Die Rolle des xCT-Transporters bei der Progression maligner Gliome

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-04-06
Issue Year
2010
Authors
Heckel Alexandra, 
Editor
Abstract

2.1 Background and aims Malignant gliomas, for example glioblastoma multiforme WHO IV, represent one of the most aggressive and lethal human neoplasias. Hallmarks are unresisted proliferation, invasive tumour growth, angiogenesis and induction of neurodegeneration and brain edema. Neurosurgery and adjuvant therapies like irradiation and chemotherapy are mostly insufficient options. The mechanisms by which malignant gliomas cause neuronal degeneration and brain edema are still unclear. It is thought, that extracellular neurotoxic factors play an important role in this process. To illuminate these unresolved processes and possibly to create new methods for treatment, both were incentives for this work. 2.2 Methods To address this issue, we have developed, in this experimental study, a technique for tracking glioma cell growth and for making the extracellular fluid accessible in an organotypic brain environment using real-time live cell microscopy with fluorescence. Determination of glutamate was the main focus of attention. Cerebral edema was measured by MRI scans at different time periods. 2.3 Results In this study, the excitatory neurotransmitter glutamate has been mainly shown as an inductor of neuronal apoptosis. Analysis of glutamate transporters revealed further that the cystine-glutamate-exchanger xCT is elevated in primary human gliomas. SiRNA- mediated-knockdown of xCT achieved diminished glutamate secretion in gliomas and consequently reduced glioma-induced cell death, although xCT is dispensable for malignant glioma growth. To characterize the impact of these results, we assessed the clinical status of the xCT-knockdown implanted gliomas in rat brains and used MRI imaging. Gliomas with silenced xCT showed a delayed onset of neurological deficits and a prolonged survival. MRI scans with xCT-knockdown gliomas revealed a significant smaller perifocal edema. xCT demonstrate a critical role for glioma-induced neurodegeneration and the development of brain edema. 2.4 Clinical significance Probably these results offer a new starting point for strategy in the treatment of malign gliomas in future, supporting the concept, that perifocal edema formation around gliomas may in part be a consequence of the high glutamate concentrations and peritumoral cell death. These examinations may have an influence on an elongated survival of the patients in the first instance and enhance quality of life.

Abstract

1.1 Hintergründe und Ziele Die ungehemmte Proliferation, das invasive Wachstumsverhalten, die pathologische Angiogenese sowie die massive Induktion der Neurodegeneration als auch des Gehirnödemes kennzeichnen einen der aggressivsten und häufig tödlich endenden menschlichen primären Hirntumoren, das maligne Gliom, mit seinem bösartigsten Vertreter des Glioblastoma multiforme WHO Grad IV. Trotz chirurgischer Resektion, adjuvanter Radio- und Chemotherapie kann der Tumor bis heute nicht geheilt werden und geht daher mit einer durchschnittlichen Überlebenszeit von ca. 12 Monaten nach Diagnosestellung einher. Die bei der Entstehung der neuronalen Degeneration und des Gehirnödemes zugrunde liegenden Mechanismen sind bis heute ungeklärt, wobei Vermutungen vorliegen, in denen bestimmten extrazellulären neurotoxischen Faktoren eine wichtige Rolle in diesem Prozess zugesprochen wird. Die Motivation dieser Arbeit lag darin, diese unbestätigten Prozesse näher zu beleuchten, die zugrundeliegenden molekularen Faktoren zu identifizieren und daran mögliche neue Behandlungsansätze abzuleiten. 1.2 Untersuchungsmethoden Um dieser These nachzugehen, wurde in dieser experimentellen Studie speziell eine Technik entwickelt, in der mit einem zeitmessenden Mikroskop die lebenden Gliomzellen in einem organotypischen Umgebungsmodell untersucht und mittels der Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht werden konnten. Damit war es zum einen möglich, das Gliomzellwachstum selbst zu verfolgen und sich zum anderen Zugang zum Extrazellularraum zu verschaffen, wobei das Hauptaugenmerk auf der Glutamatbestimmung lag. Zur Berechnung des vorliegenden Gehirnödemes wurden zu verschiedenen Zeitpunkten MRT-Aufnahmen im in-vivo-Modell vorgenommen. 1.3 Ergebnisse Im Rahmen der Promotion konnte gezeigt werden, dass der exzitatorische Neurotransmitter Glutamat vornehmlich zur Induktion der neuronalen Apoptose beiträgt. Die Glutamattransporteranalyse in primären menschlichen Gliomen ermittelte den Cystin/Glutamat-Antiporter (System xCT) als führende Instanz in diesem Prozess. Die sogenannte siRNA-vermittelte Herabregulierung dieses xCT-¬Transporters erzielte zum einen eine verminderte Glutamatsekretion mit konsekutiver Senkung der Neurodegeneration, wobei jedoch das Tumorwachstum selbst unbeeinflusst blieb. Das kernspintomographisch ermittelte zerebrale Ödem zeigte zum anderen in den xCT-herabregulierten Gliomen, die in Rattengehirne implantiert wurden, eine deutlich geringere Ausdehnung, und erreichte dadurch einen verzögerten klinischen Eintritt der neurologischen Ausfallsmuster mit längerer Überlebenszeit der Ratten. Diese Resultate belegen die kritische Funktion und Stellung von xCT in der Gliom-induzierten Neurodegeneration und der Entwicklung des Gehirnödemes. 1.4 Praktische Schlussfolgerungen Anhand dieser Ergebnisse kann die These unterstützt werden, dass die perifokale Ödemzone um die Gliome, zumindest zum Teil, eine Konsequenz der erhöhten extrazellulären Glutamatansammlung mit dem nachfolgenden peritumoralen Zelltod sein könnte. Möglicherweise könnte dies als Ansatzpunkt in der zukünftigen Behandlungsstrategie der malignen Gliome dienen. Diese Kenntnisse können sowohl das Überleben als auch die neurologischen Schäden zugunsten der Patienten beeinflussen, und dadurch eine Steigerung der Lebensqualität

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