Forschungsgebiete

Bedeutung der Tumorhypoxie und –azidose für die Chemotherapie

Die derzeitigen Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit dem Einfluss der mikroregionalen Verteilung verschiedener stoffwechselrelevanter Parameter (Durchblutung, Sauerstoff- und Nährstoffversorgung, Metabolitentsorgung, pH-Wert) auf die Effektivität unterschiedlicher Krebstherapien sowie auf das biologische Verhalten solide wachsender Tumoren. Innerhalb dieser Parameter, die das sog. metabolische Mikromilieu eines Tumors charakterisieren, nimmt die Verteilung des Sauerstoffpartialdrucks im Gewebe (Oxygenierung) eine wichtige Rolle ein, da bereits seit längerer Zeit bekannt ist, dass die Effektivität einer Strahlentherapie sowie verschiedener Chemotherapeutika durch die Anwesenheit von O2 beeinflusst wird.

Im Rahmen der Projekte wird der Einfluss der O2-Versorgung und des Glukosestoffwechsels auf die Effektivität von Chemotherapien in vitro und in vivo untersucht. In vielen Tumoren ist aufgrund der "chaotischen", nicht bedarfsgerechten Durchblutung der O2-Transport im Tumorgewebe nicht ausreichend zur Deckung des Bedarfs, sodass O2-Mangel (Hypoxie) entsteht. Die Tumorzellen aktivieren daher die anaerobe Glykolyse und es kommt zu einer ausgeprägten extrazellulären Azidose. Da zahlreiche Tumoren Pharmaka-transportierende Pumpen (z.B. p-Glykoprotein, MRP1) überexprimieren, was zum Phänomen der "Multi-Drug Resisitance" führt, beschäftigen sich die Untersuchungen mit der Frage, in wieweit Azidose, Hypoxie und Hypoglykämie die Aktivität in vitro und in vivo verändern, was eine mögliche Erklärung für die beobachtete Chemoresistenz hypoxischer Tumoren sein könnte. In Zellkulturuntersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass der extrazelluläre pH-Wert einen starken modulierenden Einfluss auf die Aktivität des p-Glykoproteins (Pgp) hat. Unter azidotischen Umgebungsbedingungen (pH=6,6) nimmt die Transportleistung um mehr als das Doppelte zu, sodass Chemotherapeutika effektiver aus der Zelle herausgepumpt werden und die Zelle eine erhöhte Resistenz gegenüber diesen zytotoxischen Substanzen aufweist. Der intrazelluläre Signalweg, über den es zu einer Aktivierung des Pgp kommt, konnte teilweise geklärt werden. So scheinen MAP-Kinase (p38, ERK1/2) eine Rolle zu spielen. Die Entschlüsselung der genauen Signalmechanismen sowie der H+-sensitive Struktur ("pH-Sensor") der Tumorzelle erfolgt in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. M. Gekle. In weitergehenden Experimenten konnte gezeigt werden, dass diese in der Zellkultur nachgewiesenen Mechanismen auch in vivo im solide wachsenden Tumor von Bedeutung sind und in einem azidotischen Tumor zu einer erhöhten Chemoresistenz führen. Auch lässt sich die Azidose-induzierte Pgp-Aktivierung und somit die Chemoresistenz durch Unterbrechung des p38-Signalweges in vivo antagonisieren machen.

Einfluss der Tumoranämie auf die O2-Versorgung des Tumors und die Chemo- und Strahlensensibilität

Ein Forschungsprojekt beschäftigt sich mit dem Einfluss der O2-Versorgung auf die Effektivität von Strahlen-, Chemo- und photodynamischer Therapie. Die inadäquate Perfusion von Tumoren führt zu einer verminderten Antransport von Sauerstoff zum Tumorgewebe. Erschwert wird diese Situation noch durch die bei vielen Tumorpatienten auftretende Anämie mit einer verminderten O2-Transportkapazität des Blutes. In tierexperimentellen Untersuchungen wurde daher der Einfluss der Anämie und der Anämiekorrektur mit dem hämatopoietischen Wachstumsfaktor Erythropoietin auf die Wirksamkeit von Bestrahlungen und Chemotherapien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, wird durch die Behandlung der Anämie das Ansprechen auf die primäre Tumortherapie signifikant verbessert, woraus sich wichtige Implikationen für die klinische Onkologie ergeben.

