Untersuchungen des Einflusses von Chemotherapie auf Tumorassoziierte Fibroblasten bei Karzinomen der Lunge und Brust in vivo und in verschiedenen ex vivo Modellen Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) Fakultät Naturwissenschaften Universität Hohenheim Institut für Zoologie, Universität Hohenheim Dr. Margarete Fischer-Bosch Institut für Klinische Pharmakologie, Stuttgart und Universität Tübingen vorgelegt von Maike Sonnenberg aus Fürth 2009 Dekan: Prof. Dr. H. Breer 1. berichtende Person: Prof. Dr. W.E. Aulitzky 2. berichtende Person: Prof. Dr. M. Blum Eingereicht am: 12. Februar 2009 Mündliche Prüfung am: 06. Juli 2009 Die vorliegende Arbeit wurde am 06.05.2009 von der Fakultät Naturwissenschaften an der Universität Hohenheim als „Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften“ angenommen. Inhaltsverzeichnis 3 Inhaltsverzeichnis I. Abkürzungsverzeichnis................................................................................. 6 1. Einleitung ....................................................................................................... 8 1.1 Architektur solider Tumore ............................................................................... 8 1.2 In vivo und ex vivo Untersuchungen der Wechselwirkungen der verschiedenen Zelltypen im Tumor ........................................................................................ 10 1.3 Rolle der TAFs im Tumor ............................................................................... 12 1.4 Determinanten der Chemosensitivität ............................................................ 14 1.5 Ziel der Arbeit................................................................................................. 16 2. Material und Methoden................................................................................ 18 2.1 Zellkultur ........................................................................................................ 18 2.1.1 Gewinnung der primären Tumor-assoziierten Fibroblasten (TAFs)..... 18 2.1.2 Verwendete Tumorzelllinien ................................................................ 18 2.1.3 Kulturbedingungen, Medien und Zusätze ............................................ 20 2.1.4 Bestimmung der Lebendzellzahl ......................................................... 21 2.1.5 Kryokonservierung und Rekultivierung von Zellen .............................. 21 2.2 Charakterisierung der Zellen.......................................................................... 22 2.2.1 Durchflusszytometrischer Nachweis des Epithel-spezifischen Antigens (ESA) und des Fibroblast activated protein (FAP) in den primären TAFs ............................................................................................................ 22 2.2.2 Untersuchung des Karyotyps verschiedener primärer TAFs ............... 23 2.2.3 Molekularbiologische Methoden .......................................................... 23 2.2.3.1 Genotypisierung der Gene p53 und ERCC1 in den primären isolierten TAFs................................................................................. 23 2.2.3.2 Vergleich der Originalsequenz von p53 und ERCC1 mit den Sequenzen der primären Fibroblasten ............................................ 25 2.2.3.3 Genotypisierung von mdm2-309 T/G in den primären isolierten TAFs ........................................................................................................ 26 2.2.4 Untersuchung der Chemosensitivität der isolierten TAFs.................... 27 2.2.4.1 MTT–Test zur Bestimmung der Zellviabilität.................................... 27 2.2.4.2 Bestimmung der Sensitivität der isolierten primären TAFs .............. 28 2.3 Etablierung der Frischgewebekultur............................................................... 28 2.3.1 Herstellung und Kultivierung der Frischgewebeschnitte aus verschiedenen Tumorentitäten ............................................................ 28 2.3.2 Identifikation der verschiedenen Tumorkompartimente in den Frischgewebeschnitten........................................................................ 30 4 Inhaltsverzeichnis 2.3.3 Test der Diffusionsfähigkeit der Frischgewebeschnitte........................ 31 2.3.4 Untersuchung der Chemosensitivität der Tumore anhand der Frischgewebeschnitte.......................................................................... 31 2.3.4.1 Fluoreszenzfärbung für die Identifikation lebender und toter Zellen 32 2.3.4.2 Fluoreszenzfärbung zur Untersuchung der Viabilität der Zellen in den Frischgewebeschnitte...................................................................... 33 2.3.4.3 ATP-/DNA-Gehaltsmessung............................................................ 34 2.3.5 Immunhistochemische Färbungen ...................................................... 34 2.3.5.1 Hämatoxilin - Eosin - Färbung (H&E) für den Vergleich der Morphologie der Frischgewebeschnitte mit den original OPPräparaten....................................................................................... 35 2.3.5.2 Darstellung verschiedener Zelltypen innerhalb der Frischgewebeschnitte...................................................................... 35 2.3.5.3 Immunhistochemische Färbungen der Proliferation und des Zelltodes innerhalb der Frischgewebeschnitte ................................................ 36 3. 2.3.6 Bestimmung der pathologischen Regression der Tumorzellen und des Stromas nach neoadjuvanter Chemotherapie anhand Präparaten von Mammakarzinomen ............................................................................. 37 2.3.7 Auswertung des klinischen Ansprechens der MammakarzinomPatientinnen auf die neoadjuvante Chemotherapie............................. 38 Ergebnisse ................................................................................................... 39 3.1 Etablierung von in vivo - und in vitro - Methoden zur Untersuchung der Wirkung von Chemotherapie.......................................................................... 39 3.1.1 Methodik zu Untersuchung der Chemotherapie-Wirkung in vivo ......... 39 3.1.2 Kultivierung und Charakterisierung der Tumor-assoziierten Fibroblasten (TAFs) ................................................................................................. 40 3.1.2.1 Expression des Epithel-spezifischen Antigens (ESA)...................... 41 3.1.2.2 Expressionsanalyse des Fibroblast activation protein (FAP)........... 42 3.1.3 Etablierung eines ex vivo-nahen Gewebekultursystems ..................... 43 3.1.3.1 Viabilitäts-Fluoreszenzfärbungen eines etablierten Zellkulturmodells . ........................................................................................................ 44 3.1.3.2 Fluoreszenzfärbung der Frischgewebeschnitte ............................... 48 3.1.3.3 ATP- und DNA-Bestimmung der Frischgewebeschnitte .................. 51 3.1.3.4 Untersuchung von morphologischen Veränderungen der Frischgewebeschnitte...................................................................... 52 3.1.3.5 Identifikation verschiedener Zelltypen im viablen Gewebe .............. 52 3.1.3.6 Durchlässigkeit und Diffusionsvermögen der Frischgewebeschnitte 54 3.1.3.7 Dosis-abhängiger Einfluss der Chemotherapie ............................... 55 3.1.3.8 Zellproliferation und Zelltod verschiedener Tumorkompartimente ... 58 Inhaltsverzeichnis 5 3.2 Chemosensitivität verschiedener Tumorkompartimente in vivo und ex vivo in Mammakarzinomen........................................................................................ 60 3.2.1 Chemosensitivität verschiedener Tumorkompartimente in vivo........... 61 3.2.2 In vitro - Chemosensitivität gegenüber Taxol und Cisplatin................. 64 3.2.3 Ex vivo - Sensitivität verschiedener Zelltypen gegenüber Taxol in Frischgewebeschnitten aus Mammakarzinomen................................. 66 3.3 Chemosensitivität verschiedener Tumorkompartimente in Bronchialkarzinomen...................................................................................... 69 3.3.1 In vitro - Chemosensitivität primärer isolierter TAFs aus Bronchialkarzinomen gegenüber Taxol und Cisplatin.......................... 70 3.3.2 Genotypisierung der primären TAFs aus Bronchialkarzinomen .......... 72 3.3.2.1 Somatische Mutationen in p53 ........................................................ 72 3.3.2.2 Genotypisierung der Polymorphismen p53-Arg72Pro, Mdm2-309 T/G und ERCC1-118C/T ........................................................................ 73 3.3.3 Ex vivo - Chemosensitivität verschiedener Zelltypen gegenüber Cisplatin in Frischgewebeschnitten aus Bronchialkarzinomen ............ 74 3.3.4 Vergleich der TAFs aus Mamma- und Bronchialkarzinomen............... 77 3.3.5 Vergleich der Chemosensitivität der TAFs in Einzelzellkultur und in Frischgewebekultur ............................................................................. 78 4. Diskussion.................................................................................................... 79 5. Fazit und Ausblick ....................................................................................... 94 6. Zusammenfassung ...................................................................................... 96 7. Summary .................................................................................................... 100 8. Literaturverzeichnis................................................................................... 103 9. Eigene Veröffentlichungen ....................................................................... 114 10. Danksagung ............................................................................................... 117 11. Lebenslauf.................................................................................................. 118 6 I. Abkürzungsverzeichnis I. Abkürzungsverzeichnis Abb. Abbildung ATCC American Type Culture Collection b bzw. bp Basen bzw. Basenpaare BSA Rinderserumalbumin bzw. beziehungsweise °C Grad Celsius DNA Desoxyribonukleinsäure DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen, Braunschweig EDTA Ethylendiamintetraacetat EGF epidermal growth factor ESA Epithel-spezifisches Antigen et al. et alii FACS fluorescence activated cell sorter FAP Fibroblast-activation protein FCS fetal calf serum (foetales Kälberserum) FGF fibroblast growth factor FITC Fluoresceinisothiocyanat g Gramm GI50 growth inhibition - die Konzentration, die die mitochondriale Aktivität zu 50% hemmt GSTs Glutathion-S-Transferasen h Stunde(n) HEPES 4-(2-Hydroxyethyl-)1-piperazinethan-sulfonsäure kb Kilobase(n) m milli- µ mikro- M Molar (mol/l) MDR multi grug resistance min Minute MMPs Matrixmetallo-Proteinasen OP Operation I. Abkürzungsverzeichnis PBS phosphate buffered saline PDGF platelet-derived growth factor PI3-Kinase Phosphatidylinositol-3-Kinase rpm rounds per minute RT Raumtemperatur oder Reverse Transkription s/sec Sekunden SDS sodium dodecyl sulfate Tab. Tabelle TAFs Tumor-assoziierte Fibroblasten TBS tris buffered saline TBST tris buffered saline plus Tween 20 TKI(s) Tyrosinkinase-Inhibitor(en) TMRM Tertramethyl-rhodamin-methylester u.a. unter anderem v/v Volumen/Volumen VEGF vascular endothelial growth factor w/v Masse/Volumen z.B. zum Beispiel 7 8 1. Einleitung 1. Einleitung Die Mehrheit der Krebserkrankungen weltweit sind solide Tumore epithelialen Ursprungs, d.h. Karzinome. Ein großes Problem bei der Therapie dieser Erkrankungen stellt das heterogene Ansprechen der Tumore dar. Die Untersuchungen nach den molekularen Ursachen dieses heterogenen Ansprechens haben sich in erster Linie auf epitheliale Tumorzellen und deren Resistenzmechanismen beschränkt. Allerdings besteht der Tumor nicht nur aus den genetisch veränderten Tumorzellen, sondern auch aus einem variablen Anteil an Fibroblasten, extra-zellulärer Matrix und Endothelzellen. Während die Rolle dieses Tumorstromas für die Entstehung, Progression und Metastasierung der Tumore in den letzten Jahren immer klarer herausgestellt wurde, ist es bislang weitgehend unklar, inwieweit diese Zellen auf die Tumortherapie reagieren und welchen Einfluss diese Reaktion auf das Gesamtansprechen des Tumors hat. 1.1 Architektur solider Tumore Karzinome sind komplexe Netzwerke, die aus genetisch veränderten epithelialen Tumorzellen, den sie umgebenden Stromazellen und extrazellulärer Matrix bestehen. Bereits im gesunden Gewebe der Brust stellt das Stroma mit ca. 80 % den größten Massenanteil (Drife, 1986). Das Stroma ist bei der Tumorentstehung, Progression und Invasion des Tumors durch einen histologisch veränderten „aktivierten“ Phänotyp gekennzeichnet, der sich durch veränderte extra-zelluläre Matrix, erhöhte Gefäßdichte und modifizierte Fibroblasten auszeichnet (Sappino et al., 1988; Tlsty et al., 2001; DeWever et al., 2003; Bhowmick et al., 2005) (Abb. 1.1). Bereits 1889 machte Stephen Paget die Beobachtung, dass die Umgebung („soil“) eine große Rolle bei der Entscheidung spielt, wo sich die Tumorzellen („seed“) absetzen. Somit beeinflusst die Umgebung das Metastasierungsverhalten der epithelialen Tumorzellen (Stephen Pagets „seed and soil“ Hypothese, 1889; neu veröffentlicht in: Paget, 1989). Darüber hinaus gibt es viele Beweise dafür, dass dieses „aktivierte“ Tumorstroma zu einer Veränderung bzw. einer Unterstützung der 1. Einleitung 9 Progression und der Invasion maligner Zellen führt (Pupa et al., 2002; Kiaris et al., 2004; Mueller et al., 2004; Kalluri et al., 2006; Kopfstein et al., 2006). Tumore und ihre Umgebung werden auch häufig als „Wunden, die nie heilen“ bezeichnet (Dvorak et al., 1986). Der offensichtliche Unterschied zwischen der Wundheilung und dem Tumorwachstum besteht darin, dass die Reparatur des Gewebes sich selbst limitiert. Abb. 1.1: Architektur eines Karzinoms Die Abbildung zeigt im oberen Bild eine H&E-Färbung eines Mammakarzinoms und im unteren Bild eine schematische Darstellung der Einflüsse der verschiedenen Zelltypen innerhalb des Tumors und deren Zell-Zell und Zell-Matrix Interaktionen (verändert nach Hofmeister et al., 2008). Die epithelialen Tumorzellen produzieren vermehrt Wachstumsfaktoren (WF) wie VEGF (vascular endothelial cell growth factor), PDGF (platelet-derived growth factor), EGF (epidermal growth factor) und FGF (fibroblast growth factor) (Mueller et al., 2004). Diese Wachstumsfaktoren beeinflussen ihre Umgebung so, dass sie das Tumorwachstum unterstützen (Zigrino et al., 2004). Diese erhöhte Ausschüttung von WF führt unter anderem zu angiogenetischen Neubildungen und trägt so zu einer verbesserten Versorgung des Tumors mit Nährstoffen und Sauerstoff bei (Shinkaruk et al., 2003). Darüber hinaus spielen diese Wachstumsfaktoren auch eine wichtige 10 1. Einleitung Rolle bei der Aktivierung der Tumor-assoziierten Fibroblasten (TAFs). Diese Aktivierung führt dazu, dass die TAFs ihrerseits Wachstumsfaktoren sezernieren und verschiedene extrazelluläre Matrix-Proteine, wie Kollagen, Integrin und Tenascin bilden (Hansen et al., 2000; Orimo et al., 2001; Pietras et al., 2008). Durch die veränderte extrazelluläre Matrixmetallo-Proteinasen Zelladhäsion und Matrix, (MMPs), somit zu insbesondere kommt einem es auch zu durch einer veränderten Sekretion von Veränderung der Wachstum und Metastasierungsverhalten der Tumore und beeinflusst dadurch auch das Ansprechen auf Chemotherapie (Liotta et al., 2001; Trédan et al., 2007). Der Anteil des Tumorstromas ist ein sehr variabler, individueller Teil des Tumors (Mueller et al., 2004). Die oben beschriebenen Zell-Zell und Zell-Matrix Interaktionen und auch die Ausschüttung löslicher Faktoren beeinflussen das Verhalten des Tumors im Hinblick auf Entstehung, Progression und Invasion (Zigrino et al., 2004). Damit ist es sehr naheliegend, dass auch das Therapieansprechen des Tumors vom Tumorstroma mit beeinflusst wird. 1.2 In vivo und ex vivo Untersuchungen der Wechselwirkungen der verschiedenen Zelltypen im Tumor Die oben beschriebenen Wechselwirkungen der Zell-Zell Kommunikation und ZellMatrix Interaktion zwischen den verschiedenen Zelltypen im Tumor wurden mittels 2D- und 3D-Modellen bereits ausführlich untersucht (Sethi et al., 1999; Weaver et al., 2002; Schmeichel et al., 2003; Sadlonova et al., 2005). Bei den 2D in vitro-Modellen werden zunächst nur die epithelialen Tumorzellen kultiviert. Für die Untersuchung des Einflusses der extrazellulären Matrix auf die Epithelzellen werden die Zellen auf verschiedenen extrazellulären Matrizes kultiviert. Für die Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen werden meist Kokultur-Experimente eingesetzt, in denen etablierte Tumorzelllinien mit den Stromazellen entweder in direktem Kontakt stehen oder nur über lösliche Faktoren miteinander kommunizieren können. In 3D-Modellen werden Tumorzellen und Stroma in verschiedenen Matrizes kultiviert, um so die in vivo-Situation zu simulieren (Weaver et al., 1999; Schmeichel et al., 2004). Um möglichst nah an die in vivo Situation heranzukommen, werden Xenograft-Modelle in Mäusen verwendet. 1. Einleitung 11 Hierbei werden meist humane Tumorzelllinien in immundefiziente Mäuse gespritzt um dort Tumore auszubilden (Mueller et al., 2004; Kuperwasser et al., 2004). Doch die Wechselwirkungen zwischen den humanen Tumorzellen und dem murinen Stroma geben die in vivo-Situation im Patienten nur sehr begrenzt wieder. Diese in vivo- und in vitro-Modelle haben wesentlich dazu beigetragen, den Einfluss der Zell-Zell-Kommunikation zu untersuchen und die Interaktionen zwischen den Tumorzellen mit der extrazellulären Matrix und verschiedene intrazellulären Signalkaskaden der Tumorzellen aufzuklären (Bissell et al., 2002; Schmeichel et al., 2003; Kim et al., 2004; Heneweer et al., 2005). Aber auch diese relativ komplexen in vitro- und in vivo-Experimente geben diese Interaktionen nur artifiziell und begrenzt wieder, denn diese sind in vivo für jeden Tumor individuell verschieden und sehr komplex (Morin et al., 2003). Eine Möglichkeit, die Gewebearchitektur des Tumors weitgehend zu erhalten, stellt die ex vivo-Kultivierung von unfixiertem, primärem Tumorgewebe dar. Bereits 1967 wurden erste Experimente mit Würfeln von einem Volumen von 1 mm3 aus unfixiertem, primärem Tumorgewebe aus Kolon- und Mammakarzinomen durchgeführt (Matoska et al., 1967). In diesem Kultursystem war allerdings die Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen nicht bis in das Zentrum des Gewebes gewährleistet. Die vollständige Versorgung wurde erst durch die Entwicklung von Mikrotomen möglich, mit denen dünnere Frischgewebeschnitte hergestellt werden konnten (Krumdieck et al., 1980). In einzelnen Studien gelang es, Frischgewebeschnitte aus verschiedenen humanen Karzinomen kurzzeitig zu kultivieren (Nissen et al., 1983; Mira-y-Lopez et al., 1987; Hood et al., 1998). Durch dieses in-vivo-nahe Kulturmodell ist es möglich, die Tumorstruktur zu erhalten und die Zellen in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Dieses Modell ermöglicht die Untersuchung der Einflüsse der verschiedenen Zelltypen unter weitgehender Beibehaltung der Tumorarchitektur. Ein Nachteil dieser Frischgewebekultur ist, dass es nur über eine relativ kurzen Zeitraum möglich ist, das Gewebe vital zu kultivieren. Eine gute Möglichkeit, die Reaktion der verschiedenen Zelltypen innerhalb des Tumors auf Chemotherapie zu untersuchen, stellt die in vivo Beobachtung anhand neoadjuvant behandelter Karzinome dar. Für die Reaktion der Tumorzellen gibt es eine Reihe sehr gut etablierter Bewertungsschemata, die die Zellmorphologie und die Anzahl der epithelialen Tumorzellen bewerten (Übersicht in Kuroi et al., 2006). Die Reaktion des Tumorstromas auf die Therapie wird in diesen Schemata allerdings 12 1. Einleitung bislang nicht mit einbezogen. Es gibt vereinzelte Hinweise darauf, dass sich das Tumorstroma durch die Chemotherapie morphologisch verändert (Fisher et al., 2002; McCluggage et al., 2002). Eine systematische Untersuchung der Reaktion des Stromaanteils fehlt bislang jedoch vollständig. 1.3 Rolle der TAFs im Tumor Wie in Kapitel 1.1 erwähnt, ist die Tumorumgebung durch einen „aktivierten“ Phänotyp der Stromazellen gekennzeichnet. Insbesondere die „aktivierten“ Fibroblasten spielen im Tumorstroma eine wichtige Rolle, da sie den größten zellulären Anteil im Tumorstroma darstellen (Tlsty et al., 2001; Elenbaas et al., 2001). Die Arbeitsgruppe um Gabbiani benannte diese modifizierten Fibroblasten im Tumorstroma zuerst als Myofibroblasten, die auch als Tumor-assoziierte Fibroblasten (TAFs) bezeichnet werden (Gabbiani et al., 1971; Majno et al., 1971). Diese aktivierten TAFs wirken nun auf vielfältige Weise auf die Tumorzellen. Neben der Sekretion von Wachstumsfaktoren, wie beispielsweise VEGF und PDGF, sind diese aktivierten Fibroblasten insbesondere auch für die Bildung der extra-zellulären Matrix verantwortlich (Hansen et al., 2000; Orimo et al., 2001; Pietras et al., 2008). Der Einfluss der TAFs auf die Tumorentstehung und Progression konnte in in vitro Kokulturen und in vivo Xenotransplantat-Studien dadurch gezeigt werden, dass Faktoren der TAFs zur Transformation und Immortalisierung von Epithelzellen beitragen (Olumi et al., 1999; Hayward et al., 2001). In diesen Studien wurden normale Fibroblasten oder TAFs eines Prostatakarzinoms zusammen mit einer immortalisierten benignen Prostata-Epithelzelllinie kultiviert. Die TAFs stimulierten im Gegensatz zu den normalen Fibroblasten das Wachstum dieser Epithelzelllinie. Die TAFs ähneln den Fibroblasten, die im „reaktiven Stroma“ der Wundheilung vorhanden sind. Die Ähnlichkeit der Wundfibroblasten mit den TAFs zeigt sich sehr eindrücklich in der Beobachtung, dass Tumorzellen, die in Wunden injiziert wurden, besser wuchsen, als unter normale Haut gespritzte Tumorzellen (Dingemans et al., 1993). Eine Arbeitsgruppe hat die Genexpressionsprofile von serum-aktivierten Fibroblasten als Modell für Wundheilungsfibroblasten mit den Profilen verschiedener Tumoren verglichen (Chang et al., 2004). Dabei wurden vergleichbare Genexpressionsmuster zwischen den serum-aktivierten Fibroblasten und den 1. Einleitung 13 Tumoren gefunden. Diese „Wundheilungs-Signatur“ der Fibroblasten ist prädiktiv für ein schlechtes Gesamtüberleben und ein erhöhtes Risiko für Metastasierung in Mamma-, Bronchial- und Gastrointestinal-Karzinomen (Chang et al., 2004 und 2005). Noch klarer wird die Rolle der TAFs für die Tumorprogression in neueren Untersuchungen, die eine deutliche Korrelation zwischen Genexpressionsprofilen isolierter TAFs aus Mammakarzinomen und dem Krankheitsverlauf zeigen, während die Genexpressionsprofile des gesamten Tumorgewebes diesen Zusammenhang nicht wiedergeben konnten (Finak et al., 2008). Ein Hinweis dafür, dass TAFs für die Reaktion der Tumorzellen auf zellulären Stress einen Einfluss haben können, wurde in einer kürzlich erschienenen Arbeit erbracht. In dieser Arbeit wurden epitheliale Tumorzellen aus Bronchialkarzinomen in konditioniertem Medium von TAFs kultiviert und mit Taxol oder Cisplatin behandelt. Dieses konditionierte Medium schützte die Tumorzellen vor dem Zelltod durch Taxol, aber nicht vor dem Cisplatin-induzierten Zelltod (Bartling et al., 2008). Darüber hinaus zeigen Studien, dass Mutationen des Tumorsuppressor-Gens p53 nicht nur in den Tumorzellen sondern auch in TAFs vorkommen können (Lafkas et al., 2008). Retrospektive Studien an Paraffinschnitten von Mamma-, Ovarial- und Kolonkarzinomen zeigten in beiden Kompartimenten eine große Anzahl an funktionellen p53 Mutationen (Moinfar et al., 2000; Wernert et al., 2000; Kurose et al., 2002; Patocs et al., 2007). Interessanterweise handelte es sich bei den Mutationen im Stromakompartiment um andere als in den entsprechenden Tumorzellen desselben Präparats. Ein Hinweis dafür, dass solche genetische Alterationen in den TAFs für den veränderten Phänotyp verantwortlich sein könnten, konnte in Mausmodellen nachgewiesen werden. Darin konnten Epithelzellen Tumore bilden, wenn sie mit genetisch veränderten Fibroblasten kultiviert wurden (Barcellos-Hoff et al., 2000; Kuperwasser et al., 2004). Die Tatsache, dass die Zahl der Fibroblasten in verschiedenen Tumoren extrem variabel ist und sie im Stromaanteil des Tumors den größten zellulären Anteil darstellen, lässt vermuten, dass im Falle eines klinischen Ansprechens auf eine Therapie nicht nur der epitheliale Tumoranteil reagiert, sondern vielmehr auch der Fibroblastenanteil anspricht und zurückgeht. Inwieweit die Chemotherapie aber direkt auf TAFs wirkt und welche Rolle dies beim Ansprechen des Gesamttumors auf die Therapie letztlich hat, wurde bislang nicht systematisch untersucht. 