Eine wichtige Standardtherapie in der modernen Behandlung von Krebserkrankungen ist die Strahlentherapie, in welcher Tumorzellen mittels ionisierender Strahlung geschädigt und abgetötet werden. Dabei soll die Schädigung des umgebenden Normalgewebes möglichst gering gehalten und trotzdem eine maximale Schädigung des Tumorgewebes erreicht werden. Deshalb sind neue Strategien zur Steigerung der Radiosensitivität des Tumorgewebes sehr wichtig, die es erlauben, bei gleicher Dosis eine verstärkte Strahlenantwort im Tumorgewebe zu erreichen. Hier kommen zunehmend sog. Radiosensibilisatoren zum Einsatz, die unter anderem onkogene Signalwege in den Tumorzellen inhibieren. Der PI3K/Akt/mTOR Signalweg stellt hierbei einen wichtigen Ansatzpunkt dar, da er in vielen Tumorentitäten dereguliert vorliegt und diese Signalkaskade bekanntermaßen einen Einfluss auf die zelluläre Strahlensensitivität hat. Obwohl es für diesen Signalweg schon eine Reihe von Inhibitoren gibt, für die bereits neben einer anti-proliferativen Wirkung auch ein radiosensibilisierender Effekt nachgewiesen wurde (z.B. Wortmannin und Rapamycin), machten eine geringe Spezifität, starke Nebenwirkungen und negative Rückkopplungsmechanismen im Signalweg, die die Wirkung des Inhibitors kompensieren, die Entwicklung neuer Inhibitoren notwendig. Das Imidazoquinolinderivat NVP-BEZ235 inhibiert den PI3K/Akt/mTOR Signalweg an mehreren Stellen gleichzeitig, indem es kompetitiv zu ATP das katalytische Zentrum von PI3K und mTOR blockiert. Für diesen kleinmolekularen, dualen Inhibitor gibt es bereits erste vielversprechende Forschungsergebnisse hinsichtlich einer radiosensibilisierenden Wirkung, allerdings sind die zugrunde liegenden molekularbiologischen Mechanismen noch nicht vollständig geklärt. Deshalb war das Ziel der vorliegenden Dissertation, in drei Teilprojekten mehrere Aspekte der NVP-BEZ235-induzierten Radiosensibilisierung aufzuklären: a) Einfluss des Behandlungsschemas für NVP-BEZ235 in vier Glioblastomzelllinien mit unterschiedlichem PTEN und TP53 Mutationsstatus, b) Einfluss der Sauerstoffversorgung (Hypoxie, Normoxie, reoxygeniert nach Bestrahlung) auf die strahlensensibilisierende Wirkung von NVP-BEZ235 in zwei Mammakarzinomzelllinien, c) gleichzeitige Inhibierung des MAPK Signalwegs durch AZD6244 und der PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade durch NVP-BEZ235 in zwei Zelllinien mit unter-schiedlichem Mutationsstatus aus verschiedenen Tumorentitäten, um synergistische Effekte zu untersuchen. Um diese Fragestellungen zu beantworten, wurde im Rahmen - 142 - der Dissertation eine Auswahl an humanen Tumorzelllinien mit unterschiedlich deregulierten Signalwegen bearbeitet. Dabei wurde die Expression von Schlüsselproteinen der MAPK/Erk und der PI3K/Akt/mTOR Signalwege analysiert und mit zellbiologischen Daten verschiedener phänotypischer Endpunkte nach Inhibitor Behandlung und Bestrahlung integriert (Proliferationsrate, klonogenes Überleben, Zellzyklusaberrationen, DNS-Schäden und -Reparatur, Zelltod und Autophagie). Im Teilprojekt zum Behandlungsschema der NVP-BEZ235 Inhibierung und Bestrahlung konnte in vier Glioblastomzelllinien mit Behandlungsschema I (NVP-BEZ235 Behandlung 24 Stunden vor Bestrahlung) kein radiosensibilisierender Effekt hinsichtlich klonogenem Überleben nachgewiesen werden, wohingegen Behandlungsschema II (NVP-BEZ235 Behandlung 1 h vor und im Anschluss an die Bestrahlung) unabhängig vom Mutationsstatus in allen vier Zelllinien eine starke Radiosensibilisierung bewirkte. Auf molekularer Ebene war zwischen beiden Behandlungsschemata für das antiapoptotische Protein Akt ein großer Unterschied zu beobachten, welches bei Behandlung nach Schema I zum Zeitpunkt der Bestrahlung überaktiviert, nach Behandlung mit Schema II hingegen inhibiert war. Weiterhin resultierte Behandlungsschema I in einem erhöhten Anteil der Zellen in der radioresistenteren G1-Phase des