CPT-Derivate wie Topotecan sind zunehmend Bestandteil gegenwärtiger Studien geworden, da eine synergistische Verstärkung der Zytotoxizität der ionisierenden Strahlung durch diese belegt werden konnte. Bei dem Chemotherapeutikum CPT handelt es sich um ein pflanzliches Alkaloid aus der chinesischen Pflanze Camptotheca acuminata. Es wirkt S-Phase-spezifisch und sein Wirkmechanismus beruht auf Hemmung von TopoI, ein Enzym, das für die DNA-Replikation, -Transkription und -Reparatur eine entscheidende Rolle spielt [Morris et al., 1996; Hsiang et al., 1989; Farray et al., 2006]. Der Nachweis einer radiosensibilisierenden Wirkung von CPT stand im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Untersucht wurde dabei das Ansprechen der fünf Glioblastomzelllinien U87-MG, U373-MG, SNB19, GHE und GaMG auf CPT und ionisierende Strahlung. Im Wesentlichen wurde ein signifikanter radiosensibilisierender Effekt des CPTs in den Zelllinien U87 und SNB19 gezeigt. Weiterhin erkannte man, dass das anti-apoptotische Protein Survivin nach kombinierter CPT-IR-Behandlung beim Vergleich der Survivin-Konzentrationen der fünf Glioblastomzelllinien in den Zelllinien U87 und SNB19 die niedrigsten Werte aufzeigte, was mit den Ergebnissen des Koloniebildungstests und der Zellauszählung korreliert. Dies kann ebenfalls als Indiz für einen radiosensibilisierenden Effekt von CPT in den beiden Zelllinien U87 und SNB19 gewertet werden. Des Weiteren wurden, parallel in unserer Arbeitsgruppe, nach CPT-Behandlung mindestens zwei Subpopulationen in jeder der fünf getesteten Glioblastomzelllinien ermittelt, die sich bezüglich ihres DNA-Schadens merklich voneinander unterschieden [Djuzenova et al., 2008]. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die Menge der DNA-Schäden nach kombinierter CPT-IR-Behandlung höher war als in den einzelnen Behandlungsmodalitäten. Die Untersuchung der Kinetik der DNA-Reparatur mittels Rad50-Foci ließ einen radiosensibilisierenden Effekt von CPT in den Zelllinien SNB19 und U87 erkennen. Diese wiesen im Vergleich zu den Zelllinien U373, GHE und GaMG eine verlangsamte Reparaturhalbwertszeit unter kombinierter CPT-IR-Behandlung auf. Der Vergleich der Expression von TopoI in Western Blot und Durchflusszytometrie [s. Doktorarbeit von Mitdoktorandin T. Güttler] zeigte die höchsten Hintergrundwerte für dieses Enzym in den Zelllinien U87 und SNB19. Die erhöhte Expression von TopoI in U87 und SNB19 korrelierte mit den verlängerten Reparaturhalbwertszeiten für diese Zelllinien, mit der Reduktion der Überlebensraten im Koloniebildungstest bzw. der Abnahme des Zellwachstums in der, parallel in unserer Arbeitsgruppe durchgeführten, Zellauszählung, sowie mit der niedrigeren Survivin-Konzentration im Survivin-ELISA. Eine Resistenz gegenüber CPT könnte folglich durch eine schnellere Reparaturhalbwertszeit aber auch durch eine reduzierte Expression von TopoI in den Zelllinien U373, GHE und GaMG begründet sein. Daher ist vorstellbar, dass durch eine schnelle Proliferation von CPT-resistenten Zellen die Apoptose- und Zellabbaurate der CPT-sensitiven Subpopulation kompensiert oder sogar übertroffen werden kann, was für eine Chemoradioresistenz der jeweiligen Zelllinien sprechen würde. Die weitere Erforschung des radiosensibilisierenden Effekts von Chemotherapeutika sollte auch weiterhin einen wichtigen Bestandteil zukünftiger Forschungsarbeiten darstellen, da sowohl in der vorliegenden als auch in einer Reihe von anderen Arbeiten Ansätze dieses Effekts bereits belegt werden konnten. Die Entwicklung von neuen TopoI-Inhibitoren, wie das Homocamptothecin und dessen Derivate, die sich durch eine verbesserte chemische Stabilität auszeichnen [Teicher, 2008], sollte weiter vorangetrieben werden, um eines Tages die mittleren Überlebensraten bei Glioblastoma multiforme weit