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The number of children and young adolescents diagnosed with cancer is increasing, leading to a need for new therapeutic strategies with diminished neurodegenerative side- effects. This report presents preliminary observations on glioma-initiating cells (GICs) in the way to develop a strategy that induces cell-cycle arrest or quiescence in neural stem cells (NSCs). To test how changes in membrane potential due to pharmacological treatments have effects on localization and levels of REV-ERBα protein, proneural (PN) and mesenchymal (MES) cells were treated with varying concentrations of REV-ERBα agonist SR9009 drug and T-type calcium channel blocker mibefradil. Treatments showed that both drugs do not relocalize REV-ERBα to the nucleus. However, SR9009 decreases the levels of REV-ERBα protein, whereas mibefradil does not have a similar effect.  Our preliminary data on mouse NSCs showed they engage with REV-ERBα protein while going into contact inhibition. Therefore, we investigated whether high confluency put PN and MES GICs into quiescence and the role of the main molecular clock protein REV-ERBα in this process. Cells were grown up to certain confluency, and following qPCR gene expression analysis revealed PN cells go into contact inhibition whereas MES cells continue proliferating even after they are grown to confluency. Moreover, REV-ERBα protein does not have any role in both outcomes.

Regulation of cancer cell phenotype by the tumor microenvironment has motivated further investigation into how microenvironmental factors could contribute to tumor initiation, development, and therapeutic resistance. Analyzing how the microenvironment drives tumor development and cancer cell heterogeneity is particularly important in cancers such as glioblastoma multiforme (GBM) that have no known risk factors and are characterized by a high degree of heterogeneity. GBM patients have a median survival of 15 months and therefore are in great need of more effective therapeutic options. The goal of this research is to generate in vitro models of the heterogeneous brain tumor microenvironment, with a focus on vascular dynamics, to probe the impact of microenvironmental cues on tumor progression and to integrate the tumor models with highly sensitive analytical tools to characterize the epigenome of discrete phenotypic subpopulations that contribute to intratumoral cellular heterogeneity. As GBM tumors are characterized by a dense vasculature, we delved into microenvironmental factors that may be promoting angiogenesis. The correlations emerging between inflammation and cancer led to analysis of the inflammatory molecule lipopolysaccharide (LPS). We utilized 3D micro-tissue models to simulate vascular exposure to ultra-low chronic inflammatory levels of LPS and observed an increase in vascular formation when brain endothelial cells were exposed to ultra-low doses of LPS. We also utilized our micro-tissue models to analyze histone methylation changes across the epigenome in response to microenvironmental cues, namely culture dimensionality and oxygen status. The H3K4me3 modification we analyzed is associated with increased gene transcription, therefore the alterations we observed in H3K4me3 binding across the genome could be a mechanism by which the tumor microenvironment is regulating cancer cell phenotype. Lastly, we developed a microfluidic platform in which vascular dynamics along with microenvironmental heterogeneities can be modeled in a more physiologically relevant context. We believe the studies presented in this dissertation provide insight into how vasculature primed by chronic inflammation and epigenetic alterations in tumor cells could both contribute to enhanced tumor development. Modeling these biological processes in our advanced microfluidic platform further enables us to better understand microenvironmental regulation of tumor progression, uncovering new potential therapeutic targets. / PHD / Regulation of cancer cell behavior by the tumor microenvironment, which includes the surrounding extracellular matrix, native healthy cells, and signaling molecules, has motivated further investigation into how microenvironmental factors could contribute to tumor initiation, development, and therapeutic resistance. Analyzing how the microenvironment drives tumor development and heterogeneity in cancer cell behavior is particularly important in cancers such as glioblastoma multiforme (GBM) that have no known risk factors and are characterized by a high degree of heterogeneity. GBM patients have a median survival of 15 months and therefore are in great need of more effective therapeutic options. The goal of this research is to generate models of the heterogeneous brain tumor microenvironment with a focus on how microenvironmental cues impact blood vessel development, which facilitates tumor progression. We will also use these tumor models, along with sensitive analytical tools, to characterize epigenetic modifications that potentially contribute to tumor cell heterogeneity. As GBM tumors are characterized by a dense vasculature, we delved into microenvironmental factors that may promote blood vessel growth. The correlations emerging between inflammation and cancer led to analysis of the inflammatory molecule lipopolysaccharide (LPS). We utilized 3D tumor models to simulate blood vessel exposure to ultra-low chronic inflammatory levels of LPS and observed an increase in blood vessel formation when brain endothelial cells were exposed to ultra-low doses of LPS. We also utilized our tissue models to analyze histone methylation changes across the epigenome in response to microenvironmental cues, namely culture dimensionality and oxygen status. The histone methylation changes we observed across the genome could be a mechanism by which the tumor microenvironment is regulating cancer cell v behavior. Lastly, we developed a microfluidic platform in which blood vessel development along with microenvironmental heterogeneities can be modeled in a more physiologically relevant context. We believe the studies presented in this dissertation provide insight into how blood vessel exposure to chronic inflammatory factors and epigenetic alterations in tumor cells could both contribute to enhanced tumor development. Modeling these biological processes in our advanced microfluidic platform further enables us to better understand microenvironmental regulation of tumor progression, uncovering new potential therapeutic targets.