Zellzyklus zum Zeit-punkt der Bestrahlung. Behandlungsschema II führte hingegen nach Bestrahlung zu einer verminderten Expression des Reparaturproteins Rad51 und damit zu verminderter DNS-Schadensreparatur und schließlich zu einem stabilen Arrest in der G2/M-Phase des Zellzyklus sowie zu verstärkter Apoptose (erhöhte Spaltung von PARP, erhöhter Anteil hypodiploider Zellen). Somit zeigen diese Ergebnisse, dass unabhängig vom PTEN und TP53 Mutationsstatus eine Radiosensibilisierung nur durch das Behandlungsschema II erreicht werden konnte. Ferner deuten die Ergebnisse der Proteinexpression darauf hin, dass durch NVP-BEZ235 ein negativer Rückkopplungsmechanismus ausgelöst wird, wodurch die PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade 24h nach Zugabe des Inhibitors aktiviert und synergistische Effekte mit ionisierender Bestrahlung aufgehoben wurden. Im Teilprojekt zur Abhängigkeit der NVP-BEZ235 Inhibition vom Sauerstoffgehalt wurden in den beiden Brustkrebszelllinien MCF-7 (ER-positiv) und TN MDA-MB-231 (TP53 mutiert) normoxische, hypoxische und nach Bestrahlung reoxygenierte Kulturbedingungen im Hinblick auf die Koloniebildungsfähigkeit nach NVP-BEZ235 Behandlung und Bestrahlung untersucht. Die beobachtete Radiosensibilisierung war unter allen getesteten Bedingungen auf gleichem Niveau. In beiden Zelllinien bewirkte NVP-BEZ235 eine Inhibition des antiapoptotischen HIF-1α Proteins, eine stabile Inaktivierung des PI3K/Akt/mTOR Signalweges und eine Aktivierung der Autophagie. Nach Bestrahlung waren zudem erhöhte residuale DNS-Schäden und ein stabiler Arrest in der G2/M-Phase des Zellzyklus unter allen Oxygenierungsbedingungen in beiden Zelllinien zu beobachten. Eine Apoptose Induktion (Spaltung von PARP, hypodiploide Zellen) trat nur in der TP53 wildtypischen MCF-7 Zelllinie nach NVP-BEZ235 Behandlung auf. Somit konnte in beiden Zelllinien in allen pathophysiologisch relevanten Oxygenierungszuständen eine sauerstoffunabhängige Radiosensibilisierung durch NVP-BEZ235 gezeigt werden. Der bisher nicht erforschte Aspekt zur synergistischen Wirkung des MEK Inhibitors AZD6244 und des dualen PI3K/Akt/mTOR Inhibitors NVP-BEZ235 nach Bestrahlung wurde an der Glioblastomzelllinie SNB19 und der Lungenkarzinomzelllinie A549 anhand der Koloniebildungsfähigkeit der behandelten Zellen untersucht. Eine Behandlung mit dem MEK Inhibitor bewirkte lediglich eine moderate Radiosensibilisierung, wohin-gegen der duale PI3K/Akt/mTOR Inhibitor beide Zelllinien in stärkerem Maße sensibilisierte. Eine Kombination beider Inhibitoren resultierte bei keiner Zelllinie in einer Verstärkung der durch NVP-BEZ235 induzierten Radiosensibilisierung. Eine mögliche Erklärung für die fehlende Synergie im Bezug auf die Radiosensibilisierung können die gegensätzlichen Effekte der beiden Inhibitoren auf den Zellzyklus sein. Auf Proteinebene führte eine simultane Behandlung mit beiden Substanzen zur Inhibition beider Signalwege. Darüber hinaus war in SNB19 Zellen eine verstärkte Dephosphorylierung von Rb und ein erhöhter Anteil an G1-Phase Zellen bei kombinierter Gabe der Inhibitoren zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit konnte somit die radiosensibilisierende Wirkung von NVP-BEZ235 in Abhängigkeit vom Behandlungsschema gezeigt werden. Ferner wurde nachgewiesen, dass die Radiosensibilisierung unabhängig von der Sauerstoffversorgung sowie von den PTEN und TP53 Mutationsstatus der Tumorzellen ist. Die kombinierte Inhibition der MAPK und PI3K/Akt/mTOR Signalwege resultierte zwar in einem verstärkten zytostatischen, aber nicht in einem verstärkten radiosensibilisierenden Effekt. Da allerdings eine große Anzahl verschiedener Inhibitoren der MAPK/Erk und der PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade verfügbar sind, sollte die kombinatorische Inhibition dieser Signalwege systematisch weiter verfolgt werden. Die vorliegende Arbeit liefert auch weitere