Related Articles:

-    Riemann A Ihling A, Nowak M, Sauvant C, Thews O, Gekle M. Acidic environment leads to ROS-induced MAPK signaling in cancer cells. PLoS ONE 6: e22445 (2011)

-    Trach P, Afahaene N, Nowak M, Thews O. Impact of environmental parameters on the activity of the p-glycoprotein (Pgp). Adv. Exp. Med. Biol. 737: (in press)

-    Nardo G, Favaro E, Curtarello M, Moserle L, Zulato E, Persano L, Rossi E, Esposito G, Crescenzi M, Casanovas O, Sattler U, Mueller-Klieser W, Biesalski B, Thews O, Canese R, Iorio E, Zanovello P, Amadori A, Indraccolo S. Glycolytic phenotype and AMP kinase modify the pathologic response of tumor xenografts to VEGF neutralization. Cancer Res. 71: 4214-4225 (2011)

-    Thews O, Nowak M, Sauvant C, Gekle M. Hypoxia-induced extracellular acidosis increases p-glycoprotein activity and chemoresistance in tumors in vivo via p38 signaling pathway. Adv. Exp. Med. Biol. 701: 115-122 (2011)

-    Sauvant C, Nowak M, Wirth C, Schneider B, Riemann A, Gekle M, Thews O. Acidosis induces multi-drug resistance in rat prostate cancer cells (AT1) in vitro and in vivo by increasing the activity of the p-glycoprotein via activation of p38. Int. J. Cancer 123: 2532–2542 (2008)

-    Thews O, Gassner B, Kelleher DK, Gekle M. Activity of drug efflux transporters in tumor cells under hypoxic conditions. Adv. Exp. Med. Biol. 614: 157-164 (2008)

-    Lotz C, Kelleher DK., Gassner B, Gekle M, Vaupel P, Thews O. Role of the tumor microenvironment in the activity and expression of p-glycoprotein in human colon carcinoma cells. Oncol. Reports 17: 239-244 (2007)

-    Thews O, Gassner B, Kelleher DK, Schwerdt G, Gekle M. Impact of hypoxic and acidic extracellular conditions on cytotoxicity of chemotherapeutic drugs. Adv. Exp. Med. Biol. 599: 155-162 (2007)

-    Thews O, Gassner B, Kelleher DK, Schwerdt G, Gekle M. Impact of extracellular acidity on the activity of p-glycoprotein and the cytotoxicity of chemo-therapeutic drugs. Neoplasia 8: 143-152 (2006)

-    Stüben G, Pöttgen C, Knühmann K, Schmidt K, Stuschke M, Thews O, Vaupel P. Erythropoietin restores the anemia-induced reduction in radiosensitivity of experimental human tumors in nude mice. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 55: 1358-1362 (2003)

-    Thews O, Kelleher DK, Vaupel P. Erythropoietin restores the anemia-induced reduction in cyclophosphamide cytotoxicity in rat tumors. Cancer Res. 61: 1358-1361 (2001)

-    Stüben G, Thews O, Pöttgen C, Knühmann K, Vaupel P, Stuschke M. Recombinant human erythropoietin increases the radiosensitivity of xenografted human tumours in anaemic nude mice. J. Cancer Res. Clin. Oncol. 127: 346-350 (2001)

-    Thews O, Kelleher DK, Vaupel P. Dynamics of tumor oxygenation and red blood cell flux in response to inspiratory hyperoxia combined with different levels of inspiratory hypercapnia. Radiother. Oncol. 62: 77-85 (2002)