Le glioblastome multiforme (GBM) représente la tumeur cérébrale primaire la plus agressive et la plus vascularisée chez l’adulte. La survie médiane après le diagnostic est de moins d’un an en l’absence de traitement. Malheureusement, 90% des patients traités avec de la radiothérapie après la résection chirurgicale d’un GBM développent une récidive tumorale. Récemment, le traitement des GBM avec radiothérapie et témozolomide, un agent reconnu pour ses propriétés antiangiogéniques, a permis de prolonger la survie médiane à 14,6 mois. Des efforts sont déployés pour identifier des substances naturelles capables d’inhiber, de retarder ou de renverser le processus de carcinogenèse. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), un polyphénol retrouvé dans le thé vert, est reconnu pour ses propriétés anticancéreuses et antiangiogéniques. L’EGCG pourrait sensibiliser les cellules tumorales cérébrales et les cellules endothéliales dérivées des tumeurs aux traitements conventionnels. Le chapitre II décrit la première partie de ce projet de doctorat. Nous avons tenté de déterminer si l’EGCG pourrait sensibiliser la réponse des GBM à l’irradiation (IR) et si des marqueurs moléculaires spécifiques sont impliqués. Nous avons documenté que les cellules U-87 étaient relativement radiorésistantes et que Survivin, une protéine inhibitrice de l’apoptose, pourrait être impliquée dans la radiorésistance des GBM. Aussi, nous avons démontré que le pré-traitement des cellules U-87 avec de l’EGCG pourrait annuler l’effet cytoprotecteur d’une surexpression de Survivin et potentialiser l’effet cytoréducteur de l’IR. Au chapitre III, nous avons caractérisé l’impact de l’IR sur la survie de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales humaines (HBMEC) et nous avons déterminé si l’EGCG pouvait optimiser cet effet. Bien que les traitements individuels avec l’EGCG et l’IR diminuaient la survie des HBMEC, le traitement combiné diminuait de façon synergique la survie cellulaire. Nous avons documenté que le traitement combiné augmentait la mort cellulaire, plus spécifiquement la nécrose. Au chapitre IV, nous avons investigué l’impact de l’IR sur les fonctions angiogéniques des HBMEC résistantes à l’IR, notamment la prolifération cellulaire, la migration cellulaire en présence de facteurs de croissance dérivés des tumeurs cérébrales, et la capacité de tubulogenèse. La voie de signalisation des Rho a aussi été étudiée en relation avec les propriétés angiogéniques des HBMEC radiorésistantes. Nos données suggèrent que l’IR altère significativement les propriétés angiogéniques des HBMEC. La réponse aux facteurs importants pour la croissance tumorale et l’angiogenèse ainsi que la tubulogenèse sont atténuées dans ces cellules. En conclusion, ce projet de doctorat confirme les propriétés cytoréductrices de l’IR sur les gliomes malins et propose un nouveau mécanisme pour expliquer la radiorésistance des GBM. Ce projet documente pour la première fois l’effet cytotoxique de l’IR sur les HBMEC. Aussi, ce projet reconnaît l’existence de HBMEC radiorésistantes et caractérise leurs fonctions angiogéniques altérées. La combinaison de molécules naturelles anticancéreuses et antiangiogéniques telles que l’EGCG avec de la radiothérapie pourrait améliorer l’effet de l’IR sur les cellules tumorales et sur les cellules endothéliales associées, possiblement en augmentant la mort cellulaire. Cette thèse supporte l’intégration de nutriments avec propriétés anticancéreuses et antiangiogéniques dans le traitement des gliomes malins pour sensibiliser les cellules tumorales et endothéliales aux traitements conventionnels. / Glioblastoma multiform (GBM) represents the most aggressive and vascularised primary cerebral neoplasm in adults. Median length of survival without further therapy is usually less than one year from the time of diagnosis. Unfortunately, 90% of patients receiving radiotherapy following GBM resection develop a tumor recurrence. More recently, treatment of GBM with combined radiotherapy and temozolomide, an agent recognized for its antiangiogenic activity, increased the median survival to 14,6 months. Efforts have been oriented towards identifying naturally occurring substances capable of inhibiting, delaying or reversing the multi-stage carcinogenesis process. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), a green tea polyphenol, has been recognized for its anticancerous and antiangiogenic property. EGCG may represent a potential agent capable of sensitizing brain tumor cells and their derived endothelial cells (ECs) to conventional treatments. In chapter II, the first part of this doctorate project aimed at determining if EGCG, in synergy with radiotherapy, can sensitize GBM’s response to radiation and whether specific molecular markers are involved. We documented that U-87 cells were relatively radioresistant and that Survivin, an inhibitor of apoptosis protein, may be involved in GBM’s radioresistance. We also found that pre-treatment of U-87 cells with EGCG could overcome the cytoprotective effect of Survivin overexpression and potentiate the cytoreductive effect of irradiation (IR). In chapter III, we characterized the impact of IR on human brain microvascular endothelial cell (HBMEC) survival and determined whether EGCG, could optimize this effect. We found that although EGCG treatment and IR individually decreased HBMEC survival, the combined treatment synergistically reduced survival. We documented that the combined treatment increased cell death, more specifically necrosis. In chapter IV, we investigated the impact of IR exposure on the angiogenic functions i.e. cell proliferation, cell migration in response to brain tumor-derived growth factors, and capacity for tubulogenesis of surviving human brain tumor-derived ECs. The Rho signalling pathway was also investigated in relation to the functional properties of radioresistant HBMEC. Our data suggests that IR significantly alters radioresistant HBMEC migration response to tumor-secreted growth factors and tubulogenesis. Response to growth factors important for tumor expansion and angiogenesis is significantly attenuated in these cells. In conclusion, this doctorate project confirmed IR’s cytoreductive properties on malignant gliomas. We proposed a novel mechanism to explain GBMs’ radioresistance. This project documented for the first time IR’s cytotoxic effect in HBMEC. It also described the existence of radioresistant HBMEC and characterized their altered angiogenic functions. The combination of natural anticancerous and antiangiogenic molecules such as EGCG with radiotherapy could improve IR’s effect on human malignant glioma cells and microvascular ECs, especially through increased necrosis of HBMEC. The thesis supports integrating nutrients bearing anticancerous and antiangiogenic properties, such as EGCG, in the management of gliomas to sensitize tumor and tumor-associated ECs to conventional therapies.

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Le glioblastome multiforme (GBM) représente la tumeur cérébrale primaire la plus agressive et la plus vascularisée chez l’adulte. La survie médiane après le diagnostic est de moins d’un an en l’absence de traitement. Malheureusement, 90% des patients traités avec de la radiothérapie après la résection chirurgicale d’un GBM développent une récidive tumorale. Récemment, le traitement des GBM avec radiothérapie et témozolomide, un agent reconnu pour ses propriétés antiangiogéniques, a permis de prolonger la survie médiane à 14,6 mois. Des efforts sont déployés pour identifier des substances naturelles capables d’inhiber, de retarder ou de renverser le processus de carcinogenèse. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), un polyphénol retrouvé dans le thé vert, est reconnu pour ses propriétés anticancéreuses et antiangiogéniques. L’EGCG pourrait sensibiliser les cellules tumorales cérébrales et les cellules endothéliales dérivées des tumeurs aux traitements conventionnels. Le chapitre II décrit la première partie de ce projet de doctorat. Nous avons tenté de déterminer si l’EGCG pourrait sensibiliser la réponse des GBM à l’irradiation (IR) et si des marqueurs moléculaires spécifiques sont impliqués. Nous avons documenté que les cellules U-87 étaient relativement radiorésistantes et que Survivin, une protéine inhibitrice de l’apoptose, pourrait être impliquée dans la radiorésistance des GBM. Aussi, nous avons démontré que le pré-traitement des cellules U-87 avec de l’EGCG pourrait annuler l’effet cytoprotecteur d’une surexpression de Survivin et potentialiser l’effet cytoréducteur de l’IR. Au chapitre III, nous avons caractérisé l’impact de l’IR sur la survie de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales humaines (HBMEC) et nous avons déterminé si l’EGCG pouvait optimiser cet effet. Bien que les traitements individuels avec l’EGCG et l’IR diminuaient la survie des HBMEC, le traitement combiné diminuait de façon synergique la survie cellulaire. Nous avons documenté que le traitement combiné augmentait la mort cellulaire, plus spécifiquement la nécrose. Au chapitre IV, nous avons investigué l’impact de l’IR sur les fonctions angiogéniques des HBMEC résistantes à l’IR, notamment la prolifération cellulaire, la migration cellulaire en présence de