grundlegende Erkenntnisse zu den molekularen Mechanismen der Radiosensibilisierung durch NVP-BEZ235, die auch auf Verknüpfungen und Wechselwirkungen mit anderen als den bisher bekannten Proteinen hindeuten, die für jeden Inhibitor aufgeklärt werden müssen, um eine effektive radiosensibilisierende Wirkung vorher-sagen zu können. / One important treatment option in modern cancer treatment is the radiotherapy, in which tumor cells are killed using the effects of ionizing radiation. A major clinical challenge is the minimization of toxicity to normal tissue with an optimized efficacy in tumor tissue at the same time. In order to meet this requirement, novel strategies are neces-sary to increase the radiosensitivity of tumor tissue aiming at an enhanced radiation response in tumor cells at unchanged doses. For this purpose radiosensitizers are increasingly used, which often also inhibit oncogenic pathways in tumor cells. The PI3K/Akt/mTOR signaling cascade represents a key target since it is deregulated in many tumor types and since it is known that this pathway influences the cellular radiosensitivity. Even though a number of inhibitors with proven antiproliferative and radiosensitizing properties are already available for the PI3K/Akt/mTOR pathway (e.g. Wortmannin and Rapamycin), some substantial drawbacks such as low specificity, strong side effects and negative feedback loops within the pathway causing failure of pathway inhibition, necessitate the development of novel inhibitors. NVP-BEZ235 is an imidazoquinoline derivate, which acts as a dual inhibitor of the PI3K/Akt/mTOR path-way by inhibiting the catalytic domain of PI3K and mTOR in an ATP competitive man-ner. There are already promising results published about a radiosensitizing effect of this small molecule inhibitor, however, the underlying molecular mechanisms are still not sufficiently clarified. For this reason, the aim of this doctoral thesis was to clarify several aspects of NVP-BEZ235-induced radiosensitization: a) impact of the treatment scheme of NVP-BEZ235 on four glioblastoma cell lines with different PTEN and TP53 mutational status, b) impact of oxygen supply (hypoxia, normoxia, reoxygenation after irradiation) on the radiosensitizing effect of NVP-BEZ235 in two breast cancer cell lines, c) simultaneous inhibition of the MAPK/Erk pathway with AZD6244 and the PI3K/Akt/mTOR pathway with NVP-BEZ235 in two cell lines differing in their muta-tional background and their origin in order to investigate synergistic effects on radiosensitization. In order to meet these aims, a selection of human tumor cell lines with differentially deregulated pathways was used in this thesis. The expression of key proteins of the PI3K/mTOR and MAPK/Erk pathways were analyzed and integrated with pheno-typic data (proliferation rate, clonogenic survival, cell cycle alterations, DNA damage and repair, cell death, autophagy) after inhibitor treatment and irradiation of cells. For this purpose, proliferation and colony forming assays as well as flow cytometry and Western blot analyses have been performed. The subproject investigating the treatment schemes of NVP-BEZ235 inhibition in com-bination with irradiation demonstrated in four glioblastoma cell lines that treatment scheme I (NVP-BEZ235 treatment 24 h before irradiation) could not generate a radio-sensitizing effect considering clonogenic survival. However, treatment scheme II (NVP-BEZ235 treatment 1 h before and after irradiation) resulted in a strong radiosensitization in each cell line independently of the mutation status. At protein level, a remarkable difference between the two treatment schemes was observed for the expression of the anti-apoptotic protein Akt, which was overexpressed at the time of irradiation under scheme I, whilst it was inhibited under treatment of scheme II. Scheme I also resulted in an elevated proportion of cells in the more