14 1. Einleitung 1.4 Determinanten der Chemosensitivität Ursachen für ein heterogenes Therapie-Ansprechen sind neben der natürlichen genetischen Variabilität somatische Mutationen und epigenetische Veränderungen. Das Resultat daraus ist eine veränderte Expression bzw. Aktivität von Genen, die für Transport, Metabolismus und/oder DNA-Schadensprozessierung entscheidend sind. Dass z.B. Genexpressionsprofile von Tumoren auch eine Vorhersage auf das Ansprechen auf verschiedene Chemotherapeutika machen können, zeigte eine Studie der Arbeitsgruppe um Nevins (Potti et al., 2006). Mechanismen, die zu Resistenz mancher Tumore auf Chemotherapie führen, ist z.B. eine veränderte Expression bzw. Aktivierung von membranständigen TransporterProteinen, die zu einer verminderten Medikamenten-Konzentration in der Zelle führen. Ein Beispiel dafür sind MDR (multi drug resistance) Proteine, zu denen z.B. die ABC Transporter (ATP-binding cassette) gehören (Tan et al., 2000; PérezTomás, 2006). Durch verschiedene Inhibitoren dieser Efflux-Pumpen wird versucht, diesen Resistenzmechanismus zu überwinden. Ein weiteres Beispiel sind Enzyme, die zytostatische Therapeutika metabolisch inaktivieren können, wie z.B. GlutathionS-Transferasen (GSTs) (Townsend et al., 2003). Auch epigenetische Veränderungen, wie unterschiedliche Methylierungsmuster der DNA, haben einen Einfluss auf das Ansprechen der Tumore auf Chemotherapie. (Grønbaek et al., 2007). Die Methylierungsmuster gesunder Zellen sind völlig unterschiedlich zu denen von Tumoren. Dies führt dann zu einer veränderten Genexpression und somit auch zu einem unkontrollierten Verhalten der Tumore (Toyota et al., 2005; Shelton et al., 2008). Ein Beispiel, dass zu einem schlechteren Ansprechen auf die Therapie bei Tumoren mit wildtyp p53 führt, ist die Hypermethylierung von ASPP1 (apoptosis-stimulating protein of p53), die zu einer geringeren mRNA Expression von ASPP1 führt (Liu et al., 2005). Durch diese verminderte mRNA Expression wird die Aktivierung des Tumorsuppressor-Gens p53 verhindert. Auch Polymorphismen in verschiedenen DNA-Schadensreparatur-Genen führen zu einem veränderten Ansprechen des Tumors und beeinflussen somit auch das Gesamtüberleben des Patienten (Patocs et al., 2007). Es wurden bereits in insgesamt 20 verschiedenen DNA-Schadensreparatur-Genen Polymorphismen untersucht, die alle im Zusammenhang mit einer veränderten Antwort auf die 1. Einleitung 15 Chemotherapie stehen (Zienolddiny et al., 2006; Han et al., 2008; Kamikozuru et al., 2008). Zusätzlich dazu können auch somatische Mutationen eine Rolle bei der veränderten Chemosensitivität spielen. Ein gutes Beispiel für eine genetische Alteration, die das Ansprechen des Tumors verändert, ist das Tumorsuppressor-Gen p53, das in 50 % aller Tumore in mutierter Form vorliegt (Pietsch et al., 2006). Ein weiteres Beispiel für eine genetische Alteration stellen Mutationen im BRCA1 (breast cancer susceptibility gene 1) Gen dar (Kim et al., 2008). Mutationen dieses Gens korrelieren mit einem erhöhten Risiko an Mamma- und Ovarialkarzinomen zu erkranken und führen zu einer veränderten DNA-Schadensreparatur (Lux et al., 2006). Neben diesen intrinsischen Resistenzmechanismen der Tumorzellen nehmen auch die Zell-Zell Kommunikation und Zell-Matrix Interaktionen einen großen Einfluss auf die Chemosensitivität des Tumors. Ein Hinweis dafür, dass die Zell-Zell Kommunikation zwischen Zellen des gleichen Zelltyps einen Einfluss auf die Chemosensitivität nehmen kann, zeigen Experimente mit der MammakarzinomZelllinie MDA-231, die in einem 3D-Spheroid-Modell höhere Proteinmengen der CdK (cyclin-dependent kinase) Inhibitoren p21 und p27 zeigen (Ohmori et al., 1998). Dies führt zu einem Zellzyklus-Arrest und somit einer geringeren Sensitivität der Zellen gegenüber Cisplatin in einem 3D-Spheroidmodell im Vergleich zu einer 2DMonolayer-Kultur. Des Weiteren kann die Umgebung des Tumors das Eindringen des Medikaments in den Tumor vermindern (Tannock et al., 2002). Die Tumorzellen können ihre Umgebung so beeinflussen, dass sie Matrixproteine produzieren, die vor den Therapeutika schützen (Rintoul et al., 2002). Es wurde bereits beobachtet, dass erhöhte Mengen der Matrix-Proteine Kollagen IV, Fibronektin und Tenascin Kleinzellige Lungenkarzinome vor Chemotherapie-vermittelter Apoptose schützen (Sethi et al., 1999). Die gleiche Arbeitsgruppe konnte zeigen, dass spezifische Antikörper gegen Integrine diese durch extra-zelluläre Matrix-Proteine unterstützte Resistenz durch die Inaktivierung von PI3 (Phosphatidylinositol-3) -Kinase vermindern kann (Hodkinson et al., 2007). Diese durch Integrine vermittelte Inaktivierung der PI3Kinase setzt den Therapie-induzierten Zellzyklus-Arrest und die Apoptose außer Kraft und führt so zu einer Resistenz gegenüber der Therapie. Diese Hinweise zeigen, dass die Tumorumgebung und deren verschiedene Zelltypen einen wichtigen Einfluss auf das Ansprechen der Tumore haben. Inwieweit die 16 1. Einleitung verschiedenen Zelltypen auf eine Chemotherapie reagieren und inwieweit dies einen Einfluss auf das Ansprechen des gesamten Tumorgewebes hat, ist bisher noch weitgehend unklar. 1.5 Ziel der Arbeit Es gibt sichere Hinweise darauf, dass TAFs einen wesentlichen Einfluss auf die Entstehung, die Progression und das Metastasierungsverhalten der Tumore haben. Ihre Rolle für das Ansprechen eines Tumors auf Chemotherapie ist jedoch weitgehend ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte deshalb der Frage nachgegangen werden, ob und wie TAFs auf Chemotherapie reagieren. Dies sollte in vivo und anhand von verschiedenen ex vivo-Modellen untersucht werden. 1. Die einer operativen Entfernung des Tumors vorausgehende neoadjuvante Chemotherapie stellt die einzige Möglichkeit dar, die Reaktion des Tumors auf die Chemotherapie im Patienten in vivo zu untersuchen. Daher sollten in dieser Arbeit durch retrospektive Studien die Reaktion der TAFs auf Chemotherapie anhand von Mammakarzinompräparaten vor und nach der neoadjuvanten Chemotherapie untersucht werden. Für die pathologische Bewertung der TAFs musste hierfür ein Bewertungsschema erarbeitet werden, das eine Einteilung der Reaktion der TAFs auf Chemotherapie erlaubt. Da es in dieser retrospektiven Untersuchung nicht möglich ist, Aussagen über die akute Reaktion der einzelnen Zelltypen auf Chemotherapie machen zu können, sollten in einem weiteren Schritt ex vivo-Modelle etabliert werden. Mit Hilfe dieser ex vivo-Modelle ist es möglich, die direkte Reaktion der TAFs auf die Therapie zu beobachten. 2. TAFs sollten aus primärem Mamma- und Bronchialkarzinomgeweben isoliert und kultiviert und im Hinblick auf Zelltyp und Sensitivität auf Chemotherapie charakterisiert werden. 1. Einleitung 17 3. Um die Reaktion der Zellen möglichst in vivo-nah in ihrer originalen Umgebung zu untersuchen, sollte ein Gewebekulturmodell erarbeitet werden. 4. Anhand dieses Gewebekulturmodells sollte das Ansprechen der einzelnen Zelltypen auf die Kurzzeitbehandlung mit Chemotherapeutika untersucht werden. 2. Material und Methoden 18 2. Material und Methoden 2.1 Zellkultur 2.1.1 Gewinnung der primären Tumor-assoziierten Fibroblasten (TAFs) Für die Gewinnung primärer Fibroblasten wurde frisches Tumorgewebe aus der Brust und aus der Lunge verwendet, für dessen Verwendung ein Ethikvotum vorliegt und das Einverständnis der Patienten eingeholt wurde. Das Tumorgewebe wurde mit einem Skalpell mechanisch zerkleinert und in einer sterilen Lösung aus Protease, Kollagenase und DNase in Cell Rinse Puffer für 1,5 h bei 37°C enzymatisch verdaut (Tab. 2.1). Danach wurde das verdaute, zerkleinerte Gewebe durch ein Zellsieb mit einer Porengröße von 70 µm gefiltert und der Durchfluss bei 1400 rpm für 5 min abzentrifugiert. Der Überstand wurde verworfen und das Zellpellet wurde in sterilem Zellkulturmedium aufgenommen und in eine Zellkulturflasche überführt. Nach 24 h wurden die adhärenten Zellen mit 1x PBS gewaschen und in frischem Medium aufgenommen. Das Medium wurde alle zwei bis drei Tage gewechselt. Tab. 2.1: Material zur Isolierung primärer Fibroblasten aus Tumorgewebe Cell Rinse Puffer 120 mM NaCl 15,6 mM Glucose 2,5 mM MgCl2 x 6H2O 5,4 mM KCl 1 mM NaH2PO4 20 mM HEPES pH 7,2 Protease (0,25 mg/ml) Sigma, Taufkirchen Kollagenase (167 U/ml) Sigma, Taufkirchen DNase (250 U/ml) Sigma, Taufkirchen Cell Strainer 70 µm Becton Dickinson, USA 2.1.2 Verwendete Tumorzelllinien Für den Vergleich der Chemosensitivität wurden die isolierten primären Fibroblasten mit einer Anzahl von bereits etablierten Tumorzelllinien verglichen. Die in dieser 2. Material und Methoden 19 Arbeit verwendeten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten sind in Tab. 2.2 aufgelistet. Tab. 2.2: Verwendete etablierte Tumorzelllinien Zelllinie Entität Herkunft MCF7 Mammakarzinom ATCC MDA MB 134 Mammakarzinom ATCC MDA MB 175 Mammakarzinom ATCC MDA MB 157 Mammakarzinom ATCC MDA MB 231 Mammakarzinom ATCC MDA MB 330 Mammakarzinom PD Dr. Helmut Deißler* MDA MB 361 Mammakarzinom ATCC MDA MB 435 Mammakarzinom ATCC MDA MB 436 Mammakarzinom PD Dr. Helmut Deißler* BT 20 Mammakarzinom ATCC T47D Mammakarzinom ATCC A549 Bronchialkarzinom ATCC H1299 Bronchialkarzinom ATCC NCI-H23 Bronchialkarzinom ATCC NCI-H460 Bronchialkarzinom ATCC A427 Bronchialkarzinom ATCC A2780 Ovarialkarzinom ATCC IGROV 1 Ovarialkarzinom ATCC UACC 893 Ovarialkarzinom ATCC SKOV 3 Ovarialkarzinom ATCC ADR RES Ovarialkarzinom ATCC OVCAR 3 Ovarialkarzinom ATCC OVCAR 4 Ovarialkarzinom ATCC OVCAR 5 Ovarialkarzinom ATCC OVCAR 8 Ovarialkarzinom ATCC H 12.5 Hodenkarzinom ATCC 2102 EP Hodenkarzinom ATCC BaF 3 p185 Chronisch Myeloische Leukämie Prof. Justus Duyster** K 562 Chronisch Myeloische Leukämie DSMZ LAMA 84 Chronisch Myeloische Leukämie DSMZ Meg 01 Megakaryoblastische Leukämie DSMZ * Universitäts-Frauenklinik Ulm, Arbeitsgruppe Molekulare Onkologie; ** III. Med. Klinik und Poliklinik des Klinikums rechts der Isar der TU München, Hämatologie und Internistische Onkologie 2. Material und Methoden 20 2.1.3 Kulturbedingungen, Medien und Zusätze Für die Kultivierung der Zellen wurde RPMI 1640 Medium mit den in Tab. 2.3 genannten Zusätzen verwendet. Das Kulturmedium für die Tumorzelllinien wurde mit 10 % FCS, das der primären TAFs mit 20 % FCS supplementiert. Tab. 2.3: Zellkulturmedium für die verwendeten Tumorzelllinien und primären Fibroblasten RPMI 1640 Biochrom AG, Berlin 500 ml wurden supplementiert mit: 10% bzw. 20% (v/v) FCS (Foetal Bovine Serum) Gibco, Karlsruhe 0,1 g/l Penicillin/Streptomycin Gibco, Karlsruhe 10 mM HEPES, pH 7,4 Merck, Darmstadt 2 mM L-Glutamin Biochrom AG, Berlin 0,13 mM L-Asparagin Serva, Heidelberg 0,05 mM β-Mercaptoethanol Merck, Darmstadt 1 mM Natriumpyruvat Gibco, Karlsruhe 3 ml 100 x nicht-essentielle Aminosäuren Biochrom AG, Berlin Alle Arbeiten mit Zellkulturen wurden an einer sterilen Werkbank und mit sterilen Geräten durchgeführt (Tab. 2.4). Die Kultivierung der Zellen erfolgte in Zellkulturflaschen im CO2-Inkubator bei 37°C, 95 % Luftfeuchtigkeit und 5 % CO2. Ein- bis zweimal wöchentlich wurden die Zellen in einem definierten Verhältnis in frischem Medium aufgenommen. Für die Subkultivierung mussten die adhärenten Zellen zunächst mit Hilfe von Trypsin/EDTA (Tab. 2.4) vom Boden der Kulturflasche abgelöst werden. Tab. 2.4: Materialien für die Zellkultur Sterile Werkbank Heraeus, Hanau 2 25-, 75-, 150 cm Zellkultur-Flaschen Corning, USA 5-, 10-, 25 ml Stripette Costar Corning, USA - 15-, 50 ml Polypropylen Röhrchen, steril Becton Dickinson, USA CO2-Inkubator Heraeus, Hanau Trypsin/EDTA Gibco, Karlsruhe 2. Material und Methoden 21 2.1.4 Bestimmung der Lebendzellzahl Die Lebendzellzahl wurde mit Hilfe des Vitalfarbstoffs Trypanblau bestimmt. Durch Trypanblau werden die toten Zellen blau angefärbt und können so von den ungefärbten vitalen Zellen unterschieden werden. Zur Zellzahlbestimmung wurde eine 1:10 Verdünnung der Zellsuspension mit einer Trypanblau-Lösung (Tab. 2.5) hergestellt. Mit Hilfe einer Zählkammer (Tab. 2.5) wurden die vitalen Zellen unter dem Mikroskop ausgezählt. Tab. 2.5: Materialien zur Bestimmung der Zellzahl Trypan Blau 0,5% (w/v) Biochrom AG, Berlin Zählkammer: Neubauer improved Roth, Karlsruhe Hellfeldmikroskop Zeiss, Jena 2.1.5 Kryokonservierung und Rekultivierung von Zellen Um Veränderungen der Zellen bei längerer Kulturdauer verhindern zu können, wurden die Zellen zwischen Passage 1 und 3 in flüssigem Stickstoff bei -196°C konserviert. Dazu wurden die Zellen in einer definierten Zelldichte in FCS mit 10 % DMSO aufgenommen. Anschließend wurden die Zellen in 1 ml Aliquots in KryoRöhrchen überführt und sofort mit Hilfe einer speziellen Einfrierbox (Tab. 2.6) mit einer definierten Abkühlungsgeschwindigkeit von 1°C pro Minute auf -80°C heruntergekühlt. Nach ca. 24 h wurden die Zellen zur Dauerkonservierung in flüssigen Stickstoff überführt. Zur Wiederaufnahme der Zellen in Kultur wurden die eingefrorenen Zellen im Wasserbad bei 37°C angetaut, dann in ein 50 ml Zentrifugenröhrchen mit 10 ml Kulturmedium überführt und bei 1400 rpm 5 min abzentrifugiert. Anschließend wurde das Zellpellet in frischem Medium resuspendiert und in Zellkulturflaschen überführt. Nach ca. 24 h wurde das Medium noch einmal gewechselt, um evtl. noch vorhandenes DMSO und abgestorbene Zellen zu entfernen. Alle verwendeten Materialien sind in Tab. 2.6 aufgelistet. 2. Material und Methoden 22 Tab. 2.6: Materialien für die Kryokonservierung der Zellen Dimethyl Sulfoxid (DMSO) TM Sigma, Taufkirchen 1,8 ml CryoTube Nalgene Nunc International, Wiesbaden 5100 Cryo 1°C Einfrierbox ‚Mr. Frosty‘ Nalgene Nunc International, Wiesbaden 2.2 Charakterisierung der Zellen 2.2.1 Durchflusszytometrischer Nachweis des Epithel-spezifischen Antigens (ESA) und des Fibroblast activated protein (FAP) in den primären TAFs Die für die Färbung benötigten 0,5x106 Zellen wurden für 5 min bei 1400 rpm zentrifugiert. Die Zellen wurden einmal mit PBS-BSA (PBS + 1% BSA, Tab. 2.7) gewaschen und dann wiederum abzentrifugiert. Nach Dekantieren des Überstandes wurden zum Zellpellet 100 µl PBS-BSA zugegeben und der spezifische ESA-FITC Antikörper (Tab. 2.7) zugegeben und für 1 h bei 4°C inkubiert. Als Negativkontrolle wurde ein isotypischer FITC-konjugierter Antikörper (Tab. 2.7) mitgeführt. Nach einem weiteren Waschschritt mit 1 ml PBS-BSA wurde das Zellpellet in 500 µl PBSBSA resuspendiert und am Durchflusszytometer gemessen. Die FACS-Analyse des für TAFs spezifischen Proteins FAP (Fibroblast activated protein) (Tab. 2.7) wurde am Institut für Zellbiologie und Immunologie der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. Dr. Klaus Pfizenmaier durchgeführt. Tab. 2.7: Fixierung und Färbung der Zellen für die durchflusszytometrische Messung BSA Sigma, Steinheim ESA-FITC Antikörper Biomeda, 5 µl eingesetzt FAP Antikörper Prof. Dr. Klaus Pfizenmaier, Institut für Zellbiologie und Immunologie, Universität Stuttgart PBS Biochrom AG, Berlin isotypischer Antikörper IgG1-FITC Coulter Clone , 20 µl eingesetzt ® 2. Material und Methoden 23 Das in der Arbeit verwendete Durchflusszytometer kann 5 optische Parameter gleichzeitig messen: Vorwärtsstreulicht (FSC), Seitwärtsstreulicht (SSC) und drei verschiedene Fluoreszenzspektralbereiche (Tab. 2.8). Tab. 2.8: FACS-Analyse Fluorescence Activated Cell Analyzer ‚FACScan‘ Becton Dickinson, USA Laser: 15 mW, 488 nm, Argon-Ionen Laser Detektoren/Filter: 530 nm (FITC) 585 nm (PE/PI) 650 nm (rote Fluoreszenz) Software: TM CELLQuest Software Becton Dickinson, USA 2.2.2 Untersuchung des Karyotyps verschiedener primärer TAFs Es wurde bei vier verschiedenen primären TAFs eine Analyse des Karyotyps durchgeführt. Die Zellen wurden in einer Zellkulturflasche mit einer Konfluenz von ca. 30 – 40 % zur Firma Bioscientia (Ingelheim) geschickt. Unter Leitung von Frau Dr. C. Neuhaus wurde eine Chromosomenanalyse durchgeführt. 2.2.3 Molekularbiologische Methoden 2.2.3.1 Genotypisierung der Gene p53 und ERCC1 in den primären isolierten TAFs Für die Genotypisierung von p53 und ERCC1 wurde unter Verwendung des RNeasy-Mini Kits (Qiagen, Hilden) nach Angaben des Herstellers zunächst Gesamt-RNA aus den primären TAFs isoliert. Die Reverse Transkription erfolgte mit dem RevertAid™ H Minus First Strand cDNA Synthesis Kit (Fermentas, St. LeonRot) nach Anleitung des Herstellers. Ca. 500 ng der erhaltenen cDNA wurden dann als Matrize für eine PCR-Analyse eingesetzt (siehe Tab. 2.9 - 12). 2. Material und Methoden 24 Tab. 2.9: PCR-Reaktionsmix H20 33,5 µl forward Primer (10µM) 1 µl reverse Primer (10µM) 1 µl 10 x Reaktionspuffer 5 µl dNTP-Mix (2 mM) 5 µl Taq DNA Polymerase 0,5 µl cDNA 4 µl Tab. 2.10: Thermocycler-Programm für die PCR 95°C 94°C 60°C 72°C 72°C 12°C 2 min 30 sec 30 sec 30 sec 10 min „for ever“ 40 Zyklen Tab. 2.11: Verwendete Primer für die p53 und ERCC1 Genotypisierung p53 PCR sense: CGT CCA GGG AGC AGG TAG antisense: CCA CAA CAA AAC ACC AGT GC p53 zusätzlich für Sequenzierung sense: CAC ATG ACG GAG GTT GTG AG ERCC1-118 C/T sense: CCT CAG ACC TAC GCC GAA TA PCR und Sequenzierung antisense: GCT GGT TTC TGC TCA TAG GC Über eine elektrophoretische Auftrennung der PCR-Produkte in einem 1%igen Agarosegel (Tab. 2.12) wurden sie auf ihre Qualität und Länge geprüft. 2. Material und Methoden 25 Tab. 2.12: Materialien für die RT-PCR Taq DNA Polymerase Invitrogen, Karlsruhe Primer Metabion, Martinsried dCTP; dATP; dGTP, dTTP (je 100 mM) Amersham Biosciences, Freiburg 10 x PCR Puffer Invitrogen, Karlsruhe RevertAid™ H Minus First Strand Fermentas, St. Leon-Rot cDNA Synthesis Kit Mastercycler Gradient Eppendorf, Hamburg Agarose, ultra-pur Gibco, Karlsruhe Tris-Base Roth, Karlsruhe 0,5 M EDTA pH 8 Roth, Karlsruhe Eisessig Roth, Karlsruhe Ethidiumbromid Roth, Karlsruhe UV-Detektion LTF Labortechnik, Wasserburg Filme: Thermopapier Mitsubishi, Flensburg Sämtliche Sequenzierungen wurden von GENterprise GmbH, Sequenzierservice (Mainz) als so genannte „Home run“-Reaktionen durchgeführt. Die Vorbereitung der Probe erfolgte nach Angaben der GENterprise GmbH. 2.2.3.2 Vergleich der Originalsequenz von p53 und ERCC1 mit den Sequenzen der primären Fibroblasten Nach der Sequenzierung der Zelllinien wurde die erhaltene Sequenz mit den publizierten Originalsequenzen von p53 bzw. ERCC1 verglichen. Der Genotyp wurde durch den Vergleich der Chromatogramme mit den Originalsequenzen mittels der Software Chromas geprüft. Die Sequenz von p53 und ERCC1 wurde aus der Gendatenbank entnommen (Tab. 2.13). Tab. 2.13: Sequenzierung und Vergleich der Sequenzen Chromas 1.62 Technelysium p53 GenBank, Pubmed, Gene ID 7157 ERCC1 GenBank, Pubmed, Gene ID 2067 2. Material und Methoden 26 2.2.3.3 Genotypisierung von mdm2-309 T/G in den primären isolierten TAFs Um das mdm2 Gen auf den Polymorphismus 309 T/G zu untersuchen, musste zunächst die genomische DNA aus den primären Fibroblasten isoliert werden. Dafür wurde das DNeasy Blood & Tissue Kit (Qiagen, Hilden) verwendet. Für die Untersuchung der TAFs auf den mdm2-309 T/G Polymorphismus wurde eine PCR-RFLP-basierte Technik angewandt. Dafür wurde mit 15 ng der DNA eine PCR (Tab. 2.14 und 2.15) mit den in Tab. 2.16 aufgeführten Primern durchgeführt. Danach das PCR-Produkt mit 5 units MspA1I enzymatisch für 16 h bei 37°C (Tab. 2.16) verdaut. Danach wurde das verdaute PCR-Produkt in einem 2 %igen Agarosegel aufgetrennt und mit Ethidiumbromid unter UV-Licht sichtbar gemacht. Tab. 2.14: PCR-Reaktionsmix forward Primer (100 pmol/µl) 0,05 µl reverse Primer (100 pmol/µl) 0,05 µl Hot Start Taq Master Mix Kit (Qiagen) 12,5 µl Tab. 2.15: Thermocycler-Programm für die PCR für mdm2-309 T/G 95°C 95°C 64°C 72°C 72°C 12°C 15 min 20 sec 20 sec 50 sec 10 min „for ever“ 40 Zyklen Tab. 2.16: Verwendete Primer und Enzyme für die mdm2-309 T/G Genotypisierung sense: CGC GGG AGT TCA GGG TAA AG Primer für mdm2-SNP309 T/G antisense: ACT ACG CGC AGC GTT CAC AC MspA1 New England Biolabs, Frankfurt a. M. 2. Material und Methoden 27 2.2.4 Untersuchung der Chemosensitivität der isolierten TAFs 2.2.4.1 MTT–Test zur Bestimmung der Zellviabilität Die Zellviabilität nach Chemotherapie kann mit Hilfe der MTT-Reaktion bestimmt werden. Dabei wird durch eine in den Mitochondrien stoffwechselaktiver Zellen vorkommende Dehydrogenase das Tetrazoliumsalz MTT zu einer violett gefärbten Formazanverbindung (1-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-3,5-diphenylformazan) umgesetzt. Die Zellen wurden dazu in einer 96-Loch-Platte mit 10.000 Zellen pro Loch ausgesät und nach 24 h Kultivierung für weitere 48 h mit verschiedenen Zytostatika in verschiedenen Konzentrationen behandelt (Tab. 2.16). Zur Detektion der Zellviabilität wurde in jedes Loch 10 µl einer MTT-Lösung (10 mg/ml MTT in PBS) gegeben und 2 h bei 37°C inkubiert. Danach wurden pro Loch 90 µl eines MTT-Lysepuffers (15 % SDS in DMF-Wasser (1:1) gelöst, pH 4,5) zugegeben und die Platte mindestens über Nacht unter Lichtabschluss bei RT geschüttelt. Am folgenden Tag erfolgte die photometrische Messung der Färbung am ELISA-Reader bei einer Wellenlänge von 570 nm. Alle verwendeten Materialien und Geräte sind in Tab. 2.17 aufgeführt. Tab. 2.16: Verwendete Konzentrationen der Zytostatika im MTT-Test Taxol 0 – 100 µM Cisplatin 0 – 200 µM Tab. 2.17: Materialien für den MTT-Test MTT (3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5- Sigma, Taufkirchen diphenyltetrazoliumbromid)) Gewebekulturplatte 96-Loch Greiner Labortechnik, Frickenhausen ELISA-Reader‚ Wallac Victor 1420 multilabel Wallac, Perkin Elmer, USA counter GraphPad Prism 4.0 Software GraphPad Software, USA 2. Material und Methoden 28 2.2.4.2 Bestimmung der Sensitivität der isolierten primären TAFs Mithilfe des MTT-Assays wurden die GI50-Werte der isolierten primären TAFs und der etablierten Tumorzelllinien bestimmt. Diese Werte zeigen eine Hemmung der Zellviabilität um 50%. Aus diesen Werten wurden die Mittelwerte und deren Standardabweichungen (SD) bestimmt. Nach einer gängigen Methode wurden alle Zellen, die unter dem Wert des Mittelwerts - SD der etablierten Tumorzelllinien lagen, als sensitiv eingestuft und die Zellen, deren Werte oberhalb dieses Mittelwerts + SD lagen, als resistent bezeichnet (Potti et al., 2006). 