facteurs de croissance dérivés des tumeurs cérébrales, et la capacité de tubulogenèse. La voie de signalisation des Rho a aussi été étudiée en relation avec les propriétés angiogéniques des HBMEC radiorésistantes. Nos données suggèrent que l’IR altère significativement les propriétés angiogéniques des HBMEC. La réponse aux facteurs importants pour la croissance tumorale et l’angiogenèse ainsi que la tubulogenèse sont atténuées dans ces cellules. En conclusion, ce projet de doctorat confirme les propriétés cytoréductrices de l’IR sur les gliomes malins et propose un nouveau mécanisme pour expliquer la radiorésistance des GBM. Ce projet documente pour la première fois l’effet cytotoxique de l’IR sur les HBMEC. Aussi, ce projet reconnaît l’existence de HBMEC radiorésistantes et caractérise leurs fonctions angiogéniques altérées. La combinaison de molécules naturelles anticancéreuses et antiangiogéniques telles que l’EGCG avec de la radiothérapie pourrait améliorer l’effet de l’IR sur les cellules tumorales et sur les cellules endothéliales associées, possiblement en augmentant la mort cellulaire. Cette thèse supporte l’intégration de nutriments avec propriétés anticancéreuses et antiangiogéniques dans le traitement des gliomes malins pour sensibiliser les cellules tumorales et endothéliales aux traitements conventionnels. / Glioblastoma multiform (GBM) represents the most aggressive and vascularised primary cerebral neoplasm in adults. Median length of survival without further therapy is usually less than one year from the time of diagnosis. Unfortunately, 90% of patients receiving radiotherapy following GBM resection develop a tumor recurrence. More recently, treatment of GBM with combined radiotherapy and temozolomide, an agent recognized for its antiangiogenic activity, increased the median survival to 14,6 months. Efforts have been oriented towards identifying naturally occurring substances capable of inhibiting, delaying or reversing the multi-stage carcinogenesis process. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), a green tea polyphenol, has been recognized for its anticancerous and antiangiogenic property. EGCG may represent a potential agent capable of sensitizing brain tumor cells and their derived endothelial cells (ECs) to conventional treatments. In chapter II, the first part of this doctorate project aimed at determining if EGCG, in synergy with radiotherapy, can sensitize GBM’s response to radiation and whether specific molecular markers are involved. We documented that U-87 cells were relatively radioresistant and that Survivin, an inhibitor of apoptosis protein, may be involved in GBM’s radioresistance. We also found that pre-treatment of U-87 cells with EGCG could overcome the cytoprotective effect of Survivin overexpression and potentiate the cytoreductive effect of irradiation (IR). In chapter III, we characterized the impact of IR on human brain microvascular endothelial cell (HBMEC) survival and determined whether EGCG, could optimize this effect. We found that although EGCG treatment and IR individually decreased HBMEC survival, the combined treatment synergistically reduced survival. We documented that the combined treatment increased cell death, more specifically necrosis. In chapter IV, we investigated the impact of IR exposure on the angiogenic functions i.e. cell proliferation, cell migration in response to brain tumor-derived growth factors, and capacity for tubulogenesis of surviving human brain tumor-derived ECs. The Rho signalling pathway was also investigated in relation to the functional properties of radioresistant HBMEC. Our data suggests that IR significantly alters radioresistant HBMEC migration response to tumor-secreted growth factors and tubulogenesis. Response to growth factors important for tumor expansion and angiogenesis is significantly attenuated in these cells. In conclusion, this doctorate project confirmed IR’s cytoreductive properties on malignant gliomas. We proposed a novel mechanism to explain GBMs’ radioresistance. This project documented for the first time IR’s cytotoxic effect in HBMEC. It also described the existence of radioresistant HBMEC and characterized their altered angiogenic functions. The combination of natural anticancerous and antiangiogenic molecules such as EGCG with radiotherapy could improve IR’s effect on human malignant glioma cells and microvascular ECs, especially through increased necrosis of HBMEC. The thesis supports integrating nutrients bearing anticancerous and antiangiogenic properties, such as EGCG, in the management of gliomas to sensitize tumor and tumor-associated ECs to conventional therapies.

