung der hier auftretenen Lymphome vorgenommen und die Bedeutung des Immunsystems für die Tumorgenese in Mlh1 defizienten Mäusen durch Einkreuzen zusätzlicher Immundefizienzen erruiert. Die auf einen reinen genetischen Hintergrund zurückgekreuzten Mlh1-/--Mäuse zeigten eine in zwei Wellen ablaufende Tumorgenese: Eine frühe Phase, in der Mäuse lymphoide Tumoren entwickelten und eine spätere Phase, in der die Mlh1-/--Tiere vorwiegend an Gastrointestinaltumoren erkrankten. Wir konnten zeigen, dass die Mlh1 defizienten Mäuse ein breiteres Lymphomspektrum, als beispielsweise Msh2 defiziente Tiere aufweisen. Eine Vielzahl der untersuchten Lymphome Mlh1 defizienter Mäuse war mikrosatelliteninstabil (MSI). Die Tatsache, dass mikrosatellitenstabile (MSS) Lymphome in den Mlh1-/--Tieren vorkamen, impliziert aber auch, das MMR-Defizienz nicht zwingend durch Mikrosatelliteninstabilität gekennzeichnet sein muss. Es ist möglich, dass sich eine Mikrosatelliteninstabilität erst zu einem späteren Zeitpunkt der Tumorentwicklung in MMR-defizienten Zellen manifestiert. Darauf deuten auch die MSI-Analysen der in den Rag-/-/Mlh1-/--Mäusen frühzeitiger als in Mlh1-/--Mäusen auftretenden Gastrointestinaltumoren hin. Einige dieser untersuchten Gastrointestinaltumoren in den Rag-/-/Mlh1-/--Mäusen waren mikrosatellitenstabil, wohingegen sämtliche Gastrointestinaltumoren der Mlh1 defizienten Mauspopulation Mikrosatelliteninstabilität aufwiesen. In einigen der untersuchten Lymphome fehlte die MHC Klasse I-Molekülexpression, was auf deutet den Einfluss des Immunsystems auf die Erkennung und Eliminierung von (durch MMR-Defizienz entstandenen) Tumoren hindeutet. Um die Art der Immunantwort und die verantwortlichen Komponenten des Immunsystems für die Abwehr MMR-defizienter Tumoren einzugrenzen, wurden verschiedene immunkompromitierte oder immundefiziente Mauslinien in Mlh1 defiziente Mäuse eingekreuzt. Dieses waren Mauslinien mit beta2Mikroglobulin- (b2m-/--), Perforin- (pfp-/--), beta2Mikroglobulin/Perforin- (b2m-/-/pfp-/--) und Recombination activation gene- (Rag-/--) Defizienz. Häufig wurde in diesen Tieren eine Verschiebung im Tumorspektrum und ein beschleunigtes zeitliches Auftreten der Tumoren beobachtet. Anhand dieser Modelle konnten wir demonstrieren, dass insbesondere die Regulierung der MHC Klasse I-Molekülexpression ein bedeutsamer Schritt für die Ausprägung verschiedener Lymphomarten ist, welcher das „Überleben“ der Tumorzellen gewährleistet. Auch die Notwendigkeit einer balancierten Expression von NK-Zell-stimulatorischen und –inhibitorischen Liganden auf der Tumorzelloberfläche, welche die Erkennung und Eliminierung von Tumorzellen durch Nicht-MHC Klasse I-abhängige Immunzellen (wie z.B. den Natürliche Killerzellen) reguliert, liess sich mit Hilfe der beta2Mikroglobulin- und Perforin-Mausmodelle aufzeigen. Offensichtlich sind für die in Mlh1 defizienten Mäusen vorkommenden verschiedenen Tumorarten unterschiedliche zelluläre Komponenten und Abwehrmechanismen des Immunsystems für die Erkennung und Eliminierung verantwortlich. So beeinflussen insbesondere cytotoxische T-Zellen (CTLs) die Entstehung von Gastrointestinaltumoren in Mlh1 defizienten Mäusen. Für die lymphoiden Tumoren ergab sich ein divergentes Bild. Hier beschränkte sich der Einfluss der CTLs bei der Lymphomabwehr auf die Erkennung und Eliminierung disseminierter T- und B-Zell-Lymphome. Die in den Mlh1-/--Mäusen nachgewiesenen thymischen T-Zell Lymphome dagegen unterlagen der perforin-vermittelten Zellabwehr durch Nicht-MHC Klasse I-beschränkte Immunzellen (z.B. Natürlichen Killerzellen). Die Relevanz der vorliegenden Mausmodelle wird deutlich, wenn man sich die Situation von immunsupprimierten Posttransplantationspatienten und immundefizienten HIV-Patienten vor Augen führt. Häufig beobachtet man in diesen Patientengruppen das Auftreten lymphoider Tumoren. Diese sind oftmals Mikrosatelliteninstabil, was auf eine vorliegende MMR-Defizienz hindeutet. Zudem zeigen diese Lymphome ähnliche Merkmale, wie die durch Mlh1-Defizienz entstandenen lymphoiden Tumoren. Insbesondere für Studien solcher Lymphome stellt die Mlh1-defiziente Maus mit den verschiedenen eingekreuzten Immundefizienzen ein geeignetes in vivo Model dar. / The DNA-Mismatch-(MMR-) Repair System is the only postreplicative working DNA repair system known so far. It was shown, that MMR activity is necessary for maintaining the genomic stability in prokaryotes and eukaryotes. Defects in MMR genes such as MLH1 or MSH2 were described in the