Im Fokus der Dissertation stand die Evaluierung molekularer Möglichkeiten zur Findung geeigneter Biomarker für das Prostatakarzinom (PCa). Zunächst wurde die epigenetische Promotormethylierung der Gene GSTP1, RARbeta2, APC und PITX2 im Hinblick eines möglichen Methylierungsfeldeffektes untersucht. Die RARβ2-Promotormethylierung konnte als potentieller Marker zur Tumorvorhersage im histologisch normal erscheinenden Gewebe bestimmt werden. GSTP1 zeigte eine äußerst spezifische Tumormethylierung, was dessen diagnostisches Potenzial unterstreicht. Die Methylierung korrelierte zudem mit pathologischen Parametern. Ein Screening im Array-Format identifizierte weitere Gene, deren Promotormethylierung diagnostisch interessant sein könnten. Des Weiteren wurden Genexpressionsanalysen angiogenetischer und Endothel-assoziierter Faktoren durchgeführt, deren diagnostische und prognostische Aussagekraft für das PCa ermittelt wurden. Dabei konnte für Caveolin-1 (CAV1) eine signifikante Herunterregulierung der mRNA-Menge im Tumor gezeigt werden. Die Bisulfit-Sequenzierung von sieben CpG-Dinukleotiden im CAV1-Promotor ergab zwischen Tumor- und tumorangrenzendem Gewebe differenzielle Methylierungsmuster, die zu einer verminderten CAV1-Transkription führen könnten. Zudem führte eine 5-Aza-2-desoxycytidin-Behandlung der CAV1-defizienten LNCaP-Zelllinie zur Reexpression. Weiterhin assoziierte CAV1 invers mit pathologischen Parametern und zeigte prognostische und diagnostische Relevanz. Immunhistologisch wurde CAV1 z.T. deutlich verringert in Endothelzellen und Fibroblasten des Tumors nachgewiesen. Ko-Kultivierungsversuche von HUVEC mit konditionierten Zellmedien ergaben z.T. signifikant reduzierte CAV1-Mengen in HUVEC. Die Ergebnisse zeigen, dass epigenetische Veränderungen wertvolle Informationen zur Diagnostik, Prognostik und Progression des PCa liefern. Zudem konnte CAV1 als potentieller Marker des PCa identifiziert werden. / The focus of the thesis was to evaluate molecular possibilities to find suitable biomarkers for prostate cancer (PCa). First, the epigenetic promoter methylation patterns of several genes (GSTP1, RARbeta2, APC and PITX2, respectively) were investigated for a possible methylation field effect. The RARbeta2 promoter methylation could be determined as a possible marker for tumor prediction in histologically normal-appearing tissue. GSTP1 showed a highly specific tumor methylation, underlining its diagnostic potential. The methylation also correlated with pathological parameters. Screening in an array format identified other genes whose promoter hypermethylation could be diagnostically interesting. Furthermore, gene expression analysis of angiogenic and endothelial-associated factors was performed to determine their diagnostic and prognostic potentials for PCa. For CAV1, a significant down-regulation of its mRNA level could be determined in the tumor. Bisulfite sequencing of seven CpG dinucleotides in the CAV1 promoter showed different methylation patterns between tumor and tumor adjacent tissue that could cause a reduced transcription. Furthermore, treatment of the CAV1-deficient LNCaP cell line with 5-aza-2-deoxycytidine led to CAV1 reexpression. Additionally, CAV1 inversely associated with pathological parameters and showed prognostic and diagnostic relevance. Immunohistochemical analysis clearly demonstrated decreases in CAV1 protein expression in endothelial cells and fibroblasts of the tumor. Conditioned media of cultivated tumor cells partly induced downregulation of the CAV1 protein level in HUVEC. The results show that epigenetic and angiogenic processes play crucial roles and provide valuable information for diagnosis, prognosis and progression of PCa. Moreover, CAV1 could be identified as a potential marker of prostate cancer.

