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Das Mammakarzinom ist eine der am häufigsten diagnostizierten Krebserkrankungen bei Frauen in Deutschland. Dank neuer Diagnostikverfahren, wie z.B. Mammographie-Screenings, ist die frühzeitige Erkennung von Mammakarzinomen mit einer Reduktion der Mortalität verbunden. Dennoch ist die Inzidenz von Knochenmetastasen bei Mammakarzinom-Patientinnen mit ca. 73 % im Vergleich zu anderen Krebsarten auffällig hoch. Diese können zu skelettbezogenen Komplikationen führen, wie z.B. Rückenmarkskompressionen und pathologischen Knochenbrüchen. Dadurch wird die Lebensqualität der Patientinnen stark eingeschränkt. Es besteht daher ein großes klinisches Interesse, die Pathogenese von Knochenmetastasen bei Mammakarzinomen besser zu verstehen. Somit können neue Strategien für die Prädiktion und die gezielte Therapie von Knochenmetastasen bei Mammakarzinom-Patientinnen entwickelt werden. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zellmorphologie als Resultat der biochemischen und biophysischen Merkmale von Tumorzellen Informationen über das Metastasierungspotential von Mammakarzinomzellen liefern könnte. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf dem Zusammenhang zwischen Morphologie und Osteotropismus von Mammakarzinom-Zelllinien, um einen ersten deskriptiven Ansatz zu geben. Dabei wurden verschiedene in vitro-Eigenschaften von einem Zelllinien-Modell aus unterschiedlichen osteotropen Mammakarzinomzellen näher beleuchtet und miteinander verglichen. Dieses in vitro-Modell umfasst die hoch osteotropen Zelllinien, MDA-MB-231MET (MET) und MDA MB 231BONE (BONE) sowie die parentale Zelllinie, MDA-MB-231. Die morphologische Untersuchung ergab 7 unterschiedliche Morphotypen, welche in allen untersuchten Zelllinien in einem stabilen Verhältnis vorlagen. Die Verteilung der Morphotypen war für die jeweilige Zelllinie spezifisch. Bei hoher Konfluenz zeigten MDA-MB-231 und MET ein Wachstum in Einzelzellschicht, während BONE-Zellen dazu tendierten, in vertikaler Ausrichtung zu wachsen. Die eng geknüpften Zellkontakte (engl. tight junctions) in MET und BONE waren bei leicht erhöhter Zelldichte stärker ausgeprägt als bei MDA-MB-231. Sobald die Zelldichte hingegen weiteranstieg, verschwanden diese in den hoch osteotropen Zelllinien und blieben bei MDA-MB-231 erhalten. Auf Protein-Ebene war das Adhäsionsprotein E Cadherin in den hoch osteotropen Zelllinien verglichen zu MDA-MB-231 sehr gering exprimiert. Dies konnte auch bei der Proteinexpression von CXCR4 beobachtet werden. Die hoch osteotropen Zelllinien zeigten auch eine geringere Expression von Tetraspanin 29 als die parentale Zelllinie. Dagegen war die Expression des Rezeptors EGFR in BONE stärker ausgeprägt als bei den anderen zwei Zelllinien. Weiterhin wurden Ähnlichkeiten und Unterschiede zu einer nicht osteotropen Zelllinie, MDA MB 231BrM (BRAIN), untersucht, welche ebenfalls von MDA MB 231 stammt. BRAIN zeigte morphologische, molekulare und funktionelle Ähnlichkeiten sowohl zur parentalen als auch zu den hoch osteotropen Zelllinien. Durch diesen Vergleich wurden spezifische Merkmale der hoch osteotropen Zelllinien verdeutlicht. Diese spezifischen Merkmale umfassen den signifikant höheren Anteil an einem fibroblasten-ähnlichen Morphotypen und die geringe Expression von CXCR4 in MET und BONE. Außerdem ergab die Hauptkomponentenanalyse der Transkriptomdaten, dass sich die Zelllinien BONE und BRAIN ähneln. Insgesamt konnte aus der Transkriptomanalyse eine potentiell osteotrope Gensignatur bestehend aus 58 Genen abgeleitet werden. Eines dieser Gene, welches in der Migration involviert ist und möglicherweise eine Rolle bei der Morphologie spielen könnte, wurde ausgeknockt. Dies resultierte in keiner signifikanten Veränderung der Morphologie. Diese Arbeit bietet einen grundlegenden Einblick zu den morphologischen, molekularen und funktionellen Eigenschaften von osteotropen Mammakarzinom-Zelllinien. Somit