2.3 Etablierung der Frischgewebekultur 2.3.1 Herstellung und Kultivierung verschiedenen Tumorentitäten der Frischgewebeschnitte aus Das frische Gewebe von soliden primären Karzinomen aus der Brust und aus der Lunge wurde mit Hilfe des Pathologischen Instituts des RBK direkt nach der OP geschnitten und für die Kultivierung bereitgestellt (siehe Tab. 2.19). Nach Einverständniserklärung des Patienten/der Patientin wurde das Gewebe, das nicht für die Routine-Diagnose verwendet werden musste, auf Eis in speziellem Transportmedium gelagert (Tab.2.20). Für die Herstellung der Frischgewebeschnitte wurde das Tumorgewebestück unter einer sterilen Werkbank gestanzt und es entstanden so zylinderförmige Gewebestücke mit einem Durchmesser von 5 mm. Daraus wurden dann mit dem vorher mit 70% igem Ethanol gereinigten Krumdieck Tissue Slicer (Tab. 2.20) in kaltem, sterilem 1x PBS 200 µm dicke Frischgewebeschnitt hergestellt (Abb. 2.1). Diese Gewebeschnitte wurden einzeln in je eine Vertiefung einer 24 Loch Platte gesetzt und über 96 h mit 1 ml des jeweiligen Kulturmediums (Tab. 2.20) bei 37°C und 5% CO2-Gehalt kultiviert und nach 24 h für weitere 72 h mit verschiedenen Zytostatika, je nach Entität, behandelt (Tab. 2.20). Die Herstellung der Slices wird in Abb. 2.1 gezeigt. Die Konzentrationen der verschiedenen Zytostatika sind den Testkonzentrationen des käuflich erwerbbaren Tumor-Chemosensitivitäts-Assay entnommen (Tab. 2.20). 2. Material und Methoden 29 Tumorgewebe Routinediagnostik Histologie Gewebestanze Krumdieck Tissue Slicer 24 Loch Platte Kultivierung der Gewebeschnitte in Gegenwart der 1 Gewebeschnitt/Loch Substanzen über 72 h Abb. 2.1: Schematische Darstellung der Herstellung der Frischgewebeschnitte Dargestellt ist die Herstellung von Frischgewebeschnitten aus Tumorgewebe. Zuerst wurden mit einer Stanze Gewebezylinder hergestellt, die dann mit Hilfe des Krumdieck Tissue Slicers in 200 µm dicke Frischgewebeschnitte geschnitten wurden. Für die weitere Kulitvierung wurden diese Schnitte in 24 Loch Platten überführt und je nach Entität mit dem geeigneten Kulturmedium kultiviert. Es folgte die Behandlung mit den verschiedenen Substanzen über 72 h. Tab. 2.19: Entitäten und Anzahl der Tumorgewebe für die Herstellung der Frischgewebeschnitte Entität Anzahl der Tumorgewebestücke Herstellung der Frischgewebeschnitte Mammakarzinome 27 Bronchialkarzinome 34 für die 2. Material und Methoden 30 Tab. 2.20: Verwendete Medien, Zytostatika und TKIs für die Frischgewebekultur Transportmedium: Eurocollins Fresenius medical care, Bad Homburg Krumdieck Tissue Slicer Krumdieck, Alabama Research and Development Corp., Munford, USA Tumor-Chemosensitivitäts-Assay TCA-100; DCS Innovative Diagnostic systems, Hamburg Verwendete Zytostatika/TKIs: Eingesetzte Konzentrationen: Taxol 1,7 µg/ml, 6,8 µg/ml, 13,6 µg/ml Cisplatin 13 µM Erlotinib 2 µM 2.3.2 Identifikation der verschiedenen Tumorkompartimente in den Frischgewebeschnitten Um das Epithel und das Endothel innerhalb der Frischgewebeschnitte getrennt darzustellen, wurden verschiedene Oberflächenantigene mit spezifischen Fluoreszenz-markierten Antikörpern sichtbar gemacht. Das Epithel wurde mit einem FITC-markierten anti-HEA-Antikörper dargestellt, während das Endothel mit einem PE-markierten CD34 Antikörper sichtbar gemacht wurde. In weiteren Experimenten wurde für das Endothel noch FITC-markiertes Ulex europaeus Agglutinin I (UEA-1) verwendet (Tab. 2.21). Zuerst wurden die Gewebeschnitte in 1 ml 1xPBS /1% BSA überführt und für 30 min bei 37°C mit Syto®63 (siehe oben) inkubiert. Danach wurde das Volumen auf 100 µl reduziert und die konjugierten Antikörper und das UEA-1 zugegeben und für 20 min bei 4°C inkubiert. Dann wurden die Frischgewebeschnitte mit frischem kalten PBS/BSA gewaschen und für weitere 10 min mit PI inkubiert (Tab. 2.21). Die Schnitte wurden dann auf Objektträger überführt, die mit ca. sieben Schichten Tesa-Film beklebt waren, um ein Quetschen der Schnitte zu vermeiden. Die Färbungen wurden dann mit einem CLSM sichtbar gemacht (siehe oben). 2. Material und Methoden 31 Tab. 2.21: Antikörper für die Detektierung verschiedener Kompartimente im Gewebe FITC-markierter anti-HEA-Antikörper Biomeda, Foster City, CA, USA Verdünnung: 1:20 PE-markierter CD34 Antikörper BD Biosciences Pharmingen, Heidelberg Verdünnung: 1:20 FITC-markiertes UEA-1 Alexis, Grunberg Verdünnung: 1:50 2.3.3 Test der Diffusionsfähigkeit der Frischgewebeschnitte Zur Überprüfung der Durchlässigkeit der Frischgewebeschnitte wurden sie mit einem Fluoreszenz-markierten Paclitaxel (Tab. 2.22) und einem FITC-konjugierten AntiHEA-125-Antikörper inkubiert (Tab. 2.21). Mit Hilfe des CLSM wurden die Frischgewebeschnitte von oben nach unten in verschiedenen Ebenen aufgenommen. Tab. 2.22: Substanzen zur Untersuchung der Diffusionsfähigkeit der Frischgewebeschnitte Paclitaxel Oregon-Green Molecular Probes, Invitrogen, Karlsruhe Eingesetzte Konzentration: Stammlösung 1 mg/ml, daraus 2 µl/ml 2.3.4 Untersuchung der Chemosensitivität der Tumore anhand der Frischgewebeschnitte Nach der Kultivierung der Gewebeschnitte mit verschiedenen Zytostatika und TKIs für72 h wurden Vitalität, Proliferation und Zelltod auf verschiedene Arten untersucht. Es wurde die Viabilität der Frischgewebeschnitte mit einer Fluoreszenzfärbung am konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) untersucht und verschiedene 2. Material und Methoden 32 spezifische Antigene in Paraffinschnitten nachgewiesen. Zusätzliche wurde der ATPund DNA-Gehalt im Homogenat des Frischgewebeschnittes mit Hilfe von Lumineszenz- und Fluoreszenz-Messungen gemessen. 2.3.4.1 Fluoreszenzfärbung für die Identifikation lebender und toter Zellen Für die Identifikation lebender Zellen innerhalb der Frischgewebeschnitte wurden verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt. Zur Validierung wurden in Zellkulturexperimenten herkömmliche Färbungen für Zelltod und Zellviabilität durchgeführt. Für die Etablierung wurde ein einfaches Zelllinienmodell verwendet. Es wurde die hämatopoetische Zelllinie BaF3-p185 verwendet, die mit dem Onkogen Bcr-Abl transfiziert wurde und dadurch unabhängig von externen Wachstumsfaktoren proliferieren kann. Das Onkogen Bcr-Abl kann mit dem Tyrosinkinase-Inhibitor (TKI) Imatinib gehemmt werden, wodurch es zu einer Hemmung des Wachstumssignals kommt und Zelltod induziert wird. Die Zellen wurden für 8 h mit 1 µM Imatinib behandelt um Bcr-Abl zu hemmen und so Zelltod auszulösen. Für die Anfärbung vitaler Zellen wurde der Farbstoff Tetramethylrhodamin-Methyl-Ester (TMRM) verwendet, der von aktiven Mitochondrien umgesetzt wird (Floryk et al., 1999). Zur Färbung der toten Zellen wurde der -Farbstoff Picogreen verwendet, der durch die Membran toter Zellen hindurch diffundieren kann und die DNA anfärbt (Singer et al., 1997). Für die Anfärbung aller Zellen wurde der DNA-Farbstoff Syto®63 verwendet (Wlodkowic et al., 2008). Alle drei Farbstoffe konnten gleichzeitig im Kulturmedium für 45 min bei 37°C inkubiert werden. Die verwendeten Konzentrationen sind in Tab. 2.23 aufgelistet. Als Referenz der Picogreen-Färbung wurde noch der Farbstoff Propidium-Iodid (PI) in einer 1x PBS/1% BSA-Lösung eingesetzt. Die Zellen wurden durch Zentrifugation aufkonzentriert und auf Objektträger getropft. Diese Färbungen wurden am konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) ausgewertet (Tab. 2.23). Es wurde anhand der Bilder der Anteil der lebenden und toten Zellen gezählt. Dafür wurden pro Objektträger ca. 10 Gesichtsfelder mit mindestens 20 Zellen von zwei unabhängigen Beobachtern ausgezählt. 2. Material und Methoden 33 Zur Validierung dieser Methode wurde die Färbung mit einer bereits gut etablierten durchflusszytometrischen Methode zur Quantifizierung der lebenden und toten Zellen verglichen. Dafür wurden die etablierten Farbstoffe AnnexinV-FITC (Tab. 2.23), der die toten, bzw. apoptotischen Zellen anfärbt und TMRM für die Färbung der viablen Zellen verglichen (Tab. 2.23). Tab. 2.23: Materialien und Geräte für die Fluoreszenzfärbung zur Bestimmung der Zellviabilität PI (0,2 µg/ml) Sigma, Taufkirchen TMRM (0,5 µM) Molecular Probes, Invitrogen, Karlsruhe ® Syto 63 (1,25 µM) Molecular Probes, Invitrogen, Karlsruhe Picogreen (1:1500) Molecular Probes, Invitrogen, Karlsruhe Inverses CLSM: Leica Lasertechnik, Wetzlar Leica DM IRBE Laser: Argon und Helium/Neon Laser Detektoren/Filter: 488 nm (Picogreen/FITC) 560 - 590 nm (TMRM/PI) ® 650 - 700 nm (Syto 63) 2.3.4.2 Fluoreszenzfärbung zur Untersuchung der Viabilität der Zellen in den Frischgewebeschnitte Um die lebenden Zellen innerhalb der Frischgewebeschnitte anzufärben, wurden die Gewebeschnitte in den Vertiefungen der 24-Loch Platte mit 0,5 µM TMRM für 30 min inkubiert. Zeitgleich wurde zur Färbung der DNA aller Zellen 1,25 µM Syto®63 verwendet, für die Anfärbung der toten Zellen wurde nach 20 min Inkubation mit TMRM und Syto®63 bei 37°C 0,7 µl Picogreen zugegeben und für weitere 10 min bei 37°C inkubiert (Tab. 2.23). In der Zwischenzeit wurden Objektträger für die Gewebeschnitte vorbereitet. Dazu wurden die äußeren Ränder der Objektträger mit ca. sieben Schichten Tesa-Film umwickelt um einen Abstand zum Deckglas zu gewährleisten und damit den Gewebeschnitt nicht zu quetschen. Nach der Färbung wurden die Gewebeschnitte mit einem Tropfen Medium auf die vorbereiteten 2. Material und Methoden 34 Objektträger gelegt und mit einem Deckglas fixiert. Das Deckglas wurde mit TesaFilm fixiert und die Färbung des Frischgewebeschnitts mit Hilfe des inversen CLSM (Tab. 2.23) detektiert. 2.3.4.3 ATP-/DNA-Gehaltsmessung Für die Untersuchung der Viabilität wurde auch der ATP-Gehalt in den einzelnen Frischgewebeschnitten untersucht. Dafür wurden die Schnitte in eine Lösung aus 2 mM EDTA (pH 10,9) in 70% igem Ethanol überführt und in flüssigem Stickstoff schockgefroren. Die Frischgewebeschnitte wurden dann mit Hilfe einer FastPrep Zentrifuge in Lysing Matrix D gefüllten Röhrchen in 3 mal 20 sec homogenisiert (Tab. 2.24). Vom Homogenat wurden 50 µl mit 450 µl Phosphatpuffer (0,1 M, pH 7,5) verdünnt und 50 µl in eine weiße, undurchsichtige 96 Loch Platte überführt. Zum Homogenat wurden 50 µl des Luciferin-Luciferase-Reagenz aus dem ATP Bioluminescence Assay Kit zugegeben und am ELISA-Reader gemessen. Zum Abgleich der unterschiedlichen Zellzahl der einzelnen Gewebeschnitte wurde mit dem Homogenat der DNA-Gehalt mit Hilfe des Picogreen DNA quantification system (Tab. 2.24) am ELISA-Reader bestimmt. Tab. 2.24: Materialien für die ATP/DNA-Gehaltsmessung ® FastPrep Zentrifuge Qbiogene, Heidelberg Lysing Matrix D tubes Qbiogene, Heidelberg ATP Bioluminescence Assay Kit DSC Diagnostics, Hamburg Picogreen DNA quantification system Molecular Probes, Invitrogen, Karlsruhe 2.3.5 Immunhistochemische Färbungen Für immunhistochemische Analysen wurden die Gewebeschnitte nach der Kultur zur weiteren Einbettung in Paraffin in 4% igem Formalin fixiert. Die Einbettung wurde im Pathologischen Institut des Robert Bosch Krankenhauses, Stuttgart durchgeführt. Aus den Gewebeblöcken der in Paraffin eingebetteten Frischgewebeschnitte wurden dann mit einem Rotationsmikrotom (Tab. 2.25) 3 µm dicke Paraffinschnitte 2. Material und Methoden 35 hergestellt, die dann für verschiedene immunhistochemische Färbungen verwendet werden konnten. 2.3.5.1 Hämatoxilin - Eosin - Färbung (H&E) für den Vergleich der Morphologie der Frischgewebeschnitte mit den original OP-Präparaten Um die Morphologie der Frischgewebeschnitte mit der des OP-Präparates der/desselben Patientin/en zu vergleichen, wurde eine Hämatoxilin-Eosin-Färbung (H&E-Färbung) durchgeführt. Dafür wurden die Paraffinschnitte mittels Xylol entparaffiniert und durch eine absteigende Alkoholreihe (100% Ethanol, 96% Ethanol, 70% Isopropanol, H2O) rehydriert. Anschließend wurden die Schnitte 5 min mit Hämatoxilin gefärbt und anschließend gut gewässert. Danach wurde für 1 min mit Eosin inkubiert und mit darauffolgender aufsteigender Alkoholreihe für die Eindeckung dehydriert. Die Schnitte wurden mit DEPEX Mounting Medium eingedeckt und so haltbar gemacht. Die verwendeten Materialien sind in Tab. 2.25 aufgeführt. Tab. 2.25: Materialien zur Herstellung und Färbung der Paraffinschnitte Rotationsmikrotom RM 2055 Leica Microsystems, Wetzlar Xylol, 100% Ethanol, 96% Ethanol, Merck, Darmstadt 70% Isopropanol Citratpuffer, pH 6 DakoCytomation, Dänemark Gurr DEPEX Medium Merck, Darmstadt Hämatoxilin Merck, Darmstadt Eosin Merck, Darmstadt 2.3.5.2 Darstellung verschiedener Zelltypen innerhalb der Frischgewebeschnitte Die verschiedenen Zelltypen innerhalb der Frischgewebeschnitte wurden in immunhistochemischen Färbungen mit Antikörpern gegen Zelltyp-spezifische Oberflächenmarker sichtbar gemacht. Die Endothelien wurden mit einem anti-CD34- 2. Material und Methoden 36 Antikörper und die Epithelzellen mit einem anti-HEA-Antikörper sichtbar gemacht (Tab. 2.26). Die Vorbehandlung der Paraffinschnitte für die anti-CD34- und anti-HEAAntikörper wurde für 15min in einem Dampfgarer in einer 2 M HCl / 0,1 M BoraxLösung durchgeführt. Die Färbung von CD34 und HEA wurde mit dem Dako Envision Kit mit einem DakoCytomation Stainer durchgeführt. Die verwendeten Verdünnungen der Antikörper sind in Tab. 2.26 aufgeführt. Tab. 2.26: Materialien für die immunhistochemischen Färbungen zur Darstellung verschiedener Zelltypen CD34-Antikörper (1:50) M7165; DakoCytomation, Hamburg HEA-Antikörper (1:100) M0804, DakoCytomation Dako Envision Kit DakoCytomation, Dänemark DakoAutomation Stainer DakoCytomation, Dänemark 2.3.5.3 Immunhistochemische Färbungen der Proliferation und des Zelltodes innerhalb der Frischgewebeschnitte Um innerhalb der Frischgewebeschnitte die Proliferation und den Zelltod nachzuweisen, wurden immunhistochemische Färbungen durchgeführt. Für die spezifische Färbung für proliferierende Zellen wurde ein KI67-Antikörper eingesetzt. Der Zelltod wurde mit einem Antikörper gegen das Caspase-3 Spalt-Produkt nachgewiesen und zusätzlich wurde noch die TUNEL-Färbung angewendet. Für die Färbung von KI67 wurden die 3 µm dicken Paraffinschnitte für 20 min mit Citratpuffer, pH 6, im Dampfgarer vorbehandelt. Die Vorbehandlung der Paraffinschnitte für die Färbung mit dem Caspase-3 Spalt-Produkt-Antikörper wurde für 15min in einem Dampfgarer in einer 2 M HCl / 0,1 M Borax-Lösung durchgeführt. Die Vorbehandlung der Schnitte für die TUNEL-Färbung erfolgte durch eine 20minütigen Proteinase K Vorinkubation (Tab. 2.27). Die Färbung von KI67 und Caspase-3 Spalt-Produkt wurde mit dem Dako Envision Kit mit einem DakoAutomation Stainer durchgeführt (Tab. 2.26). Die verwendeten Verdünnungen der Antikörper sind in Tab. 2.25 aufgeführt. Die TUNEL-Methode wurde nach Anleitung des Herstellers durchgeführt (Tab 2.27). 2. Material und Methoden 37 Tab. 2.27: Materialien für die immunhistochemischen Färbungen der Proliferation und des Zelltodes Proteinase K (20 µg/ml) Qiagen, Hilden anti-KI67 Antikörper, M7240 (1:75) DakoCytomation, Dänemark Caspase-3 cleavage product (1:50) Cell Signalling Technology, USA ® ApopTag Peroxidase In Situ Apoptosis Chemicon Detection Kit (TUNEL) 2.3.6 Bestimmung der pathologischen Regression der Tumorzellen und des Stromas nach neoadjuvanter Chemotherapie anhand Präparaten von Mammakarzinomen Anhand von Hämatoxilin-Eosin-Färbungen (H&E) von Paraffinschnitten neoadjuvant behandelter Mammakarzinome wurde die pathologische Regression des Tumors und des Stromas bestimmt. Dazu wurden H&E gefärbte Paraffinschnitte der Biopsie vor der Therapie mit H&E-Färbungen des OP-Präparates nach mehreren Zyklen Chemotherapie verglichen. Die Regression der Tumorzellen wurde mit Hilfe des Pathologen Herrn Dr. Fritz nach Sinn (Sinn et al., 1994) beurteilt. Tumore mit einem Tumorregressionsgrad von 2, 3 oder 4 wurden als Tumore mit einem pathologischen Ansprechen definiert. Um die Regression des Tumorstromas bewerten zu können, wurde mit Hilfe des Pathologen Herrn Dr. Fritz ein Schema für die Einteilung des Aktivitätsgrads entwickelt. Das Tumorstroma wurde in 4 Aktivitätsgrade eingeteilt. Die verschiedenen Aktivitätsgrade wurden anhand der Zellzahl und der Morphologie der einzelnen Stromazellen pro Gesichtsfeld eingeteilt. Grad 0 repräsentiert Tumore mit sehr inaktivem, ruhigem Stroma mit der geringsten Zelldichte mit weniger als 10 Fibrozyten pro Gesichtsfeld. Diese Fibrozyten sind charakterisiert durch sehr schmale, spindelförmige Zellkerne. Grad 1 wurde als meist inaktives Stroma mit mehr als 10 Fibrozyten pro Gesichtsfeld und 1-3 vesikulären Zellen (Fibroblasten oder endothelialen Zellen mit vergrößerten, blasigen Zellkernen) eingeteilt. Grad 2 ist durch mittelmäßig reaktives Stroma charakterisiert, dass mehr als 10 Fibrozyten und 2. Material und Methoden 38 3-10 vesikuläre Zellen pro Gesichtsfeld zeigt. Tumore mit der höchsten zellulären Dichte im Stromabereich werden durch Grad 3 klassifiziert. Sie enthalten mehr als 10 Fibrozyten und mehr als 10 vesikuläre Zellen pro Gesichtsfeld. Der Rückgang des Aktivitätsgrads von Grad 3 oder 2 im Biopsiepräparat vor der neoadjuvanten Therapie auf Grad 1 oder 0 nach der neoadjuvanten Therapie im OP-Präparat wurde als pathologisches Ansprechen des Tumorstromas bewertet. 2.3.7 Auswertung des klinischen Ansprechens der MammakarzinomPatientinnen auf die neoadjuvante Chemotherapie Das klinische Ansprechen der Patientinnen auf die neoadjuvante Chemotherapie wurde anhand der klinischen Daten in der Datenbank der Gynäkologie des Robert Bosch Krankenhauses Stuttgart unter der Leitung von Professor Dr. Wolfgang Simon bestimmt. So war es möglich, anhand der Daten die Tumorgröße vor und nach der Therapie die klinische Response des Tumors zu bestimmen. Die Tumorgröße wurde vor und nach der Therapie durch Sonographie oder MRT gemessen und die Tumorgröße durch den längsten horizontalen und den längsten vertikalen Tumordurchmesser bestimmt. Die Patienten wurden anhand ihres Ansprechens auf die Therapie in partielle klinische Responder (cPR), in Non-Responder (cNR) und in klinische Complete-Responder (cCR) eingeteilt. Die Definition der cPR wurde durch eine mehr als 50 %ige Reduktion der Tumorgröße bestimmt. Patienten mit einer geringeren Reduktion wurden als cNR Resttumorgewebe wurden als cCR definiert. geführt. Patienten mit keinerlei 3. Ergebnisse 39 3. Ergebnisse Karzinome bestehen aus einem Netzwerk verschiedener Zelltypen, wie epitheliale Tumorzellen, Fibroblasten und Endothelien sowie aus extrazellulärer Matrix. Die Kommunikation zwischen den verschiedenen Bestandteilen spielt eine wichtige Rolle beim Tumorwachstum, der Invasion und der Metastasierung. Damit ist es naheliegend, dass nicht nur die Tumorzellen selbst, sondern auch das zelluläre Stroma einen Einfluss auf die Effizienz der Tumortherapie hat. Um diesen Einfluss zu untersuchen, wurde das Ansprechen des Tumor- und des Stromakompartiments in vivo beobachtet und verschiedene in vitro Modelle entwickelt um den direkten Effekt der Chemotherapie auf das Tumorstroma zu untersuchen. 3.1 Etablierung von in vivo - und in vitro - Methoden zur Untersuchung der Wirkung von Chemotherapie 3.1.1 Methodik zu Untersuchung der Chemotherapie-Wirkung in vivo Für die Einschätzung des pathologischen Ansprechens der Tumorzellen auf die Chemotherapie gibt es bereits einige etablierte Schemata (Übersicht in Kuroi et al., 2006). Um das Ansprechen des Stromakompartiments im Tumor beschreiben zu können, wurde ein Schema entwickelt, das den Aktivitätsgrad des Stromas beschreibt (siehe auch Kapitel 2.3.6). Der Rückgang des Aktivitätsgrads von Grad 3 oder 2 auf Grad 1 oder 0 wurde als pathologisches Ansprechen des Tumorstromas bewertet. Beispielbilder für die verschiedenen Aktivitätsgrade zeigt die Abbildung 3.1. 3. Ergebnisse 40 Grad 0 Grad 1 20µm Grad 2 Grad 3 20µm 50µm 20µm 50µm 20µm 50µm 50µm Abb. 3.1: Einteilung des Aktivitätsgrades des Tumorstromas Dargestellt sind Beispielbilder für die Einteilung der einzelnen Aktivitätsgrade des Tumorstromas innerhalb neoadjuvant behandelter Mammakarzinome. Die obere Bildreihe zeigt Ausschnitte aus H&E-Färbungen von Paraffinschnitten in 400facher Vergrößerung, während die untere Bildreihe eine Übersicht mit 200facher Vergrößerung zeigt. Von links nach rechts (Grad 0 bis Grad 3) zeigt sich eine erhöhte Aktivität in Form einer höheren Zelldichte und einer morphologischen Veränderung der Zellkerne. 3.1.2 Kultivierung und Charakterisierung Fibroblasten (TAFs) der Tumor-assoziierten Zur Untersuchung der Chemosensitivität von Tumor-assoziierten Fibroblasten (TAFs) in vitro wurden zunächst aus frischem Tumormaterial, das nicht für diagnostische Zwecke notwendig war und mit Einverständnis der Patienten/innen für Forschungszwecke verwendet werden konnte, Fibroblasten isoliert und in Kultur gebracht. Durch enzymatischen Verdau konnten die Zellen aus dem Gewebeverband herausgelöst und in eine Zellkulturflasche überführt werden. Die TAFs erreichten bereits nach ca. 8 Tagen eine 80 - 90%ige Konfluenz in Passage 1 (Beispielbild in Abb. 3.2). Ein Teil der Zellen wurde dann für spätere Untersuchungen kryokonserviert. Der andere Teil wurde für die Charakterisierung weiter kultiviert. 3. Ergebnisse 41 Abb. 3.2: Primäre isolierte TAFs in Kultur Beispielbild für proliferierende isolierte primäre TAFs aus Bronchialkarzinomgewebe in einer Zellkulturflasche mit ca. 40%iger Konfluenz. Damit sichergestellt werden konnte, dass es sich bei den isolierten Fibroblasten um Tumor-assoziierte Fibroblasten (TAFs) handelt, wurden sie auf verschiedene Oberflächenmarker untersucht. Zum einen wurde die Expression des Epithelspezifischen Antigens (ESA) untersucht. ESA ist spezifisch für Epithelzellen und wird nicht von Zellen mesenchymalen Ursprungs exprimiert (Simon et al., 1990). Zusätzlich wurde die Expression des Oberflächenantigens FAP (Fibroblast activation protein) untersucht, das ausschließlich in Tumor-assoziierten Fibroblasten exprimiert wird (Rettig et al., 1993). 3.1.2.1 Expression des Epithel-spezifischen Antigens (ESA) Der Oberflächenmarker Epithel-spezifisches Antigen (ESA) wurde am Durchflusszytometer bestimmt. Bei allen 17 getesteten isolierten primären TAFs konnte keine ESA-Expression nachgewiesen werden. Ein exemplarisches Beispiel der durchflusszytometrischen Untersuchung der ESA-Expression der TAFs eines Mammakarzinoms zeigt Abb. 3.3 a. Im Vergleich dazu zeigte die epitheliale Mammakarzinomzelllinie MCF7 eine ESA-Expression in der gesamten Population (Abb. 3.3. b). 3. Ergebnisse 42 a b Abb. 3.3: Durchflusszytometrische Expressionsanalyse des Epithel-spezifischen Antigens (ESA) der TAFs eines Mammakarzinoms. Abb. 3.3 a zeigt die fehlende ESA-Expression exemplarisch von TAFs eines Mammakarzinoms, während Abb. 3.3 b die ESA-Expression der epithelialen Mammakarzinomzelllinie MCF7 zeigt. 3.1.2.2 Expressionsanalyse des Fibroblast activation protein (FAP) Um sicherzustellen, dass es sich bei den hier isolierten primären Fibroblasten um TAFs handelt, wurden in Kooperation mit dem Institut für Zellbiologie und Immunologie der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. K. Pfizenmaier 16 primäre TAFs auf ihre Fibroblast activation protein (FAP) Expression mittels Durchflusszytometer untersucht. Alle 16 getesteten TAFs zeigten eine FAPExpression. Ein exemplarisches Beispiel der FAP-Expression der TAFs eines Bronchialkarzinoms zeigt Abb. 3.4. 3. Ergebnisse 43 Abb. 3.4: Nachweis von FAP auf der Zelloberfläche von TAFs Dargestellt ist die Verschiebung der Fluoreszenz durch Bindung des FITC-markierten FAPspezifischen Antikörpers in TAFs eines Bronchialkarzinoms im Vergleich zur IgG-Kontrolle. 