Krebs ist die zweithäufigste Todesursache in Deutschland. Für die Behandlung von Tumorerkrankungen wird unter anderen die Strahlentherapie angewendet. Allerdings ist die Wirkung der Bestrahlung durch die Radiotoxizität auf normalem Gewebe sowie durch die Radioresistenz vieler Tumoren bei klinisch relevanten Dosen limitiert. Ein vielversprechendes Target für die Radiosensibilisierung von Tumorzellen scheint das Hitzeschockprotein HSP90 zu sein, ein wichtiges molekulares Chaperon, das für die Faltung, Aktivierung, Translokation und Degradation der so genannten Klientenproteine zuständig ist. Durch die pharmakologische Blockierung seiner Funktion wird die simultane Degradation multipler HSP90 Klientenproteine eingeleitet, darunter Radioresistenz-assoziierte Proteine wie RAF-1, AKT, EGFR, Survivin, DNA-Reparaturproteine. Verschiedene Studien belegen das Potential der HSP90 Inhibitoren Geldanamycin und seiner Derivaten als Radiosensibilisatoren. Im Gegensatz zu diesen Substanzen sind die neuartigen HSP90 Inhibitoren NVP-AUY922 und NVP-BEP800 wasserlöslich und nicht hepatotoxisch. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wirkung von NVP-AUY922 und NVP-BEP800 (200 nM, 24 h vor der Bestrahlung) auf die Strahlenempfindlichkeit humaner Tumorzelllinien unterschiedlicher Entitäten, darunter eine Lungenkarzinomzellinie A549, eine Fibrosarkomzelllinie HT1080, sowie zwei Glioblastomzelllinien GaMG und SNB19, untersucht. Die neuartigen HSP90 Inhibitoren zeigten in Kolonietest eine strahlensensibilisierende Wirkung in allen getesteten Tumorzelllinien. Weiterhin wurde mit diversen Methoden den Mechanismus der Radiosensibilisierung untersucht. Die HSP90 Inhibition erhöhte den Anteil der Zellen mit hypodiploiden DNA-Gehalt in den meisten untersuchten Tumorzelllinien. Außerdem induzierte die HSP90 Inhibition die Depletion der anti-apoptotischen Proteine AKT, pAKT und RAF-1 in allen Tumorzelllinien. Wie die erhöhte Expression von beiden Apoptosemarkern, aktivierte Caspase-3 und inaktiviertes PARP, nahe legt, wurde verstärkt die Caspase-abhängige Apoptose in den meisten untersuchten Tumorzelllinien nach HSP90 Inhibition eingeleitet. Laut Comet Assay induzierte die HSP90 Inhibition eine geringere DNA-Fragmentierung in bestrahlten Tumorzellen, gleichzeitig konnte aber eine langsamere Restitution der chromosomalen DNA festgestellt werden. Über die Messungen der γH2AX-Expression als Marker für DNA-Doppelstrangbrüche konnte eine erhöhte Induktion von DNA-Schäden nach HSP90 Inhibition und Bestrahlung sowie eine verlangsamte Reparatur der induzierten DNA-Schäden gemessen werden. Diese korrelierte mit der Depletion der DNA-Reparaturproteine KU70/KU80. Die HSP90 Inhibition führte zusätzlich zu einem ausgeprägten G2/M-Arrest, der durch die Bestrahlung verstärkt werden konnte. NVP-AUY922 induzierte außerdem eine Depletion der S-Phase. Die Depletion der Zellzyklus-regulierenden Proteine CDK1 und CDK4 sowie pRB korrelierte mit den beobachteten Zellzyklusstörungen. Die hier gewonnenen Ergebnisse verdeutlichen, dass der komplexe Mechanismus der Radiosensibilisierung nach HSP90 Inhibition die simultane Degradation diverser HSP90 Klientenproteine involviert, was verschiedene zelluläre Auswirkungen hat: verlangsamte Zellteilung durch anhaltende Zellzyklusstörungen, erhöhte DNA-Schäden und Verlangsamung der Reparatur der DNA-Schäden nach Bestrahlung sowie Apoptoseinduktion. Die HSP90 Inhibition induzierte gleichzeitig die Expression der Hitzeschockproteine HSP90 und HSP70, deren anti-apoptotischen Funktionen die radiosensibilisierenden Effekte der HSP90 Inhibitoren vermindern können. In dieser Arbeit wurden zwei Strategien getestet, um die Hochregulation von HSP90/HSP70 nach HSP90 Inhibition in den Tumorzelllinien A549 und GaMG zu unterdrücken. Zum einen wurden siRNAs gegen die stressinduzierbare α-Isoform von HSP90 angewendet, zum anderen wurde KNK437, eine Substanz die die Expression der HSP auf Transkriptionsebene unterdrückt, eingesetzt. Im zweiten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Transfektion mit siRNA gegen HSP90α gefolgt von NVP-AUY922 die Hochregulation von HSP90α um circa 50% unterdrückte. Allerdings wurde dadurch keine Erhöhung der