Apoptoseresistenz ist einer der Gründe für ein Versagen von Chemotherapie bei vielen Krebserkrankungen, darunter das Burkitt Lymphom. Um die molekularen Mechanismen der Apoptoseresistenz aufzuklären, wurde die Apoptoseinduktion in 15 Burkitt-Lymphom-Zelllinien nach Behandlung mit den Spindelgiften Taxol (Paclitaxel), Nocodazol und Vincristin untersucht. Interessanterweise entwickelten Zellen, die sich als resistent gegenüber Taxol- und Nocodazol-induzierter Apoptose erwiesen, nach Behandlung eine Polyploidie (>4N DNA), was eine inverse Relation von Apoptose und Polyploidie aufzeigt. In den sensitiven Zelllinien war die Taxol- und Nocodazol-induzierte Apoptose von Caspase-Aktivierung, Bid-Spaltung und Herunterregulation von Mcl-1 begleitet. Im Gegensatz zu den sensitiven Zelllinien wiesen die meisten apoptoseresistenten Zellen einen Verlust von Bax und Bak auf und waren durch einen anhaltenden mitotischen Arrest mit Auftreten eines >4N DNA-Gehalts nach Behandlung charakterisiert. Um weitere Einblicke in den Mechanismus der Spindelgift-induzierten Apoptose zu erhalten, wurde die Rolle der mitotische Kinase PLK1 (polo-like kinase) näher untersucht. Eine dominant-negative PLK1-Mutante induziert Apoptose. Allerdings zeigte eine zusätzliche Behandlung mit Spindelgiften keinen synergistischen Effekt, was darauf schließen lässt, dass sowohl Inhibierung von PLK1 als auch Mikrotubuli-destabilisierende Agenzien den gleichen Stress-Signalweg aktivieren. Andererseits unterstützte Überexpression von Wildtyp-PLK1 in Taxol behandelten Zellen die Zellzyklus-Progression. Dies deutet auf eine Verbindung zwischen Zelltodresistenz und genetischer Instabilität (Aneuplodie) hin. Inhibition von Apoptose in sensitiven Zelllinien durch Caspase-Inhibierung förderte Polypoidie, welche die inverse Relation bestätigte. Medikamente, welche die Caspase-Aktivierung unabhängig von Bax und Bak induzieren, könnten eine weitere Möglichkeit zur Behandlung von resistenten Burkitt-Lymphomen darstellen. / Apoptosis resistance is the major cause of chemotherapy failure in most kinds of cancers, including Burkitt lymphomas (BL). To elucidate molecular mechanisms regulating the development of apoptosis resistance, a panel of 15 BL cell lines was investigated for apoptosis induction upon treatment with microtubule inhibitors taxol, nocodazole and vincristine. Significant differences were observed in the extent of apoptosis induction among BL cell lines examined. Interestingly, cell lines exhibiting resistance to taxol- or nocodazole-induced apoptosis, showed development of polyploidy (>4N) and vice versa, displaying an inverse relationship between apoptosis and polyploidy induction. Further, in sensitive cell lines taxol-induced apoptosis was accompanied by caspase activation, Bid cleavage and Mcl-1 down-regulation. In contrast, most apoptosis resistant cell lines exhibited a loss of Bax and Bak expression and showed prolonged mitotic arrest with >4N DNA content upon treatment. To gain mechanistic insights into microtubule inhibitor-induced cell death, the role of the mitotic kinase PLK1 was addressed. Dominant negative PLK1 mutant induced apoptosis, however, failed to show synergism in induction of apoptosis in combination with microtubule inhibitors. This indicates that PLK1 inhibition and spindle toxins might trigger a similar mitotic stress pathway. Conversely, overexpression of wildtype PLK1 promoted cell cycle progression in cells treated with taxol. Remarkably, inhibition of apoptosis in sensitive cell lines by caspase inhibition promoted polyploidy confirming the inverse relationship between apoptosis and polyploidization. Considering targets to induce Bax/Bak independent caspase activation would be of great importance to avoid undesirable events leading to chromosomal imbalances in treating resistant cancers.