Die vorliegende Habilitationsschrift "Neue Serummarker bei urologischen Malignomen mit dem Schwerpunkt Prostatakarzinom und Anwendung von Proteinase-Inhibitoren in der Therapie des Prostatakarzinoms" faßt Ergebnisse zusammen, die ich in den Jahren von 1996 bis 2000 als Erstautor in wissenschaftlichen Artikeln von peer reviewed Zeitschriften veröffentlicht habe. Zusätzlich werden 14 Arbeiten mit ihren Aussagen eingeschlossen, bei denen ich als Koautor beteiligt war. Gegenstand der Habilitationsschrift sind Untersuchungen zur diagnostischen Optimierung des Tumormarkers Prostataspezifisches Antigen (PSA) und zum Expressionsverhalten von CD44-Proteinen bzw. Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) als potentielle, neue Marker bei urologischen Karzinomen. Die nachgewiesene Bedeutung der MMPs bei der Tumorprogression und -metastasierung hat mich dazu veranlaßt, tierexperimentelle Studien zur Hemmung der MMP-Aktivität mit synthetischen Inhibitoren in meine Arbeit aufzunehmen. Zielstellung war hierbei die Evaluierung neuer Therapieoptionen beim fortgeschrittenen Tumor. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht das Prostatakarzinom (PCa) als häufigster maligner Tumor des Mannes. 1. Das PSA ist ohne Zweifel der beste Tumormarker in der Diagnostik des PCa. Der Optimierung dieses Markers wird große Bedeutung zugemessen. Dabei werden verschiedene Konzepte verfolgt, wobei die Bestimmung der Isoformen des PSA die zur Zeit erfolgreichste Richtung zu sein scheint. Die Ergebnisse meiner u.a. im Rahmen von Multizenterstudien durchgeführten Untersuchungen belegen den diagnostischen Nutzen der zusätzlichen Bestimmung des f-PSA%, um PCa-Patienten früher zu erkennen und besser gegenüber Patienten mit benigner Prostatahyperplasie (BPH) abgrenzen zu können. Ein weiteres Ergebnis der Untersuchungen zur diagnostischen Validität anderer PSA-Isoformen ist die Feststellung, daß die Bestimmung des gebundenen PSA keinen Vorteil gegenüber dem f-PSA% hat. Widersprüchliche Angaben in der Literatur konnten damit ausgeräumt werden. Diese Ergebnisse veranlaßten die Firma Roche als Kooperationspartner, die Weiterentwicklung eines ACT-PSA Prototyp-Testsystems einzustellen. Die Ergebnisse meiner Untersuchungen zu den PSA-Isoformen haben inzwischen Eingang in den klinischen Alltag gefunden und werden in der Urologischen Klinik der Charité genutzt. Es wurden Entscheidungsgrenzen für den f-PSA%-Wert zur Indikationsstellung von Stanzbiopsien der Prostata als Klinikstandard erarbeitet. 2. Bei verschiedenen urologischen Tumoren wurde das Expressionsverhalten von CD44-Proteinen und MMPs bzw. deren Inhibitoren bestimmt, um eine mögliche Bedeutung bei der Tumorprogression zu erfassen. Diese Untersuchungen sind gleichzeitig Voraussetzung für eine mögliche Anwendung der Komponenten in der Diagnostik und Therapiekontrolle bei diesen Tumorentitäten. Im Gegensatz zu anderen menschlichen Tumoren konnten bei den untersuchten urologischen Tumoren keine veränderten Serumkonzentrationen der CD44-Proteine einschließlich der Varianten nachgewiesen werden. Daher habe ich weiterführende Studien zu den CD44-Proteinen nicht durchgeführt. 3. Im Tumorgewebe sowie im Plasma von Patienten mit PCa und Nierenzellkarzinom konnte ich signifikante Veränderungen von MMPs und deren Inhibitoren nachweisen. Die Situation im Gewebe spiegelt sich zum Teil im Blut der Patienten wider. Diese Beobachtungen beweisen die Bedeutung der MMPs bei der Tumorprogression und -metastasierung. Prinzipiell kann die Bestimmung einzelner MMPs bzw. TIMPs in der Diagnostik von urologischen Tumoren genutzt werden. Die niedrige Sensitivität in der individuellen Erfassung des einzelnen Tumorpatienten schränkt jedoch die praktische Anwendung