NVP-AUY922-vermittelten Radiosensibilisierung erreicht. Es wurden außerdem keine signifikanten Veränderungen betreffend der Induktion und Reparatur der DNA-Schäden, Zellzyklusverteilung, Apoptoseinduktion sowie Expression der getesteten HSP90 Klientenproteine im Vergleich zu alleiniger HSP90 Inhibition festgestellt. Im dritten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die simultane Behandlung mit NVP-AUY922 und KNK437 die NVP-AUY922-vermittelte Hochregulation von HSP90 und HSP70 in beiden Tumorzelllinien temporär unterdrückt. Obwohl die alleinige Behandlung mit KNK437 in der A549-Tumorzelllinie laut Kolonietest radiosensibilisierend wirkte, konnte die simultane Behandlung mit beiden Inhibitoren die NVP-AUY922-vermittelte Radiosensibilisierung nicht erhöhen. Obwohl die Unterdrückung der Stressantwort nach HSP90 Inhibition mittels KNK437 in beiden Tumorzelllinien einen anhaltenden G2/M-Arrest induzierte, blieb die Expression der anti-apoptotischen HSP90-Klientenproteine AKT und RAF-1 unverändert im Vergleich zu NVP-AUY922. Außerdem wurde die inhibierende Wirkung von NVP-AUY922 auf die Reparatur der strahleninduzierten DNA-Schäden nicht erhöht. Die hier gezeigten in vitro Ergebnisse unterstützen die Anwendung von NVP-AUY922 und NVP-BEP800 für in vivo Studien sowie in klinischen Studien alleine oder in Kombination mit der Bestrahlung. Unsere Arbeit ist von besonderem Interesse für die Strahlentherapie, da NVP-AUY922 bereits in klinischen Studien getestet wird. / Besides important improvement of tumor therapy, which increased the chance of survival for the patients, cancer remains the second cause of death in Germany. Among others, radiotherapy is one of the treatment options for tumor diseases. However, radiotherapy has some limitations due to the radiotoxicity on normal tissue and to the radioresistance of several tumors at therapeutic doses. One of the promising radiosensitizers of tumor cells seems to be the heat shock protein HSP90 – an essential molecular chaperone involved in folding, activation, translocation and degradation of its so called client proteins. The pharmacological inhibition of its chaperone function leads to simultaneous degradation of several HSP90 client proteins such as RAF-1, AKT, EGFR, survivin, DNA repair proteins and consequent disruption of several radioresistance-associated pathways. Several studies proved the radiosensitizing ability of geldanamycin and its derivates. In contrast to these drugs, the synthetic HSP90 inhibitors NVP-AUY922 and NVP-BEP800 are more water soluble and not hepatotoxic. In the first part of this work, we tested the effect of NVP-AUY922 and NVP-BEP800 (200 nM, 24 h prior irradiation) on the radiation response of tumor cell lines of different entities: the lung carcinoma A549, the fibrosarcoma HT1080 and the glioblastoma cell lines GaMG and SNB19. The colony forming assay revealed that pre-treatment with the novel HSP90 inhibitors increased the radiosensitivity of all tested tumor cell lines. Furthermore we investigated the mechanism of radiosensitization after HSP90 inhibition. HSP90 inhibition led to an increased percentage of tumor cells with hypodiploid DNA content (subG1 fraction) in most tested cell lines. Moreover, it led to the depletion of the anti-apoptotic HSP90 client proteins AKT, pAKT and RAF-1. In addition, it increased the pro-apoptotic caspase-3 and PARP cleavage in most of the tested cell lines. Our comet assay revealed a lower DNA fragmentation in drug-treated and irradiated tumor cells, but a slower restoration of DNA damage. Measurements of γH2AX expression as a sensitive marker for DNA-DSB showed an increased induction of DNA damage as well as DNA repair protraction in drug-treated and irradiated tumor cells. Inhibition of DNA repair after HSP90 inhibition was supported by the depletion of the DNA repair proteins KU70/KU80. Moreover the novel HSP90 inhibitors led to an increased G2/M-arrest, which could be enhanced by irradiation. In addition, NVP-AUY922 induced S-Phase depletion. The cell cycle disturbances correlated with the drug-mediated degradation of cell cycle regulating proteins CDK4, CDK1 and pRB. In conclusion, our results made clear that