über ein Jahr hinaus verlängern zu können. Die Resultate dieser Studie unterstützen das Konzept einer chemotherapeutischen Behandlung kurz vor Bestrahlung und sehen ein derartiges Verfahren als effiziente Methode an, um möglichst schnell das Ansprechen von intrakraniellen Tumoren auf chemotherapeutische Wirkstoffe in vitro zu untersuchen. Außerdem sollte versucht werden diese Erkenntnisse auf die klinische Ebene auszuweiten und man sollte zusätzlich herausfinden, ob weitere DNA-Schadensoder DNA-Reparatur-Proteine als Marker dienen könnten wie Darzynkiewicz [2008] in seinem Leitartikel zu unserer Publikation vorschlägt. / Influence of Camptothecin and ionizing radiation in vitro on the induction and repair of DNA-double strand breaks in glioblastoma cell lines

Abstract Glioblastomas, primary brain tumors, represent a tumor entity with a dismal prognosis and a median survival of only about one year. Invasion into the healthy brain parenchyma contributes substantially to the malignancy of this type of brain tumor. Therefore, a better understanding of the mechanisms promoting the invasive behavior of these brain tumors is needed to identify new therapeutic targets. Cofilin, an actin regulatory protein, has been shown to be an important regulator of the invasive behavior of tumor cells in other types of cancer and the actin cytoskeleton is involved in the formation of a variety of cellular structures important for cell migration and invasion. Cofilin is regulated by phosphorylation on a single residue, serine 3. The aim of this thesis was to examine the role of the cofilin regulatory phosphatase chronophin for glioma cell migration and invasion. First, it was established that chronophin depletion in the cell line GBM6840 leads to an increase in the ratio of phosphorylated cofilin to total cofilin. Higher chronophin levels were correlated with a decrease in F-actin in the cell lines GBM6840 and U87 as measured in an actin spin down assay and in a flow cytometry based assay. Furthermore, it was shown that knockdown of chronophin in two different cell lines, GBM6840 and DBTRG-05-MG, strongly increased their invasiveness in vitro. Expression of human chronophin in the cell line U87 decreased its invasiveness substantially. There was no difference in cell proliferation between GBM6840 and DBTRG-05-MG cells expressing a chronophin targeting shRNA or a control shRNA and U87 cells transfected with an empty vector or a human chronophin encoding plasmid. The increase in invasiveness after chronophin depletion could be correlated with an increase in directionality in cell migration under 2D culture conditions in the cell lines U87 and GBM6840. Moreover, treatment with the ROCK inhibitor Y-27632 decreased directionality in GBM6840 cells under 2D culture conditions and reduced the invasiveness of GBM6840 chronophin shRNA cells back to control levels. Expression of a non-phosphorylatable cofilin mutant, the S3A mutant, was able to reduce invasiveness and to reduce directionality under 2D culture conditions back to control levels in GBM6840 chronophin shRNA cells. This provides important evidence for the involvement of cofilin phosphoregulation in the phenotypes described above. In vivo, when injected into NOD-SCID mice, chronophin depleted cells showed a dramatic growth reduction as compared to control and rescue cells. Transciptomic characterization of GBM6840 cells by microarray analysis and subsequent comparison of the data with microarray profiles of normal brain tissues and different glioma entities identified two specifically chronophin regulated transcripts potentially involved in tumor progression and invasion, MXI1 and EDIL3. Moreover, c-myc was identified as a significantly altered transcription factor after chronophin deregulation based on the number