Tumoren weisen oftmals einen veränderten Energiestoffwechsel auf, der durch den Begriff „Warburg-Effekt“ bzw. „aerobe Glykolyse“ charakterisiert ist. Hierunter wird die Stoffwechselsituation verstanden, auch in Gegenwart von Sauerstoff aus Glukose Laktat zu bilden. Benigne Zellen zeigen diesen Effekt in aller Regel nicht so stark wie Tumorzellen. In dieser Arbeit wurden neun Tumorzelllinien, die von unterschiedlichen humanen Tumoren etabliert wurden, hinsichtlich ihres Energiestoffwechsels untersucht. Da der Warburg-Effekt auf einem erhöhten Glukosemetabolismus beruht, wurde die Stärke der Glukoseaufnahme und Laktatbildung für die neun Tumorzelllinien bestimmt. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war, einen Zusammenhang zwischen dem Warburg-Effekt und weiteren Eigenschaften der Tumorzellen wie ihrem Oberflächenprofil bzw. ihrer Malignität nachzuweisen. Zur Phänotypisierung wurden die Oberflächenmoleküle CD44 und CD24 ausgewählt, da sie Zellinteraktionen, Zelladhäsion und Zellmigration von Tumorzellen vermitteln. Die Malignität wurde im Xenograft-Modell überprüft. Hierzu wurden Tumorzellen unter die Haut immuninkompetenter Mäuse injiziert und anschließend die Wachstumsgeschwindigkeit der entstehenden, soliden Tumoren gemessen. Die Menge an produziertem Laktat durch Tumorzellen war eindeutig von der Anwesenheit von Glukose im Nährmedium abhängig. Insgesamt waren fünf der neun Tumorzelllinien starke Laktatbildner, was einer Laktatbildung von über 2,5 mmol/L innerhalb von 48 Stunden entspricht. Hierzu gehört u.a. die Mammakarzinomzelllinie MDAMB-231, wohingegen MCF-7, eine andere Mammakarzinomzelllinie, nur wenig Laktat bildete. Im Gegensatz zu MDAMB-231 wuchs MCF-7 zudem auch nicht im Xenograft-Modell. Dies scheint ein Hinweis darauf zu sein, dass starke Laktatbildner aggressiver, d.h. schneller wachsen, als schwache Laktatbildner. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit eine temperaturabhängige Aufnahme des Glukoseanalogons 2-NBDG beo-bachtet. Auch hier fiel die Tumorzelllinie MCF-7 im Vergleich zur Tumorzelllinie MDAMB-231 durch eine geringere Aufnahme von 2-NBDG auf. Dies wird als Hinweis darauf gedeutet, dass MCF-7 Glukose in erster Linie in den Mitochondrien veratmet, anstatt sie zu Laktat zu vergären. Die beiden Glukosetransporter GLUT-1 und GLUT-3 wurden hingegen auf den Zellen aller neun Tumorzelllinien gleichermaßen nachgewiesen. Lediglich auf den Zellen der Tumorzelllinien HT-29 und MDAMB-468 war GLUT-3 schwach exprimiert. Sechs der neun Tumorzelllinien weisen den so genannten „Phänotyp 1“ auf. Hierunter wird in dieser Arbeit die gemeinsame Expression von CD44 und CD24 auf der Zelloberfläche verstanden. Zwei Zelllinien waren ausschließlich positiv für CD44 („Phänotyp 2“), eine Zelllinie ausschließlich positiv für CD24 („Phänotyp 3“). Keiner dieser Phänotypen wies eine charakteristische Glukoseaufnahme bzw. Laktatbildung auf, auch wenn drei der fünf Zelllinien mit besonders starker Laktatbildung zum Phänotyp 2 bzw. 3 gehörten. Die im menschlichen Blut vorzufindende nicht-essentielle Aminosäure Glutamin ist auch in Kulturmedien unerlässlich. Deshalb wurde die Laktatbildung aus Glukose in neun Tumorzelllinien sowohl in An- als auch Abwesenheit von Glutamin gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass sich die Menge an gebildetem Laktat nach Inkubation in Glukose-haltigem, aber Glutamin-freiem Medium (Glc+ Gln-) besonders stark verringerte. Dieses Phänomen wurde für die Tumorzelllinien HT-29, 23132/87, BXPC-3 und HRT-18 beobachtet und deutet darauf hin, dass Glutamin in diesen Tumorzelllinien in irgendeiner Form auf die Laktatbildung aus Glukose Einfluss nimmt. Denkbar wäre, dass Glutamin Enzyme der Glykolyse über einen allosterischen Effekt