3.1.3 Etablierung eines ex vivo-nahen Gewebekultursystems Da innerhalb solider Tumore die Zell-Zell-Kommunikation eine besondere Rolle spielt, wurde nach einem Modell gesucht, das die Mikroumgebung des Tumors möglichst gut widerspiegelt. Um die Rolle des Stromas im Tumor besser untersuchen zu können, wurde ein Gewebekulturmodell entwickelt, das die Tumor-StromaInteraktion möglichst naturgetreu wiedergeben kann. Durch Kultivierung frischer Gewebeschnitte bleibt der Gewebeverband intakt und die Zellen können weiterhin mit dem umliegenden Gewebe kommunizieren. Mit den im Folgenden beschriebenen Untersuchungsmöglichkeiten gelang es durch dieses Modell, die Reaktion der epithelialen Tumorzellen und der Stromazellen auf die Chemotherapie zu beobachten. In Kooperation mit dem Pathologischen Institut des Robert-Bosch-Krankenhauses in Stuttgart konnte unter Vorlage der Einverständniserklärung des Patienten Gewebe aus Mamma- und Bronchialkarzinomen für Forschungszwecke verwendet werden. Die Herstellung der Frischgewebeschnitte aus diesen Gewebestücken ist in Kapitel 2.3 beschrieben. Zunächst wurde die Viabilität der Frischgewebeschnitte mit verschiedenen Methoden geprüft. 3. Ergebnisse 44 3.1.3.1 Viabilitäts-Fluoreszenzfärbungen eines etablierten Zellkulturmodells Um die optimalen Bedingungen für eine simultane Fluoreszenzfärbung für lebende und tote Zellen innerhalb der unfixierten Frischgewebeschnitte zu etablieren, wurde die Fluoreszenzfärbung zunächst an einem einfachen Zellkulturmodell getestet. Dafür wurde die hämatopoetische Zelllinie BaF3-p185 verwendet, die mit dem Onkogen Bcr-Abl transfiziert wurde und dadurch unabhängig von externen Wachstumsfaktoren proliferieren kann. Durch den Tyrosinkinase-Inhibitor (TKI) Imatinib kann Bcr-Abl blockiert werden, wodurch es zu einer Hemmung des Wachstumssignals kommt und Zelltod induziert wird (Moehring et al., 2005). Abbildung 3.5 zeigt die simultane Einzellzellfärbung mit drei verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen, dargestellt mittels konfokalen Laser Scanning MikroskopAufnahmen in 400facher Vergrößerung. TMRM (rot) wird durch seine positive Ladung in den negativ geladenen Mitochondrien akkumuliert. Bei einer Depolarisation der Mitochondrienmembran, wie sie beim Zelltod stattfindet, geht die Akkumulation in den Mitochondrien wieder verloren. Der Fluoreszenzfarbstoff Picogreen kann nur durch die zerstörten Plasmamembranen toter Zellen in die Zelle hinein diffundieren und interkaliert dann in doppelsträngige DNA. Syto®63 ist ebenfalls ein DNA-Farbstoff, diffundiert aber passiv durch die Membranen vitaler und toter Zellen. Wie in der Abbildung 3.5 zu sehen ist, schließen sich die TMRMFärbung (Abb. 3.5, oben links) und die Picogreen-Färbung (Abb. 3.5, unten links) gegenseitig aus, während alle Zellen eine Färbung mit Syto®63 (Abb. 3.5, oben Mitte) zeigen. Die überlagerte Färbung (Abb. 3.5, unten rechts) mit dem Hellfeldbild (Abb. 3.5, oben rechts) macht die Spezifität der einzelnen Farbstoffe innerhalb der Zellen noch einmal deutlicher. Syto®63 und Picogreen befinden sich ausschließlich im Zellkern, während TMRM nur im Cytoplasma zu sehen ist. 3. Ergebnisse 45 ® Abb. 3.5: Simultane Einzelzellfluoreszenzfärbung mit TMRM, Syto 63 und Picogreen Dargstellt sind Bcr-Abl positive BaF3-p185 Zellen, in denen durch den TKI Imatinib Zelltod induziert wurde. Die lebenden Zellen akkumulierten TMRM (oben links), die toten Zellen Picogreen (unten ® links). Als Referenz wurden die lebenden und toten Zellen mit dem DNA-Farbstoff Syto 63 (oben Mitte) angefärbt. Zusätzlich ist noch das Hellfeldbild (HF, oben rechts) und die Überlagerung aller Färbungen dargstellt (unten Mitte und unten rechts). Die Bilder sind bei einer 630fachen Vergrößerung aufgenommen worden. Die Zuverlässigkeit der Färbung der toten Zellen mit dem Farbstoff Picogreen wurde durch den Vergleich mit dem Farbstoff Propidium-Iodid (PI) überprüft (Abb. 3.6). Dieser Farbstoff ist gut etabliert und wird häufig zur Detektion von toten Zellen eingesetzt (Arndt-Jovin et al., 1989). Es wurde wiederum die Bcr-Abl positive BaF3p185 Zelllinie verwendet, in der der Zelltod durch die Hemmung des Wachstumssignals des Onkogens Bcr-Abl durch den TKI Imatinib induziert wurde. Die mit PI gefärbten toten Zellen werden im oberen linken Bild der Abbildung 3.6 gezeigt. Zusätzlich wurde hier die DNA ebenfalls mit Syto®63 (Abb. 3.6, oben rechts) angefärbt. Zusätzlich werden die Zellen im Durchlicht dargestellt (Abb. 3.6, unten links) und die Überlagerung der Färbungen mit dem Durchlichtbild ist in Abbildung 3.6 im unteren rechten Bild zu sehen. 3. Ergebnisse 46 Abb. 3.6: Einzelzellfärbung mit Propidium-Iodid (PI) Dargstellt sind Bcr-Abl positive BaF3-p185 Zellen, in denen durch den TKI Imatinib Zelltod induziert ® wurde. Die toten Zellen wurden mit PI (oben links) und alle Zellen mit Syto 63 (oben rechts) angefärbt. Unten links ist zusätzlich noch das Hellfeld (HF) dargestellt und die Überlagerung aller Färbungen ist im Bild unten rechts zu sehen. Die Bilder sind bei einer 400fachen Vergrößerung aufgenommen worden. Abbildung 3.7 zeigt den Vergleich der Rate der mit PI/Syto®63 zu den mit Picogreen/TMRM gefärbten BaF3-p185 Zellen durch die Auszählung von zehn verschiedenen Bildern mit mindestens 20 Zellen. Dargestellt sind die ausgezählten PI bzw. Picogreen positiven toten Zellen in Prozent zu allen gezählten Zellen. Der Vergleich der verschiedenen Färbungen zeigt, dass die Färbung mit Picogreen genauso gut geeignet ist, um die Anzahl der toten Zellen zu bestimmen, wie die bereits etablierte Färbung mit PI. 3. Ergebnisse 47 Abb. 3.7: Vergleich der PI- und Picogreen-Färbung Dieses Diagramm zeigt den Vergleich der Anzahl der toten Zellen der PI bzw. Picogreen-Färbung in Bezug auf die Zellzahl aller gezählten Zellen in Prozent. Es wurden zehn verschiedene Gesichtsfelder mit mindestens 20 Zellen bei einer 400fachen Vergrößerung ausgezählt. Die Balken zeigen die Standardabweichung der zehn verschiedenen Gesichtsfelder. Eine weitere Möglichkeit der Verifizierung der Zuverlässigkeit der Fluoreszenzfärbung mit Picogreen und TMRM ist der Vergleich mit der bereits lang etablierten Methode der Zelltod-spezifischen Färbung mit AnnexinV-FITC (Creutz, 1992). Hierfür wurden wiederum Bcr-Abl positive BaF3-p185 Zellen mit dem TKI Imatinib behandelt. Mit Hilfe des Durchflusszytometers wurden die Raten der fluoreszierenden Zellen bestimmt. Die Rate der AnnexinV-FITC-positiven und somit toten Zellen lag bei 36,6% (Abb. 3.8, links). Die Färbung mit Picogreen zeigte eine Rate der toten Zellen bei vergleichbaren 37,1 % positiven Zellen (Abb. 3.8, Mitte). Zum weiteren Vergleich zeigte die Färbung der viablen Zellen mit TMRM eine Rate von 35,6 % TMRM negativen Zellen, d.h. die Probe hatte einen Anteil von 35,6 % toten Zellen (Abb. 3.8, rechts), da TMRM nur in Zellen mit aktiven Mitochondrien akkumuliert. Die gemessenen Raten der verschiedenen Färbungen stimmen alle überein, so dass die Färbung mit TMRM und Picogreen auch in weiteren Fluoreszenzfärbungen der Frischgewebeschnitte verwendet werden kann. 3. Ergebnisse 48 37.1% 35.6% Zellzahl 36.6 % AnnexinV-FITC Picogreen TMRM Abb. 3.8: Durchflusszytometrische Bestimmung der Rate der toten Zellen Das Diagramm links zeigt die etablierte AnnexinV-FITC Färbung der toten Zellen, im mittleren Bild ist die Färbung der toten Zellen mit dem Farbstoff Picogreen dargestellt und rechts ist die Färbung der lebenden Zellen mit TMRM zu sehen. Die Rate der toten Zellen wird bei allen drei Färbemethoden in Prozent dargestellt und zeigen vergleichbare Werte. 3.1.3.2 Fluoreszenzfärbung der Frischgewebeschnitte Die in der Einzelzellkultur etablierten Fluoreszenzfarbstoffe wurden nun für die Untersuchung der Viabilität der Frischgewebeschnitte von Mammakarzinomen verwendet. Abbildung 3.9 zeigt exemplarische Bilder der Fluoreszenz-gefärbten Frischgewebeschnitte im konfokalen Laser-Scan-Mikroskop (CLSM) nach einem und vier Tagen in Kultur. Die viablen Zellen wurden mit TMRM (rot) angefärbt. Die toten Zellen wurden mit dem Farbstoff Picogreen (grün) dargestellt. Zusätzlich wurden alle Zellen mit dem Farbstoff Syto®63 angefärbt. Die Vitalität lässt nach vier Tagen Kultur nicht sichtbar nach, da die Anzahl der TMRM-positiven viablen Zellen nicht abnimmt und gleichzeitig auch kein Anstieg der Picogreen-gefärbten toten Zellen zu beobachten ist. Somit kann davon ausgegangen werden, dass eine Kultur der Frischgewebeschnitte gewährleistet ist. über mindestens vier Tage ohne Viabilitätsverlust 3. Ergebnisse 49 20µm 20µm d1 d4 Abb. 3.9: Viabilitätsfärbung der Frischgewebeschnitte eines Mammakarzinoms Exemplarische Bilder von Frischgewebeschnitten eines Mammakarzinoms am CLSM mit der Viabilitätsfärbung mit den Fluoreszenzfarbstoffen TMRM (rot) für die viablen Zellen, Picogreen (grün) ® für die toten Zellen und die Färbung aller Zellen mit Syto 63 (blau). Es werden Frischgewebeschnitte nach einem Tag (d 1) und nach vier Tagen (d 4) in Kultur verglichen. Es konnte auch nach vier Tagen in Kultur kein Anstieg der Anzahl der toten Zellen beobachtet werden. Die Balken links unten in den Bildern geben 20 µm des Schnittes wieder. Zusätzlich wurde die Anzahl der Picogreen positiven toten Zellen nach einem und nach vier Tagen in Kultur im Vergleich zu allen mit Syto®63 gefärbten Zellen bestimmt. Dafür wurden Bilder der Fluoreszenzfärbung im CLSM in drei verschiedenen Gesichtsfeldern von sechs verschiedenen Mammakarzinomen ausgezählt. Das Verhältnis der Picogreen positiven toten Zellen zu allen durch Syto®63 angefärbte Zellen wurde bestimmt und in Prozent dargestellt (Abb. 3.10). Auch hier kann kein deutlicher Rückgang der Viabilität der Zellen nach vier Tagen in Kultur festgestellt werden, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die Frischgewebeschnitte für mindestens Kulturbedingungen kultiviert werden können. vier Tage unter den gegebenen 3. Ergebnisse 50 Abb. 3.10: Auszählung der vitalen und toten Zellen anhand der Viabilitätsfärbung Diese Abbildung zeigt die Rate der toten Zellen im Vergleich zu allen Zellen in Prozent an d 1 und d 4 nach Kultur. Es wurden drei verschiedene Gesichtsfelder in Frischgewebeschnitten von sechs verschiedenen Mammakarzinomen ausgezählt. Dargestellt ist die Standardabweichung der sechs verschiedenen Mammakarzinome. Auch mit Frischgewebeschnitten Fluoreszenzfärbung getestet. aus Bronchialkarzinomgewebe Diese zeigten aber eine wurde sehr die starke Hintergrundfärbung der Kollagenfasern der Extra-zellulären Matrix des Gewebes, so dass diese Auswertung nicht für die Bronchialkarzinom-Gewebeschnitte genutzt werden konnte. Exemplarisches Beispiel der Fluoreszenzfärbung mit TMRM (rot, Abb. 3.11 links), Syto®63 (blau, Abb. 3.11 zweites Bild von links) und Picogreen (grün, Abb. 3.11 zweites Bild von rechts). Die Überlagerung der drei Fluoreszenszfarbstoffe zeigt das rechte Bild. Abb. 3.11: Fluoreszenzfärbung eines Frischgewebeschnittes eines Bronchialkarzinoms Die exemplarischen Bilder eines Bronchialkarzinoms zeigen die Fluoreszenzfärbung eines Frischgewebeschnittes eines Bronchialkarzinoms. Das linke Bild zeigt die TMRM-Färbung (rot), das ® zweite von links zeigt die Färbung mit Syto 63 (blau) und das zweite von rechts die Färbung mit Picogreen (grün). Im rechten Bild ist die Überlagerung der drei Farbstoffe zu sehen. Die Bilder sind bei 400facher Vergrößerung aufgenommen worden. 3. Ergebnisse 51 3.1.3.3 ATP- und DNA-Bestimmung der Frischgewebeschnitte Eine weitere Möglichkeit, die Vitalität der Zellen innerhalb der Frischgewebeschnitte zu untersuchen, bietet die Bestimmung des ATP- und DNA-Gehalts (Labarca et al., 1980; Hunter et al., 1993). Dafür wurden die Frischgewebeschnitte der Mammakarzinome homogenisiert und der ATP-Gehalt mit Hilfe einer Luciferin-Luciferase-Reaktion gemessen. Der DNAGehalt der Gewebeschnitte wurde als Maß der Zellzahl innerhalb der einzelnen Frischgewebeschnitte herangezogen, um die Heterogenität der verschiedenen Schnitte zu berücksichtigen. Die DNA-Gehaltsbestimmung wurde mit Hilfe des Fluoreszenzfarbstoffs Picogreen, der in die DNA interkaliert, photometrisch bestimmt. Abb. 3.12 zeigt ein exemplarisches Beispiel eines Mammakarzinoms. Es wurde die Viabilität der Frischgewebeschnitte einen, vier und sechs Tage nach Kultur bestimmt. Die Viabilität an Tag vier ist nicht geringer als an Tag eins, aber sie lässt nach 6 d Kultur erheblich nach. Dieses Ergebnis ist mit dem Ergebnis der Fluoreszenzfärbung (Abb. 3.9 und 3.10) vergleichbar und zeigt, dass die Vitalität der Zellen innerhalb vier Tagen unter den gegebenen Kulturbedingungen erhalten bleibt. Alle weiteren Untersuchungen der Wirkung von Chemotherapeutika wurden innerhalb einer Kulturdauer von vier Tagen durchgeführt. Ratio ATP/DNA 1.2 0.8 0.4 0.0 d1 d4 d6 Abb. 3.12: ATP/DNA-Bestimmung der Frischgewebeschnitte eines Mammakarzinoms Dargestellt ist ein exemplarisches Beispiel der Ratio der ATP/DNA-Gehaltsbestimmung einen (d 1), vier (d 4) und sechs (d 6) Tage nach Kultur anhand Frischgewebeschnitten eines Mammakarzinoms. Das Balkendiagramm zeigt die Mittelwerte ± Standardabweichung technischer Triplikate. 3. Ergebnisse 52 3.1.3.4 Untersuchung von morphologischen Veränderungen der Frischgewebeschnitte Um zu klären, ob sich die Morphologie der Frischgewebeschnitte durch die mechanische Belastung des Schneidens und die viertägige Kultivierung im Vergleich zur Morphologie des Präparates, welches unmittelbar nach der OP für die Routinediagnostik in Formalin fixiert und in Paraffin eingebettet wird, verändert, wurden Paraffinschnitte der Frischgewebeschnitte nach vier Tagen Kultivierung mit Hämatoxilin & Eosin (H&E) gefärbt. Diese H&E gefärbten Frischgewebeschnitte wurden mit den H&E-Färbungen der Routineschnitte desselben Mammakarzinoms aus dem Pathologischen Institut des Robert-Bosch-Krankenhauses in Stuttgart verglichen (Abb. 3.13). Es zeigte sich keinerlei Veränderung in der Morphologie innerhalb der Frischgewebeschnitte. Damit konnte die Tauglichkeit der verwendeten Kulturbedingungen zusätzlich bestätigt werden. Abb. 3.13: Vergleich der Morphologie der Frischgewebeschnitte mit dem Originalpräparat Die Abbildung zeigt die H&E-Färbungen eines exemplarischen Frischgewebeschnittes eines Mammakarzinoms (links) im Vergleich zu dem entsprechenden Originalpräparat desselben Tumorgewebes aus der Routinediagnostik eines Mammakarzinoms (rechts). 3.1.3.5 Identifikation verschiedener Zelltypen im viablen Gewebe Zur Darstellung der epithelialen Tumorzellen im vitalen Frischgewebeschnitt eines Mammakarzinoms wurde dieser mit einem FITC-konjugierten Anti-ESA-Antikörper (grün) und dem DNA-Farbstoff Syto®63 (blau) für die Darstellung der Zellkerne gefärbt (Abb. 3.14, links). Zum Vergleich zeigt Abbildung 3.14 die 3. Ergebnisse 53 immunhistochemische Paraffinschnittes Pathologischen Färbung desselben Instituts der epithelialen Tumorgewebes am aus Zellen der innerhalb Routinediagnostik Robert-Bosch-Krankenhaus in Stuttgart. des des Die Tumorzellen werden spezifisch mit einem Epithel-spezifischen Antigen (ESA)Antikörper (Abb. 3.14, Mitte) oder einem Cytokeratin 18 (CK18)-Antikörper (Abb. 3.14, rechts) gefärbt. Frischgewebeschnitt Tumorpräparat der Routinediagnostik ESA ESA-FITC +Syto®63 CK18 Abb 3.14: Färbung von epithelialen Tumorzellen in Gewebeschnitten. Im linken Bild ist die Fluoreszenzfärbung mit einem FITC-konjugierten Anti-ESA-Antikörper (grün) in Kombination mit dem DNA-Farbstoff ® Syto 63 (blau) eines Frischgewebeschnittes eines Mammakarzinoms dargestellt. Im Vergleich dazu wurden immunhistochemische Färbungen mit den Epithel-spezifischen Anti-ESA- und Anti-CK18-Antikörpern des dazugehörigen Tumorpräparates aus der Routinediagnostik herangezogen. Zur Darstellung der Endothelien innerhalb der Frischgewebeschnitte eines Mammakarzinoms wurde ein PE-konjugierter Anti-CD34-Antikörper (Abb. 3.15, links) bzw. ein FITC-konjugiertes UEA (Abb. 3.15, Mitte) verwendet. Zum Vergleich mit dem Originalpräparat aus der Routinediagnostik wurde ein Paraffinschnitt immunhistochemisch mit einem Anti-CD34-Antikörper angefärbt (Abb. 3.15, rechts). Der Vergleich zeigt, dass auch die Endothelien in ihrer ursprünglichen Morphologie erhalten bleiben und durch die Herstellung der Frischgewebeschnitte nicht beeinträchtigt werden. 3. Ergebnisse 54 Frischgewebeschnitt Tumorpräparat der Routinediagnostik 40µm CD34-PE UEA-FITC CD34 Abb. 3.15: Vergleich der Morphologie der Endothelien in Gewebeschnitten. Im linken und rechten Bild sind die Endothel-spezifischen Färbungen mit einem PE-markierten AntiCD34-Antikörper (rot) und mit einem FITC-kojugierten UEA (grün) eines Frischgewebschnittes eines Mammakarzinoms dargestellt. Im Vergleich dazu wird im rechten Bild das Originalpräparat desselben Tumorgewebes aus der Routinediagnostik mit einer immunhistochemischen Färbung eines Paraffinschnittes mit einem Anti-CD34-Antikörper gezeigt. 3.1.3.6 Durchlässigkeit und Diffusionsvermögen der Frischgewebeschnitte Für die Untersuchung, inwieweit trotz kollabiertem Gefäßsystem innerhalb der Frischgewebeschnitte die Nährstoffe und auch die zu testenden Medikamente an die Zellen innerhalb des Gewebeverbandes gelangen, wurden die Frischgewebeschnitte eines Mammakarzinoms mit Fluoreszenz-markierten Substanzen inkubiert. Zum einen wurde mit einem Oregon-Green markierten Taxol (Abb. 3.16 a) und zum anderen mit einem FITC-markierten Anti-ESA-Antiköper (Abb 3.16 b) inkubiert. Es wurden in einem Tumornest innerhalb eines 200 µm dicken Frischgewebeschnitt mittels CLSM alle 3 µm ein Bild eines optischen Schnittes aufgenommen. Sowohl das Fluoreszenz-markierte Taxol (Abb. 3.16 a), als auch der FITC-markierte ESAAntikörper (Abb. 3.16) sind in allen optischen Schnitten nachweisbar. Die Abbildung 3.16 zeigt, dass sowohl größere Moleküle wie Antikörper, als auch kleine organische Moleküle durch Diffusion in alle Bereiche des Gewebeschnittes gelangen, daher kann davon ausgegangen werden, dass auch andere Zytostatika und auch die Nährstoffe aus dem Kulturmedium bis ins Innere der Frischgewebeschnitte gelangen. 3. Ergebnisse a 55 b Abb. 3.16: Durchlässigkeit der Frischgewebeschnitte Dargestellt sind die einzelnen optischen Schnitte im Abstand von 3 µm eines Tumornestes eines exemplarischen Frischgewebeschnittes eines Mammakarzinoms mithilfe des CLSM. Die Färbung mit Oregon-Green-markiertem Taxol (a) zeigte ebenso eine Anreicherung in den Tumorzellarealen wie die Färbung mit FITC-markiertem ESA-spezifischen Antikörper (b). Die Bilder sind bei einer 100fachen Vergrößerung aufgenommen worden und geben ca. 10% des Frischgewebeschnittes wieder. 3.1.3.7 Dosis-abhängiger Einfluss der Chemotherapie Um den dosis-abhängigen Einfluss der Chemotherapie auf die Frischgewebeschnitte aus den Mammakarzinomen zu untersuchen, wurden Frischgewebeschnitte über 72 h mit verschiedenen Taxol-Konzentrationen inkubiert. Abbildung 3.17 zeigt exemplarisch die Bilder der Fluoreszenzfärbung mit TMRM (rot), Picogreen (grün) und Syto®63 (blau) von Frischgewebeschnitten eines Mammakarzinoms nach drei Tagen Kultivierung in An- oder Abwesenheit von drei verschiedenen Taxolkonzentrationen. Die zunehmend toxische Wirkung der steigenden Taxolkonzentrationen zeigt sich sowohl im CLSM (Abb. 3.17 oben und Mitte) als auch in den H&E-Färbungen der aus den Frischgewebeschnitten gewonnenen Paraffinschnitten (Abb. 3.17 unten). Wie gut zu erkennen ist, steigt die 3. Ergebnisse 56 Anzahl der Picogreen-positiven toten Zellen (grün) mit der steigenden Taxolkonzentration an, während gleichzeitig die Anzahl der TMRM-positiven Zellen (rot) abnimmt. Innerhalb der H&E-Färbungen ist auch eine deutliche Zunahme nekrotischer Bereiche zu erkennen. 40µm 200µm 100µm Kontrolle Taxol 1,7 µg/ml Taxol 6,8 µg/ml Taxol 13,6 µg/ml Abb. 3.17: Fluoreszenz- und H&E-Färbung der Frischgewebeschnitte eines Mammakarzinoms nach Taxol-Behandlung Die Abbildung zeigt von links nach rechts die Frischgewebeschnitte eines Mammakarzinoms nach Behandlung mit steigenden Taxolkonzentrationen. In der oberen Bildreihe ist die 400fache, in der mittleren Bildreihe die 100fache Vergrößerung der Fluoreszenz-gefärbten Frischgewebeschnitte zu sehen. In rot sind die vitalen TMRM-positiven Zellen dargestellt, in grün die Picogreen-positiven toten Zellen und als Referenz alle mit Syto®63 gefärbten Zellen in blau. Die untere Bildreihe zeigt die H&EFärbungen der Paraffinschnitte der Frischgewebeschnitte in 200facher Vergrößerung. Anhand der im CLSM aufgenommenen Bilder der Frischgewebeschnitte wurden die lebenden und die toten Zellen ausgezählt. Es wurden pro Schnitt mindestens 50 Zellen in drei verschiedenen Bildern ausgezählt. Abb. 3.18 a zeigt die Anzahl der TMRM- und Syto®63-positiven, d.h. lebenden Zellen in Bezug zu allen Zellen in Prozent. In Abb. 3.18 b sind die toten Zellen, d.h. die Picogreen-positiven Zellen in Prozent zu allen gezählten Zellen dargestellt. Mit steigender Taxolkonzentration nimmt der Prozentsatz der vitalen Zellen immer mehr ab, d.h. von ca. 85 % der 3. Ergebnisse 57 TMRM-positiven Zellen in der unbehandelten Kontrolle sinkt der Prozentsatz der viablen Zellen in den mit der höchsten Taxolkonzentration von 13,6 µg/ml behandelten Frischgewebeschnitten auf ca. 5 % ab (Abb. 3.18 a). Der Prozentsatz der toten Zellen, d.h. der Picogreen-positiven Zellen steigt von ca. 15 % in der unbehandelten Kontrolle auf ca. 90 % mit der höchsten Taxolkonzentration von 13,6 µg/ml (Abb. 3.18 b). Die angebebenen Werte sind Mittelwerte ± Standardabweichung. b tote Zellen [%] viable Zellen [%] a Taxol [µg/ml] Taxol [µg/ml] Abb. 3.18: Auszählung der lebenden und toten Zellen nach Behandlung mit Taxol. Pro Behandlung wurden mindestens 50 Zellen in drei verschiedenen Gesichtsfeldern anhand der im ® CLSM gemachten Bilder ausgezählt. Dargestellt sind die vitalen TMRM- und Syto 63-positiven Zellen im Vergleich zu allen ausgezählten Zellen in Prozent (a). (b) zeigt die Anzahl der Picogreen-positiven Zellen im Vergleich zu allen ausgezählten Zellen in Prozent. Eine Zusammenfassung von Frischgewebeschnitten aus sechs verschiedenen Mammakarzinomen wird in Abb. 3.19 gezeigt. Das linke und das mittlere Diagramm zeigen die ausgezählten Daten der Fluoreszenzfärbungen. Das linke Diagramm zeigt den Anteil lebender Zellen mit steigender Taxolkonzentration. Im mittleren Diagramm sieht man den Anstieg des Anteils der toten Zellen in den Schnitten mit steigender Taxolkonzentration. Im rechten Diagramm wird zusätzlich noch das Verhältnis des ATP-Gehalts zum DNA-Gehalt in Prozent nach ansteigender Taxolkonzentration dargestellt. Alle Diagramme der Abb. 3.19 zeigen einen Anstieg des Zelltods mit zunehmender Taxolkonzentration. 