Tumor Treating Fields (TTFields) sind alternierende Wechselfelder mit einer intermediären Frequenz und niedrigen Intensität, die zu einer Destabilisierung des Spindelapparates während der Mitose führen. Sie sind als zusätzliche Behandlungsoption bei Glioblastoma multiforme zugelassen. Der mitotische Spindelkontrollpunkt überwacht eine fehlerhafte Anheftung der Spindelfasern von Schwesterchromatiden und leitet Reparaturprozesse ein. Monopolar spindle 1 (MPS1) ist eine Schlüsselkomponente dieses Kontrollpunktes und kann den durch TTFields physikalisch induzierten Spindelschäden entgegenwirken. Durch Zellzahlmessung, Zellzyklusuntersuchungen und durchflusszytometrische Analysen als auch Fluoreszenzfärbungen konnte gezeigt werden, dass eine Inhibition von MPS1 die antimitotischen Wirkungen von TTFields verstärken kann. / Tumor Treating Fields (TTFields) are alternating electric fields with low intensity and intermediate frequency approved for the therapy of glioblastoma multiforme. TTFields therapy interrupts the spindle formation through mitosis leading to misalignment of chromosomes. Spindle assembly checkpoint (SAC) and its key component monopolar spindle 1 (MPS1) regulate proper chromosomal arrangement and segregation. Here, we show that through the combination of physically interfering spindle formation by TTFields and chemical inhibition of MPS1, TTFields effects can be augmented promising a new target for multimodal treatment in glioblastoma therapy.

Das Glioblastom (GBM) ist der häufigste maligne primäre Hirntumor im Erwachsenenalter und geht mit einer infausten Prognose einher. Die Standardtherapie bei Erstdiagnose besteht aus Tumorresektion gefolgt von kombinierter Radiochemotherapie mit Temozolomid nach Stupp-Schema. Eine neue Therapieoption stellen die Tumor Treating Fields (TTFields) in Form lokal applizierter elektrischer Wechselfelder dar. Mit dem Einsatz der TTFields kann durch Störung der mitotischen Abläufe die Zellproliferation von Tumorzellen gehemmt und dadurch das Gesamtüberleben im Vergleich zur alleinigen Radiochemotherapie nachweislich deutlich verlängert werden. Auch verschiedene Chemotherapeutika, die bereits klinisch eingesetzt werden, greifen in den Ablauf der Mitose ein. So auch die Zytostatika Vincristin (VIN) und Paclitaxel (PTX), die durch einen gegensätzlichen Mechanismus durch Destabilisierung bzw. Stabilisierung von Mikrotubulistrukturen ihre Wirkung entfalten. Die Frage, ob eine Verstärkung dieser Wirkung durch den kombinierten Einsatz mit TTFields erreicht werden kann, wurde in dieser Arbeit an den beiden GBM-Zelllinien U87 und GaMG untersucht. Zunächst wurde mit dem xCELLigence-Systems über eine Real-Time-Impedanzmessung für diese beiden Chemotherapeutika jeweils die mittlere effektive Dosis (EC50-Wert), bei der ein halbmaximaler Effekt auftritt, spezifisch für jede Zelllinie bestimmt. Diese betrug bei VIN durchschnittlich 200nM für die Zelllinie U87 bzw. 20nM für die Zelllinie GaMG und lag für PTX bei 60nM für beide Zelllinien. Mit diesen Dosierungen wurden die beiden Zelllinien allein und in Kombination mit TTFields über 72h behandelt. Anschließend wurde die Zellproliferation analysiert und mit unbehandelten Tumorzellen verglichen. Während jeder Behandlungsarm einzeln eine signifikante Wirkung gegenüber der unbehandelten Vergleichsgruppe zeigte, hatte weder die Kombination von TTFields mit VIN noch mit PTX in den untersuchten Dosierungen einen zusätzlichen signifikanten Nutzen. Es besteht weiterer Forschungsbedarf zum kombinierten Einsatz von TTFields mit anderen Therapieformen. / Glioblastoma (GBM) is the most common malignant primary brain tumor in adults and is associated with an infavorable prognosis. Standard therapy at initial diagnosis consists of tumor resection followed by combined radiochemotherapy with temozolomide according to the Stupp regimen. Tumor Treating Fields (TTFields) in the form of locally applied alternating electric fields represent a new therapeutic option. With the use of TTFields, cell proliferation of tumor cells can be inhibited by interfering with mitotic processes, which has been shown to significantly prolong overall survival compared to radiochemotherapy alone. Various chemotherapeutic treatments already in clinical use also interfere with mitotic processes. This is also the case with the cytostatic drugs vincristine (VIN) and paclitaxel (PTX), which exert their effects by an opposing mechanism through destabilization and stabilization of microtubule structures. The question whether an enhancement of this effect can be achieved by combined use with TTFields was investigated in this work using the two GBM cell lines U87 and GaMG. First, using the xCELLigence system via real-time impedance measurement, the mean effective dose (EC50-value) at which a half-maximal effect occurs was determined for each of these two chemotherapeutic agents specifically for each cell line. This was averaged 200nM for VIN for the U87 cell line and 20nM for the GaMG cell line, and was 60nM for PTX for both cell lines. The two cell lines were treated with these doses alone and in combination with TTFields for 72h. Cell proliferation was then analyzed and compared to untreated tumor cells. While each treatment individually showed a significant effect compared with the untreated control group, neither the combination of TTFields with VIN nor with PTX had any additional significant benefit at the doses studied. Further research is needed on the combined use of TTFields with other therapies.