moduliert, wodurch die Laktatbildung ansteigt. Dass diese Zellen eine Glutamin-abhängige Laktatbildung in Form der Glutaminolyse aufweisen, konnte in dieser Arbeit nicht beobachtet werden. Um diese Beobachtung abschließend zu klären, sind jedoch weiterführende Untersuchungen notwendig. / Unlike normal cells, the energy metabolism in tumour cells is characterised by the Warburg effect, which means high aerobic glycolysis even in the presence of oxygen. Most of the glucose is metabolised to lactate, which is not observed to this extent in normal cells. The present thesis examines the energy metabolism of nine cancer cell lines which were all established from different human solid tumours. Because of the high glucose consumption of the Warburg effect, glucose uptake and lactate output were quantified. The objective was to find out whether there is a link between the Warburg effect and other properties of the tumour cells, e.g. the cell-surface phenotype or malignancy. The surface proteins CD44 and CD24, markers for cellular interactions, cellular adhesion and migration, were selected as phenotyping molecules. Tumour malignancy was validated in xenograft experiments in which tumour cells were injected subcutaneously into immunodeficient mice and the subsequent rate of tumour growth determined. The amount of lactate produced in tumours cells was dependent on the presence of glucose in the culture medium. Five out of nine tumour cell lines produced lactate in high concentrations (on average more than 2.5 mmol/L within 48 hours). One of these was MDAMB-231, a breast tumour cell line. In contrast, another breast tumour cell line, MCF-7, showed a low rate of lactate production and no growth in xenograft experiments. This implies that lactate production correlates with malignancy. Moreover, the uptake of the glucose analogon 2-NBDG was dependent on temperature. Again, MCF-7 showed a lower uptake of 2-NBDG than the cells of MDAMB-231, which suggests that MCF-7 metabolizes glucose in the mitochondria rather than via aerobic glycolysis. However, the expression of glucose carriers GLUT-1 and GLUT-3 was nearly equal on all tumour cell lines except for the cells of HT-29 and MDAMB-468 where GLUT-3 was seen only sparsely. Six out of nine tumour cell lines displayed the phenotype CD44+ / CD24+, meaning the concomitant expression of CD44 and CD24. The single expression of CD44 was seen on two tumour cell lines and one tumour cell line showed the single expression of CD24. A correlation between glucose uptake, lactate production and a particular phenotype respectively could not be shown unambiguously, albeit three out of five tumour cell lines with a high lactate production exhibited the single expression of CD44 or CD24. The non-essential amino-acid glutamine is a constituent of human blood and therefore, was added to the culture medium. The tumour cell lines’ lactate production was measured in the presence and absence of glutamine. The lactate production in some tumour cell lines decreased strongly in glutamine-free but glucose-containing culture medium (Glc+ Gln-). The tumour cell lines HT-29, 23132/87, BXPC-3 and HRT-18 showed this phenomenon, indicating an influence of glutamine on the metabolism of glucose to lactate. For example, glutamine may affect glycolysis by an allosteric impact on particular enzymes, resulting in a higher lactate production. Lactate production by glutaminolysis could not be proven within this thesis. Further investigations are required to elucidate this.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:5388 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Schwab, Thomas Henrik |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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