3. Ergebnisse 58 Abb. 3.19: Anteile der lebenden und toten Zellen nach steigender Taxolkonzentration Die Abbildung zeigt den Anstieg des Zelltods innerhalb der Frischgewebeschnitte von 6 verschiedenen Mammakarzinomen mit steigenden Taxolkonzentrationen. Im linken Diagramm sind die viablen Zellen der ausgezählten Fluoreszenzfärbungen dargestellt. Das mittlere Diagramm zeigt die Anzahl der toten Zellen innerhalb der Fluoreszenz-gefärbten Frischgewebeschnitte. Das rechte Diagramm zeigt die ATP/DNA-Gehaltsbestimmung in Prozent. Dargestellt ist jeweils der Median, 25 % und 75 %, sowie der höchste und der niedrigste Wert. 3.1.3.8 Zellproliferation und Zelltod verschiedener Tumorkompartimente Mit der vorher etablierten Fluoreszenzfärbung für viable und tote Zellen ist es nicht möglich, die verschiedenen Zelltypen innerhalb des Tumors zu identifizieren, um so das Ansprechen der einzelnen Tumorkompartimente zu untersuchen. Daher war es nötig, andere Möglichkeiten für die Untersuchung der Chemosensitivität zu finden. Es wurden an Paraffinschnitten der Frischgewebeschnitte aus Mamma- und Bronchialkarzinomen immunhistochemische Färbungen durchgeführt, die spezifisch die toten oder die lebenden Zellen identifizieren. Zur Detektion proliferierender Zellen wurde das KI67-Antigen gefärbt, das in allen Phasen des Zellzyklusses in proliferierenden Zellen exprimiert wird. Zur Färbung der toten Zellen wurde die TUNEL-Methode verwendet, bei der durch Doppelstrangbrüche entstehende freie 3´OH-Enden mit markierten Nukleotiden verlängert werden. In Abbildung 3.20 sind exemplarisch Paraffinschnitte von Frischgewebeschnitten eines Mammakarzinoms dargestellt, die über drei Tage mit 6,8 µg/ml Taxol behandelt wurden. Die immunhistochemischen Färbungen mit dem KI67-Antigen (links) und dem TUNEL-Enzym (rechts) zeigen proliferierende und tote Zellen. Innerhalb dieser Paraffinschnitten ist es durch die Gegenfärbung mit Hämatoxilin möglich, die einzelnen Tumorkompartimente und somit auch die einzelnen Zelltypen 3. Ergebnisse 59 morphologisch zu unterscheiden. In der oberen Bildreihe in Abbildung 3.20 wird ein Stromaareal gezeigt, in dem gefärbte TAFs und Endothelien zu sehen sind. Die untere Bildreihe zeigt ein Areal mit vielen KI67-positiven Tumorzellen. Es ist ein Verlust des KI67-Antigens und ein Anstieg der toten Zellen durch TUNEL-positive Zellen in beiden Arealen, sowohl im Tumor- als auch innerhalb des Stromakompartiments zu sehen. Abb. 3.20: Immunhistochemische Färbungen der proliferierenden und toten Zellen In der oberen Bildreihe ist ein Stromaareal innerhalb der Paraffinschnitte eines Frischgewebeschnittes eines Mammakarzinoms zu sehen, während in der unteren Reihe ein Tumorareal gezeigt wird (jeweils mit schwarzen Linien markiert). Links in der Abbildung ist die Anti-KI67-Antigen-Färbung in unbehandelten Frischgewebeschnitten im Vergleich zu einem mit 6,8 µg/ml Taxol behandelten Frischgewebschnitt zu sehen. In der rechten Hälfte der Abbildung werden wiederum unbehandelte und Taxol-behandelte Frischgewebeschnitte gezeigt, die mit der TUNEL-Methode gefärbt wurden. Die Abbildung 3.21 zeigt exemplarische Bilder der gleichen immunhistochemischen Färbungen der toten und der proliferierenden Zellen in unbehandelten und mit Cisplatin behandelten Frischgewebeschnitten eines Bronchialkarzinoms. Auch hier ist eine morphologische Unterscheidung zwischen Tumor- und Stromazellen möglich. 3. Ergebnisse 60 Abb. 3.21: Immunhistochemische Färbungen der proliferierenden (KI67) und toten Zellen (TUNEL) innerhalb Cisplatin-behandelter Frischgewebeschnitte eines Bronchialkarzinoms In der oberen Bildreihe ist die immunhistochemische KI67-Färbung in unbehandelten und mit 13 µM Cisplatin behandelten Frischgewebeschnitten eines Bronchialkarzinoms dargestellt. In der unteren Bildreihe ist die immunhistochemische TUNEL-Färbung zu sehen. In allen Bildern ist jeweils das Tumorareal mit schwarzen Linien markiert. Diese immunhistochemischen Methoden machen es möglich, innerhalb der Frischgewebeschnitte sowohl von Mamma- als auch von Bronchialkarzinomen, das Ansprechen der verschiedenen Zelltypen auf die Chemotherapie zu untersuchen. 3.2 Chemosensitivität verschiedener Tumorkompartimente in vivo und ex vivo in Mammakarzinomen Unter Anwendung der in Kapitel 3.1 beschriebenen Methoden wurde im Folgenden die Wirkung verschiedener Chemotherapeutika auf die unterschiedlichen Tumorkompartimente bei Mamma- und Bronchialkarzinomen untersucht. 3. Ergebnisse 61 3.2.1 Chemosensitivität verschiedener Tumorkompartimente in vivo Um den Einfluss der Chemotherapie auf das Stroma in vivo zu untersuchen, wurde ein Kollektiv von 22 Mammakarzinom-Patientinnen verwendet, die zwischen 2004 und 2006 eine neoadjuvante Chemotherapie erhalten hatten. Die H&E-Färbungen von Paraffinschnitten dieser 22 neoadjuvant behandelten Mammakarzinome wurden aus der Gewebebank der Pathologie des Robert-Bosch-Krankenhauses entnommen. In dieser retrospektiven Untersuchung wurden unter Mithilfe des Pathologen Herrn Dr. P. Fritz die H&E gefärbten Paraffinschnitte der Biopsien vor der Therapie mit den Schnitten der operativen Präparate derselben Mammakarzinom-Patientinnen nach der neoadjuvanten Chemotherapie verglichen. Mit Hilfe des in Kapitel 2.3.6 beschriebenen Schemas wurden die Chemotherapie-bedingten morphologischen Veränderungen bewertet. Exemplarische Beispielbilder für die Veränderung des Aktivitätsgrades des Tumorstromas vor (links) und nach der neoadjuvanten Therapie (rechts) zeigt Abb. 3.22. Abb. 3.22: Vergleich der Morphologie des Tumorstromas vor und nach der neoadjuvanten Therapie Das linke Bild zeigt die H&E-Färbung eines Paraffinschnittes aus der Stanzbiopsie eines Mammakarzinoms vor der Therapie. Das rechte Bild zeigt das OP-Präparat des Tumors derselben Patientin nach der neoadjuvanten Chemotherapie. Vergrößerung 200x. 3. Ergebnisse 62 Für die Einteilung des pathologischen Therapieansprechens der epithelialen Tumorzellen wurde das etablierte Grading-System nach Sinn zu Grunde gelegt (Sinn et al., 1994). Zusätzlich wurden die pathologischen Auswertungen noch mit dem klinischen Ansprechen der Tumore korreliert. Das klinische Ansprechen wurde durch die Veränderung der Tumorgröße bestimmt. Hierfür wurde im Zentrum für Operative Medizin am Robert-Bosch-Krankenhaus in Stuttgart in der Abteilung Gynäkologie und Geburtshilfe unter der Leitung von Prof. W. Simon durch die bildgebenden Verfahren der Sonografie und Magnetresonanztomografie (MRT) vor und nach der neoadjuvanten Chemotherapie die Tumorgröße bestimmt. In neun der 22 untersuchten Fälle konnte in den Paraffinschnitten der Biopsiepräparate ein hoher Aktivitätsgrad des Stromas von 2 oder 3 identifiziert werden. Diese neun Fälle zeigten alle einen Rückgang der Aktivität des Stromas auf Grad 0 oder 1 nach neoadjuvanter Chemotherapie in den dazugehörigen OPPräparaten (Abb. 3.23 a, schwarze Balken). Histologisches Tumorzell-Ansprechen, eingeteilt nach Sinn von Grad 2 bis 4, wurde in 10 der 22 Fälle beobachtet (Abb. 3.23 b, schwarze Balken). Die rot unterlegte Fläche in den Diagrammen der Abbildung 3.23 verdeutlicht die Fälle, die einen Rückgang der Tumorgröße um mehr als 50% nach der neoadjuvanten Therapie aufweisen und damit klinisch auf die Chemotherapie durch die Veränderung der Tumorgröße angesprochen haben. Es besteht in diesem kleinen Patienten-Kollektiv kein offensichtlicher Zusammenhang zwischen dem pathologischen Stroma- bzw. Tumor-Ansprechen und dem klinischen Ansprechen der Tumore. 3. Ergebnisse 63 a b Abb. 3.23: Korrelation des pathologischen Tumor- und Stroma-Ansprechens mit dem klinischen Ansprechen neoadjuvant behandelter Mammakarzinom-Patientinnen Die Abbildung zeigt das pathologische Ansprechen des Stromas (a, schwarze Balken) und das pathologische Ansprechen des Tumors (b, schwarze Balken) in den 22 untersuchten neoadjuvant behandelten Mammakarzinom-Patientinnen im Vergleich zur Veränderung der Tumorgröße in Prozent auf der y-Achse. Die rot unterlegte Fläche verdeutlicht den Rückgang der Tumorgröße um mindestens 50%. Dieser Rückgang wurde als klinisches Ansprechen bewertet. In 6 von 9 Fällen mit einem Ansprechen des Stromas wurde kein Ansprechen der Tumorzellen beobachtet, was darauf hindeutet, dass das Stromaansprechen nicht unbedingt abhängig von der Tumorregression ist (Tabelle 3.1). 3. Ergebnisse 64 Tabelle 3.1: Zusammenhang des pathologischen Stroma- und Tumoransprechens Rückgang des Kein Rückgang des Stromaaktivitätsgrades Stromaaktivitätsgrades 3 6 6 7 Regression der Tumorzellen Keine Regression der Tumorzellen 3.2.2 In vitro - Chemosensitivität gegenüber Taxol und Cisplatin Um die direkte Wirkung der Chemotherapie auf das Tumorstroma zu untersuchen, wurde die Viabilität von isolierten primären TAFs nach Behandlung mit verschiedenen Konzentrationen von Taxol bzw. Cisplatin mit Hilfe des MTT-Assays untersucht. Mit dem MTT-Assay lässt sich der GI50-Wert der Substanzen ermitteln. Der GI50-Wert zeigt die Konzentration an, bei der die Rate der Zellen mit aktiven Mitochondrien im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle um 50% reduziert ist. Die primären TAFs aus Mammakarzinomen wurden dazu mit verschiedenen Konzentrationen Taxol oder Cisplatin über 48 h behandelt. Zum Vergleich der Heterogenität der Chemosensitivität wurden darüber hinaus etablierte Tumorzelllinien mit diesen Chemotherapeutika behandelt. Eine gängige Methode zur Bestimmung der Sensitivität bzw. Resistenz der zu testenden Zellen im Vergleich zu etablierten Zelllinien ist die Bestimmung des Mittelwerts der GI50-Werte ± SD (Potti et al., 2006). D.h. alle Werte, die unterhalb des Mittelwerts - SD liegen, wurden als sensitiv definiert, während alle Werte, die oberhalb des Mittelwerts + SD liegen, als resistent eingestuft wurden. 3. Ergebnisse 65 Abbildung 3.24 zeigt die GI50-Werte von Taxol in µM von 9 isolierten primären TAFs aus Mammakarzinomen im Vergleich zu den GI50-Werten von 14 etablierten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten (9 Mammakarzinome, 4 Ovarialkarzinome und 1 Hodenkarzinom). Die TAFs der Mammakarzinome sind im Vergleich zu den getesteten etablierten Tumorzelllinien signifikant resistenter gegenüber Taxol (p<0,0001). Der Mittelwert der GI50-Werte liegt bei den TAFs mit 41 µM signifikant höher als der Mittelwert der GI50-Werte der Tumorzelllinien mit 11 µM; die SD der Mittelwerte liegt bei 4,14 µM. Die GI50-Werte streuen bei den Tumorzelllinien um den Faktor 7,4 zwischen 2,3 µM und 17 µM, während die Streuung der Werte der TAFs von 25 µM bis 67 µM das 2,7fache beträgt. Abb. 3.24: Vergleich der GI50 Werte von Taxol der isolierten, primären TAFs aus Mammakarzinomen und der Tumorzelllinien Dargestellt sind die GI50-Werte von Taxol in µM der 9 getesteten isolierten primären TAFs aus Mammakarzinomen im Vergleich zu 14 etablierten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten (9 Mammakarzinome, 4 Ovarialkarzinome und 1 Hodenkarzinom). Die Linien stellen den Mittelwert dar, t-test p<0,0001. Die GI50-Werte von Cisplatin in µM zeigt Abbildung 3.25. Auch hier werden die GI50Werte von 5 primären isolierten TAFs aus Mammakarzinomen mit den GI50-Werten von 28 etablierten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten (8 Mammakarzinome, 9 Ovarialkarzinome, 5 Bronchialkarzinome, 2 Hodenkarzinome und 4 CML) verglichen. Die Heterogenität liegt bei den TAFs im 3,5fachen Bereich (9 µM bis 31,5 µM), während die Tumorzelllinien eine 9,4fache Streuung (5 µM bis 47,4 µM) aufweisen. Die TAFs aus den Mammakarzinomen zeigen im Vergleich zu den etablierten 66 3. Ergebnisse Tumorzelllinien keine geringere Sensitivität gegenüber Cisplatin (p = 0,55). Die Mittelwerte der GI50-Werte liegen bei den TAFs bei 21,8 µM und bei den etablierten Tumorzelllinien bei 18,3 µM und deren SD bei 8,7µM. Nur die TAFs eines Mammakarzinoms liegen mit dem GI50-Wert von 9 µM im Bereich der GI50-Werte der Tumorzelllinien. Abb. 3.25: Vergleich der GI50 Werte von Cisplatin der isolierten, primären TAFs aus Mammakarzinomen und der Tumorzelllinien Dargestellt sind die GI50-Werte von Cisplatin der 5 getesteten isolierten primären TAFs aus Mammakarzinomen im Vergleich zu den GI50-Werten von 28 etablierten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten (8 Mammakarzinome, 9 Ovarialkarzinome, 5 Bronchialkarzinome, 2 Hodenkarzinome und 4 CML). Die Linien zeigen die Mittelwerte aller GI50-Werte (t-test p = 0,55). 3.2.3 Ex vivo - Sensitivität verschiedener Zelltypen gegenüber Taxol in Frischgewebeschnitten aus Mammakarzinomen Innerhalb der Frischgewebeschnitte wurde die Chemosensitivität sowohl des Tumorals auch des Stromakompartiments anhand von immunhistochemisch gefärbten Paraffinschnitten beobachtet. Die Frischgewebeschnitte der Mammakarzinome wurden über drei Tage in Kultur mit 6,8 µg/ml Taxol behandelt und danach fixiert und in Paraffin eingebettet. Durch die immunhistochemische Färbung des KI67-Antigens konnten die proliferierenden Zellen identifiziert werden. Für die Detektion der toten Zellen wurde die TUNEL-Methode angewendet. Durch Auszählung der positiv gefärbten Zellen gelang es, die Reaktion der Zellen sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment zu bewerten. 3. Ergebnisse 67 Die Abbildung 3.26 zeigt die Analyse von Paraffinschnitten der Frischgewebeschnitte aus 17 Mammakarzinomen. Pro Mammakarzinom wurden Paraffinschnitte aus ein bis drei Frischgewebeschnitten gefärbt. Für jeden gefärbten Schnitt wurden mindestens 50 Zellen in drei bis fünf Gesichtsfeldern ausgezählt. Die Daten wurden zusätzlich unter Mithilfe des Pathologen Dr. P. Fritz validiert. Die Abbildung 3.26 a zeigt die Veränderung des Prozentsatzes der KI67-positiven, proliferierenden epithelialen Tumorzellen nach dreitägiger Behandlung mit 6,8µg/ml Taxol im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle. Abbildung 3.26 b zeigt die gleiche Darstellung für das Stromakompartiment. Wie zu erwarten war, zeigen die Tumorzellen in den unbehandelten Kontrollen eine höhere Proliferationsrate als die Stromazellen. Das Diagramm in Abb. 3.26 c stellt die Abnahme der Proliferationsrate des Tumorkompartiments der im Stromakompartiment gegenüber (∆KI67). Um die Variabilität der Färbung und der anschließenden Auszählung der Zellen auszugleichen, wurde bei einer Abnahme der Proliferationsrate von mehr als 10 % von einem Ansprechen des Gewebes auf die Behandlung mit Taxol ausgegangen. Neun der 17 Mammakarzinome zeigten ein Ansprechen auf die Taxol-Behandlung sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment (Abb. 3.26 c). a b c Abb. 3.26: Proliferationsänderung in Frischgewebeschnitten der Mammakarzinome nach Taxolbehandlung Dargestellt ist die Änderung der Rate der proliferierenden KI67-positiven Tumorzellen (a) und der KI67-positiven Stromazellen (b) in unbehandelten Frischgewebeschnitten (Kontrolle) im Vergleich zu den jeweiligen mit Taxol behandelten Schnitten (Taxol). In Diagramm (c) ist der Rückgang der KI67positiven Zellen (∆KI67) im Tumorkompartiment im Vergleich zum Rückgang der KI67-positiven Stromazellen nach Taxol-Behandlung gezeigt. Die schwarzen Linien grenzen die Fälle ein, die einen Rückgang um mehr als 10% zeigen. 3. Ergebnisse 68 Zur Detektion des durch Taxol induzierten Zelltods in den Frischgewebeschnitten der Mammakarzinome wurde die TUNEL-Methode angewendet. Die Markierung und somit Sichtbarmachung der DNA-Doppelstrangbrüche wurde sowohl innerhalb der Tumor- als auch der Stromazellen ausgezählt. Insgesamt wurden Frischgewebeschnitte von 14 Mammakarzinomen ausgezählt. Es wurden für jedes Mammakarzinom Paraffinschnitte aus ein bis drei Frischgewebeschnitten gefärbt. Innerhalb jedes gefärbten Schnitts wurden mindestens 50 Zellen in drei bis fünf Gesichtsfeldern ausgezählt. Zusätzlich wurden die Daten unter Mithilfe des Pathologen Dr. P. Fritz kontrolliert. In der Abbildung 3.27 wird in den unbehandelten Kontrollen und den entsprechenden mit 6,8 µg/ml Taxol behandelten Frischgewebeschnitten die Änderung des Prozentsatzes der TUNEL-positiven Tumorzellen (a) im Vergleich zu den Stromazellen (b) dargestellt. Da die TUNEL-Färbung im Vergleich zur KI67-Färbung (3.26) eine stärkere unspezifische Hintergrundfärbung aufwies und dadurch die Auswertung einer höheren Variabilität unterlag, wurde hier erst bei einer Zunahme der TUNEL-positiven, toten Zellen von mehr als 20 % von einem Ansprechen auf die Taxolbehandlung ausgegangen (∆TUNEL). Die Abbildung 3.27 c zeigt durch die Abgrenzung mit den schwarzen Linien die Fälle, deren Todesrate einen Anstieg der TUNEL-positiven Zellen um mehr als 20% sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment zeigt. Sieben der 14 Mammakarzinome zeigen ein Ansprechen auf die Taxolbehandlung um mehr als 20% sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment. 3. Ergebnisse 69 a Abb. b 3.27: Veränderung der Rate c der toten Zellen in Frischgewebeschnitte von Mammakarzinomen nach Taxolbehandlung. Die Veränderung der Rate der TUNEL-positiven Zellen nach Taxolbehandlung im Vergleich zu den unbehandelten Kontrollen ist in (a) dargestellt für die Tumorzellen und in (b) für die Stromazellen. Der Vergleich der Reduktion der TUNEL-positiven Tumorzellen zu den Stromazellen der mit Taxol behandelten Frischgewebeschnitte im Vergleich zu den entsprechenden unbehandelten Kontrollen ist in (c) gezeigt (∆TUNEL). Die schwarzen Linien grenzen die Fälle ein, die einen Rückgang um mehr als 20% zeigten. 3.3 Chemosensitivität verschiedener Tumorkompartimente in Bronchialkarzinomen Zusätzlich zum Mammakarzinom wurde die Chemosensitivität gegenüber Chemotherapeutika in einer anderen Tumorentität untersucht. Es wurden isolierte primäre TAFs und Frischgewebeschnitte aus Bronchialkarzinomen auf ihre Sensitivität gegenüber Taxol und Cisplatin untersucht. 3. Ergebnisse 70 3.3.1 In vitro - Chemosensitivität primärer isolierter TAFs aus Bronchialkarzinomen gegenüber Taxol und Cisplatin Um die direkte Wirkung der Chemotherapie auf isolierte primäre TAFs zu untersuchen, wurde die Viabilität der Zellen nach Behandlung mit Hilfe des MTTAssays untersucht. Die primären TAFs aus Bronchialkarzinomen wurden dazu mit verschiedenen Konzentrationen Taxol oder Cisplatin über 48 h behandelt, um so den GI50-Wert der Zytostatika zu bestimmen. Zum Vergleich der Heterogenität der Chemosensitivität wurden zusätzlich etablierte Tumorzelllinien mit diesen Zytostatika behandelt (siehe auch Abb. 3.24 und 3.25). Mithilfe des Mittelwerts der GI50-Werte und dessen Standardabweichung wurde die Sensitivität bzw. Resistenz bestimmt (Potti et al., 2006). Abbildung 3.28 zeigt die GI50-Werte von Taxol in µM bestimmt in 16 isolierten primären TAFs aus Bronchialkarzinomen im Vergleich zu den GI50-Werten bestimmt in 14 etablierten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten (9 Mammakarzinome, 4 Ovarialkarzinome und 1 Hodenkarzinom). Die TAFs der Bronchialkarzinome sind im Vergleich zu den getesteten etablierten Tumorzelllinien signifikant resistenter gegenüber Taxol (p<0,0001). Der Mittelwert liegt bei den TAFs der Bronchialkarzinome bei 27 µM und der Mittelwert der GI50-Werte der Tumorzelllinien liegt bei 11 µM. Die SD der GI50-Mittelwerte beträgt hier 4,14 µM. Die Streuung der GI50-Werte der TAFs beträgt das 4,2fache (10 µM bis 42 µM). Die Streuung der Tumorzelllinien beträgt von 2,3 µM bis 17 µM das 7,4fache. 3. Ergebnisse 71 Abb. 3.28: GI50-Werte der Taxol-behandelten isolierten TAFs aus Bronchialkarzinomen und der Tumorzelllinien Dargestellt sind der Mittelwert und die einzelnen GI50-Werte in Prozent von Taxol der 16 getesteten isolierten primären TAFs aus Bronchialkarzinomen im Vergleich zu 14 etablierten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten (9 Mammakarzinome, 4 Ovarialkarzinome und 1 Hodenkarzinom; t-test, p<0,0001). Primäre isolierte TAFs aus Bronchialkarzinomen wurden mit verschiedenen Konzentrationen Cisplatin behandelt und mittels MTT-Assay wurden die GI50-Werte in µM bestimmt. Die GI50-Werte der primären isolierten TAFs aus Bronchialkarzinomen wurden in 25 verschiedenen TAFs bestimmt und mit den GI50Werten von 28 etablierten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten (8 Mammakarzinome, 9 Ovarialkarzinome, 5 Bronchialkarzinome, 2 Hodenkarzinome und 4 CML) verglichen (Abb. 3.29). Die Abbildung 3.29 zeigt die einzelnen GI50Werte von Cisplatin in µM sowie auch den Mittelwert der TAFs bzw. der etablierten Tumorzelllinien. Die Mittelwerte sind miteinander vergleichbar mit 12,6 µM in den TAFs und 18,3 µM in den etablierten Tumorzelllinien. Die SD der Mittelwerte der Tumorzelllinien liegt bei 8,7 µM. Auch die Heterogenität ist mit einer Streuung von 10,4 bei den TAFs (2,8 µM bis 29 µM) vergleichbar mit den Tumorzelllinien mit einer 9,4fachen Streuung der GI50-Werte von 5 µM bis 47,4 µM. Somit besteht in der Sensitivität und der Heterogenität der untersuchten TAFs im Vergleich zu den Zelllinien kein signifikanter Unterschied (t-test > 0,05), die Heterogenität der TAFs ist sogar noch größer als die der Tumorzelllinien. 72 3. Ergebnisse Abb. 3.29: GI50-Werte von Cisplatin der isolierten TAFs aus Bronchialkarzinomen und der Tumorzelllinien Dargestellt sind die einzelnen GI50-Werte und die Mittelwerte von Cisplatin in 25 getesteten primären isolierten TAFs aus Bronchialkarzinomen im Vergleich zu 22 etablierten Tumorzelllinien verschiedener Entitäten (8 Mammakarzinome, 9 Ovarialkarzinome, 5 Bronchialkarzinome, 4 CML und 2 Hodenkarzinome; t-test > 0,05). 3.3.2 Genotypisierung der primären TAFs aus Bronchialkarzinomen Es ist bereits bekannt, dass verschiedene Mutationen und Polymorphismen im Zusammenhang mit dem klinischen Ansprechen auf Cisplatin stehen (Han et al., 2008; Kamikozuru et al., 2008). Deshalb wurde im Folgenden untersucht, ob die Heterogenität der Sensitivität gegenüber Cisplatin der primären isolierten TAFs aus den Bronchialkarzinomen auf genetische Alterationen in verschiedenen DNASchadensreparaturgenen zurückzuführen ist. 3.3.2.1 Somatische Mutationen in p53 Das Tumorsuppressorprotein p53 spielt eine große Rolle bei der Kontrolle des Zellzyklus, der Reparatur von DNA-Schäden und der Apoptose und ist somit ein zentrales Glied in der zellulären Reaktion auf genotoxischen Stress. Eine große Anzahl an somatischen Mutationen im p53 Gen wurde im Stroma von Mammakarzinomen bereits identifiziert (Kurose et al., 2002; Patocs et al., 2007). Da 3. Ergebnisse 73 die TAFs der Bronchialkarzinome eine sehr variable Sensitivität auf Cisplatin zeigten, wurde untersucht, ob diese Heterogenität mit genetischen Veränderungen in Verbindung gebracht werden kann. Deshalb wurden alle 28 TAFs aus Bronchialkarzinomen auf somatische Mutationen im p53 Gen untersucht. In den 28 untersuchten TAFs der Bronchialkarzinome fand sich keine somatische Mutation im p53 Gen (Daten nicht gezeigt). Des Weiteren wurde untersucht, ob Polymorphismen eine Rolle im Zusammenhang mit der Heterogenität spielen. 3.3.2.2 Genotypisierung der Polymorphismen p53-Arg72Pro, Mdm2-309 T/G und ERCC1-118C/T Die Polymorphismen p53-Arg72Pro, Mdm2-309T/G und ERCC1-118C/T haben Einfluss auf das klinische Ansprechen der Tumore auf Cisplatin (Han et al., 2008; Kamikozuru et al., 2008). Deshalb wurde untersucht, ob die Chemosensitivität der TAFs aus Bronchialkarzinomen gegenüber Cisplatin durch diese Polymorphismen erklärt werden kann. Es wurden die GI50-Werte für Cisplatin gegen den Genotyp dargestellt (Abb. 3.30). Es zeigte sich nur bei dem Polymorphismus p53-Arg72Pro ein nicht-signifikanter Trend in einer niedrigeren Sensitivität gegenüber Cisplatin bei dem variablen Genotyp, insbesondere des homozygoten Genotyps (Abb. 3.30 a). Die Polymorphismen Mdm2-309T/G (Abb. 3.30 b) und ERCC1-118C/T (Abb. 3.30 c) konnten nicht mit der heterogenen Chemosensitivität gegenüber Cisplatin in Verbindung gebracht werden. 3. Ergebnisse 74 Abb. 3.30: Korrelation zwischen dem GI50-Wert von Cisplatin mit dem Status der Polymorphismen der isolierten primären TAFs aus Bronchialkarzinomen Dargestellt sind die Polymorphismen p53-Arg72Pro (a), Mdm2-309T/G (b) und ERCC1-118C/T (c) von TAFs aus Bronchialkarzinomen. Die Diagramme zeigen die Polymorphismen korreliert mit den GI50Werten für Cisplatin in µM und die Mediane der GI50-Werte aller untersuchten TAFs (n=27, bzw. n=26). 