of c-myc target molecules in the microarray dataset. MXI1 is a potential negative regulator of c-myc dependent transcription, and was strongly downregulated after chronophin knockdown in GBM6840. In line with this, the activity of a c-myc reporter plasmid was increased after chronophin depletion in GBM6840 and reduced after chronophin expression in U87 cells. However, the protein level of the c-myc protein was reduced after chronophin depletion in GBM6840. Finally, anaylsis of the expression of proteases known to be important for glioblastoma pathogenesis revealed no major changes in protease expression between chronophin depleted and control cells. Therefore, a comprehensive analysis of chronophin in the context of glioma pathogenesis has been performed in this thesis. It has been shown that chronophin depletion strongly enhanced invasiveness of glioma cells and that it induced transcriptomic changes potentially involved in tumor progression. The proteins regulating cofilin phosphorylation are therefore valuable therapeutic targets for anti-invasive therapy in glioblastomas. Inhibitors for kinases upstream of cofilin, e.g. LIMKs and ROCKs, are available, and might be promising agents for anti-invasive therapy. / Zusammenfassung Glioblastome sind primäre Gehirntumore, die eine besonders schlechte Prognose besitzen und bei denen die mediane Überlebenszeit nur ca. ein Jahr beträgt. Zur Malignität dieses Tumortyps trägt entscheidend das Eindringen der Tumorzellen in das gesunde Hirnparenchym bei. Daher ist es notwendig die molekularen Mechanismen zu verstehen, die diesem Phänomen zu Grunde liegen, um neue therapeutische Zielmoleküle zu identifizieren. Cofilin, ein Protein das das Aktinzytoskellet reguliert, ist in anderen Krebsarten als wichtiger Regulator des invasiven Verhaltens von Zellen bekannt und das Aktinzytoskellet ist an der Bildung einer Vielzahl von zellulären Strukturen beteiligt, die wichtig für die Zellmigration und –invasion sind. Cofilin wird über die Phosphorylierung einer einzigen Aminosäure, des Serin 3, reguliert. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle der Cofilin regulatorischen Phosphatase Chronophin für Zellmigration und -invasion zu untersuchen. Zuerst konnte gezeigt werden, dass eine Chronophin Depletion in der Zelllinie GBM6840 zu einer Zunahme des Anteils von P-Cofilin am Gesamtcofilin führt. Ebenso war ein hohes Chronophin Level in den Zelllinien GBM6840 und U87 mit einer Abnahme des F-Actin Levels korreliert, was in einem Aktin spin down Assay als auch mittels Durchflusszytrometrie gemessen werden konnte. Es konnte weiter gezeigt werden, dass eine shRNA vermittelte Depletion des Chronphin zu einer starken Zunahme der Invasivität in den Zelllinien GBM6840 und DBTRG-05-MG in vitro führt. Chronophin Expression in der Zelllinie U87 führte zu einer starken Abnahme der Invasivität. Es gab hingegen keinen Chronophin abhängigen Unterschied in der Proliferation von GBM6840 und DBTRG-05-MG Zellen, die entweder eine Kontroll- oder eine Chronophin gerichtete shRNA exprimierten, sowie keinen zwischen U87 Zellen, die mit einem Leervektor oder einem Chronophin codierenden Konstrukt transfiziert worden waren. Die Zunahme der Invasion nach Chronophin Depletion konnte mit einer Zunahme der Direktionalität der Zellen bei der Migration in einer 2D Umgebung korreliert werden. Desweiteren konnte durch Behandlung mit dem ROCK-Inhibitor Y-27632 in GBM6840 Zellen eine Erniedrigung der Direktionalität bei der Migration in 2D Kultur ebenso erreicht werden, wie eine Reduktion der Invasivität von Chronophin shRNA exprimierenden GBM6840 Zellen auf Kontrollniveau. Die Expression einer nicht-phosphorylierbaren Cofilin Mutante, der S3A Mutante, erniedrigte sowohl die Direktionalität in der 2D Migration als auch die Invasivität von GBM6840 