ein. 4. Die veränderte MMP-Expression bzw. die Dysbalance zwischen MMPs und TIMPs hat mich veranlaßt, synthetische Inhibitoren zur Blockierung der MMP-Aktivität in einem Standardtiermodell des menschlichen PCa einzusetzen. In einer ersten Untersuchung am Dunning-Tumor der Ratte wurde nachgewiesen, daß dieser Tumor MMP9 exprimiert und die Serumkonzentration mit der Tumorgröße korreliert. In weiteren tierexperimentellen Untersuchungen wurde der Einfluß von Batimastat, einem Breitspektrum-Inhibitor der MMPs und einem neuentwickelten, selektiveren Inhibitor (Icol) auf das orthotope Tumorwachstum ermittelt. Beide Substanzen führten zu einer Hemmung des lokalen Tumorwachstums. Durch Applikation von Icol wurde eine Reduzierung des Tumorgewichtes um 90% im Vergleich zu den unbehandelten Kontrolltieren erreicht. Diese Beobachtungen haben eine doppelte Bedeutung. Zum einen beweist die Hemmwirkung von synthetischen MMP-Inhibitoren im Tiermodell die Funktion der MMPs bei der lokalen Tumorprogression. Zum anderen werden durch diese erfolgreichen tierexperimentellen Studien mit neuen Substanzen Voraussetzungen für die klinische Anwendung bei Patienten mit hormonrefraktärem PCa geschaffen. / The aim of my "habilitation thesis" was to evaluate the diagnostic validity of prostate-specific antigen (PSA) in serum and tissue, the serum pattern of CD44 proteins and of the matrix metalloproteinases (MMPs) in serum and tissue of urological malignancies. As MMPs seem to play an important role in tumor progression and metastasis, animal studies were additionally initiated in order to investigate the influence of synthetic inhibitors of MMPs on prostate cancer. 1. PSA is the most important and accurate tumor marker in prostate cancer diagnosis. However, PSA is an organ-specific marker, but is not tumor-specific. Elevated PSA concentrations are seen with non-malignant prostatic diseases like benign prostatic hyperplasia (BPH). Moreover, not all patients with prostate cancer have elevated PSA concentrations. In order to optimize the diagnostic validity of PSA, several concepts have been developed. Determination of the PSA isoforms in serum could help discriminate between prostate cancer and BPH. In various own studies, including a multicenter clinical trial, the determination of free PSA and the calculation the ratio of free PSA to total PSA (fPSA/tPSA) has proven to be a promising tool in prostate cancer diagnosis. Regarding the diagnostic validity of the complexed PSA conflicting data exist. Our results, using a newly developed alpha-1-antichymotrypsin-PSA (ACT-PSA) assay by Roche are contradictory to recent published data. Based on data of a multicenter trial, the determination of ACT-PSA as well as the ACT-PSA to tPSA ratio did not improve the differential diagnostic impact in patients undergoing evaluation for prostate cancer compared to the ratio fPSA/tPSA. 2. In various malignant diseases characteristic alterations in the expression of CD44 proteins and their variants have been observed. In contrast to those observations in other carcinomas, the determination of soluble CD44 proteins in serum is not suitable for detecting and staging patients with urological malignant tumors. Therefore, further investigation have not been performed. 