Mit einem medianen Überleben von 14 bis 16 Monaten und einer 5-Jahres-Überlebensrate von weniger als 5 % zählt das Glioblastoma multiforme (GBM) zu den aggressivsten Tumoren des zentralen Nervensystems (Cloughesy et al., 2014; Batash et al., 2017; Guberina et al., 2020). Das GBM, auch als WHO-Grad IV-Astrozytom bezeichnet, ist mit > 50 % aller glialen Tumoren der häufigste maligne hirneigene Tumor (Ohgaki und Kleihues, 2005). Aufgrund ihrer infausten Prognose ist eine Weiterentwicklung und Optimierung der aktuellen Leitlinientherapie sowie die Entwicklung neuartiger Therapiekonzepte für Primärtumore und Rezidive unentbehrlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige Therapieansätze, wie elektrische Wechselfelder (tumor treating fields, TTFields) und der Aurorakinaseinhibitor AZD1152 sowie die konventionelle, in der Leitlinie des Primärtumors verankerte Radiotherapie eingesetzt. Während eine Strahlentherapie in erster Linie durch die Induktion von DNA-Einzel- und Doppelstrangbrüchen wirkt, beruht der Wirkmechanismus der TTFields auf eine Störung der Dipol-gesteuerten Schritte während der Zellteilung. Dies führt folglich zu einer Arretierung des Zellzyklus in der G2/M- und G1/S-Phase. Sofern eine Reparatur an den checkpoints nicht möglich ist, erfolgt die Überleitung der Zelle in die Apoptose (Suzuki et al., 2003; Wilson et al., 2014; Fontana et al., 2015; Gerelchuluun et al., 2015). Die TTFields kamen mittels des InovitroTM-Systems zum Einsatz, die insbesondere inhibierend auf die M-Phase des Zellzyklus wirken (Gutin und Wong, 2012; Saria und Kesari, 2016). Für das Glioblastoma multiforme wurde dabei eine spezifische Frequenz von 200 kHz und eine Feldintensität von 1,7 V/cm bestimmt, welche das außerhalb des Zielgebiets liegende Gewebe schont (Kirson et al., 2009; Fabian et al., 2019). Für Primärtumore eines Glioblastoma multiforme konnte in der EF-14-Studie bereits ein signifikant verlängertes Überleben durch TTFields bestätigt werden, während für das Rezidiv in der EF-11-Studie lediglich eine Verbesserung der Lebensqualität erreicht wurde jedoch keine Verlängerung der Überlebenszeit (Stupp et al., 2012; Stupp et al., 2017). Ein vielversprechender Therapieansatz scheint außerdem der Einsatz des Aurora B-Kinase-Inhibitors AZD1152 zu sein. Als enzymatischer Teil des chromosomale passenger complex (CPC) liegt die Hauptaufgabe der Aurora B-Kinase in der Kontrolle der Mitose des Zellzyklus (Vader et al., 2006). Resultierend aus der Aufhebung des genannten Kontrollmechanismus mittels AZD1152 (Barasertib™) kommt es zum Anstieg polyploider Zellen, wodurch eine Überleitung in die Apoptose erfolgt (Zekri et al., 2016). Schlussfolgernd erscheint in Anbetracht der Einzeleffekte von Radiotherapie, TTFields und Aurora B-Kinase-Inhibierung deren kombinierter Einsatz wesentlich bedeutsam, wodurch der vorliegenden Arbeit die Hypothesen eines überwiegenden Effekts der Dreifachkombination im Vergleich zu der Einzeltherapie und den jeweiligen Zweifachkombinationsbehandlungen zugrunde liegen. Für die drei in dieser Arbeit eingesetzten Primärkulturen eines Glioblastoma multiforme Rezidivs konnte für die Dreifachkombinationstherapie gegenüber den Einzelbehandlungen ein hoch bis höchst signifikant additiv-zytotoxischer Effekt nachgewiesen werden. Im Mittel gelang eine Reduktion der Lebendzellzahl auf 20 – 34 % vitaler Zellen. Auch in Bezug auf die einzelnen Zweifachkombinationen wurden signifikante, hoch signifikante sowie ein höchst signifikantes Ergebnis für die Dreifachkombinationstherapie erzielt. Lediglich für die TTFields/AZD1152-Kombinationsbehandlung der Primärkultur HT18328-3 traf dies nicht zu. Mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie wurden ergänzend qualitative, zellmorphologische Änderungen visualisiert. Während sich in den Einzelbehandlungen sowie den Zweifachkombinationen