the complex mechanism of radiosensitization involves simultaneous degradation of several HSP90 client proteins, thus causing slower proliferation of the tumor cells due to dramatic cell cycle disturbances, increased DNA damage and protraction of DNA repair after irradiation as well as apoptosis induction. However, the radiosensitizing effect of the novel HSP90 inhibitors might be limited by the simultaneous drug-mediated induction of the expression of the anti-apoptotic heat shock proteins HSP90 and HSP70. In this study, we tested two strategies to suppress the drug-mediated up-regulation of HSP90 and HSP70 in the tumor cell lines A549 and GaMG. The first strategy was the siRNA-mediated down-regulation of the stress-inducible isoform HSP90α, combined with drug treatment and irradiation. The second strategy was the inhibition of the stress response by simultaneous treatment with the HSF-1 inhibitor KNK437. In the second part of this work we could show that pre-silencing of HSP90α followed by treatment with NVP-AUY922 indeed reduced the drug-mediated up-regulation of HSP90α to about 50%. However, it did not enhance the radiosensitizing effect of NVP-AUY922. In addition, it did not show any significant changes concerning the induction and the repair of DNA damage, the cell cycle distribution or the expression of the tested HSP90 client proteins AKT, RAF-1, CDK1 and CDK4 compared with drug-only treatment. In the third part of this work we could show that simultaneous treatment with NVP-AUY922 and KNK437 temporary suppressed the NVP-AUY922-mediated up-regulation of HSP90 and HSP70. Although treatment with KNK437 alone increased the radiosensitivity of A549 tumor cells as shown by colony forming assays, simultaneous treatment with both inhibitors did not increase NVP-AUY922-mediated radiosensitization in both tumor cell lines. Our cell cycle analyses revealed that the suppression of stress response after HSP90 inhibition by KNK437 led to a sustained G2/M-arrest in both tumor cell lines. However, the expression of the anti-apoptotic proteins AKT and RAF-1 remained unchanged compared with HSP90 inhibition alone. The evaluation of γH2AX expression showed that simultaneous treatment did not enhance NVP-AUY922-mediated inhibition of DNA repair after irradiation. Our in vitro results support the use of the novel HSP90 inhibitors in in vivo studies as well as in clinical studies alone or in combination with irradiation. This work is of particular interest for the radiation therapy of cancer, because the novel HSP90 inhibitor NVP-AUY922 is currently in clinical trials.

Erste tumorassoziierte Veränderungen finden im Glykosilierungsmuster von Glykoproteinen und Glykolipiden statt. Die dabei entstehenden tumorassoziierten Carbohydrat-Antigene sind prominente Zielstrukturen der natürlichen Tumorimmunität (Immune Surveillance) und gewinnen in der Onkologie als immunogene Epitope zunehmend an Bedeutung. Der humane monoklonale IgM-Antikörper SAM-6 ist Teil der tumorspezifischen Immunität. Er wurde mit Hilfe der konventionellen Hybridomatechnologie direkt aus einem an Magenkarzinom erkrankten Menschen isoliert. Neben der Erforschung seines außergewöhnlichen Apoptose-mechanismus konnte innerhalb dieser Arbeit eine Zielstruktur des Antikörpers identifiziert und charakterisiert werden. Der humane monoklonale IgM-Antikörper SAM-6 bindet an eine neue Isoform des Hitzeschockproteins GRP78 (GRP78SAM-6). Das Antigen wurde über mehrstufige chromatographische Verfahren aus Tumorzellmembranextrakten aufgereinigt und nach tryptischen Verdau über die Methode des Peptidmassen-Fingerprinting eindeutig als humanes GRP78 identifiziert. Die auf der Zellmembran lokalisierte Variante des GRP78 besitzt ein Molekulargewicht von 82 kD und wird auf vielfältigen Tumorgeweben stabil exprimiert. GRP78SAM-6 liegt parallel zur 78 kD-Wildtyp-Variante co-exprimiert vor und konnte im Gegensatz zur Wildtyp-Variante nicht auf gesundem Gewebe nachgewiesen werden. Bei der SAM-6-spezifischen Variante des GRP78 handelt es sich um eine posttranslational modifizierte Form des GRP78, die spezifisch auf der Zellmembran lokalisiert ist, nicht jedoch intrazellulär zu finden ist. Sie unterscheidet