resistent G1-phase of the cell cycle at the time of irradiation. On the other hand, scheme II caused a reduced expression of the repair protein Rad51 and a diminished DNA repair after irradiation. Also, a stable arrest in the G2/M-phase of the cell cycle and increased apoptosis (increased cleavage of PARP and elevated proportions of hypodiploid cells) were noticed under scheme II conditions. Thus, these findings demonstrate a radiosensitization only under conditions of treatment scheme II and that this radiosensitization was independent of PTEN and TP53 mutations. Moreover, the data on protein expression indicate a negative feedback loop that was induced by NVP BEZ235 resulting in an activation of the PI3K/Akt/mTOR pathway 24 h after inhibitor treatment and leading to abrogation of the synergistic effects with irradiation. The impact of the oxygen supply on NVP BEZ235 inhibition was studied within the second subproject, using the breast cancer cell lines MCF-7 (ER-positive) and TN MDA-MB-231 (TP53 mutated) under normoxia, hypoxia and reoxygenation after irra-diation with respect to colony formation after NVP-BEZ235 treatment and irradiation. A radiosensitization was observed for each condition at the same level. NVP BEZ235 caused in each cell line an inhibition of the anti-apoptotic HIF-1α protein, a stable inactivation of the PI3K/Akt/mTOR pathway and an activation of autophagy. An increase of residual DNA damage and a stable arrest in the G2/M phase of the cell cycle were also noticed for all oxygen conditions after irradiation in both cell lines. An induction of apoptosis (cleavage of PARP, hypodiploid cells) was only seen after NVP BEZ235 treatment in the wildtype TP53 MCF-7 cell line. Thus, a radiosensitization independent of the oxygen supply became apparent for all oxygen conditions tested. The aspect of the synergistic effect after irradiation of the MEK inhibitor AZD6244 and of the dual PI3K/mTOR inhibitor NVP-BEZ235 was examined for the first time within the third subproject. For this purpose, the colony formation ability was analyzed for the glioblastoma cell line SNB19 and for the lung carcinoma cell line A549. The MEK in-hibitor AZD6244 only caused a moderate radiosensitization whereas the dual PI3K/Akt/mTOR inhibitor NVP-BEZ235 resulted in a stronger radiosensitization com-pared to AZD6244. A combinatorial treatment with both inhibitors did not show a gain of the radiosensitizing effect of NVP-BEZ235 in any cell line. One possible explanation for the missing synergy in terms of radiosensitization could be the adverse effects on the cell cycle observed after combined inhibition. At the protein level the simultaneous treatment with both inhibitors caused an inhibition of both pathways. An increased dephosphorylation of Rb and an elevated proportion of G1 phase cells were observed in SNB19 cells after combinatorial treatment. Within the scope of this doctoral thesis a radiosensitizing effect of NVP-BEZ235 was clearly demonstrated depending on the treatment scheme. It was shown that the radiosensitization was independent of the oxygen supply and the PTEN and TP53 mutational status of the tumor cells. The simultaneous inhibition of the MAPK/Erk and PI3K/Akt/mTOR pathways caused an increased cytostatic effect on tumor cells, but did not result in an elevated radiosensitization. However, a large number of different inhibi-tors of the MAPK/Erk and the PI3K/Akt/mTOR signaling cascades are available so far and therefore the specific examination of a combinatorial inhibition of these pathways should be continued. This doctoral thesis also provides basic research findings of the molecular mechanisms of radiosensitization induced by NVP-BEZ235 pointing to links and interactions with so far unknown proteins. These protein and network interactions should be clarified for each inhibitor in order to predict a specific effect on radiosensiti-zation.