3. Matrix-metalloproteinases (MMP) form a group of endogenous proteases with the common ability to degrade various components of the extracellular matrix. It could be demonstrated that increased levels of MMP are associated with the invasive and metastatic potential in human malignant tumors. However, little is known about the role of MMPs in renal cell carcinoma. In own study significant changes of MMP expression have been observed. Although changes in specific MMPs might be characteristic for renal carcinoma tissues and might be partly reflected in the blood, data shown that even MMP-9 as the best plasma marker, had a low sensitivity in detecting renal cell carcinoma. Increased concentrations of MMP-9 in tumor tissue may have important implications for the therapeutic potential of synthetic inhibitors of MMPs. 4. The importance of inhibitors of MMPs in cancer has been demonstrated in various studies. In own investigations, altered levels of MMPs and their specific inhibitors have been elucidated in prostate cancer. Therefore, a study to evaluate the efficacy of synthetic MMP inhibitors (batimastat, Icol) in a standard prostate cancer animal model was performed. Previously, the high expression of MMP-9 in this prostate cancer (Dunning tumor) compared with normal prostatic tissue could be demonstrated. Batimastat and the newly developed inhibitor Icol reduced the orthotopic tumor weights up to 90% in a dose-dependent manner. This results confirmed the importance of MMPs and their inhibitors in tumor progression. It can be concluded that selective inhibition of MMP activity is a novel therapeutic approach, which bears promise for studies in patients with hormone-refractory prostate cancer.

Retinoide sind Steroide, Derivate des Vitamin A, die ihre Wirkung durch Interaktion mit Retinoid-Rezeptoren, lokalisiert im Zellkern, entfalten. Diese Retinoid-Rezeptoren, weisen funktionelle und strukturelle Ähnlichkeiten mit dem Androgenrezeptor auf. Untersuchungen an Zellkulturen zeigen, daß der Effekt von Retinoiden auf das Zellwachstum von Prostata-Epithelzellen und Prostatakarzinomzellen keiner einfachen Kinetik folgt, sondern neben der Abhängigkeit von der Retinoid-Dosis, auch von der Zellinie, insbesondere deren Androgenrezeptor abhängt. So zeigten LNCaP-Zellen Unterschiede in der Zellproliferation im Vergleich zu PC3 oder NRP154 (Prostatakarzinom Ratte) und NRP152 (Prostataepithel Ratte). Northern-blots mit Poly(A)RNA von verschiedenen Prostata-Zellinien (benigne und maligne) nach Behandlung mit Retinoic acid (RA) bestätigte dosisabhängige Unterschiede in der Expression der Androgenrezeptor (AR)-mRNA.Umgekehrt verursachte die Behandlung mit Testosteron in verschiedenen Prostata-Zellinien (benigne und maligne) Unterschiede in der Expression der Retinoid-Rezeptor-mRNA für RAR( und RAR(. Die Ergebnisse unterstützen somit die Hypothese einer Interaktion von Retinoiden und Androgenen mit deren respektiven Rezeptoren. Untersuchungen an humanem Prostatagewebe bestätigten Unterschiede in der Expression von RAR(mRNA und RAR(mRNA mittels RT-PCR. Durch immunhistochemische Untersuchungen an humanem Prostatagewebe mit Antikörpern gegen RAR ( und RAR( konnten deren Lokalisation und Expression nachgewiesen werden. Dabei zeigte sich wiederum eine erhöhte Immunreaktivität von RAR( beim Prostatakarzinom, im Gegensatz zu RAR(, das bei benignem Prostataepithelium eine deutlich stärkere Immunreaktivität aufwies. Zusammenfassend belegen unsere Untersuchungen, daß Retinoide einen meist wachstumshemmenden Effekt auf Prostatakarzinomzellinien verursachen, der wahrscheinlich neben Bindung an Retinoid-Rezeptoren (RARs`) durch Interaktion mit dem Androgenrezeptor (AR), vermittelt durch Hemmung verschiedener membrangebundener Zellproteine und Rezeptoren, wie EGF-R verursacht wird. / Retinoids are steroids, derivatives of vitamine A, that excert their activities by interaction with the retinoic acid receptors (RARs') located in the cell nucleus. The RARs possess structural and functional similarities to the androgen receptor (AR). Investigations in cell cultures demonstrated that the effect of retinoic acid (RA) on cell proliferation is dependent not only on