hereditary non-polyposis colorectal carcinoma (HNPCC) and other tumors. The aim of this thesis was the analysis of the tumorigenesis and a detailed characterization of the lymphoid tumors of Mlh1 deficient mice. Additionally, by crossing the Mlh1-/--mice with different immune compromised animals, the impact of the immune system on the tumorigenesis in Mlh1 deficient mice was studied. The tumorigenesis in the Mlh1-/--mice (crossed on a pure genetic background) occurred in two waves: one early phase with predominant development of lymphoid tumors and a later phase characterized by mainly gastrointestinal tumors. The majority of lymphomas were histologically defined as lymphomas of a lymphoblastic T- and B-cell type. The lymphoma types grouped by immunophenotyping were different, depending on their expression of surface molecules (MHC class I, Rae-1) and genes that are relevant for the development of lymphoid cells (like TdT, Rag, Pax5, E2a). Based on these findings, and subgrouping the lymphomas according to their location (thymus-located and disseminated lymphomas) we found a broad spectrum of lymphoid tumors. In comparison to Msh2 deficient mice which exclusively developed thymic T cell lymphomas (and gastrointestinal tumors) we observed an additional appearance of disseminated T cell and B cell lymphomas in the Mlh1 deficient mouse population. The analysis of microsatellite instability (MSI) as a hallmark of the human hereditary colorectal carcinoma (HNPCC) has been shown to represent an appropriate method for other tumor entities, as the majority of lymphomas in Mlh1 deficient mice were microsatellite instable. On the other hand, the finding of microsatellite stable (MSS) lymphomas implies that Mismatch Repair- (MMR-) deficiency is not necessarily characterized by microsatellite instability. One possible explanation might be that MSI in MMR deficient cells are manifested at a later timepoint of tumorigenesis. This notion is supported by the occurence of microsatellite stabile (MSS) gastrointestinal tumors found in Rag-/-/Mlh1-/--animals. All of the gastrointestinal tumors analyzed in Mlh1-/--mice were microsatellite instable (MSI) and arised later. Frequently, lymphomas in Mlh1-/--mice were lacking the expression of MHC class I molecules. This finding suggests a possible influence of immune recognition and elimination of the MMR deficient tumors by the immune system. To narrow down the kind of immune response and the responsible components of the immune system involved in the recognition of MMR deficient tumors, we crossed immunocompromised or immunodeficient mouse strains into Mlh1 deficient mice. This were the beta2microglobulin-(b2m-/--), perforin-(pfp-/--), beta2micro-globulin/perforin-(b2m-/-/pfp-/--), and recombination activation gene-(Rag-/--) deficient strains. The additional immunodeficiencies, frequently led to a shifted spectra and onset of the tumors in the Mlh1-/--mice. The crucial importance of MHC class I molecule expression for the development of different lymphoma entities was shown by using these additional models. A regulation of MHC class I molecules is important for the tumor cells survival. Consequently, crossing immunodeficiencies (b2m-/-- and/or pfp-/-) into the Mlh1-/--mice revealed the importance of a balanced expression of natural killer-(NK-) cell stimulatory and inhibitory ligands on the surface of tumor cells. Obviously the different tumor entities observed in Mlh1 deficient mice are controlled by different cellular components and mechanisms exerted through the immune system. The cytotoxic T cells (CTLs) had a strong impact on the gastrointestinal tumorigenesis in Mlh1 deficient mice. A divergent situation was observed in the group of lymphoid tumors: the recognition and elimination by CTLs seemed to be restricted to the subgroups of disseminated T and B cell lymphomas, whereas the thymic T-cell lymphomas were eliminated by the Non-MHC class I-restriced immune cells (e.g. NK cells) via the perforin-mediated (granzyme) pathway. The relevance of these mouse models becomes evident by a comparison of human lymphomas that are frequently found in immune-suppressed postransplantation patients and in HIV-patients. These lymphomas are mostly microsatellite instable, indicating an MMR deficiency. Thus, these tumors are displaying similar features compared to the lymphoid tumors of Mlh1-/--mice, with the additional immunodeficiencies crossed in as described here representing an appropriate in vivo model for further studies.