Veränderungen der Zell- und Kerngröße sowie eine Kernfragmentierung andeuteten, waren diese Effekte in der Dreifachkombination deutlicher ausgeprägt. Die bereits quantitativ detektierten synergistisch zytotoxischen Effekte konnten durch lichtmikroskopische Bilder verifiziert werden. Langfristiges Ziel dieser Arbeit ist, die Kombinationstherapie im Rahmen von klinischen Studien zu testen. Jedoch sollte, aufgrund der insgesamt hohen inter- und intratumoralen Heterogenität des Glioblastoma multiforme im Vorfeld zur Etablierung des klinischen Einsatzes das Verhalten weiterer Primärkulturen untersucht werden. Ebenso erscheint die Berücksichtigung der vorausgehenden Behandlung der Patienten sowie des Ploidiegrades der Primärkultur als relevant, um ein unterschiedliches Therapieansprechen sowie mögliche Resistenzmechanismen nachzuvollziehen. Ferner sollte ein neoadjuvanter Einsatz des AZD1152 weiter verifiziert werden, denn eine Verbesserung der Radiosensibilität, resultierend in einem gesteigerten Therapieansprechen, konnte bereits aufgezeigt werden (Tao et al., 2009). Zur Minimierung der systemischen Nebenwirkungen des AZD1152 (Barasertib™) wäre die Etablierung einer gezielten, lokalen Anwendung im Sinne einer intraoperativen oder minimalinvasiven Applikation zielführend.:1 Einleitung 1.1 Glioblastoma multiforme: Definition, Ätiologie, Inzidenz 1.1.1 Symptome und Diagnostik 1.2 Molekulare Klassifizierung 1.2.1 Unterteilung in primäre und sekundäre Glioblastome mittels des IDH-Status 1.2.2 Molekulare Marker primärer Glioblastome 1.2.4 Die Methylguanin-Methyltransferase (MGMT) 1.3 Konventionelle Therapie 1.3.1 Leitlinie Primärtumor – Leitlinie Rezidiv 1.3.2 Radiotherapie 1.4 Neuartige Therapiekonzepte 1.4.1 Biologischer Hintergrund 1.4.2 Aurorakinase-Inhibitoren 1.4.3 Tumor Treating Fields (TTFields) 1.5 Zielstellung 2 Material und Methoden 2.1 Material 2.1.1 Antikörper 2.1.2 Chemikalien 2.1.3 Geräte 2.1.4 Lösungen 2.1.5 Medien 2.1.6 Kits 2.1.7 Primärkulturen 2.1.8 Software 2.1.9 Statistik 2.1.10 Verbrauchsmaterialien 2.2 Methoden 2.2.1 Zellkultivierung allgemein 2.2.2 Passagieren adhärenter Zellen . 2.2.3 Kultivierung von primärem Patientenmaterial 2.2.4 Kryokonservierung und Rekultivierung 2.2.5 Bestimmung der Lebendzellzahl – Neubauer-Zählkammer 2.2.6 Durchflusszytometrische Analyse 2.2.7 Bestimmung der Lebendzellzahl mittels PI 2.2.8 Bestimmung des DNA-Gehalt/Ploidiegrades mittels PI 2.2.9 Durchflusszytometrische Immunphänotypisierung von Glioblastomzellen 2.2.10 Beschichtung von Glascoverslips 2.2.11 Bestrahlung mittels Röntgensystem 2.2.12 Titration der Bestrahlungsdosis 2.2.13 Titration einer effektiven Aurora B-Kinase-Inhibitorkonzentration 2.2.14 In vitro-Applikation der TTFields 2.2.15 Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie 3 Ergebnisse 3.1 Wahl der Kontrollgruppe 3.2 Typisierung der verwendeten Primärkulturen 3.2.1 Befunde der Pathologie des UKD 3.2.2 Immunphänotypisierung 3.3 Titration der AZD1152-Konzentration 3.3.1 Titration der AZD1152-Konzentration an der Primärkultur HT16360-1 3.3.2 Titration der AZD1152-Konzentration an der Primärkultur HT18328-3 3.3.3 Titration der AZD1152-Konzentration an der Primärkultur HT18816 3.4 Dosistitration der Radiotherapie 3.4.1 Titration der Bestrahlungsdosis an HT16360-1 3.4.2 Titration der Bestrahlungsdosis an HT18328-3 3.4.3 Titration der Bestrahlungsdosis an HT18816 3.5 Kombinationstherapie mit Radiotherapie, TTFields und AZD1152 3.5.1 Quantitativer Effekt der Kombinationstherapie anhand der Lebendzellzahl 3.5.2 Zytoreduktiver Effekt der Kombinationstherapie 3.5.3 Quantitativer Effekt der Kombinationstherapie anhand des Ploidiegrades 3.5.4 Qualitativer Effekt der Kombinationstherapie 4 Diskussion 4.1 In vitro-Charakterisierung der Primärkulturen 4.2 Radiotherapie . 