könnte diese Arbeit eine Basis für die Identifikation von neuen Strategien zur Prädiktion und gezielten Behandlung von Knochenmetastasen darstellen. / Mamma carcinoma is one of the most frequently diagnosed cancers in women in Germany. Due to new diagnostic procedures, such as mammography screening, the early detection of mamma carcinoma is associated with a reduction in mortality. Nevertheless, the incidence of bone metastases in mamma carcinoma patients is strikingly high compared to other cancer types, at around 73%. These can lead to major skeletal complications such as spinal cord compression and pathological bone fractures. Thus, the patients' quality of life is severely impacted. Therefore it is of great clinical interest to better understand the pathogenesis of bone metastasis in mamma carcinoma. This will lead to the development of new strategies for the prediction and targeted treatment of bone metastases in mamma carcinoma patients. Previous studies have shown that cell morphology as a result of the biochemical and biophysical properties of tumor cells could provide information about the metastatic potential of mamma carcinoma cells. Therefore, this work focuses on the relationship between morphology and osteotropism of mamma carcinoma cell lines to provide a first descriptive approach. Various in vitro properties of a cell line model comprising different osteotropic mamma carcinoma cell lines were examined and compared with each other. This in vitro model consists of the highly osteotropic cell lines, MDA MB 231MET (MET) and MDA MB 231BONE (BONE), as well as the parental cell line, MDA MB 231. The morphological examination revealed 7 different morphotypes, which were present in a stable ratio in all examined cell lines. The distribution of morphotypes was unique for each cell line. At high confluence, MDA-MB-231 and MET showed growth in a single cell layer, whereas BONE cells tended to grow in a vertical orientation. At low cell density, the tight junctions in MET and BONE were more pronounced than in MDA MB 231. As soon as the cell density further increased, these junctions disappeared in the highly osteotropic cell lines and remained in MDA-MB-231. At the protein level, the adhesion protein E-cadherin was expressed at very low levels in the highly osteotropic cell lines compared to MDA-MB-231. This was also observed in the expression of CXCR4. The highly osteotropic cell lines also showed a lower expression of Tetraspanin 29 than the parental cell line. In contrast, the expression of the receptor EGFR was more pronounced in BONE than in the other two cell lines. Furthermore, similarities and differences to a non osteotropic cell line, MDA-MB-231BrM (BRAIN), which is also derived from MDA MB 231, were investigated. BRAIN showed distinguished morphological, molecular and functional similarities to both the parental and the highly osteotropic cell lines. This comparison highlighted specific characteristics of the highly osteotropic cell lines. Specific features in MET and BONE include the significantly higher ratio of a fibroblast-like morphotype and low expression of CXCR4 compared to the parental cell line and BRAIN. Principal component analysis of the transcriptome data revealed that the BONE and BRAIN cell lines are similar to each other. Overall, a potentially osteotropic gene signature consisting of 58 genes was derived from the transcriptome analysis. One of these genes, which is involved in migration and could possibly play a role in morphology, was knocked out. This did not result in any significant changes in the cell morphology. This work provides a basic insight into the morphological, molecular and functional properties of osteotropic mamma carcinoma cell lines. Thus, this work could provide a basis for the identification of new strategies for the prediction and targeted treatment of bone metastases.

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