the RA dosage, but also on the androgen receptor status of the cell line. LNCaP cells showed a difference in cell proliferation when treated with RA, as opposed to PC3 or NRP154 (rat prostate cancer cell line) and NRP152 (rat prostate epithelial cell line). Northern blots with Poly(A)RNA from different prostate cell lines (benigne and maligne, with different androgen dependency) when treated with different concentrations of RA, demonstrated a dose-dependent expression of the androgen receptor (AR)mRNA. Conversely resulted the treatment with different concentrations of testosterone to different expressions of the RAR-mRNAs. The results, therefore, support the hypothesis of an interaction of retinoids and androgen with their respective receptors. Investigations with human prostate tissue (malignant and benign) confirms differences in RAR-expression byRT-PCR and immunhistochemistry. Again, prostate cancer showed an overexpression of RAR(, whereas benign prostate tissue demonstrated an overexpression of RAR(. Our investigations, in summary, demonstrate the overall inhibitory effect of retinoids with respect to cell proliferation in prostate cancer cell lines. There is evidence , that this biologic effect is not only triggert by interaction of retinoids and androgens with their own receptors, but occurs by cross-interaction of retinoids with the androgen receptor and androgens with the RARs. Furthermore, the biologic effect of retinoids on cell growth is dependent on membrane bound receptors, such as EGF-R.

Durch Anwendung Array-basierter Transkriptanalyse auf mikrodissezierte Prostatagewebe konnten eine Vielzahl differenziell exprimierter Gene des Prostatakarzinoms identifiziert werden. Innerhalb dieser wurden CD166 und CD24 für die weiterführende Analyse ausgewählt. CD24 ist ein kleines Zelloberflächenmolekül, das ursprünglich in B-Zellen und malignen hämatologischen Erkrankungen beschrieben wurde. Eine CD24 Expression wurde auch in verschiedenen soliden Tumoren gefunden. Da CD24 ein Ligand von P-Selektin ist, könnte CD24 den Tumorzellen pro-metastatische Eigenschaften verleihen. Ziel der Studie war, die CD24 Expression in unseren Tumorkollektiven von Mamma- (n=201), Prostata- (n=102), Nicht-kleinzelligen Lungen- (n=89), Ovarial- (n=56) und Pankreaskarzinomen (n=95) immunhistologisch zu bestimmen. Diese Ergebnisse wurden mit klinisch-pathologischen Daten einschliesslich der Überlebensdaten korreliert. Die differenzielle Expression von CD166 wurde ebenfalls immunhistochemisch validiert. Eine CD24 Expression fand sich in 85% der Mammakarzinome, 48% der Prostatakarzinome, 45% der NSCLC, in 84% der Ovarialkarzinome und 72% der Pankreaskarzinome. CD24 Expression korrelierte univariat und multivariat signifikant (p / Applying array based transcript analysis to microdissected prostate tissues, a variety of differentially expressed genes of prostate cancer were identified. Among these, CD166 and CD24 were selected for further analysis. CD24 is a small cell surface molecule that has originally been described in B-cells and hematologic malignancies. Expression of CD24 was also found in various solid tumours. Being a ligand of P-selectin, CD24 might confer pro-metastatic properties to tumour cells. We aimed to clarify the expression of CD24 in our collectives of breast cancer (n=201), prostate cancer (n=102), non-small cell lung cancer (NSCLC, n=89), epithelial ovarian cancer (EOC, n=56) and pancreatic cancer (n=95) by immunohistochemistry. These results were correlated to clinicopathological parameters including survival data. The differential expression of CD166 was validated immunohistochemically as well. Expression of CD24 was found in 85% of breast cancer, 48% of prostate cancer, 45% of NSCLC, 84% of EOC and 72% of pancreatic cancer. CD24 expression correlated significantly (p