4.3 Neuartige Behandlungsoptionen 4.3.1 TTFields 4.3.2 Aurora B-Kinase-Inhibitor AZD1152 4.4 Kombinierte Behandlungsmethoden – Zwei- und Dreifachtherapie 5 Zusammenfassung Abstract Literaturverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Anhang / With a median survival of 14 to 16 months and a 5-year survival rate of less than 5 %, glioblastoma multiforme (GBM) is one of the most aggressive tumours of the central nervous system (Cloughesy et al., 2014; Batash et al., 2017; Guberina et al., 2020). GBM, also known as WHO grade IV astrocytoma, is the most common malignant brain tumor with > 50% of all glial tumors (Ohgaki und Kleihues, 2005). Due to its dismal prognosis, further development and optimisation of the current guideline therapy as well as the development of novel therapeutic concepts for primary tumours and recurrences is indispensable. Within the framework of this work, novel therapeutic approaches such as alternating electric fields (tumor treating fields, TTFields) and the aurorakinase inhibitor AZD1152 as well as conventional radiotherapy anchored in the guideline of the primary tumor were applied. While radiotherapy primarily works by the induction of DNA single and double strand breaks, the mechanism of action of TTFields is based on a disruption of the dipole-controlled steps during cell division. Consequently, this leads to a locking of the cell cycle in the G2/M and G1/S phase. If repair at the checkpoints is not possible, the cell is transferred to apoptosis (Suzuki et al., 2003; Wilson et al., 2014; Fontana et al., 2015; Gerelchuluun et al., 2015). The TTFields were used by means of the InovitroTM system, which has a particularly inhibitory effect on the M-phase of the cell cycle (Gutin und Wong, 2012; Saria und Kesari, 2016). For glioblastoma multiforme, a specific frequency of 200 kHz and a field intensity of 1.7 V/cm was determined, which spares the tissue outside the target area (Kirson et al., 2009; Fabian et al., 2019). For primary tumours of glioblastoma multiforme a significantly prolonged survival could already be confirmed by TTFields in the EF 14 study, whereas for recurrent tumours only an improvement in quality of life was achieved in the EF 11 study (Stupp et al., 2012; Stupp et al., 2017). The use of the Aurora B kinase inhibitor AZD1152 also appears to be a promising therapeutic approach. As an enzymatic part of the chromosomal passenger complex (CPC), the main task of the aurora B-kinase is to control cell cycle mitosis (Vader et al., 2006). As a result of the removal of the above-mentioned control mechanism by means of AZD1152 (BarasertibTM), there is an increase in polyploid cells, which leads to a transition to apoptosis (Zekri et al., 2016). In conclusion, considering the single effects of radiotherapy, TTFields and Aurora B-kinase inhibition, their combined use seems to be of considerable importance. Therefore, the present study is based on the hypotheses of a predominant effect of the triple combination compared to the single therapy and the respective dual combination treatments. For the three primary cultures of a glioblastoma multiforme recurrence used in this work, a high to highly significant additive cytotoxic effect could be demonstrated for the triple combination therapy compared to the single treatments. On average, a reduction in the number of living cells to 20 – 34 % vital cells was achieved. Significant, high significant and highly significant results were also achieved with regarding to the individual dual combination treatments. Only for the TTFields/AZD1152 combination treatment of the primary culture HT18328-3 this was not true. Confocal laser scanning microscopy was used to visualise qualitative, cell morphological changes. While changes in cell and core size as well as nucleus fragmentation were indicated in the single treatments as well as in the dual combination treatments, these