3.3.3 Ex vivo - Chemosensitivität verschiedener Zelltypen gegenüber Cisplatin in Frischgewebeschnitten aus Bronchialkarzinomen Innerhalb der Frischgewebeschnitte konnte die Chemosensitivität sowohl des Tumorals auch des Stromakompartiments anhand von immunhistochemisch gefärbten Paraffinschnitten untersucht werden. Die Frischgewebeschnitte der Bronchialkarzinome wurden dazu über drei Tage mit 13 µM Cisplatin behandelt, danach in Formalin fixiert um anschließend in Paraffin eingebettet werden zu können. Mit der Quantifizierung durch Auszählung der immunhistochemischen Färbungen der proliferierenden Zellen mit dem KI67-spezifischen Antikörper und der toten Zellen mit der TUNEL-Methode gelang es, die Reaktion der Zellen sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment zu bewerten. Die Abbildung 3.31 zeigt die Veränderung der Rate der KI67-positiven Zellen in Paraffinschnitten der Frischgewebeschnitte aus 16 Bronchialkarzinomen. Pro Bronchialkarzinom wurden Paraffinschnitte von ein bis drei Frischgewebeschnitten 3. Ergebnisse 75 für die Färbung verwendet. Für jeden gefärbten Paraffinschnitt wurden mindestens 50 Zellen in drei bis fünf Gesichtsfeldern ausgezählt. Unter Mithilfe des Pathologen Dr. P. Fritz wurden die Daten zusätzlich validiert. In der Abbildung 3.31 werden Änderungen der Proliferationsraten in Prozent der Tumorzellen (a) und der Stromazellen (b) dargestellt durch den Vergleich der unbehandelten Kontrollen mit den entsprechenden mit Cisplatin behandelten Frischgewebeschnitten. Die Tumorzellen in den unbehandelten Kontrollen zeigten eine hohe Proliferationsrate (a), während die Stromazellen fast gar keine KI67-positiven Zellen zeigten (b). Das Diagramm in Abb. 3.31 c zeigt den Rückgang der Proliferationsrate der KI67positiven Zellen sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment (∆KI67). Die Reduktion der Proliferationsrate um mehr als 10 % wurde als Ansprechen definiert. Da das Stromakompartiment kaum proliferiert, ist hier auch keine Reaktion im Stroma hinsichtlich der Reduktion der Proliferation zu erwarten. Nur im Tumorkompartiment ist eine Reduktion der Proliferation um mehr als 10 % in 9 von 16 Fällen zu sehen. a b c Abb. 3.31: Proliferationsänderung in Cisplatin-behandelten Frischgewebeschnitten der Bronchialkarzinome Dargestellt ist die Änderung der Proliferationsrate in Prozent der unbehandelten Frischgewebeschnitte aus Bronchialkarzinomen im Vergleich zu den jeweiligen Cisplatin-behandelten Schnitten sowohl im Tumor- (a) als auch im Stromakompartiment (b). Die Proliferationsreduktion der Tumorzellen im Vergleich zu den Stromazellen der Cisplatin-behandelten Frischgewebeschnitten im Vergleich zu den unbehandelten Kontrollen wird in (c) gezeigt (∆KI67). Die schwarzen Linien grenzen die Fälle ein, die einen Rückgang um mehr als 10% zeigen. 3. Ergebnisse 76 Zur Detektion des Zelltods innerhalb der Frischgewebeschnitte der Bronchialkarzinome wurde die TUNEL-Methode angewendet. Der Zelltod wurde durch die Behandlung über drei Tage mit 3 µM Cisplatin induziert. Die sichtbare Markierung der DNA-Doppelstrangbrüche durch die TUNEL-Methode in den Paraffinschnitten der Frischgewebeschnitte wurde sowohl innerhalb der Tumor- als auch der Stromazellen quantifiziert. Insgesamt wurden Paraffinschnitte der Frischgewebeschnitte aus 15 Bronchialkarzinomen ausgezählt. Es wurden für jedes Bronchialkarzinom ein bis drei Paraffinschnitte mit und ohne Cisplatin-Behandlung ausgewertet. Innerhalb jedes gefärbten Paraffinschnitts wurden mindestens 50 Zellen in drei bis fünf Gesichtsfeldern ausgezählt. Zusätzlich wurden die Daten auch noch unter Mithilfe des Pathologen Dr. P. Fritz kontrolliert. Die Abbildung 3.32 stellt die Veränderung der toten Zellen in Prozent der Tumorzellen (a) und der Stromazellen (b) im Vergleich der mit Cisplatin behandelten Frischgewebeschnitten zu den entsprechenden unbehandelten Kontrollen dar. Zwei der 15 untersuchten Bronchialkarzinome zeigten ein Ansprechen auf die Cisplatin-Behandlung um mehr als 20% sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment (Abb. 3.32 c, ∆TUNEL). a b c Abb. 3.32: Änderung der Rate der toten Zellen in Cisplatin-behandelten Frischgewebeschnitten der Bronchialkarzinome Dargestellt ist die Veränderung der Rate der toten Zellen in Prozent der unbehandelten Frischgewebeschnitte aus Bronchialkarzinomen im Vergleich zu den jeweiligen Cisplatin-behandelten Schnitten sowohl im Tumor- (a) als auch im Stromakompartiment (b). Der Anstieg der toten Tumorzellen im Vergleich zu den Stromazellen in den Cisplatin-behandelten Frischgewebeschnitten zu den unbehandelten Kontrollen wird in (c) gezeigt (∆TUNEL). Die schwarzen Linien grenzen die Fälle ein, die einen Anstieg um mehr als 20% zeigen. 3. Ergebnisse 77 3.3.4 Vergleich der TAFs aus Mamma- und Bronchialkarzinomen Der Vergleich der GI50-Werte von Taxol der TAFs aus den Mamma- und aus den Bronchialkarzinomen zeigt, dass die TAFs der Mammakarzinome signifikant resistenter als die TAFs der Bronchialkarzinome sind (p<0,05, Abb. 3.33). Der Mittelwert der TAFs der Mammakarzinome liegt mit 41 µM deutlich über dem Mittelwert der TAFs der Bronchialkarzinome mit 27 µM. Auch die Heterogenität der TAFs der verschiedenen Entitäten ist mit einer Streuung der TAFs aus den Mammakarzinomen um das 2,7fache nicht vergleichbar mit einer Streuung der GI50-Werte der TAFs der Bronchialkarzinome um das 4,2fache. Abb. 3.33: GI50-Werte der mit Taxol behandelten primären isolierten TAFs aus Bronchial- und Mammakarzinomen Dargestellt ist der Vergleich der GI50-Werte von Taxol der TAFs aus Mammakarzinomen und aus Bronchialkarzinomen. Die Abb. zeigt die einzelnen GI50-Werte und die jeweiligen Mittelwerte (t-test, p<0,05). Des Weiteren wurden die GI50-Werte von Cisplatin der TAFs aus Mammakarzinomen mit den Werten der TAFs aus Bronchialkarzinomen verglichen (Abb. 3.34). Zwischen dem Mittelwert der TAFs aus den Bronchialkarzinomen von 13 µM und dem Mittelwert der TAFs aus den Mammakarzinomen von 22 µM besteht ein signifikanter Unterschied (p<0,05). 78 3. Ergebnisse Abb. 3.34: GI50-Werte der mit Cisplatin behandelten primären isolierten TAFs aus Bronchialund Mammakarzinomen Dargestellt ist der Vergleich der GI50-Werte von Cisplatin der TAFs aus Mammakarzinomen und aus Bronchialkarzinomen. Die Abb. zeigt die einzelnen GI50-Werte und die jeweiligen Mittelwerte (t-test, p<0,05). 3.3.5 Vergleich der Chemosensitivität der TAFs in Einzelzellkultur und in Frischgewebekultur Um die Chemosensitivität des Tumorstromas in Abhängigkeit der Umgebung zu untersuchen, wurde die Sensitivität der TAFs in Einzelzellkultur der Sensitivität der TAFs innerhalb der Frischgewebeschnitte gegenübergestellt. Die Chemosensitivität der isolierten primären TAFs in Einzelzellkultur wurde so definiert, dass der GI50Wert der TAFs über dem Mittelwert der getesteten Tumorzelllinien lag. Hierbei zeigte sich gegenüber Taxol keine Sensitivität (Abb. 3.24) und gegenüber Cisplatin waren 40 % (10 von 25, Abb. 3.25) der getesteten isolierten primären TAFs sensitiv. In den Frischgewebeschnitten wurden diejenigen als sensitiv eingestuft, die einen Anstieg der TUNEL-positiven Zellen im Tumorstroma um mehr als 20 % in den behandelten Frischgewebeschnitten im Vergleich zu den entsprechenden unbehandelten Kontrollen zeigten. In den Frischgewebeschnitten aus Mammakarzinomen sind gegenüber Taxol 50 % (7 von 14) der Fälle sensitiv (Abb. 3.27 c), während in den mit Cisplatin behandelten Frischgewebeschnitten aus Bronchialkarzinomen nur 13 % (2 von 15) der mit Cisplatin behandelten Frischgewebeschnitte gegenüber den unbehandelten Kontrollen sensitiv waren (Abb. 3.32 c). 79 4. Diskussion 4. Diskussion Karzinome machen etwa 80% aller bösartigen Tumore aus und sind nach wie vor die häufigste Todesursache bei Krebserkrankungen (WHO). Ein Grund hierfür ist, dass es bislang keine zuverlässigen Therapieformen für diese Tumore gibt. Innerhalb einer Tumorentität gibt es bereits zahlreiche morphologische und genetische Unterschiede, so dass ein extrem heterogenes Ansprechen der Tumore auf die Therapie das größte Problem bei der Behandlung darstellt. Durch die Heterogenität der Tumore innerhalb einer Entität ist es nur selten möglich, das Ansprechen auf eine Therapie vorherzusagen. Der Fokus der onkologischen Forschung lag bisher auf den epithelialen Tumorzellen, es gibt aber immer mehr Hinweise dafür, dass auch die unmittelbare Umgebung der Tumorzellen bei der Chemosensitivität des Tumors eine Rolle spielt. Dieses Tumorassoziierte Stroma, das sogenannte „reaktive Stroma“, das durch einen „aktivierten“ Phänotyp mit veränderter EZM, erhöhter Gefäßdichte, vielen Entzündungszellen und modifizierte Fibroblasten charakterisiert ist, wurde bereits in Karzinomen verschiedener Entitäten identifiziert (Sappino et al., 1988, DeWever et al., 2003). Die Arbeitsgruppe um Gabbiani bezeichnete diese modifizierten Fibroblasten zuerst als Myofibroblasten (Gabbiani et al., 1971; Majno et al., 1971). In verschiedenen Arbeiten wurde gezeigt, dass dieses Tumorstroma, insbesondere die TAFs zu einer Veränderung bzw. einer Unterstützung der Progression und der Invasion maligner Zellen führen (Pupa et al., 2002; Kiaris et al., 2004; Mueller et al., 2004; Kalluri et al., 2006; Kopfstein et al., 2006). Ziel der vorliegenden Arbeit war es, aufzuklären, ob die TAFs ein direktes Ziel der Chemotherapie sind und wie sie auf die Therapie reagieren. Um das Ansprechen eines individuellen Tumors pathologisch zu charakterisieren, sind entsprechende Bewertungskriterien notwendig. Für die Reaktion der Tumorzellen auf die Therapie gibt es bereits einige gut etablierte pathologische Bewertungsschemata, die die Tumorzellen anhand ihrer Morphologie und der Zellzahl bewerten (Sinn et al., 1994; Kuroi et al., 2006). Das umliegende Gewebe wird bei diesen Bewertungsschemata nicht berücksichtigt. Es gibt allerdings auch vereinzelte Hinweise darauf, dass sich das Stromakompartiment durch Chemotherapie morphologisch verändert (Fisher et al., 2002; McCluggage et al., 80 4. Diskussion 2002). In diesen Arbeiten wurde beispielsweise beobachtet, dass es im Stromakompartiment zu einer erhöhten Entzündungsreaktion aber auch zu einer stärkeren Fibrose des Gewebes kommt. Eine systematische Untersuchung der Wirkung von Chemotherapie auf Stromazellen fehlt bislang. Um diese morphologische Veränderung erfassen zu können, musste deshalb im Rahmen dieser Arbeit unter fachlicher Mithilfe des Pathologen Dr. P. Fritz zunächst ein Bewertungsschema für das Tumorstroma entwickelt werden. Fokussiert wurde dabei insbesondere auf die Reaktion der TAFs auf Chemotherapie. Anhand Hämatoxilin & Eosin (H&E) gefärbter Paraffinschnitte wurde das Tumorstroma hierfür in vier Aktivitätsgrade eingeteilt, die ähnlich wie die bereits etablierten Bewertungsschemata der epithelialen Tumorzellen auf Zellzahl und Zellmorphologie basieren. Mittels dieses neu entwickelten Schemas konnte das Tumorstroma systematisch bewertet werden. Parallel wurde der Regressionsgrad der epithelialen Tumorzellen mit einem bereits etablierten pathologischen Bewertungsschema nach Sinn ermittelt (Sinn et al., 1994). Durch den Vergleich des Aktivitätsgrads im Biopsiepräparat vor der Therapie mit dem Aktivitätsgrad des OP-Präparats nach der Therapie konnte an einem Kollektiv neoadjuvant behandelter Mammakarzinome beobachtet werden, dass sich nach der Therapie die Morphologie der Tumorumgebung stark verändert. So ging in den meisten Fällen der Aktivitätsgrad des Stromas im Hinblick auf die Zellzahl und Zellmorphologie der TAFs und der Endothelien nach der Therapie im OP-Präparat im Vergleich zum Biopsie-Präparat wesentlich zurück. Interessanterweise war die Reaktion des Tumorstromas auf die Chemotherapie unabhängig von der Tumorzellregression. Dies zeigt, dass die einzelnen Kompartimente des Tumors unabhängig voneinander auf Chemotherapie reagieren. Die pathologische Reaktion der neoadjuvant behandelten Mammakarzinome wurde auch mit dem klinischen Ansprechen dieser Tumore verglichen, wobei keine Korrelation des Ansprechens beobachtet werden konnte. Aufgrund der niedrigen Fallzahl des in dieser Arbeit untersuchten Kollektivs aus 22 neoadjuvant behandelten Mammakarzinompräparaten konnte hier nur unzuverlässig eine Aussage über einen Zusammenhang des pathologischen und des klinischen Ansprechens getroffen werden. Darüber hinaus kann es durchaus möglich sein, dass die klinische Bewertung der Tumorgröße durch bildgebende Verfahren, wie Ultraschall oder Magnetresonanz-Tomographie (MRT) relativ ungenau ist. Beispielsweise geht die 81 4. Diskussion Tumormasse signifikant zurück, ein resistenter Teil der Zellen die Therapie aber überlebt, der pathologisch aber nicht durch diese bildgebenden Verfahren sichtbar ist. Diese Diskrepanz zwischen pathologischem und klinischem Ansprechen wurde auch in größeren Studien beobachtet, in denen Patienten mit klinisch kompletter Remission in nur ca. 30 - 40 % aller Fälle auch pathologisch keinen Tumor zeigten (Brain et al., 1997; Fisher et al., 1998; Chollet et al., 2002, Fisher et al., 2002; Gajdos et al., 2002; Ring et al., 2004; Kurosumi et al., 2004). Diese Ergebnisse zeigen, dass die gegenseitige Abhängigkeit der einzelnen Tumorkompartimente keine übergeordnete Rolle bei der Chemosensitivität spielt, die TAFs also unabhängig von den epithelialen Tumorzellen auf Chemotherapie reagieren. Ob TAFs ein direktes Ziel der Chemotherapie sind, konnte allerdings anhand der neoadjuvant behandelten Mammakarzinome nur unzulänglich untersucht werden, da die gesamte Zeitspanne der Therapie ca. sechs Monate beträgt und auch zwischen dem letzten Zyklus der Chemotherapie und der OP einige Wochen liegen und somit eine akute Reaktion der Zellen nicht erfasst werden kann. Um eine direkte Reaktion der TAFs auf die Therapie untersuchen zu können, war es notwendig, geeignete ex-vivo-Modelle zu entwickeln. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit sowohl primäre Fibroblasten aus Karzinomen isoliert und kultiviert, als auch ein Gewebekulturmodell entwickelt, das es ermöglicht, anhand von Frischgewebeschnitten die Chemosensitivität der TAFs in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Es wurde bereits gezeigt, dass isolierte Fibroblasten aus Tumoren ihren TAFspezifischen Phänotyp und ihre Fähigkeit zur Proliferation auch unabhängig von der Anwesenheit von Tumorzellen über zehn Passagen behalten (Orimo et al., 2005). Auch in dieser Arbeit gelang es, die isolierten primären TAFs über ca. zehn Passagen ohne Wachstumsverlust kultivieren zu können. Um mögliche kulturbedingte Veränderungen des TAF-spezifischen Phänotyps auszuschließen, wurden alle Experimente in Passage zwei bis fünf durchgeführt. Die isolierten Fibroblasten wurden als TAFs charakterisiert, indem zunächst exemplarisch anhand der ersten 4 isolierten, primären TAFs der Karyotyp der Metaphasechromosomen als normal befunden wurde, was darauf schließen lässt, dass es sich ursprünglich nicht um genetisch alterierte Tumorzellen handelt, da diese in aller Regel Chromosomenanomalien zeigen (Albertson et al., 2003). Zusätzlich wurden die isolierten, primären TAFs in dieser Arbeit auf die Anwesenheit verschiedener 82 4. Diskussion Oberflächenmarker untersucht. So wurde zum einen die Expression des Epithelspezifischen Antigens (ESA) kontrolliert, das nur in epithelialen Zellen und nicht in Zellen mesenchymalen Ursprungs exprimiert wird (Simon et al., 1990). Zum anderen wurde die Expression des TAF-spezifischen Fibroblast activation protein (FAP) untersucht, das ausschließlich von TAFs gebildet wird (Rettig et al., 1993). Durch diese Analysen konnte sichergestellt werden, dass es sich bei den isolierten Fibroblasten durch die vorhandene FAP-Expression um TAFs handelt und sich durch das Fehlen von ESA keine Epithelzellen in der TAF-Kultur befinden. Die Sensitivität der primären isolierten TAFs gegenüber den Chemotherapeutika Taxol und Cisplatin wurde durch die Bestimmung der GI50-Werte mittels MTT-Assay getestet und mit der Sensitivität etablierter Tumorzelllinien aus Mamma-, Bronchial-, Ovarial- und Hodenkarzinomen sowie einiger CML-Linien verglichen. Diese beiden verwendeten Chemotherapeutika werden bereits seit langem erfolgreich zur Therapie verschiedener solider Tumore eingesetzt (Siddik, 2003; Muggia et al., 2004; Wang et al., 2005; Marupudi et al., 2007). Die GI50-Werte der etablierten Tumorzelllinien wurden mittels t-test mit den Werten der isolierten, primären TAFs verglichen. Um die TAFs als sensitiv oder resistent einzustufen, wurde eine gängige Methode verwendet, die die Mittelwerte der GI50Werte sowie deren Standardabweichung (SD) verwendet (Potti et al., 2006). Dabei werden die Zellen, deren GI50-Wert unterhalb des Mittelwerts abzüglich der SD liegt, als sensitiv eingestuft, während die Zellen, deren GI50-Wert oberhalb des Mittelwerts zuzüglich der SD liegt, als resistent eingeteilt werden. Während die primären TAFs aus den Mamma- und den Bronchialkarzinomen im Vergleich zu den verschiedenen Tumorzelllinien gegenüber Taxol einen signifikant höheren GI50-Mittelwert zeigten, reagierten die TAFs der Bronchialkarzinome im Vergleich zu den Tumorzelllinien genauso heterogen auf Cisplatin. Die TAFs der Mammakarzinome zeigten sich auch gegenüber Cisplatin meist resistent. In einer kürzlich erschienenen Arbeit, in der zehn TAFs aus Mammakarzinomen auf ihre Sensitivität gegenüber Bestrahlung und Cisplatin untersucht wurden, zeigte sich nur eine der zehn getesteten TAFs aus Mammakarzinomen sensitiv gegenüber Cisplatin (Hawsawi et al., 2008). Damit übereinstimmend zeigte sich auch in der vorliegenden Arbeit nur eine der getesteten primären, isolierten TAF-Kulturen aus einem Mammakarzinom in ihrer Sensitivität gegenüber Cisplatin vergleichbar zu den einzelnen GI50-Werten der etablierten Tumorzelllinien. Diese Ergebnisse zeigen, 83 4. Diskussion dass die TAFs heterogen auf verschiedene Chemotherapeutika reagieren und auch der Ursprung der TAFs einen großen Einfluss auf die Chemosensitivität hat. Das heterogene Ansprechen der isolierten TAFs aus Bronchialkarzinomen bleibt trotz der Kultur über mehrere Passagen stabil. Da die Tumorzellen in den Frischgewebeschnitten parallel mit den TAFs auf die Chemotherapie reagieren, scheinen die Stromazellen die epithelialen Tumorzellen zu beeinflussen. Dass die Sensitivität der TAFs innerhalb einer Entität und auch zwischen verschiedenen Tumorentitäten so unterschiedlich ist, kann möglicherweise an genetischen Alterationen liegen. In einer Arbeit wurde bereits gezeigt, dass genetische Alterationen in den TAFs einen Einfluss auf den Genotyp der epithelialen Tumorzellen haben können (Moinfar et al., 2000). Somit spielt das Tumorstroma eine ganz entscheidende Rolle bei der Progression und Regression des Tumors. Da es bekannt ist, dass somatische Mutationen und Polymorphismen in verschiedenen Genen, die die Reparatur von DNA-Schäden beeinflussen, zu einem veränderten klinischen Ansprechen des Tumors führen können und somit auch das Gesamtüberleben des Patienten beeinflussen können (Patocs et al. 2007), sollte im Rahmen dieser Arbeit in weiteren Untersuchungen der Frage nachgegangen werden, ob die gegenüber Cisplatin beobachtete heterogene Chemosensitivität der TAFs aus Bronchialkarzinomen durch somatische Mutationen in p53 erklärt werden können. Es wurde bereits gezeigt, dass das Ansprechen von Fibroblastenlinien gegenüber verschiedenen Chemotherapeutika, einschließlich des in dieser Arbeit verwendeten Cisplatins, vom p53-vermittelten Zelltod abhängt (Lowe et al., 1993). Das Tumorsuppressor-Gen p53 ist in 50 % aller Tumore mutiert (Pietsch et al., 2006). Auch im Bronchialkarzinom treten Mutationen im p53-Gen mit 50 % relativ häufig auf. Durch diese Mutationen kann das Ansprechen auf Chemotherapie vorhergesagt werden. In diesen Studien wurde allerdings nicht zwischen Tumor- und Stromakompartiment unterschieden, vielmehr wurde das Tumorgewebe im Gesamten analysiert (Ahrendt et al., 1999; Skaug et al., 2000; Kandioler et al., 2008). Isolierte TAFs aus Bronchialkarzinomen wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals auf somatische p53-Mutationen untersucht. Dabei fanden sich bei den 28 in dieser Arbeit untersuchten primären TAFs aus Bronchialkarzinomen keine somatischen Mutationen in p53 und somit keine Korrelation zu dem Ansprechen auf Cisplatin. Interessanterweise gibt es aber für andere Tumorentitäten wie Karzinomen der Brust und Prostata Hinweise dafür, dass p53-Mutationen durchaus auch in TAFs 84 4. Diskussion vorkommen und auch einen Einfluss auf die Sensitivität des Tumors gegenüber Chemotherapie, insbesondere gegenüber Cisplatin, haben können (Lafkas et al., 2008). Retrospektive Studien an Paraffinschnitten von Mamma-, Ovarial- und Kolonkarzinomen, aus denen das Stromakompartiment durch Mikrodissektion isoliert wurde, zeigten in beiden Kompartimenten eine große Anzahl an funktionellen p53 Mutationen (Moinfar et al., 2000; Wernert et al., 2000; Kurose et al., 2002; Patocs et al., 2007). Hierbei zeigten sich interessanterweise im Stromakompartiment andere p53 Mutationen als in den entsprechenden Tumorzellen desselben Präparats was wiederum ein Hinweis darauf ist, dass das Tumorstroma unabhängig von den epithelialen Tumorzellen reagieren kann. Allerdings konnten bei einer weiteren Studie, bei der Myofibroblasten von den epithelialen Tumorzellen aus frischen Mammakarzinomgeweben getrennt wurden, keine genetischen Alterationen in den Myofibroblasten detektieren, während in den epithelialen Zellen einige somatische Gain- und Loss-of-Function-Mutationen gefunden wurden (Allinen et al., 2004). In Verbindung mit den bereits veröffentlichten Daten anderer Arbeitsgruppen lassen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit darauf schließen, dass somatische Mutationen in TAFs anderer Entitäten, wie z.B. Mamma- und Kolonkarzinomen, deutlich häufiger vorkommen, während TAFs der Bronchialkarzinome mit hoher Wahrscheinlichkeit wildtyp p53 sind. Dies könnte das unterschiedliche Ansprechen der TAFs in den verschiedenen Entitäten erklären. Nicht auszuschließen ist allerdings, dass das Auftreten einer hohen Mutationsfrequenz abhängig vom untersuchten Material ist. So wurde in der Mehrzahl der Studien, die eine hohe Mutationsfrequenz gefunden haben, Paraffin-Material verwendet. Es konnte bereits festgestellt werden, dass die Detektion verschiedener somatischer Mutationen von der Aufarbeitung, dem Alter und dem Zustand des in Paraffin eingebetteten Gewebes abhängt (Jacobs et al., 2007). Darüber hinaus wurde gezeigt, dass somatische Mutationen in TAFs, die durch Mikrodissektion aus gefrorenem Gewebe aus Mamma- und Ovarialkarzinomen isoliert wurden, sehr selten sind (Qiu et al., 2008). Da in dieser Arbeit mit unfixiertem Zellmaterial gearbeitet wurde, können Artefakte der Aufarbeitung ausgeschlossen werden. Neben somatischen Mutationen können Polymorphismen verschiedener DNASchadensreparatur-Gene eine Erklärung für die heterogene Sensitivität der TAFs gegenüber Cisplatin sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf drei Polymorphismen fokussiert. Es sollte geklärt werden, ob die Sensitivität der TAFs aus 85 4. Diskussion Bronchialkarzinomen gegenüber Cisplatin von den Polymorphismen p53-Arg72Pro, ERCC1-118C/T und Mdm2-309T/G abhängt. Die Polymorphismen p53 Arg72Pro und Mdm2 309T/G stehen im Zusammenhang mit einem verändertem Gesamtüberleben der Patienten nach Chemotherapie (Zienolddiny et al., 2006; Han et al., 2008; Kamikozuru et al., 2008). Der Genotyp Arg/Arg des p53-Arg72Pro Polymorphismus induziert Apoptose wesentlich besser als der homozygote Pro/Pro Genotyp (Dumont et al., 2003; Sullivan et al., 2004). Der ERCC1-118C/T Polymorphismus wird in Zusammenhang mit unterschiedlichen mRNA Mengen von ERCC1 genannt; die Genotypen C/T und T/T stehen im Gegensatz zum C/C Genotyp im Zusammenhang mit einem kürzeren Gesamtüberleben bei Kolonkarzinompatienten, die eine auf Cisplatin basierende Chemotherapie erhalten (Park et al., 2003). Es wurde gezeigt, dass das G-Allel des Polymorphismus Mdm2-309T/G in der Promotorregion des Mdm2-Gens mit einer erhöhten Mdm2 Proteinmenge