Chronophin shRNA exprimierenden Zellen zurück auf Kontrollniveau. Diese Experimente lieferten wichtige Hinweise darauf, dass die Phosphoregulation von Cofilin ursächlich an der Entstehung der Phänotypen beteiligt war, die nach Chronophin Knockdown beobachtet wurden. In vivo konnte nach Injektion in NOD-SCID Mäuse eine dramatische Wachstumsreduktion der Chronophin depletierten Zellen gemessen werden. Durch Charakterisierung des Transkriptoms der Zelllinie GBM6840 mittels Microarrays und nachfolgender Vergleich der Ergebnisse mit Microarray-Profilen von Normalhirngewebe und verschiedenen Gliomentitäten konnten zwei spezifisch Chronophin abhängig regulierte Transkripte identifiziert werden, MXI1 und EDIL3, die potentiell mit der Progression und Invasivität von Gliomen verknüpft sind. MXI1, ein potentieller negativer Regulator der c-myc abhängigen Transkription, war nach Chronophin Herunterregulation in GBM6840 stark herunterreguliert. In Übereinstimmung mit diesem Befund war die Aktiviät eines c-myc Reporterplasmids nach Chronophin Herunterregulation in GBM6840 erhöht, nach Chronophin Expression in U87 jedoch erniedrigt. Das c-myc Protein selbst wies eine deutliche Reduktion nach Chronophin Depletion in GBM6840 auf. Abschließend wurde die Expression von Proteasen untersucht, für die eine Rolle in der Gliominvasion bekannt ist. Hier wurden jedoch keine größeren Chronophin abhängigen Expressionsunterschiede gefunden. Zusammenfassend gesagt konnte eine umfassende Charakterisierung der Rolle des Chronophin in der Gliompathogenese erreicht werden. Zum einen konnte gezeigt werden, dass Chronophin ein äußerst wichtiger Regulator der Invasion ist, zum anderen dass es zu Chronophin abhängigen transkriptomischen Veränderungen kommt, die potentiell zur Malignisierung des Tumors beitragen. Daher sind die Proteine die die Cofilinphosphorylierung regulieren potentielle therapeutische Zielmoleküle für eine anti-invasive Therapie im Glioblastom. Inhibitoren für die Kinasen, die Regulatoren des Cofilin sind, die ROCK- und LIM-Kinasen, sind verfügbar und stellen möglicherweise vielversprechende Substanzen für die anti-invasive Therapie dar.

Gehirntumore stellen die zweithäufigste Tumorart im Kindesalter dar. Trotz zahlreicher medizinischer Fortschritte verstirbt auch heute noch ca. 1/3 der Betroffenen und die Überlebenden leiden häufig unter geistigen und körperlichen Langzeitfolgen. Zwei Entitäten, die auch heute noch zu den großen Herausforderungen der pädiatrischen Onkologie zählen, sind das Glioblastom und das Medulloblastom. Um beide Tumorarten weiter erforschen und neue Therapiekonzepte entwickeln zu können, wurden im Zuge dieser Arbeit zwei orthotope Mausmodelle etabliert: ein syngenes Glioblastom- und ein xenogenes Medulloblastom-Modell: GL261-FLuc Glioblastom-Modell: Das Glioblastom ist ein seltener Tumor im Kindesalter. Die extrem schlechte Prognose macht neue Behandlungsstrategien jedoch dringend erforderlich. Immuntherapien könnten hier ein rationaler Ansatz sein. Durch orthotope Inokulation lentiviral transduzierter GL261-FLuc Zellen wurde im Rahmen dieser Arbeit das syngene GL261 Modell etabliert und hinsichtlich seiner biomorphologischen und immunologischen Eigenschaften evaluiert: Ähnlich wie humane Glioblastome zeigen GL261-FLuc Zellen in vivo ein aggressives Wachstum, welches von einer schnellen Proliferation und deutlichen Invasionsneigung geprägt ist. Histologisch bestehen GL261-FLuc Tumore aus astrozytär differenzierten Zellen, die neben typischen Nekrosen auch eine starke, funktionell pathologische Vaskularisierung zeigen. Interessanterweise offenbarte das in vivo BLI nach orthotoper Inokulation eine Phase der „Tumoradaptation“ (Tag 6-14), die immunologischer Natur zu sein scheint. Die Tatsache, dass das Tumorwachstum wie beim Menschen in