-    Thews O, Kelleher DK, Vaupel P. Disparate responses of tumour vessels to angiotensin II: tumour volume-dependent effects on perfusion and oxygenation. Brit. J. Cancer 83: 225-231 (2000)

-    Stüben G, Thews O, Pöttgen C, Stuschke M, Sack H. Tumour oxygenation during fractionated radiotherapy: comparison to size-matched controls. Acta Oncol. 38: 209-213 (1999)

-    Thews O, Koenig R, Kelleher DK, Kutzner J, Vaupel P. Enhanced radiosensitivity in experimental tumors following erythropoietin treatment of chemotherapy-induced anemia. Brit. J. Cancer 78: 752-756 (1998)

-    Kelleher DK, Matthiensen U, Thews O, Vaupel P. Blood flow, oxygenation and bioenergetic status of tumors after erythropoietin treatment in normal and anemic rats. Cancer Res. 56: 4728-4734 (1996)

-    Kelleher DK, Matthiensen U, Thews O, Vaupel P. Tumor oxygenation in anemic rats : effects of erythropoietin treatment versus red blood cell blood transfusion. Acta Oncol. 34: 379 - 384 (1995)

Mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) lassen sich funktionelle Parameter in Normalgeweben und Tumoren sensitiv in vivo visualisieren. So können Rezeptorstrukturen (z.B. Dichte von ß2-Adrenozeptoren der Lunge oder von Sulfonylharnstoff-Rezeptoren des Pankreas) in Schnittbildern sichtbar gemacht und quantifiziert werden. Aber auch dynamische Prozesse, wie beispielsweise die funktionelle Transportrate von Medikamententransporten (p-Glykoprotein Pgp), kann mit dieser Technik nicht-invasiv bestimmt werden. Hierzu sind jedoch spezifische Tracer notwendig, die mit Positronen-emittierenden Nukliden (z.B. 18F oder 68Ga) markiert werden.

In verschiedenen Forschungsprojekten wurden und werden neue Verbindungen entwickelt und evaluiert, die eine Darstellung unterschiedlicher Funktionsparameter von Tumoren mittels PET ermöglichen. Die Verbindungen werden in Kooperation mit dem Institut für Kernchemie der Universität Mainz synthetisiert und die Körperverteilung mittels PET visualisiert. Ziel ist die präklinische Entwicklung und Evaluation von Tracern zur prätherapeutischen Erfassung der spezifischen Situation des individuellen Tumors und somit zur Therapiestratifikation in der Onkologie.

Neben der Positronen-Emissions-Tomographie kommen auch optische Verfahren mittels Fluoreszenz-Imaging zum Einsatz, um beispielsweise das Metastasierungsverhalten von Tumoren in vivo zu verfolgen.

Related articles:

-    Fellner M, Dillenburg W, Buchholz HG, Bausbacher N, Schreckenberger M, Renz F, Rösch F, Thews O. Assessing p-glycoprotein (Pgp) activity in vivo utilizing 68Ga-Schiff base complexes. Mol. Imag. Biol. 13: 985-994 (2011)

-    Fellner M, Riss P, Loktionova N, Zhernosekov KP, Thews O, Geraldes CFGC, Kovacs Z, Lukeš I, Rösch F. Comparison of different phosphorus-containing ligands complexing 68Ga for PET-imaging of bone metabolism. Radiochim. Acta 99: 43-51 (2011)

-    Biesalski B, Yilmaz B, Buchholz HG, Bausbacher N, Schreckenberger M, Thews O. An allogenic site-specific rat model of bone metastases for nuclear medicine and experimental oncology. Nucl. Med. Biol. in press (2011)