Die Cathepsine B, H und L sind lysosomale Enzyme, die zur Gruppe der Cysteinproteasen gehören. Erhöhte Aktivitäten dieser Proteasen fand man in Gewebeproben verschiedener Tumore, vermutlich Hinweis auf eine Beteiligung an Invasion und Metastasierung. Unter physiologischen Bedingungen werden die Cathepsine von endogenen Inhibitoren kontrolliert, eine Verminderung dieser Cysteinprotease-Inhibitoren (CPI) würde die proteolytische Dysbalance verstärken und zur Ausbreitung des malignen Prozesses beitragen. Für das Prostatakarzinom gab es bisher keine Untersuchungen. Die Aktivität der Cathepsine wurde mit Hilfe spezifischer Substrate bestimmt, die zur Bildung fluorogener Produkte führten. Zur Bestimmung der inhibitorischen Aktivität der CPI wurden die Proben nach einer Hitzeaktivierung gegen reines Cathepsin B getestet. Untersucht wurden Gewebeproben verschiedener Patientengruppen, Primärzellkulturen, die aus normalem und maligne veränderten Prostatagewebe angezüchtet wurden und vergleichend dazu die drei immortalisierten Zellinien LNCaP, PC3 und DU145. Die Ergebnisse der Gewebeproben zeigten höhere Aktivitäten der Cathepsine B und L im nichterkrankten Gewebe, nicht wie erwartet im Tumorgewebe der Prostata. Hingegen waren bei den Primärzellkulturen alle drei Cathepsine und der Quotient Cathepsine/CPI in den Tumorproben erhöht. Die immortalisierten Zellinien zeigten die gleiche Verteilung bei allen Cathepsinen, DU145 mit der höchsten Aktivität, gefolgt von LNCaP und PC3. Anhand der Ergebnisse schlußfolgern wir, daß die Untersuchung von Gewebe-proben der Prostata hinsichtlich der Beteiligung der Cathepsine am Tumor-geschehen keine eindeutigen Erkenntnisse erbringt. Dies ist vermutlich auf die Heterogenität des Gewebes zurückzuführen, das nicht nur epitheliale, sondern auch stromale Zellen enthält. Die aus dem Gewebe angezüchteten Primär-zellkulturen scheinen ein genaueres Bild des Verhältnisses von Cathepsinen und den Inhibitoren zu geben und sind unserer Meinung nach den Bestimmungen in Gewebeproben vorzuziehen. / The cathepsins B, H and L (CB, CH, CL) are lysosomal proteolytic enzymes belonging to the cysteine protease family. Elevated cathepsin levels and decreased concentration of their endogenous inhibitors have been demonstrated in a variety of tumors, suggesting a contribution to invasion and metastasis. The situation for prostate cancer was so far unknown. Using fluorimetric assays, catalytic activities of the cathepsins B, H, L were measured in prostatic tissue samples obtained from different groups of patients, in primary cell cultures established from human prostate and in the immortalized cell lines LNCaP, PC3 and DU145. Inhibitory activities of cysteine protease inhibitors (CPI) were tested against purified cathepsin B. Comparing matched pairs of normal and cancerous tissue samples from the prostate, significantly decreased levels of CB and CL were found in malignant samples. In contrast, primary cell cultures from malignant tissue showed elevated levels of all three cathepsins and increased ratios of cathepsins to CPI when compared to cell cultures from non-malignant prostate. The permanent cell lines showed a similiar distribution of cathepsin levels, DU145 with the highest activity, followed by LNCaP and PC3. These results suggest that elevated cathepsin activities and increased ratios of cathepsins to CPI in malignant cell cultures compared to non-malignant samples may be an indication for a cellular proteolytic imbalance in prostatic cancer cells. Regarding different results, determinations in primary cell cultures should be preferred to tissue samples.