einer prinzipiell immunkompetenten Umgebung stattfindet und dass GL261-FLuc Zellen eine konstitutionelle und durch IFN γ stimulierbare MHC Klasse I Expression aufweisen, qualifiziert das Modell für immuntherapeutische Untersuchungen. Insgesamt handelt es sich nicht nur um ein gut voraussag- und reproduzierbares Modell, das die immunologischen und bio-morphologischen Kennzeichen des humanen Vorbildes suffizient rekapituliert, sondern es liefert auch dank der Möglichkeit, das Zellwachstum mittels BLI zu verfolgen, interessante Einblicke in das in vivo Verhalten der Zellen. MB3W1 Medulloblastom-Modell: Das Medulloblastom ist der häufigste maligne Gehirntumor des Kindesalters und kann, wie neue Genexpressionsstudien zeigen, in verschiedene molekulare Subgruppen unterteilt werden. Für Gruppe 3 Medulloblastome, die mit Abstand die schlechteste klinische Prognose besitzen, gibt es aktuell nur limitierte Daten, unter anderem auch deshalb, weil kaum geeignete Mausmodelle existieren. Der außergewöhnliche Fall eines zweijährigen Jungen, der an einem äußerst aggressiven anaplastischen Medulloblastom verstorben war, führte zur Etablierung des zweiten Hirntumormodells. Mit Zellen dieses Tumors (MB3W1 Zellen), die nach extrakranieller Metastasierung aus malignen Pleuraergüssen isoliert werden konnten, wurde ein orthotopes Xenograftmodell etabliert. Erstaunlicherweise ließen die Zellen sowohl Tumorstammzell- als auch Gruppe 3-Charakteristika erkennen: In vitro wachsen MB3W1 Zellen wie für Stammzellen typisch in Form von Neurosphären und zeigen neben der Fähigkeit zur exponentiellen Langzeitproliferation auch eine hohe ALDH Aktivität. Die Expression typischer Oberflächenmarker wie CD15 und CD133 ist ebenfalls suggestiv für Tumorstammzelleigenschaften. Die hohe Tumorigenität von MB3W1 Zellen in immuninkompetenten Mäusen (bereits 500 Zellen führten zu 100 % Tumorraten) ist neben der Tatsache, dass die induzierten Tumore exakt die histopathologischen Eigenschaften des Primärtumors rekapitulierten und eine multilineäre Differenzierung zeigten, als weiteres Stammzell-kennzeichen zu werten. Ergänzend zum genetischen Profil (MYC Amplifikation, Gruppe 3 spezifisches Genexpressionsmuster, Tetraploidie, 17q Zugewinne), das MB3W1 Zellen klar als Gruppe 3 Medulloblastom identifiziert, spiegeln MB3W1 Zellen auch das aggressive und disseminierende Verhalten, welches Gruppe 3 Tumore auszeichnet, wider. Die Xenotransplantate zeigten nicht nur ein rapides invasives Wachstum in vivo, sondern es konnte interessanterweise auch am Versuchsende regelhaft eine Metastasierung der Zellen in den zerebrospinalen Liquor beobachtet werden. Das im Zuge dieser Arbeit etablierte Xenograftmodell komplementiert die beiden einzigen derzeit veröffentlichten syngenen Gruppe 3 Modelle, da es im Gegensatz zu diesen ohne zusätzliche genetische Manipulation auskommt. Die einzige Modifikation der Zellen (die lentivirale Transduktion mit eGFP und FLuc) diente dem besseren in vivo „Monitoring“, war optional und veränderte auch das biologische Verhalten der Zellen nicht. Insgesamt ist es ein einfaches und gut reproduzierbares Tumormodell, das die gleichzeitige Erforschung von Tumorstammzell- und Gruppe 3-Eigenschaften erlaubt. Vor allem vor dem Hintergrund des außergewöhnlichen klinischen Verlaufs des Primärtumors ist es ein extrem wertvolles Werkzeug, das in Zukunft hoffentlich dazu beitragen wird, neue gezielte Therapiestrategien für die Behandlung solch aggressiver Tumore entwickeln zu können. / Brain tumors are the second most common tumor entity in childhood. Despite of advances in treatment, one third of patients dies and survivors often suffer from severe side effects of therapy. Two (even today) challenging tumor entities are glioblastoma and medulloblastoma. For exploring these tumors and developing