sich durch zusätzliche Glykosilierungen vom GRP78-Wildtypen, wobei O-glykosidisch verknüpfte Glykane für die Bindung und die Reaktion mit dem SAM-6 Antikörper essentiell sind. Der SAM-6-Rezeptor stellt eine tumorspezifische Isoform des Hitzeschockproteins GRP78 dar, deren O-glykosilierte Carbohydrat-Regionen als Epitop fungieren. Durch die Bindung an GRP78SAM-6 hemmt der Antikörper SAM-6 in vitro als auch in vivo konzentrationsabhängig das Wachstum von Magen- und Pankreaskarzinomzellen und induziert eine neue Art des apoptotischen Zelltodes, die sog. Lipoptose. Es handelt sich um einen durch den Antikörper vermittelten direkten Effekt, der sich ausschließlich auf malignes Gewebe beschränkt. Schlüsselpunkt der apoptotischen Wirkung ist die Akkumulation zytotoxischer Mengen an Cholesterol und Triglyceridestern, die nach Bindung an den Antikörper in Form von Lipoprotein-Partikeln in die Tumorzelle gelangen. Der pentamere IgM-Antikörper bindet neben membranständigem GRP78SAM-6 der Tumorzelle, die ApoB 100-haltigen Lipoproteine VLDL und LDL. Insbesondere oxidativ modifizierte Formen des LDL (oxLDL) zeigten dabei die höchste Bindungsaffinität zum SAM-6 Antikörper. In deren Anwesenheit war ein maximaler lipotoxischer Effekt zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, weite Teile des Lipoptose-Mechanismus aufzuklären. Eigenen Immunfluoreszenzstudien zufolge wird der SAM-6 Antikörper über rezeptorvermittelte Endozytose internalisiert. Die GRP78-vermittelte Internalisierung von oxLDL-beladenem Antikörper scheint daher plausibel und für die tödliche Anhäufung der Lipide verantwortlich zu sein. Die SAM-6-induzierte Apoptose verläuft anschließend über einen spezifischen Signalweg, der Gemeinsamkeiten mit dem intrinsischen Signalweg aufweist, jedoch wie beim extrinsischen Signalweg über externe pro-apoptotische Liganden angeregt wird. Infolge der unphysiologisch hohen intrazellulären Konzentration an oxLDL kommt es zur Induktion einer Caspasenkaskade, die nach der initialen Freisetzung von Cytochrom C aus den Mitochondrien über die Initiatorcaspasen 8 und 9 verläuft und letztendlich durch die Aktivierung der terminalen Caspasen 3 und 6 den apoptotischen Zelltod einleitet. Die Entdeckung von extrazellulär exprimiertem GRP78 auf Tumorzellen bietet die Möglichkeit neuer Therapieansätze in der Onkologie. Die SAM-6-spezifische Variante des GRP78 bietet insbesondere die Möglichkeit eines gezielten Angriffs auf die Tumorzelle, ohne gesunde Zellen zu tangieren. Sie wird auf Tumorgeweben verschiedenster Ätiologie stabil exprimiert und infolge ihres tumorspezifischen Auftretens zur optimalen Zielstruktur der natürlichen körpereigenen Immunantwort gegen Tumore. Der natürliche IgM-Antikörper ist Teil der natürlichen Immunität. Diese verfügt über ein breites Repertoire an Rezeptoren und garantiert die permanente Überwachung und Reaktion gegen modifizierte körpereigene Zellen. Sie ist dafür verantwortlich, dass Tumore sich nur in Ausnahmefällen manifestieren. / Tumor-associated modifications occur first in the glycosylation pattern of glycoproteins and glycolipids. These tumor-associated carbohydrate antigens are prominent targets of the natural tumor immunity (immune surveillance) and as immunogen epitopes they become more important for oncology therapies. The human monoclonal IgM antibody SAM-6 is part of this tumor specific immunity. It was isolated from a gastric cancer patient by using the conventional human hybridoma technology. Beside the investigation of its unique apoptosis mechanism, further goal of this study was the identification and characterization of the SAM-6 target. The human monoclonal IgM antibody SAM-6 binds to a new isoform of the GRP78 heat-shock protein (GRP78SAM-6). The SAM-6 antigen was purified from membrane extracts of stomach carcinoma cells using size exclusion and ion exchange chromatography. After tryptic digestion and peptide mass mapping it was definitely identified as human GRP78. The membrane bound variant of GRP78 has a molecular weight of 82 kD and is specifically over expressed in a wide range of cancer types. GRP78SAM-6 is co-expressed with wild-type GRP78 and is in contrast to its wild-type variant