L'exigence principale du cycle cellulaire est une coordination étroite entre l'achèvement du processus de réplication et l'entrée des cellules en mitose, afin de maintenir l'intégrité génétique, l'identité et à la survie cellulaire. Toutes les cellules somatiques exécutent de manière reproductible une phase G2 intermédiaire, d'une durée constante pendant les divisions cellulaires successives au sein d'un type cellulaire donné. Cependant, les mécanismes moléculaires qui contrôlent précisément sa durée au cours d'un cycle cellulaire non perturbé, restent mal caractérisés. La kinase Cycline B1-Cdk1, facteur universel permettant l'entrée en mitose, est sous le contrôle, chez les mammifères, d'un ensemble de régulateurs directs, les kinases inhibitrices Wee1 et Myt1 et les phosphatases activatrices Cdc25A, B et C. Son activation soudaine, en fin de phase G2, révèle qu'une modification rapide de l'équilibre entre ses régulateurs opposés prend place par des mécanismes moléculaires qui restent à élucider. Dans ce cadre, j'ai étudié le rôle potentiel de la kinase Polo-like kinase 1 (Plk1) pour l'initiation de l'activation de Cycline B1-Cdk1. Bien que les rôles de Plk1 au cours de la mitose soient bien caractérisés, sa contribution dans la régulation de l'entrée des cellules en mitose reste controversée. Au niveau moléculaire, Plk1 phosphoryle au moins in vitro, plusieurs régulateurs de Cycline B1-Cdk1, tels que Cdc25B & C, et Wee1 et Myt1. Cependant, il reste largement inconnu si ces événements de phosphorylation se produisent in vivo et s'ils contribuent de manière significative au processus de l'activation de Cycline B1-Cdk1 permettant l'entrée en mitose. / A main requirement of the cell cycle is a tight coordination between the completion of the replication process and entry into mitosis in order to maintain genetic integrity and the identity and survival of cell progeny. All somatic cells reproducibly execute an intermediate G2 phase of constant duration during successive cell divisions in a given cell type. However the molecular mechanisms controlling precisely its duration during unperturbed cell cycle remains poorly characterized. In this context, the main objective of my PhD project was to decipher signaling pathways controlling entry into mitosis during normal cell cycles as well as their spatiotemporal regulation. CyclinB1-Cdk1, the universal master mitotic driver, is under the control of direct inhibitors (Wee1 and Myt1) and activators (Cdc25A, B and C). Previously, it was determined that CyclinB1-Cdk1 is suddenly activated in very late G2 phase, suggesting that a rapid modification in the equilibrium between its opposite regulators is reproducibly taking place in late G2 by poorly elucidated mechanisms. During my PhD, I investigated the potential role of Polo-like kinase 1 (Plk1) in the initial activation of CyclinB1-Cdk1. Even though its roles during mitosis are well characterized, its contribution for the regulation of entry into mitosis remains controversial. At the molecular level, Plk1 was shown to phosphorylate at least in vitro, several regulators of CyclinB1-Cdk1 including Cdc25B&C, and Wee1 and Myt1. However, it remains largely unknown if these phosphorylation events are taking place in vivo and whether they significantly contribute to the activation process of CyclinB1-Cdk1 leading to mitotic entry.

