TTFields sind eine Therapieoption des GBM, welche als alternierende elektrische Felder den Aufbau des mitotischen Spindelapparates stören. Gleichzeitig überwacht der SAC, mit seiner Schlüsselkomponente der Kinase MPS1, eine korrekte Anheftung der Spindelfasern an die Kinetochore der Chromosomen. Eine Inhibition des SAC durch den Inhibitor MPS1-IN-3 in Kombination mit Vincristin führt zu einem synergistischen Effekt auf das Tumorwachstum in vitro und in vivo. Aus diesen Erkenntnissen folgerten wir die Hypothese, dass eine SAC-Inhibition die Wirkung von TTFields verstärken könnte. Um dies zu testen, wurden Zellen der Zelllinien U87 und GaMG über 72h mit TTFields, MPS1-IN-3 oder einer Kombination aus den beiden behandelt. Anschließend wurden die Zellen gezählt, es wurde eine Analyse des Zellzyklus vorgenommen und apoptotische Zellen wurden via TUNEL-Assay detektiert. Die Kombinationsbehandlung aus TTFields und MPS1-IN-3 führte zu einer Reduktion der Zellzahl (U87: -54,3% vs. TTFields, p=0,0046; -52,9% vs. MPS1-IN-3, p=0,0026; GaMG: -74,3% vs. TTFields, p=0,0373; -84% vs. MPS1-IN-3, p<0,00001). Nur 28,1% mehr Zellen als ausgesät waren bei der Zelllinie U87 zu finden (TTFields: 179,1%; MPS1-IN-3: 168,3%), während es bei GaMG-Zellen sogar 62% weniger Zellen als ausgesät waren. Im Zellzyklus zeigte sich eine Abnahme der Zellen von der G1-Phase (U87: -59,9% vs. TTFields, p=0,0007; -42,1% vs. IN-3, p=0,0426; GaMG: -45,1% vs. TTFields, p=0,0276; -51,6% vs. IN-3, p=0,0020), während es zu einem massiven Anstieg von toten Zellen kam (U87: 2,9fach vs. TTFields, p=0,0022; 2,2fach vs. IN-3, p=0,0046; GaMG: 5,6fach vs. TTFields, p=0,0078; 7,8fach vs. IN-3, p=0,0005). Diese Zellen ließen sich im TUNEL-Assay als durch Apoptose zu Grunde gegangene Zellen weiter identifizieren (U87: 5,4fach vs. TTFields, p=0,0489; 6,2fach vs. IN-3, p=0,0278; GaMG: 8,9fach vs. IN-3, p=0,0110). Diese Ergebnisse sind erste und wichtige Hinweise für eine Verstärkung der Wirkung von TTFields durch eine Inhibition des SAC und liefern eine gute Grundlage für weitere Forschung zur Verbesserung der Therapie des GBM. / TTFields are -in addition to the standard therapy- approved for GBM therapy. TTFields are alternating electric fields at a low intensity, which cause disruption of the mitotic spindle fibers. Whether spindle fibers are properly attached to the kinetochores is surveilled by the SAC. An inhibition of the kinase MPS1, a key component of the SAC, in combination with Vincristine treatment, results in a synergistic effect on GBM growth in vitro an in vivo (Tannous, Kerami et al. 2013). We hypothesized that a combination of inhibition of SAC in combination with TTFields increases TTFields efficacy. Cells of the cell lines U87 and GaMG were treated either with TTFields alone, the inhibitor MPS1-IN-3 alone or in combination of both. After 72h cells were counted, an analysis of the cell cycle was performed and apoptotic cells were detected by using a TUNEL-Assay. The combined treatment of TTFields and inhibition of SAC led to a significant decrease of cells (U87: -54.3% vs. TTFields, p=0.0046; -52.9% vs. MPS1- IN-3, p=0.0026; GaMG: -74.3% vs. TTFields, p=0.0373; -84% vs. MPS1-IN-3, p<0.00001). U87 cells proliferated only by 28.1% compared to the cells seeded at the beginning, while cells of the GaMG cell line diminished by 62% compared to the number of cells seeded (TTFields: 179.1%; MPS1-IN-3: 168.3%). The cell cycle analysis showed -among other effects- a reduction of the cells in phase G1 (U87: - 59.9% vs. TTFields, p=0.0007; -42.1% vs. IN-3, p=0.0426; GaMG: -45.1% vs. TTFields, p=0.0276; -51.6% vs. IN-3, p=0.0020), and an increase of dead cells (U87: 2.9x vs. TTFields, p=0.0022; 2.2x vs. IN-3, p=0.0046; GaMG: 5.6x vs. TTFields, p=0.0078; 7.8x vs. IN-3, p=0.0005). Those dead cells were identified by the TUNEL- Assay as cells, which had undergone apoptosis (U87: 5.4x vs. TTFields, p=0.0489; 6.2x vs. IN-3, p=0.0278; GaMG: 8.9x vs. IN-3, p=0.0110). These results strengthen the hypothesis that TTFields’ efficacy is increased by a combined treatment with an inhibition of the SAC and provide a basis for further research to improve GBM therapy.

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