new treatment strategies, two orthotopic brain tumor models in mice should be established within this work: a syngenic gliblastoma model and a xenogenic medulloblastoma model: GL261-FLuc glioblastoma model: Glioblastoma is rare in childhood, but because of the devastating prognosis new treatment options are urgently needed. Immunotherapy seems to be a rational strategy. Within this work an orthotopic mouse model was established using lentiviral transduced GL261-FLuc cells and evaluated regarding to its biomorphological and immunological features: Like human glioblastoma GL261-FLuc cells show aggressive tumor growth with high proliferation and invasion. Histologically tumors are built of astrocytic differentiated tumor cells and typically exhibit necrosis and pathological vascularisation. Interestingly tumor growth is characterized through a typical phase of adaption during day 6-14, which seems to be of immunological nature. This and the facts that tumor growth takes place in an immunocompetent environment and that GL261-Fluc cells show expression of MHC I (stimulable with IFN γ) makes this model valuable for immunotherapy investigations. Taken together the GL261-FLuc model is not only good predictable and reproducible, it also reflects the immunological and biomorphological features of the human counterpart. The ability to visualize the tumor growth with BLI gives interesting insights in tumor behaviour within this model. MB3W1 medulloblastoma model: Medulloblastoma is the most frequent brain tumor in childhood. New gene expression studies now reveal four distinct molecular subgroups of medulloblastoma. For group 3 tumors, which by far have the worst prognosis, only limiting data exists, not least because of a lack of suitable tumor models. An extraordinary case of a two-year-old boy suffering from a highly aggressive anaplastic medulloblastoma led to the second tumor model within this work. With cells, isolated from malignant pleural effusions of this tumor (MB3W1 cells), an orthotopic xenograft model was established. Interestingly tumor cells not only exhibit signs of a group 3 medulloblastoma, but also of tumor stem cells: In vitro cultured cells show exponential longterm proliferation, formation of neurospheres and expression of several stem cell markers like CD15, CD133 and high ALDH activity. In vivo tumor cells typically are highly tumorigenic in immunocompromised mice leading to exact copies of the primary tumor and furthermore show the capacity of multilineage differentiation. The clinical course of the patient and the genetic profile of MB3W1 cells (MYC amplification, group 3 gene expression pattern, tetraploidy and gain of chromosome 17q) clearly classifies the tumor as group 3 medulloblastoma. Furthermore the established MB3W1 tumor model mimics the aggressive behaviour of the patient’s tumor by recapitulating its dissemination tendency. Xenotransplants not only show rapid in vivo proliferation, but also metastasize regularly into the cerebrospinal fluid and invade from there again into the cerebral parenchyma. This xenograftmodel is a valid and good reproducible medulloblastoma model, which exhibits not only tumor stem cell features, but also has a clear group 3 signature and therefore complements the only two at the moment published group 3 models. Especially in light of the extraordinary clinical course of the patient, this model will be an extreme valuable instrument to further investigate this aggressive subtype of medulloblastoma and to develop new treatment strategies.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2009.

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Ulm, Univ., Diss., 2009.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2009

Regensburg, Univ., Diss., 2010.

Regensburg, Univ., Diss., 2004.