zusammenhängt und dieses dann durch Chemotherapie zu einem veränderten p53-vermittelten DNA-Schaden führt (Arva et al., 2005). In der vorliegenden Arbeit konnte weder zwischen dem Polymorphismus ERCC1118C/T noch dem Mdm2-309T/G ein Zusammenhang mit der Sensitivität gegenüber Cisplatin in den isolierten, primären TAFs beobachtet werden. Im Zusammenhang mit dem p53-Arg72Pro Polymorphismus wurde allerdings ein nicht-signifikanter Trend beobachtet, der die geringste Sensitivität gegenüber Cisplatin im homozygoten Pro/Pro Genotyp zeigt. Dieser Polymorphismus könnte somit bei TAFs aus Lungenkarzinomen einen Hinweis auf das Ansprechen des Tumors auf die Chemotherapie vorhersagen und somit als prädiktiver Marker dienen. Aufgrund der geringen Anzahl der TAFs, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden konnten, kann allerdings keine endgültige Aussage über einen Effekt der verschiedenen Genotypen der TAFs auf die Sensitivität gemacht werden. Darüber hinaus könnten Polymorphismen anderer Gene eine Rolle für die Sensitivität der TAFs gegenüber Cisplatin spielen. So wurden in einer Studie Polymorphismen aus insgesamt 20 verschiedenen DNA-Schadensreparatur-Genen untersucht, die alle in Zusammenhang mit einer veränderten Antwort auf die Chemotherapie stehen (Zienolddiny et al., 2006). Bei diesen Genen handelte es sich unter anderem um Nukleotid-Austausch-Reparatur-Gene wie z.B. XPA und einige Gene der ERCCFamilie (ERCC1 ERCC2/XPD, ERCC4/XPF and ERCC5/XPG), Basen-AustauschReparatur-Gene wie z.B. XRCC1 und PCNA und Doppelstrangbruch-Reparatur- 86 Gene 4. Diskussion wie XRCC2, XRCC3, XRCC9, NBS1 und ATR. Inwieweit diese Polymorphismen für das heterogene Ansprechen der TAFs auf Chemotherapie wichtig sind, müssen künftige Untersuchungen zeigen. Da die Experimente mit isolierten primären TAFs die mögliche gegenseitige Beeinflussung der verschiedene Tumorkompartimente und dessen Einfluss auf die Sensitivität gegenüber Chemotherapie nicht zeigen, war ein weiteres Ziel dieser Arbeit, eine Möglichkeit zu finden, um die Stromazellen in ihrer natürlichen Umgebung untersuchen zu können. Um der in-vivo-Situation der Tumore gerecht zu werden, wurden bereits verschiedene 3D-Matrix-Modelle entwickelt. Eine Arbeit zeigte, dass es im Gegensatz zu einem 2D-Modell in einem 3D-Matrix-Modell gelang, bei primären normalen Fibroblasten eine desmoplastische Differenzierung zu induzieren, durch die sich vermehrt Fasern im Stroma bilden (Amatangelo et al., 2005). Auch die Chemosensitivität ist in verschiedenen Modellsystemen unterschiedlich. Die Gruppe um Arteaga zeigte, dass die Mammakarzinomzelllinie MDA-231 in der MonolayerZellkultur sensitiver gegenüber Cisplatin ist, als in einem 3D-Sheroid-Modell (Ohmori et al., 1998). Diese in vitro Modelle, die aus 2D oder 3D-Kokulturen von Tumorzelllinien zusammen mit Fibroblasten-Linien bzw. primären Fibroblasten bestehen, haben wesentlich dazu beigetragen den Einfluss der Zell-Zell- Kommunikation zu untersuchen und die Interaktionen zwischen den Tumorzellen mit der extrazellulären Matrix, den Integrinen und verschiedenen intrazellulären Signalkaskaden in Epithelzellen in Tumoren aufzuklären (Bissell et al., 2002; Schmeichel et al., 2003; Kim et al., 2004; Heneweer et al., 2005). Aber auch diese relativ komplexen Modellsysteme geben die Zell-Zell und Zell-Matrix-Interaktionen nur artifiziell und begrenzt wieder, denn diese sind in vivo für jeden Tumor individuell verschieden und sehr komplex (Morin et al., 2003). Alle diese Modelle führen zu dem Ergebnis, dass das Tumorstroma eine Rolle bei der Chemosensitivität des Tumors spielt. Um den Einfluss der Zell-Zell und Zell-Matrix-Interaktionen innerhalb des Tumors auf die Sensitivität gegenüber Chemotherapie zu untersuchen, eignet sich die ex-vivo-Kultivierung von primärem Tumorgewebe. Mithilfe dieses Modellsystems kann die Gewebearchitektur in-vivo-nah erhalten werden. Bereits 1967 wurden erste Experimente in diese Richtung mit Würfeln aus primärem Tumorgewebe verschiedener Entitäten, wie Kolon- und Mammakarzinomen, von einem Volumen von 1 mm3 durchgeführt (Matoska et al., 1967). Ein großes Problem 87 4. Diskussion war hierbei die schlechte Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen des Tumors bis ins Innere des Gewebes, da der aktive Transport nicht mehr funktioniert und die Distanz für die Diffusion zu groß war. Auch stellten hier spätere Gewebequetschungen ein großes Problem bei der Aufarbeitung dar. Diese Probleme wurden durch die Entwicklung von Mikrotomen gelöst, die es ermöglichten aus primärem Gewebe dünnere Frischgewebeschnitte herzustellen (Krumdieck et al., 1980). Diese Technik wurde ursprünglich angewandt für die Herstellung von Frischgewebeschnitten aus Lebergewebe zur Untersuchung von Stoffwechselvorgängen (Smith et al., 1985; Barr et al., 1991, a und b). In diesen Arbeiten wurden die Frischgewebeschnitte nur über einen Zeitraum von 24 h kultiviert. In einzelnen älteren Studien gelang es darüber hinaus auch Frischgewebeschnitte aus humanen Kolon- und Mammakarzinomen und auch Xenotransplantat-Tumore über mehrere Tage zu kultivieren (Nissen et al., 1983; Mira-y-Lopez et al., 1987; Hood und Parham, 1998). Mira-y-Lopez et al. konnten bereits nach 48 h einen Rückgang der Viabilität in Form von LDH-Verlust nachweisen (Mira-y-Lopez et al., 1990). In der vorliegenden Arbeit konnte nach 96 h kein signifikanter Viabilitätsverlust beobachtet werden. Es gelang auch, Frischgewebeschnitte aus normalem Lungengewebe herzustellen, allerdings wurde das Gewebe vor dem Schneiden in Agarose eingebettet und nur über 24 h kultiviert (Fisher et al., 1994). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst für das Mammakarzinom ein exvivo-Gewebekulturmodell entwickelt, dass es ermöglicht, durch dünne Frischgewebeschnitte die verschiedenen Zelltypen in ihrer natürlichen Umgebung kultivieren zu können und die Wirkung verschiedener Chemotherapeutika auszutesten (van der Kuip et al., 2006). Um die optimalen Kulturbedingungen der 200 µm dicken Frischgewebeschnitte herauszufinden, wurde zunächst getestet, ob eine ausreichende Diffusion gewährleistet ist und über welchen Zeitraum die Experimente durchgeführt werden können. Als Beispiel für die Diffusion kleiner Moleküle wie z.B. Glucose oder Aminosäuren wurde eine kurzzeitige Inkubation mit Fluoreszenz-markiertem Taxol verwendet. Um die Diffusion größerer Moleküle wie Antikörper sicherzustellen, wurde ein Fluoreszenz-markierter Antikörper gegen das Epithel-spezifische Antigen (ESA) eingesetzt, dass spezifisch die epithelialen Tumorzellen anfärbt. Diese Untersuchungen der Diffusionsfähigkeit der 88 4. Diskussion Frischgewebeschnitte zeigten, dass es bei der Versorgung des gesamten Schnittes mit Nährstoffen und Sauerstoff keine Probleme gibt. Um innerhalb der nicht-fixierten, vitalen Frischgewebeschnitte die lebenden von den toten Zellen unterscheiden zu können, wurde zunächst eine Vitalitätsfärbung anhand eines einfachen Zellmodells etabliert. Dafür wurde eine gut etablierte hämatopoetische Zelllinie verwendet, die das Onkogen Bcr-Abl exprimiert. Bcr-Abl wird durch den Tyrosinkinase-Inhibitor Imatinib gehemmt, wodurch in Abwesenheit exogener Wachstumsfaktoren ein sehr schnell eintretender Zelltod induziert wird (Moehring et al., 2005). Anhand dieses einfachen Modells konnten geeignete Fluoreszenzfarbstoffe und Färbebedingungen getestet und mit anderen, gut etablierten Nachweismethoden für lebende und tote Zellen verglichen werden. Für die vitalen Zellen wurde der Farbstoff TMRM (Tetramethylrhodamin-Methyl-Ester) eingesetzt, der von aktiven Mitochondrien umgesetzt wird (Floryk et al., 1999). Da dies bei hochproliferativen Zellen der Fall ist, eignete sich dieser Farbstoff besonders gut zur Anfärbung der vitalen epithelialen Tumorzellen. Für die Färbung der toten Zellen innerhalb des Frischgewebeschnittes wurde Picogreen eingesetzt. Dieser Farbstoff diffundiert passiv durch die Zellmembranen toter Zellen (Singer et al., 1997). Um alle Zellkerne anzufärben, wurde der DNA-Farbstoff Syto®63 verwendet (Wlodkowic et al., 2008). Die verwendeten Farbstoffe zeichnen sich durch eine starke Fluoreszenz aus und sind für eine simultane Färbung geeignet. Konfokale Laserscan-Mikroskop-Bilder von Imatinib behandelten BaF3-Zellen, die mit diesen Fluoreszenzfarbstoffen markiert wurden, zeigten eine vergleichbare Anzahl toter und lebender Zellen wie in den parallel durchgeführten bereits gut etablierten Detektionsmethoden mittels durchflusszytometrischer Analysen (Creutz, 1992). Diese Vitalfärbung konnte somit auf die Frischgewebeschnitte der Mammakarzinome übertragen werden. Es wurde zusätzlich noch die Viabilität anhand des ATP-Gehalts im Homogenat der Frischgewebeschnitte mittels einer Luciferin-Luciferase-Reaktion bestimmt (Andreotti et al., 1995). Mittels dieser verschiedenen Tests konnte in der vorliegenden Arbeit nachgewiesen werden, dass über eine Kulturdauer von vier Tagen kein signifikanter Viabilitätsverlust stattfindet. Nach Bestimmung des möglichen Experimentierzeitraums wurde mithilfe der oben genannten Tests untersucht, ob die Frischgewebekultur sich auch zur Untersuchung der Wirkung von Chemotherapeutika eignet. So sollte eine Kurzzeitbehandlung der Frischgewebeschnitte der primären Mammakarzinome mit steigenden Taxol- 89 4. Diskussion Konzentrationen über drei Tage einen dosisabhängigen Zelltod zeigen. Mittels der simultanen Fluoreszenzfärbung und der ATP-Gehaltsbestimmung konnte ein dosisabhängiger Zelltod innerhalb der Frischgewebeschnitte beobachtet werden. Beide hier verwendeten Techniken zur Bestimmung der Viabiliät der Zellen haben allerdings gravierende Laserscanmikroskop Nachteile. Die aufgenommenen Auswertung Bilder der der mittels konfokalem Frischgewebeschnitte der Mammakarzinome als sehr aufwendig und zeitintensiv herausgestellt. Es zeigten sich Probleme bei der Detektion der Zellen mit dem DNA-Farbstoff Syto®63 und der simultanen Färbung mit TMRM. Die Zellen, die durch hochaktive Mitochondrien TMRM gut umsetzen konnten, ließen eine Diffusion von Syto®63 in den Zellkern nicht zu. Eine Aussage über die Vitalität der Zellen konnte aber allein anhand der TMRMFärbung gemacht werden. Da die Intensität der Fluoreszenz mit der Zeit abnimmt, war es notwendig, verschiedene Areale des Frischgewebeschnittes aufzunehmen und später die Auswertung anhand der aufgenommenen Bilder durchzuführen. Eine Nachbewertung der Schnitte ist nicht möglich, da sie nach der Fluoreszenzfärbung nicht länger in Kultur behalten werden können. Darüber hinaus konnte die Viabilitätsfärbung nicht problemlos auf das Bronchialkarzinom übertragen werden, da sich die Hintergrund-Färbung im Lungengewebe als zu stark erwies, sodass eine Färbung der einzelnen Zellen nicht mehr deutlich abgrenzbar war. Außerdem ist es weder mit der hier etablierten Vitalfärbung noch mit der ATP-Bestimmung möglich, die Reaktionen der TAFs von denen der Tumorzellen zu unterscheiden. Morphologisch ist es anhand der Vitalfärbung nicht möglich, einzelne Zelltypen innerhalb des Frischgewebeschnittes zu unterscheiden. Eine spezifische Färbung der unterschiedlichen Zelltypen z.B. mittels Fluoreszenz-markierter Oberflächenmarker ist schlecht möglich, da für die Vitalfärbung bereits drei verschiedene Farben verwendet wurden. Außerdem wären die Antikörper-Färbungen im Gegensatz zu den intensiven Vitalfarbstoffen sehr schwach und dadurch kaum abgrenzbar. Somit musste eine Technik erarbeitet werden, die es erlaubt, zwischen lebenden und toten Zellen zu unterscheiden und auch die TAFs von den Tumorzellen getrennt auszuwerten. Deshalb wurden die Frischgewebeschnitte nach der Kultur in An- oder Abwesenheit der Chemotherapeutika fixiert und in Paraffin eingebettet. Mit dieser Technik ist es möglich, die Morphologie der Frischgewebeschnitte zu erhalten. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist, innerhalb der Paraffinschnitte der 90 4. Diskussion Frischgewebeschnitte die verschiedenen Zelltypen durch gleichzeitige H&E-Färbung der Präparate morphologisch unterscheiden zu können. So konnte innerhalb des Tumorgewebes die Wirkung der Chemotherapeutika sowohl auf die Tumorzellen als auch auf die Stromazellen, insbesondere die TAFs, simultan beobachtet werden. Außerdem können von einem Gewebekulturschnitt eine ganze Reihe von Paraffinschnitten hergestellt und somit mehrere Parameter ausgewertet werden. Die Auswertung muss im Gegensatz zu der Vitalfärbung für das konfokale LaserscanMikroskop nicht zeitnah zur Kultur erfolgen. Um die toten und viablen Zellen innerhalb der Paraffin-eingebetteten Frischgewebeschnitte zu unterscheiden, wurden verschiedene immunhistochemische Färbungen angewendet. Es wurden die proliferierenden, viablen Zellen mit einem KI67-spezifischen Antikörper immunhistochemisch angefärbt und die toten Zellen mittels TUNEL-Methode markiert. Die KI67-Markierung ist eine gängige Methode in der Routinediagnose und ist Teil des pathologischen Tumor-Gradings (Beresford et al., 2006). Auch die TUNEL-Methode ist ein weit verbreiteter Ansatz, der zur Detektion toter Zellen sowohl in Zellkultur als auch in Gewebeschnitten unterschiedlichster Aufarbeitung sehr häufig verwendet wird (Gavrieli et al., 1992). Die Kombination beider Parameter wurde beispielsweise auch verwendet, um die Chemotherapiewirkung während einer neoadjuvanten Behandlung in einem Mammakarzinomkollektiv zu untersuchen (Burcombe et al., 2006). Bei diesen Untersuchungen wurde aber nicht zwischen epithelialen Tumorzellen und dem Tumor-assoziierten Stroma unterschieden. Nach Anfertigung von Paraffin-eingebetteten Schnitten der Frischgewebeschnitte der Bronchialkarzinome konnte anhand der H&E-Färbung kein Verlust der Viabilität durch morphologische Veränderungen beobachtet werden. So konnte zwar die Kulturmethode erfolgreich auf die Frischgewebeschnitte der Bronchialkarzinome übertragen werden, nicht aber die Vitalfärbung der Frischgewebeschnitte, da sie eine zu starke Hintergrundfärbung aufweist. Nach Einbettung der Frischgewebeschnitte nach der Kultur in Paraffin konnten auch die immunhistochemischen Untersuchungen für Bronchialkarzinomgewebe etabliert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anhand der Paraffin-eingebetteten Frischgewebeschnitte sowohl die Reaktion der epithelialen Zellen als auch die der TAFs auf die Behandlung ausgewertet und miteinander verglichen. Dafür wurden die jeweils positiv gefärbten Zellen im Vergleich zu den nicht-gefärbten Zellen ausgezählt und das Ansprechen auf die Kurzzeitbehandlung durch den Rückgang der viablen 4. Diskussion 91 Zellen, bzw. den Anstieg der toten Zellen innerhalb der behandelten Schnitte im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle ausgewertet. Eine gängige pathologische Einteilung für die Expression verschiedener Marker in immunhistochemisch gefärbten Schnitten definiert eine positive Expression ab 10 % positiver Zellen im gesamten Schnitt (Koda et al., 2007). In vorliegender Arbeit wurde das Ansprechen der Frischgewebeschnitte für die KI67-Färbung ab einer Reduktion der Proliferationsrate im Vergleich der behandelten Schnitte zu den unbehandelten Kontrollen um mehr als 10 % definiert. Da die TUNEL-Färbung oft eine technisch bedingte stärkere Hintergrundfärbung aufwies, wurde hier die Induktion der Rate der toten Zellen um mehr als 20 % als sicheres Ansprechen ausgewertet. Wie auch bei den isolierten primären TAFs zeigte sich auch hier ein Unterschied in der Chemosensitivität zwischen den Entitäten und den verschiedenen getesteten Chemotherapeutika. In den 17 mit Taxol behandelten Frischgewebeschnitten aus Mammakarzinomen zeigten neun eine Reduktion der Proliferation um mehr als 10 %. Interessanterweise konnte in den Fällen, in denen das Tumorkompartiment durch eine Reduktion der Anzahl der proliferierenden Zellen reagiert, auch eine Reduktion der Proliferationsrate der TAFs beobachtet werden. Im Falle eines Ansprechens auf die Behandlung reagierten also stets Tumor- und Stromakompartiment parallel. Für die TUNEL-Färbung konnten aufgrund starker Hintergrundfärbung in drei Fällen nur 14 Mammakarzinome ausgewertet werden, sieben dieser 14 Fälle zeigten eine Zunahme der toten Zellen um mehr als 20 %. Auch hier zeigte sich eine Zunahme der TUNEL-positiven Zellen simultan in beiden Zellkompartimenten. In den Frischgewebeschnitten der Bronchialkarzinome zeigten die Stromazellen schon in den unbehandelten Kontrollen eine geringere Proliferationsaktivität, so dass hier keine Reduktion nach Behandlung mit Cisplatin erwartet werden konnte. Die Tumorzellen zeigten in neun von 16 Fällen eine Reduktion der proliferierenden Zellen. Die Induktion der Rate der toten Zellen wurde nur in einer geringen Anzahl im Tumorkompartiment beobachtet, zwei der 15 untersuchten Fälle zeigten eine Induktion um mehr als 20 % sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment. Dieser eindeutige Zusammenhang im Ansprechen beider Zellkompartimente in akut behandelten Tumorgeweben wurde in den retrospektiv analysierten neoadjuvant behandelten Mammakarzinomen nicht beobachtet. Eine sehr plausible Erklärung dafür ist, dass im Gegensatz zu den ex vivo behandelten Tumorgeweben, bei denen sich die akute Reaktion auf die Therapie zeitnah beobachtet lässt, bei den 92 4. Diskussion retrospektiv analysierten Proben aus den in vivo behandelten Mammakarzinomen zwischen der letzten Behandlung und der Tumorresektion mehrere Monate liegen, eine akute Wirkung also nicht untersucht werden kann. Der Vergleich der Chemosensitivität der isolierten, primären TAFs in Einzelzellkultur und der Reaktion der TAFs innerhalb der Frischgewebeschnitte weist darauf hin, dass die Sensitivität gegenüber den Chemotherapeutika nicht nur von intrinsischen Faktoren, sondern auch von der Umgebung der Zellen abhängig ist. Die Behandlung der Frischgewebeschnitte aus Mammakarzinomen mit Taxol führte zu einem Anstieg der toten Zellen um bis zu 70 % sowohl in den Tumor- als auch in den Stromazellen, während alle isolierten primären TAFs relativ resistent gegenüber Taxol waren. Auch in den mit Cisplatin behandelten Bronchialkarzinomen zeigte sich eine zentrale Rolle der Tumorumgebung auf die Chemosensitivität. Während die isoliert kultivierten TAFs sehr heterogen auf Cisplatin reagierten und sich ein großer Anteil als erstaunlich sensitiv erwies, waren die TAFs innerhalb ihrer natürlichen Umgebung in den Frischgewebeschnitte deutlich besser geschützt und reagierten nur in 2 Fällen parallel mit den Tumorzellen auf die Cisplatinbehandlung. Ein möglicher Grund für dieses unterschiedliche Ansprechen könnte das verwendete Kulturmedium sein. Während für die Frischgewebeschnitte ein serumfreies Medium speziell für primäre epitheliale Tumorzellen verwendet wurde, wurde für die isolierten TAFs serumhaltiges RPMI1640 mit verschiedenen Zusätzen verwendet. Dies könnte die unterschiedliche Proliferationsaktivität der TAFs im Falle der Bronchialkarzinome erklären. Im Fall der Mammakarzinome kam es jedoch in beiden Systemen zu keinerlei Proliferationsverlust der TAFs, so dass das unterschiedliche Ansprechen eher auf die unterschiedliche Mikroumgebung zurückzuführen ist, die in den unterschiedlichen Tumorentitäten vorliegt. Dass sich die einzelnen Zelltypen innerhalb eines Tumors gegenseitig beeinflussen wurde vielfach in Kokulturexperimenten nachgewiesen. In 2D-Kokulturen mit epithelialen Tumorzellen und TAFs bzw. Serum-aktivierten Fibroblasten zeigte sich im Gegensatz zur Kokultur mit normalen Fibroblasten ein wachstumshemmender Effekt auf die Tumorzellen (Samoszuk et al., 2004; Sadlonova, 2005). Auch in vivo bilden die TAFs eine unterstützende Umgebung für die epithelialen Tumorzellen und beeinflussen so das Tumorwachstum (Olumi et al., 1999; Orimo et al., 2005). Wie wichtig die Umgebung der Tumorzellen ist, zeigt auch die in verschiedenen Arbeiten beobachtete, durch extra-zelluläre Matrix vermittelte Resistenz der Tumore gegenüber Chemotherapie 93 4. Diskussion (Sethi et al., 1999; Tannock et al., 2002). Ein Hinweis darauf, dass die epithelialen Tumorzellen ihrerseits auch das Tumorstroma, insbesondere die TAFs beeinflussen, zeigt die Arbeitsgruppe um Moshe Oren. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Tumorzellen Einfluss auf die Stabilität von p53 in TAFs haben und diese nach genotoxischem Stress modulieren (Bar et al., 2008). Hemmung von p53 in den Fibroblasten kann somit ein protektiver Mechanismus der epithelialen Tumorzellen sein, der die TAFs vor p53-abhängigem Tod schützt. Dass TAFs gegenüber Chemotherapie durch die Anwesenheit der Tumorzellen geschützt werden, zeigen auch erste Beobachtungen in Kokulturexperimenten mit den in der vorliegenden Arbeit isolierten, primären TAFs aus Bronchialkarzinomen und einer Bronchialkarzinomzelllinie (noch nicht publizierte Daten der Arbeitsgruppe). Dies könnte eine plausible Erklärung für die in dieser Arbeit beobachtete diskrepante Reaktion der TAFs in isolierter Kultur bzw. im Gewebeverband sein. Sensitive TAFs könnten durch die Anwesenheit relativ resistenter Tumorzellen vor genotoxischem Stress geschützt werden. Während die Anwesenheit sensitiver Tumorzellen dazu führen könnte, dass es dann zu der beobachteten parallelen Reaktion beider Kompartimente kommt. Resistente TAFs könnten auch einen protektiven Einfluss auf die Tumorzellen haben. Wenn jedoch eines der beiden Kompartimente zugrunde geht, kann auch das andere Kompartiment nicht mehr überleben. In dieser Arbeit konnte in den Frischgewebeschnitten der Tumore beobachtet werden, dass beide Kompartimente fast parallel auf die Chemotherapie angesprochen haben. Das deutet sehr darauf hin, dass das Stromakompartiment einen Einfluss auf das Ansprechen des Tumors hat. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Tumorstroma, insbesondere die TAFs, auf Chemotherapie ansprechen und somit ein zukünftiges Ziel der Antitumortherapie sein können um den gesamten Tumor anzugreifen. 