-    Thews O, Dillenburg W, Fellner M, Buchholz HG, Bausbacher N, Schreckenberger M, Rösch F. Activation of p-glycoprotein (Pgp)-mediated drug efflux by extracellular acidosis: In vivo imaging with 68Ga-labeled PET tracer. Europ. J. Nucl. Med. Mol. Imag. 37: 1935-1942 (2010)

-    Helisch A, Thews O, Buchholz HG, Tillmanns J, Kronfeld A, Schreiber W, Schreckenberger M, Bartenstein P. Small animal tumour imaging with the ECAT EXACT scanner: Application of partial volume correction and comparison to microPET data. Nucl. Med. Comm. 31: 294-300 (2010)

-    Schirrmacher R, Bradtmöller G, Schirrmacher E, Thews O, Tillmanns J, Siessmeier J, Buchholz HG, Bartenstein P, Wängler B, Niemeyer CM, Jurkschat K. 18F-labelling of peptides by means of an organosilicon-based fluoride acceptor. Angew. Chemie – Int. Edit. 45: 6047-6050 (2006)

-    Bartoli A, Belcari N, Stark D, Höhnemann S, Piel M, Jennewein M, Schmitt U, Tillmanns J, Thews O, Hiemke C, Roesch F, Del Guerra A. Preliminary assessment of the imaging capability of the YAP-(S)Pet small animal scanner in neuroscience. Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A 569: 488-491 (2006)

-    Helisch A, Schirrmacher E, Thews O, Schirrmacher R, Buchholz HG, Dillenburg W, Höhnemann S, Tillmanns J, Wessler I, Buhl R, Rösch F, Bartenstein P. Demonstration of pulmonary β2-adrenergic receptor binding in vivo with [18F]fluoroethyl-fenoterol in a guinea pig model. Europ. J. Nucl. Med. Mol. Imag. 32: 1324-1328 (2005)

-    Schneider S, Feilen PJ, Schreckenberger M, Schwanstecher M, Schwanstecher C, Buchholz HG, Thews O, Oberholzer K, Korobeynikov A, Bauman A, Comagic S, Piel M, Schirrmacher E, Shiue CY, Alavi AA, Bartenstein P, Rösch F, Weber MM, Klein HH, Schirrmacher R. In vitro and in vivo evaluation of novel glibenclamide derivatives as imaging agents for the non-invasive assessment of the pancreatic islet cell mass in animals and humans. Exper. Clin. Endocrin. Diab. 113: 388-395 (2005)

-    Wängler B, Schneider S, Thews O, Schirrmacher E, Comagic S, Feilen P, Schwanstecher C, Schwanstecher M, Shiue CY, Alavi A, Höhnemann S, Piel M, Rösch F, Schirrmacher R. Synthesis and evaluation of (S)-2-(2-[18F]fluoroethoxy)-4-([3-methyl-1-(2-piperidin-1-yl-phenyl)-butyl-carbamoyl]-methyl)-benzoic acid ([18F]repaglinide): a promising radioligand for quantification of pancreatic ß-cell mass with positron emission tomography (PET). Nucl. Med. Biol. 31: 639-647 (2004)

- Schirrmacher E, Schirrmacher R, Thews O, Dillenburg W, Helisch A, Wessler I, Buhl R, Höhnemann S, Buchholz HG, Bartenstein P, Machulla HJ, Rösch F. Synthesis and preliminary evaluation of (R,R)(S,S) 5-(2-(2-[4-(2-[18F]fluoroethoxy)phenyl]-1-methylethylamino)-1-hydroxyethyl)-benzene-1,3-diol ([18F]FEFE) for the in vivo visualisation and quantification of the ß2-adrenergic receptor status in lung. Bioorg. Med. Chem. Lett. 13: 2687-2692 (2003)

Entwicklung HPMA-basierter Polymere als makromolekulare Medikamententräger für die Chemotherapie in der Onkologie