absent from normal tissues. The SAM-6 specific variant of GRP78 is a post-transcriptionally modified variant of GRP78, which is specifically expressed on the cell surface, but not found intracellularly. In contrast to the wild-type, GRP78SAM-6 is additionally glycosylated, whereas O-linked carbohydrates are essential for binding and reaction with the SAM-6 antibody. The SAM-6 receptor is a tumor specific isoform of the heat-shock protein GRP78, its epitopes are O-linked carbohydrate-moieties. After binding to GRPSAM-6, the antibody SAM-6 inhibits the growth of stomach and pancreas carcinoma cells in vitro and in vivo and induces a new kind of apoptotic cell death, the so-called lipoptosis. This direct and antibody induced effect is limited exclusively to malignant tissues. The crucial factor of the apoptotic effect is the accumulation of cytotoxic amounts of cholesterol and triglyceride esters, which get into the tumor cells in form of lipoprotein particles. The pentameric IgM antibody binds to GRPSAM-6 located on the tumor cell surface and to apoB 100, which is constituent of the lipoproteins VLDL and LDL. In particular, oxidatively modified LDL particles (oxLDL) showed the highest binding affinity to the SAM-6 antibody. In their presence the highest lipotoxic effect was observed. Within this study, important parts of this tumor specific lipoptosis mechanism could be explored. Own immunofluorescence studies revealed that the SAM-6 antibody is internalized via receptor mediated endocytosis. GRP78 mediated internalization of oxLDL-loaded antibody might be feasible and responsible for the deadly accumulation of lipids. The SAM-6 antibody induces a specific apoptotic pathway, which has similarities to the intrinsic pathway, but is activated by external pro-apoptotic ligands as it is know from the extrinsic pathway. Shortly after internalization of the antibody-LDL complex the unphysiologically high concentration of intracellular lipids initiates the release of mitochondrial cytochrom c followed by the activation of a cascade of caspases, such as initiator caspases 8 and 9 and finally the terminal caspases 3 and 6 leading to cell death. The discovery of extracellularly located GRP78 on tumor cells offers the opportunity of new oncological therapies. Especially the SAM-6 specific variant of GRP78 promises a targeted therapy against tumor cells, without hitting healthy cells. It is stable expressed on a variety of tumor tissues and in consequence of its tumor specific expression an ideal target of human innate immune responses against tumors. The natural IgM antibody SAM-6 is part of this natural immunity. It uses a broad repertoire of receptors and guaranties a permanent control and reaction against modified self-structures. Innate immunity is the reason that tumors only occur in exceptional cases.

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Ionizing radiation (IR) leads to fibrosing alveolitis (FA) after a lag period of several weeks to months. In a rat model, FA starts at 8 weeks after IR. Before that, at 5.5 weeks after IR, the transcription factors Sp1 (stimulating protein 1) and AP-1 (activator protein 1) are inactivated. To find genes/proteins that were down-regulated at that time, differentially expressed genes were identified in a subtractive cDNA library and verified by quantitative RT-PCR (reverse transcriptase polymerase chain reaction), western blotting and immunohistochemistry (IH). The mRNA of the molecular chaperone HSP90AB1 (heat shock protein 90 kDa alpha, class B member 1) was down-regulated 5.5 weeks after IR. Later, when FA manifested, HSP90ab1 protein was down-regulated by more than 90% in lung cells with the exception of mast cells. In most mast cells of the normal lung, both HSP90ab1 and HSP70, another major HSP, show a very low level of expression. HSP70 was massively up-regulated in all mast cells three months after irradiation whereas HSP90AB1 was up-regulated only in a portion of mast cells. The strong changes in the expression of central molecular chaperones may contribute to the well-known disturbance of cellular functions in radiation-damaged lung tissue. (J Histochem Cytochem 62:355–368, 2014)