94 5. Fazit und Ausblick 5. Fazit und Ausblick Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass nicht nur epitheliale Tumorzellen selbst sondern auch Tumor-assoziierte Fibroblasten (TAFs) ein Ziel der Chemotherapie sind. Interessanterweise weisen die TAFs in Abhängigkeit vom Zytostatikum aber auch abhängig von der Tumorentität eine extreme Heterogenität in ihrer Reaktion auf. Dieses variable Ansprechen auf Chemotherapie ist in seiner Heterogenität vergleichbar mit den etablierten Tumorzelllinien und wird offensichtlich von epigenetischen und/oder genetischen Veränderungen determiniert, da das Ansprechen über mehrere Passagen und in Abwesenheit von Tumorzellen beibehalten wird. In weiteren Arbeiten sollte die molekulare Ursache dieser Heterogenität des Ansprechens der TAFs in größeren Kollektiven an verschiedenen Parametern untersucht werden. So kann mittels neuer High-Throughput-Verfahren zeitgleich eine relativ große Zahl unterschiedlicher TAFs auf epigenetische Veränderungen, aber auch auf somatische Mutationen und Polymorphismen getestet werden. Durch die Korrelation mit der Chemosensitivität kann ein möglicher Zusammenhang hergestellt werden. Darüber hinaus gibt die vorliegende Arbeit klare Hinweise für eine wichtige Rolle der direkten zellulären Umgebung für die beobachtete heterogene Reaktion dieser Zellen auf Chemotherapie. Mit den im Rahmen dieser Arbeit isolierten, primären TAFs können nun gezielt Kokulturexperimente mit GFP-markierten Tumorzelllinien durchgeführt werden. Interessant dabei ist, ob die Reaktion der Tumorzellen auf Chemotherapie von der Sensitivität der mitkultivierten TAFs abhängig ist. In der vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass in Tumoren, die auf Chemotherapie angesprochen haben, sowohl das Tumor- als auch das Stromakompartiment reagiert. Somit ist es naheliegend, dass beide Kompartimente in einer gegenseitigen Abhängigkeit voneinander das Ansprechen des gesamten Tumors determinieren. Die pharmakologische Hemmung eines der beiden Kompartimente könnte somit die Wirkung der Chemotherapie auf den Gesamttumor deutlich verbessern. So werden für die Hemmung des Tumorzell-Wachstums z.B. Antikörper und sogenannte small molecule Inhibitoren u.a. gegen den EGF-Rezeptor (epidermal growth factor receptor) eingesetzt (Grünwald et al., 2003; Arora et al., 2005). Die meisten Therapieansätze zur Hemmung des Stromas zielen heute auf die 5. Fazit und Ausblick 95 Hemmung der Endothelneubildung innerhalb des Tumors, deren Konsequenz dann die Unterversorgung des Tumors mit Nährstoffen und Sauerstoff ist (Hofmeister et al., 2007). Die direkte Hemmung der TAFs könnte beispielsweise durch den Einsatz von PDGFR (platelet-derived growth factor receptor) -Inhibitoren gelingen (Östmann, 2004). In einer kürzlich erschienenen Arbeit wurden die PDGFR-Inhibitoren Dasatinib und Nilotinib bereits zur Hemmung der Synthese der extra-zellulären Matrix eingesetzt um das Tumor-unterstützende Stroma zu hemmen (Akhmetshina et al., 2008). Durch die Umsetzung dieser Therapiemöglichkeiten in der Klinik könnte die Behandlung solider Tumore effizienter werden. Darüber hinaus könnten die Nebenwirkungen der Therapie durch Ausnutzen der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Kompartimenten im Tumor eingeschränkt werden. 6. Zusammenfassung 96 6. Zusammenfassung Karzinome sind komplexe Gewebe, in denen genetisch alterierte epitheliale Tumorzellen von extrazellulärer Matrix (EZM) und Stromazellen umgeben sind. Diese Umgebung spielt eine zentrale Rolle im Wachstum und Überleben der Tumore. Damit ist es naheliegend, dass für einen Therapieerfolg nicht nur die Sensitivität der malignen Tumorzellen, sondern auch die Reaktion der Stromazellen wichtig ist. Im Rahmen dieser Arbeit sollte geklärt werden, ob und wie der Hauptbestandteil des Tumorstromas, die Tumor-assoziierten Fibroblasten (TAFs), auf Chemotherapie reagieren. Da es bisher nur Schemata gibt, die zwar das Ansprechen der Tumorzellen aber nicht die Reaktion der TAFs auf die Chemotherapie bewerten, wurde zunächst mit fachlicher Unterstützung eines Pathologen ein Bewertungsschema für das Tumorstroma entwickelt. Basierend auf Zellzahl und Morphologie der TAFs im Stromaanteil des Tumors wurden vier Aktivitätsgrade definiert. Mit Hilfe dieser Einteilung konnte anhand eines Biopsieproben-Kollektivs von 22 neoadjuvant behandelten Mammakarzinomen vor und nach Chemotherapie die Reaktion der TAFs auf Chemotherapie in vivo bewertet werden. Es wurde in dieser Arbeit erstmals nachgewiesen, dass es in Fällen, die durch einen hohen Aktivitätsgrad der TAFs vor der Therapie charakterisiert sind, zu einem deutlichen Aktivitätsverlust nach Therapie kommt. Interessanterweise besteht kein Zusammenhang der Reaktion auf Chemotherapie zwischen TAFs und den epithelialen Tumorzellen. Aufgrund der langen Zeitspanne zwischen dem letzten Zyklus der Chemotherapie und der Tumorresektion konnte mit dieser in-vivo-Untersuchung nicht geklärt werden, ob das Tumorstroma ein direktes oder indirektes Ziel der Chemotherapie ist. Daher wurden in dieser Arbeit verschiedene ex-vivo-Kultursysteme entwickelt, die es ermöglichen, die direkte Reaktion des Tumorstromas auf die Therapie zu beobachten und mit dem Ansprechen der Tumorzellen zu vergleichen. Zum Einen wurden primäre TAFs aus frischem Tumorgewebe isoliert und in Einzelzellkultur die Sensitivität gegenüber Chemotherapeutika getestet. Das Ansprechen der TAFs auf Chemotherapie wurde mit dem Ansprechen von etablierten Tumorzelllinien verglichen. Zum anderen wurde ein Gewebekultursystem 97 6. Zusammenfassung etabliert, um das direkte Therapieansprechen der TAFs und der Tumorzellen in ihrer natürlichen Gewebeumgebung zu untersuchen. Für die Einzelzellkultur wurden primäre TAFs aus frischem Gewebe von 9 Mammaund 31 Bronchialkarzinomen isoliert. Alle TAFs konnten über zehn Passagen ohne signifikanten Wachstumsverlust kultiviert werden. Alle getesteten TAFs waren negativ für das Epithel-spezifische Antigen (ESA) und positiv für das TAF-spezifische Fibroblast activation protein (FAP), wodurch eine von Epithelzellen freie homogene Kultur der TAFs nachgewiesen werden konnte. Die Chemosensitivität der primären isolierten TAFs gegenüber Cisplatin und Taxol wurde bestimmt und mit etablierten Tumorzelllinien verglichen. Die TAFs zeigten sich gegenüber Taxol sehr resistent, während sie auf Cisplatin heterogen reagierten. Auch die Entität spielt bei der Sensitivität gegenüber Chemotherapeutika eine große Rolle. Die primären, isolierten TAFs aus Mammakarzinomen waren im Vergleich zu den etablierten Tumorzelllinien relativ resistent gegenüber Cisplatin, während die TAFs aus den Bronchialkarzinomen sich gegenüber der Behandlung genauso heterogen zeigten, wie die etablierten Tumorzelllinien. Eine mögliche Erklärung für dieses heterogene Ansprechen gegenüber Cisplatin können somatische Mutationen oder Polymorphismen innerhalb von DNASchadensreparatur-Genen sein. Somatische Mutationen im p53-Gen spielen bei Tumorzellen eine wichtige Rolle für das Ansprechen auf Chemotherapeutika. Darüber hinaus wurden in anderen Arbeiten bereits somatische p53-Mutationen in TAFs aus Mamma-, Kolon- und Ovarialkarzinomen identifiziert. In der vorliegenden Arbeit konnte in 28 untersuchten TAFs aus Bronchialkarzinomen keine somatische p53-Mutation detektiert werden und somit ein Zusammenhang mit dem heterogenen Ansprechen gegenüber Cisplatin ausgeschlossen werden. Des Weiteren wurden die Polymorphismen p53-Arg72Pro, ERCC1-Asn118Asn und Mdm2-T/G309 untersucht, die in anderen Arbeiten bereits mit der Sensitivität gegenüber zytotoxischem Stress in Verbindung gebracht werden. Es wurde dabei ein nicht-signifikanter Zusammenhang zwischen der Chemosensitivität der TAFs aus Bronchialkarzinomen und dem p53-Arg72Pro Polymorphismus gefunden, während die ERCC1-Asn118Asn und Mdm2-T/G309 Polymorphismen keine Rolle zu spielen scheinen. Die Chemosensitivität der TAFs wurde innerhalb ihrer natürlichen Umgebung anhand von Frischgewebeschnitten aus 17 Mamma- und 16 Bronchialkarzinomen untersucht. Die Viabilität der Schnitte wurde über vier Tage Kultivierung sichergestellt 6. Zusammenfassung 98 und es konnte keine Veränderung der Morphologie des Gewebes während dieser Zeit beobachtet werden. Die Kurzzeitbehandlung mit Chemotherapeutika über drei Tage reichte aus, um Tumorkompartimente zu die Wirkung untersuchen. der Die Therapie auf die einzelnen Frischgewebeschnitte aus Mammakarzinomen wurden mit Taxol behandelt, während anhand von Schnitten aus Bronchialkarzinomen das Ansprechen auf Cisplatin getestet wurde. Um die Wirkungen der verwendeten zytotoxischen Substanzen auf die einzelnen Zelltypen innerhalb der Frischgewebeschnitte der Mamma- und Bronchialkarzinome untersuchen zu können, wurden proliferierende und tote Zellen immunhistochemisch sowohl im Tumor- als auch im Stromakompartiment morphologisch nachgewiesen und quantifiziert. Die Frischgewebeschnitte der Mammakarzinome zeigten nach Taxol-Behandlung in neun von 17 Fällen einen Rückgang der Proliferation und in sieben von 14 Fällen einen Anstieg der Anzahl toter Zellen in beiden Zellkompartimenten. Die Frischgewebeschnitte aus Bronchialkarzinomen zeigten in neun von 16 Fällen einen Rückgang der proliferierenden Tumorzellen nach Cisplatin-Behandlung. Da das Tumorstroma hier kaum proliferierte, konnte auch kein Ansprechen auf die Behandlung erwartet werden. In den Fällen, die auf die Cisplatin-Behandlung mit Zelltod reagierten, wurde der Anstieg des Zelltods in beiden Zellkompartimenten detektiert. Der Vergleich der Frischgewebekultur mit der Kultur der TAFs anhand der Mammakarzinome zeigte im Gewebe ein heterogenes Ansprechen gegenüber Taxol, während die isolierten, primären TAFs relativ resistent waren. Gegenüber Cisplatin waren die isolierten, primären TAFs aus Bronchialkarzinomen wesentlich sensitiver als die TAFs in den Frischgewebeschnitten. Somit spielt die Umgebung des Tumors bei der Chemosensitivität eine entscheidende Rolle. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit erstmals gezeigt, dass nicht nur die epithelialen Tumorzellen, sondern auch die TAFs ein wichtiges Ziel der Chemotherapie sind. Die Reaktion der TAFs auf die Chemotherapie ist in unterschiedlichen Entitäten, aber auch innerhalb einer Entität sehr heterogen. Zum einen spielt die Umgebung eine große Rolle beim Ansprechen des Tumorstromas und zum anderen kann davon ausgegangen werden, dass auch der Genotyp Einfluss auf die Reaktion der TAFs gegenüber Chemotherapie nimmt. Die Beobachtung, dass im nativen Tumorgewebe die Tumorzellen parallel mit den TAFs 6. Zusammenfassung 99 reagieren, lässt die Vermutung zu, dass beide Zelltypen für das Überleben des Tumors wichtig sind. Die gezielte Hemmung eines der Tumorkompartimente könnte die Chemosensitivität des Tumors somit erheblich steigern. 100 7. Summary 7. Summary Carcinomas are complex tissues in which the genetically altered epithelial tumor cells interact with their surrounding microenvironment including extra-cellular matrix and stromal cells. This microenvironment plays a pivotal role in growth and survival of the whole tumor. Therefore, not only the chemosensitivity of the malignant clone, but also the response of the tumor stroma, in particular the response of tumor-associated fibroblasts (TAFs) may be important for the therapeutic success. The aim of the study was to clarify how these TAFs respond to chemotherapy. Several grading systems have been established for evaluating the response of the epithelial tumor cells. However, there was no grading system available for the response of the stroma compartment to chemotherapy. We established a grading system for the activity of the TAFs based on cell counts and cell morphology. This was kindly supported by a pathologist with a great experience in this area. With this grading system we investigated 22 biopsy samples from neoadjuvant treated breast cancer patients. We compared both the stromal compartment and the tumor compartment before and after therapy to evaluate the response to the neoadjuvant chemotherapy. In this in vivo study a response of the stromal compartment was detected in samples with a high stromal activity grade before neoadjuvant chemotherapy. However, because of the long time lag between the last cycle of chemotherapy and the surgery it could not be clarified, if the tumor stroma, in particular the TAFs are a direct target of chemotherapy. To investigate the direct, more acute response of TAFs we established different ex vivo systems. On the one hand, the response to chemotherapy was tested in primary isolated TAFs from tumor tissue using the MTT-assay. The response of the TAFs was compared with the response of established tumor cell lines. On the other hand, a tumor tissue slice culture was established to investigate the direct effect of the chemotherapy on TAFs and tumor cells within their intact microenvironment after a short-term drug exposure. For the cell culture experiments freshly isolated TAFs from 9 breast tumors and 31 lung tumors were used. These TAFs grew for up to ten passages without significant loss of proliferative activity. All tested TAFs were found to be negative for the 101 7. Summary epithelial specific antigen (ESA) and positive for the TAF specific Fibroblast activation protein (FAP), assuring an epithelial cell free homogeneous TAF culture. The chemosensitivity to Cisplatinum and Paclitaxel of the primary isolated TAFs was determined and compared with the chemosensitivity of a panel of established human tumor cell lines. The TAFs turned out to be resistant to Paclitaxel, whereas they showed a heterogeneous response to Cisplatinum. Interestingly, sensitivity to Cisplatinum is also dependent on the tumor entity. Isolated primary TAFs from breast carcinomas were more resistant to Cisplatinum in comparison to the majority of the tumor cell lines, whereas TAFs from lung carcinomas showed the same heterogeneity as the tumor cell line panel. One reason for this heterogeneous response to Cisplatinum could be the existence of somatic mutations and/or polymorphisms within DNA-damage response genes. Somatic mutations within the p53 tumor suppressor gene play a critical role in the response of tumor cells to chemotherapeutics. In other studies, such mutations have been identified in TAFs from breast, colon and ovarian carcinomas. In this study, however, no somatic exon mutation was detected in any of the 28 TAFs from lung. Also these results showed no interdependency of somatic mutations and the heterogeneous response to Cisplatinum. In other studies, the polymorphisms p53-Arg72Pro, ERCC1-Asn118Asn and Mdm2T/G309 could be correlated with the sensitivity to cytotoxic stress. In this study, a non-significant trend towards the chemosensitivity of TAFs from lung carcinomas and the p53-Arg72Pro polymorphism could be observed, whereas the ERCC1Asn118Asn und Mdm2-T/G309 polymorphisms had no influence on the chemosensitivity. The chemosensitivity of the TAFs was also determined within their microenvironment on the basis of tumor tissue culture experiments performed with 17 breast carcinomas and 16 lung carcinomas. Over a culture period of four days of the tumor tissue slices there was no decrease in viability and no changes in tissue architecture and cell morphology detectable. This time frame of four days allowed to investigate acute response of the different tumor compartments to chemotherapy. Tumor tissue slices from breast carcinomas were treated for 72 h with Paclitaxel, whereas the tissue slices from lung carcinomas were treated with Cisplatinum. To investigate the response of the different cell types to the tested chemotherapeutic drugs within the intact tumor microenvironment, the tissue slices were fixed and stained 102 7. Summary immunhistochemically for proliferative active and dead TAFs and epithelial cells. Nine of 17 of the cultivated tissue slices from breast carcinomas showed a decrease in cell counts of proliferating cells, whereas seven of 14 cases showed an increase of dead cells after the treatment with Paclitaxel in both, tumor and stroma cell compartment. The tissue slices of the lung carcinomas showed a decrease in proliferating tumor cells after Cisplatinum treatment in comparison to the untreated controls. The stroma compartment showed no proliferative activity so one could not expect a response regarding a decrease of proliferating stroma cells. Two cases showed a response to Cisplatinum regarding an increase in cell death in both tumor and stroma cell compartment. An interesting finding is that this short term exposure to Paclitaxel led to a parallel reaction of both tumor and stromal cells in tissue culture experiments, whereas isolated cultured CAFs from breast tumors turned out to be resistant to Paclitaxel. In contrast, isolated TAFs from lung carcinomas are significantly more sensitive to Cisplatinum than TAFs within their intact microenvironment. Consequently, the microenvironment of the tumor plays a crucial role in chemosensitivity. Regarding tissue culture, survival of CAFs may be more dependent on supportive factors provided by the individual tumor environment. In contrast, optimized single cell culture conditions for isolated fibroblasts may protect the cells in a more artificial manner. The central role of the microenvironment for response of CAFs to cytotoxic drugs is also demonstrated by our results obtained with lung cancer tissues. These observations indicate that, in addition to intrinsic factors, the microenvironment determines the sensitivity of CAFs to cytotoxic therapy. In summary, this work demonstrates for the first time, not only the tumor cells but also the stromal cells are an important target for the chemotherapy. The response of TAFs is heterogeneous within different tumor entities and within one entity. Intrinsic and extrinsic factors play an important role in chemosensitivity. On the one hand, the tumor microenvironment is responsible for therapy response of TAFs and on the other hand the genotype may play a crucial role in chemosensitivity. Both, tumor and stroma cells react in parallel to chemotherapy, so you can assume that both cell types are responsible for the chemosensitivity. Some therapeutic approaches could be the inhibition of either the tumor or stromal cell compartment to increase the chemosensitivity of the whole tumor. 8. Literaturverzeichnis 103 8. Literaturverzeichnis Ahrendt SA, Chow JT, Xu LH, Yang SC, Eisenberger CF, Esteller M, Herman JG, Wu L, Decker PA, Jen J, Sidransky D. Molecular detection of tumor cells in bronchoalveolar lavage fluid from patients with early stage lung cancer. 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BMC Cancer, 2006, 6:86 Sonnenberg M, van der Kuip H, Fritz P, Haubeiß S, Schroth W, Friedel G, Simon W, Mürdter TE, Aulitzky WE: Highly variable response to cytotoxic chemotherapy in carcinoma-associated fibroblasts (CAFs) from lung and breast. BMC Cancer, 2008, 8:364 Abstracts/Vorträge: Sonnenberg M, van der Kuip H, Fritz P, Gerteis A, Linder S, Hägg Olofsson M, Nordheim A, Friedel G, Aulitzky WE, and Mürdter TE: Cancer tissue model to study anti cancer drug effects and to identify predictive markers. European Journal of Cancer Supplements, Vol 4, No. 12, Nov 2006, 99-100 [A318] Sonnenberg M, van der Kuip H, Fritz P, Gerteis A, Lamkemeyer T, Nordheim A, Friedel G, Aulitzky WE, Muerdter TE: Cancer tissue model to identify potential marker proteins for prediction of drug efficacy in individual tumors. Proc Amer Assoc Cancer Res; 2007 Apr 14-18; Los Angeles, CA. [A 3147] Sonnenberg M, Henkes M, Fritz P, Friedel G, Mürdter TE, van der Kuip H, Aulitzky WE: Cancer associated fibroblasts are a target of chemotherapy. Onkologie 2007; 30(suppl 3): 1-244 [P570] 9. Eigene Veröffentlichungen 115 Sonnenberg M, Mürdter TE, Fritz P, Simon W, van der Kuip H, Aulitzky WE: Chemotherapy affects tumor stroma. Proc Amer Assoc Cancer Res; 2008 Apr 12-16; [V 2581] Sonnenberg M, Mürdter TE, Haubeiß S, Fritz P, Gerteis A, Simon W, Friedel G, van der Kuip H, Aulitzky WE: Both intrinsic variability and the microenvironment play important roles in the response of cancer associated fibroblasts (CAFs) to chemotherapy. Onkologie 2008, Vol. 31, Suppl. 4; P381 Haubeiß S, Sonnenberg M, Friedel G, Mürdter TE, van der Kuip H, Aulitzky WE: Imatinib and Dasatinib inhibit cancer associated fibroblasts (CAFs) from lung carcinomas. Onkologie 2008, Vol. 31, Suppl. 4; P396 AstraZeneca Scholar-in-Training Award, 99th Annual Meeting AACR, San Diego 2008 Sonnenberg M, Mürdter TE, Fritz P, Simon W, van der Kuip H, Aulitzky WE: Chemotherapy affects tumor stroma. Proc Amer Assoc Cancer Res; 2008 Apr 12-16; [V 2581] oral presentation Weitere Veröffentlichungen: Originalarbeiten: Olofsson MH, Ueno T, Pan Y, Xu R, Cai F, van der Kuip H, Muerdter TE, Sonnenberg M, Aulitzky WE, Schwarz S, Andersson E, Shoshan MC, Havelka AM, Toi M, Linder S. Cytokeratin-18 is a useful serum biomarker for early determination of response of breast carcinomas to chemotherapy. Clinical Cancer Research, 2007, 13(11):3198-206 116 9. Eigene Veröffentlichungen Fanta S, Sonnenberg M, Skorta I, Duyster J, Miething C, Aulitzky WE, van der Kuip H: Pharmacological inhibition of c-Abl compromises genetic stability and DNA repair in Bcr-Abl negative cells. Oncogene, 2008, 27(31):4380-4 Abstracts/Vorträge: van der Kuip H, Skorta J, Fiesel F, Sonnenberg M, Gawronski K, Moehring A, Aulitzky WE. Imatinib mesylate (STI571) compromises p53 dependent DNA damage response in Bcr-Abl positive cells in spite of presence of exogenous growth factors. Proc Amer Assoc Cancer Res 2006, 47 April 2006 [A3335]. Skorta I, van der Kuip H, Sonnenberg M, Gawronski K, Aulitzky W: Imatinib mesylate (STI571, Gleevec) switches Bcr-Abl into a dominant negative inhibitor of growth factor signaling pathways. Onkologie 2006; 29(suppl 3): 1-236 [P495] Skorta I, Sonnenberg M, Fiesel F, van der Kuip H, Aulitzky W: Effect of kinaseinactive Bcr-Abl on DNA damage response in imatinib-treated cells. Onkologie 2006; 29(suppl 3): 1-236 [P496] Fanta S, Sonnenberg M, Skorta I, Duyster J, Miething C, Aulitzky WE, van der Kuip H: Imatinib (STI571) kompromittiert die genetische Stabilität Bcr-Abl negativer Zellen durch Hemmung der c-Abl-Kinaseaktivität. Onkologie 2007; 30(suppl 3): 1-244 [V52] Fanta S, Skorta I, Sonnenberg M, Aulitzky WE, van der Kuip H: c-Abl inhibition affects DNA repair kinetics and genetic stability. Proc Amer Assoc Cancer Res; 2008 Apr 12-16; [A 4871] 10. Danksagung 117 10. Danksagung Ich danke Herrn Prof. Dr. Walter E. Aulitzky für die Möglichkeit, dieses interessante Thema zu bearbeiten und für sein stetes Interesse am Fortgang der Arbeit. Herrn Prof. Dr. Martin Blum danke ich für die Bereitschaft, die Betreuung der Dissertation von Seiten der Universität Hohenheim zu übernehmen. Herrn Prof. Dr. Matthias Schwab danke für die Möglichkeit diese Dissertation an seinem Institut anfertigen zu können. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Heiko van der Kuip für seine unermüdliche Hilfsbereitschaft und hervorragende Betreuung rund um die Arbeit. Ich danke allen Mitarbeitern des IKP für die immerwährende Hilfsbereitschaft, insbesondere Herrn Dr. Peter Fritz, durch ihn wurde ein großer Teil dieser Arbeit erst möglich gemacht. Und natürlich bei allen „Aulis“: Frau Ioanna Skorta, Frau Silke Fanta, Frau Silke Haubeiß, Frau Kerstin Willecke, Frau Tabea Peußer und Frau Dr. Alexandra Eckhoff. Der Robert-Bosch-Gesellschaft danke ich für die finanzielle Unterstützung durch ein Stipendium während der Durchführung dieser Arbeit. Meinen Eltern danke ich für ihren Zuspruch und ihre Unterstützung während der Anfertigung dieser Dissertation. 118 11. Lebenslauf 11. Lebenslauf Persönliche Daten: Name: Maike Sonnenberg Geburtsdatum: 20.07.1981 Geburtsort: Fürth, Bayern Anschrift: Goerdelerstr. 4 70806 Kornwestheim Schulausbildung: 09/1987 - 07/1991 Riedschule, Karlsruhe 08/1991 - 06/2000 Max-Planck-Gymnasium, Karlsruhe Studium: 10/2000 - 08/2005 Universität Hohenheim, Studium der Biologie Schwerpunkte: Zoologie, Parasitologie, Medizinische Mikrobiologie Diplomarbeit am Dr. Margarete Fischer-Bosch Institut für Klinische Pharmakologie Titel: „Etablierung eines Zellmodells zur Untersuchung von Resistenzmechanismen gegenüber Iressa (Gefitinib)“ Abschluss als Diplom Biologin 119 11. Lebenslauf Promotion: 09/2005 - 01/2009 Dissertation am Dr. Margarete Fischer-Bosch Institut für Klinische Pharmakologie (Unterstützung der Dissertation durch ein Stipendium der Robert Bosch Stiftung, Stuttgart) AstraZeneca International Scholar-in-Training Award: American Association for Cancer Research (AACR) 99th Annual Meeting, 2008, San Diego Sonnenberg M, Mürdter TE, Fritz P, Simon W, van der Kuip H, Aulitzky WE: Chemotherapy affects tumor stroma. Proc Amer Assoc Cancer Res; 2008 Apr 12-16; [V 2581] 120 Eidesstattliche Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Dissertation selbstständig und unter ausschließlicher Verwendung der angegebenen Hilfsmittel und der Ratschläge von jeweils namentlich aufgeführten Personen angefertigt habe Maike Sonnenberg Stuttgart, den 11.07.2009