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Karzinome der Gallenwege sind mit einer schlechten Prognose assoziiert. Eine potentiell kurative chirurgische Resektion ist bei der Mehrzahl der Patienten aufgrund des späten Zeitpunkts der Diagnosestellung nicht möglich, so dass derzeit vorrangig palliative Therapieansätze Anwendung finden. Das nur geringe Ansprechen auf konventionelle Radio- oder Zytostatikatherapie begründet die Notwendigkeit neuer Therapieansätze. Einen möglichen Angriffspunkt stellt hierbei die Polo-like-Kinase 1 (Plk1) dar, da ihre zentrale Rolle in der Regulation des Zellzyklus zunehmend erkannt und eine vermehrte Expression in malignem Tumorgewebe verglichen mit gesundem Gewebe nachgewiesen wurde. Das Dihydropteridinon BI 2536 ist ein poten-ter, niedermolekularer und selektiver Hemmstoff der Plk1 und sollte daher auf seine Wirksamkeit an Gallenwegskarzinomen untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass BI 2536 die untersuchten 14 Zelllinien von Gallenblasen- und Gallengangskarzinomen wirkungsvoll hemmt. Das Ansprechen unterschied sich zwischen den Zelllinien und ordnet sich vergleichbar zu Veröffentlichungen an anderen malignen Tumoren ein. Die Expression von Plk1 und dessen assoziierten Transkriptionsfaktor FoxM1 konnte bei Westernblot-Versuchen bei allen Zelllinien nachgewiesen werden, was eine Bedeutung in der Onkogenese vermuten lässt. Die Behandlung mit BI 2536 beeinflusste jedoch die Proteinmenge beider nicht. An für die folgenden Versuche ausgewählten drei Zelllinien zeigten sich in der reversen Transkription mit anschließender Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qRT PCR) ähnliche Ergebnisse in Bezug auf die exprimierte mRNA von Plk1. Westernblot-Analysen ermittelten keine signifikanten Veränderungen der an wichtigen intrazellulären Kaskaden beteiligten Proteine p42/44 und Akt sowie deren phosphorylierten Formen. Obwohl die Proteinmenge des Mitosemarkers Phospho-Histon H3 ebenso unverändert blieb, führte die Behandlung mit BI 2536 – dies zeigen Ergebnisse der Durchflusszytometrie – zu einer signifikanten, dosisabhängigen Zunahme der G2/M Fraktion des Zellzyklus und Zunahme der Apoptose-rate. Der maximale Hemmeffekt in der Behandlung von BI 2536 lag bei einer Inkubations-dauer von vier Tagen. Die Empfehlungen aus den klinischen Studien der Phase II von BI 2536 sowie dem Ziel der Vermeidung von Resistenzen ergibt sich die Notwendigkeit von Kombinationsversuchen mit Zytostatika, die in einer anderen Phase des Zellzyklus angreifen. Die in der Behandlung von Gallenwegskarzinomen etablierten Antimetaboliten 5-Fluorouracil und Gemcitabin wurden hierzu ausgewählt und es zeigten sich für 5 Fluorouracil synergistische, für Gemcitabin hingegen additive Kombinationseffekte. Zusätzlich wurde die Wechselwirkung mit dem IGF 1-Rezeptor-Inhibitor NVP-AEW541 untersucht, der ebenfalls einen neuen Behand-lungsansatz in der Krebstherapie darstellt und bei Gallenwegskarzinomen in vitro wirksam ist. Auch hier zeigen sich synergistische Effekte, die jedoch erst in höheren Behandlungs-dosen auftraten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Hemmung der Plk1 bei Gallenblasen- und Gallengangskarzinomen einen wirksamen Behandlungsansatz darstellt. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse wird eine weitere präklinische und klinische Testung von selektiven Plk1-Hemmstoffen wie BI 2536 an Gallenwegskarzinomen empfohlen.