Eine weitere besondere Eigenschaft von Tumoren ist eine im Vergleich zu Normalge-weben deutlich höhere Permeabilität der Blutgefäße. Seit längerem wird diskutiert, ob sich diese erhöhte Permeabilität für Makromoleküle (z.B. Proteine), die auch als EPR-Effekt ("Enhanced Permeability and Retention Effect") bezeichnet wird, eignet, um Chemotherapeutika im Tumorgewebe anzureichern und somit Normalgewebe vor der zytotoxischen Wirkung zu schützen. Hierfür sollen neue makromolekulare Arzneistoffträger (statistische oder selbstorganisierende Polymere, Polyglycerole, mizellare Strukturen) entwickelt und auf ihre Eignung zur Anreicherung in Tumorgeweben hin untersucht werden. Auch soll geklärt werden, ob die Tumoranreicherung und die zelluläre Aufnahme durch die Anbindung geeigneter Liganden zusätzlich gesteigert werden kann. Schließlich sollen an diese Trägermoleküle Chemotherapeutika gekoppelt werden, die an der Internalisierung des Komplexes abgespalten werden und anschließend ihre zytotoxische Wirkung entfalten. Für die Studien zum Einfluss der Molekülgröße bzw. –struktur auf die Tumoranreicherung bestehen enge Kooperationsprojekte mit dem Institut für Organische Chemie der Universität Mainz. Da Untersuchungen zum EPR-Effekt eine Blutgefäßsystem mit Gefäßwand und Durchblutung voraussetzt, sind für dieses Forschungsprojekt Zellkulturexperimente nur bedingt aussagekräftig. Um die Kinetik und die Biodistribution dieser Medikamententräger zu untersuchen, werden die Verbindungen mit Radionukliden (18F, 68Ga) oder Fluorochromen gekoppelt und ihre Verteilung im Organismus und Tumoren mittels Positronen-Emissions-Tomographie bzw. Fluoreszenz-Imaging verfolgt.

Related articles:

-    Allmeroth M, Moderegger D, Biesalski B, Koynov K, Rösch F, Thews O, Zentel R. Modifying the body distribution of HPMA based copolymers by molecular weight and aggregate formation. Biomacromolecules 12: 2841-2849 (2011)

-    Hühn E, Buchholz HG, Shazly G, Maus S, Thews O, Bausbacher N, Rösch F, Schreckenberger M, Langguth P. Predicting the in vivo release from a liposomal formulation by IVIVC and non-invasive positron emission tomography imaging. Europ. J. Pharma. Sci. 41: 71-77 (2010)

-    Herth MM, Barz M, Moderegger D, Allmeroth M, Jahn M, Thews O, Zentel R, Rösch F. Radioactive labeling of defined HPMA-based polymeric structures using [18F]FETos for in vivo imaging by positron emission tomography. Biomacromolecules 10: 1697-1703 (2009)

Die Physiologie beschäftigt sich mit den funktionellen Zusammenhängen biologischer, physikalischer und chemischer Vorgänge im Organismus. Für den Wissenserwerb in diesem Fach steht weniger das Auswendiglernen von Fakten im Vordergrund als vielmehr das Verständnis der Kausalitäten. Dieses Wissen lässt sich aber in einigen Fällen weder durch einen Frontalunterricht noch durch praktische Übungen (aufgrund des Fehlens geeigneter Versuche) vermitteln. Hier können die neuen Medien einen wichtigen Beitrag leisten. So können Funktionszusammenhänge in Form mathematischer Modelle dargestellt werden, die es den Studierenden erlauben, die Auswirkungen und die Bedeutung einzelner physiologischer Parameter zu erfahren. An solchen Modellen können auch einfache therapeutische Interventionen nachgebildet werden, sodass erste Erfahrungen in einer Patienten-individuellen Behandlung gesammelt werden können. Hierfür sollen Software-Module entwickelt werden, die einen die Präsenzveranstaltungen ergänzenden Unterricht am eigenen Computer oder über das Internet ermöglichen.