TTFields sind eine zugelassene Therapie für die Behandlung von Glioblastom IDH-Wildtyp. Es handelt sich dabei um elektrische Wechselfelder niedriger Intensität und mittlerer Frequenz, die therapeutisch aus zwei Richtungen durch ein tragbares, nicht-invasives Gerät appliziert werden. Sie verhindern die Spindelfaserbildung während der Mitose. Die Wirkung vieler effektiver Chemotherapeutika ist im ZNS durch die Blut-Hirn-Schranke (BHS) eingeschränkt. Die BHS wird nach TTFields Applikation bei 100 kHz in einem murinen cerebEND-Zell-Modell vorübergehend geöffnet. Dieser Effekt wurde in dieser Arbeit zunächst mit Hilfe von Immunfluoreszenzmikroskopie und dann durch einen fraktionierten Western-Blot bestätigt, dass der mutmaßliche Wirkungsmechanismus von TTFields in der Delokalisierung des tight junction Proteins Claudin-5 von der Membran in das Zytoplasma liegt. TEER-Messungen zeigten, dass sich die Integrität der BHS durch 100 kHz TTFields nach 72 h verringerte und 48 h - 72 h nach Ende der Behandlung wieder normalisierte, auch wenn statt eines Behandlungsendes auf 200 kHz TTFields umgeschaltet wurde. Der zweite Teil der Untersuchung bestand darin, ein BHS-Modell aus humanen HBMVEC Zellen zu etablieren, um die Auswirkungen von TTFields im humanen System verifizieren zu können. Zunächst konnten keine Effekte von TTFields unterschiedlicher Frequenz auf eine HBMVEC-Monokultur festgestellt werden. In einer Kokultur mit Perizyten gab es eine erhöhte Expression von Claudin-5, Occludin und PECAM-1. Allerdings zeigten die TEER-Messungen und ein Permeabilitätsassay keine Unterschiede zwischen den Mono- und Kokultur-Modellen der BHS auf. Durch eine transiente Öffnung der BHS könnte eine höhere Dosis von Therapeutika, die normalerweise die BHS nicht überwinden können, im ZNS erreicht werden. Damit könnten TTFields eine innovative Methode zur Behandlung von Hirntumoren und anderen Erkrankungen des ZNS darstellen. Die hier präsentierten Daten geben erste Hinweise in diese Richtung, müssen aber noch optimiert und verifiziert werden. / TTFields are an approved therapy for the treatment of glioblastoma IDH-wildtype. They are low intensity, medium frequency alternating electric fields which are applied therapeutically from two directions by a portable, non-invasive device. TTFields prevent spindle fiber formation during mitosis by aligning the strongly polar tubulin subunits in the electrical fields. The achievement of effective chemotherapy of glioblastoma IDH-wildtype and other central nervous system (CNS) disorders is limited by the blood-brain barrier (BBB). Application of TTFields at 100 kHz at the mouse cell line cerebEND temporarily opens the BBB. This TTFields effect was observed in fluorescence microscopy. Fractionated Western-Blots revealed delocalisation of the TJ-Protein Claudin-5 from the membrane to the cytoplasm due to the application of TTFields. The integrity of the BBB has been shown in TEER measurements to be interrupted by 72 h TTFields application at 100 kHz. This effect was reversible and repeatable. In addition, if TTFields at 200 kHz were applied after BBB-opening at 100 kHz the cells recovered. The second part of this project was to establish a human cell culture BBB model (HBMVEC) to investigate TTFields effects on human cells. There were no effects of TTFields at different frequencies on HBMVEC cells detectable. HBMVEC cells had lower expression of Claudin-5, Occludin and PECAM-1 compared to their co-culture with pericytes. However, TEER measurements and permeability assays revealed no differences between such mono- and co-cultures. By overcoming the BBB a higher dose of the drugs could be achieved in a more controlled manner in the CNS. As a result, TTFields could be an innovative method for the treatment of brain tumours and other diseases of the CNS. The presented experiments provide a first rationale in this direction but require optimisation and verification.