Karzinome der Gallenwege sind mit einer schlechten Prognose assoziiert. Eine potentiell kurative chirurgische Resektion ist bei der Mehrzahl der Patienten aufgrund des späten Zeitpunkts der Diagnosestellung nicht möglich, so dass derzeit vorrangig palliative Therapieansätze Anwendung finden. Das nur geringe Ansprechen auf konventionelle Radio- oder Zytostatikatherapie begründet die Notwendigkeit neuer Therapieansätze. Einen möglichen Angriffspunkt stellt hierbei die Polo-like-Kinase 1 (Plk1) dar, da ihre zentrale Rolle in der Regulation des Zellzyklus zunehmend erkannt und eine vermehrte Expression in malignem Tumorgewebe verglichen mit gesundem Gewebe nachgewiesen wurde. Das Dihydropteridinon BI 2536 ist ein poten-ter, niedermolekularer und selektiver Hemmstoff der Plk1 und sollte daher auf seine Wirksamkeit an Gallenwegskarzinomen untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass BI 2536 die untersuchten 14 Zelllinien von Gallenblasen- und Gallengangskarzinomen wirkungsvoll hemmt. Das Ansprechen unterschied sich zwischen den Zelllinien und ordnet sich vergleichbar zu Veröffentlichungen an anderen malignen Tumoren ein. Die Expression von Plk1 und dessen assoziierten Transkriptionsfaktor FoxM1 konnte bei Westernblot-Versuchen bei allen Zelllinien nachgewiesen werden, was eine Bedeutung in der Onkogenese vermuten lässt. Die Behandlung mit BI 2536 beeinflusste jedoch die Proteinmenge beider nicht. An für die folgenden Versuche ausgewählten drei Zelllinien zeigten sich in der reversen Transkription mit anschließender Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qRT PCR) ähnliche Ergebnisse in Bezug auf die exprimierte mRNA von Plk1. Westernblot-Analysen ermittelten keine signifikanten Veränderungen der an wichtigen intrazellulären Kaskaden beteiligten Proteine p42/44 und Akt sowie deren phosphorylierten Formen. Obwohl die Proteinmenge des Mitosemarkers Phospho-Histon H3 ebenso unverändert blieb, führte die Behandlung mit BI 2536 – dies zeigen Ergebnisse der Durchflusszytometrie – zu einer signifikanten, dosisabhängigen Zunahme der G2/M Fraktion des Zellzyklus und Zunahme der Apoptose-rate. Der maximale Hemmeffekt in der Behandlung von BI 2536 lag bei einer Inkubations-dauer von vier Tagen. Die Empfehlungen aus den klinischen Studien der Phase II von BI 2536 sowie dem Ziel der Vermeidung von Resistenzen ergibt sich die Notwendigkeit von Kombinationsversuchen mit Zytostatika, die in einer anderen Phase des Zellzyklus angreifen. Die in der Behandlung von Gallenwegskarzinomen etablierten Antimetaboliten 5-Fluorouracil und Gemcitabin wurden hierzu ausgewählt und es zeigten sich für 5 Fluorouracil synergistische, für Gemcitabin hingegen additive Kombinationseffekte. Zusätzlich wurde die Wechselwirkung mit dem IGF 1-Rezeptor-Inhibitor NVP-AEW541 untersucht, der ebenfalls einen neuen Behand-lungsansatz in der Krebstherapie darstellt und bei Gallenwegskarzinomen in vitro wirksam ist. Auch hier zeigen sich synergistische Effekte, die jedoch erst in höheren Behandlungs-dosen auftraten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Hemmung der Plk1 bei Gallenblasen- und Gallengangskarzinomen einen wirksamen Behandlungsansatz darstellt. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse wird eine weitere präklinische und klinische Testung von selektiven Plk1-Hemmstoffen wie BI 2536 an Gallenwegskarzinomen empfohlen.:Vorbemerkung 1 Inhaltsverzeichnis 2 Abkürzungsverzeichnis 3 Bibliographische Beschreibung 4 1 Einleitung 5 1.1 Gallenwegskarzinome 5 1.1.1 Epidemiologie, Einteilung und Histologie 5 1.1.2 Klinische Symptomatik und Diagnostik 6 1.1.3 Therapie und Prognose 7 1.2 Polo like-Kinase 1 9 1.2.1 Entdeckung und Aufbau der Polo like-Kinasen 9 1.2.2 Funktionen 9 1.2.3 Regulation 11 1.2.4 Bedeutung in der Onkologie 12 1.2.5 Hemmung 12 1.3 BI 2536 14 1.4 Zielstellung der Arbeit 15 2 Publikation 17 3 Zusammenfassung 29 4 Summary 31 5 Literaturverzeichnis 32 6 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 45 7 Lebenslauf 46 8 Publikationen im Rahmen dieser Arbeit 48 9 Danksagung 49