effects were more pronounced in the triple combination. The already quantitatively detected synergistic cytotoxic effects could be verified by light microscopic images. The long-term goal of this work is to test the combination therapy in clinical trials. However, due to the overall high inter- and intratumoral heterogeneity of glioblastoma multiforme, the behaviour of further primary cultures should be investigated in advance of establishing clinical use. In addition, consideration of the previous treatment of the patients as well as the degree of ploidy of the primary culture seems to be relevant to understand a different response to therapy and possible resistance mechanisms. Furthermore, a neoadjuvant use of AZD1152 should be further verified, as an improvement in radiosensitivity resulting in an increased response to therapy has already been demonstrated (Tao et al., 2009). In order to minimize the systemic side effects of AZD1152 (BarasertibTM), the establishment of a targeted, local application in the sense of an intraoperative or minimally invasive application would be beneficial.:1 Einleitung 1.1 Glioblastoma multiforme: Definition, Ätiologie, Inzidenz 1.1.1 Symptome und Diagnostik 1.2 Molekulare Klassifizierung 1.2.1 Unterteilung in primäre und sekundäre Glioblastome mittels des IDH-Status 1.2.2 Molekulare Marker primärer Glioblastome 1.2.4 Die Methylguanin-Methyltransferase (MGMT) 1.3 Konventionelle Therapie 1.3.1 Leitlinie Primärtumor – Leitlinie Rezidiv 1.3.2 Radiotherapie 1.4 Neuartige Therapiekonzepte 1.4.1 Biologischer Hintergrund 1.4.2 Aurorakinase-Inhibitoren 1.4.3 Tumor Treating Fields (TTFields) 1.5 Zielstellung 2 Material und Methoden 2.1 Material 2.1.1 Antikörper 2.1.2 Chemikalien 2.1.3 Geräte 2.1.4 Lösungen 2.1.5 Medien 2.1.6 Kits 2.1.7 Primärkulturen 2.1.8 Software 2.1.9 Statistik 2.1.10 Verbrauchsmaterialien 2.2 Methoden 2.2.1 Zellkultivierung allgemein 2.2.2 Passagieren adhärenter Zellen . 2.2.3 Kultivierung von primärem Patientenmaterial 2.2.4 Kryokonservierung und Rekultivierung 2.2.5 Bestimmung der Lebendzellzahl – Neubauer-Zählkammer 2.2.6 Durchflusszytometrische Analyse 2.2.7 Bestimmung der Lebendzellzahl mittels PI 2.2.8 Bestimmung des DNA-Gehalt/Ploidiegrades mittels PI 2.2.9 Durchflusszytometrische Immunphänotypisierung von Glioblastomzellen 2.2.10 Beschichtung von Glascoverslips 2.2.11 Bestrahlung mittels Röntgensystem 2.2.12 Titration der Bestrahlungsdosis 2.2.13 Titration einer effektiven Aurora B-Kinase-Inhibitorkonzentration 2.2.14 In vitro-Applikation der TTFields 2.2.15 Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie 3 Ergebnisse 3.1 Wahl der Kontrollgruppe 3.2 Typisierung der verwendeten Primärkulturen 3.2.1 Befunde der Pathologie des UKD 3.2.2 Immunphänotypisierung 3.3 Titration der AZD1152-Konzentration 3.3.1 Titration der AZD1152-Konzentration an der Primärkultur HT16360-1 3.3.2 Titration der AZD1152-Konzentration an der Primärkultur HT18328-3 3.3.3 Titration der AZD1152-Konzentration an der Primärkultur HT18816 3.4 Dosistitration der Radiotherapie 3.4.1 Titration der Bestrahlungsdosis an HT16360-1 3.4.2 Titration der Bestrahlungsdosis an HT18328-3 3.4.3 Titration der Bestrahlungsdosis an HT18816 3.5 Kombinationstherapie mit Radiotherapie, TTFields und AZD1152 3.5.1 Quantitativer Effekt der Kombinationstherapie anhand der Lebendzellzahl 3.5.2 Zytoreduktiver Effekt der Kombinationstherapie 3.5.3 Quantitativer Effekt der Kombinationstherapie anhand des Ploidiegrades 3.5.4 Qualitativer Effekt der Kombinationstherapie 4 Diskussion 4.1 In vitro-Charakterisierung der Primärkulturen 4.2 Radiotherapie . 4.3 Neuartige Behandlungsoptionen 4.3.1 TTFields 4.3.2 Aurora B-Kinase-Inhibitor AZD1152 4.4 Kombinierte Behandlungsmethoden – Zwei- und Dreifachtherapie 5 Zusammenfassung Abstract Literaturverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Anhang