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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-209441
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.20944
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 14 June 2012 |
| Referee: | Prof. Dr. Jens Schlossmann and Prof. Dr. Marina Kreutz |
| Date of exam: | 2 May 2011 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Innere Medizin III (Hämatologie und Internistische Onkologie) Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmacology and Toxicology (Prof. Schlossmann, formerly Prof. Seifert) |
| Keywords: | Tumor, Tumormetaboliten, Immunsystem, Monozyten, Milchsäure, 5'-Deoxy-5'-Methylthioadenosin |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 20944 |
Abstract (German)
Tumorzellen weisen im Vergleich zu untransformierten Zellen häufig metabolische Dysregulationen auf. Beispielsweise können viele Tumorzellen aufgrund einer Defizienz der MTA-Phosphorylase (MTAP) das im Rahmen der Polyaminsynthese entstehende Nukleosid 5’-Deoxy-5’-Methylthioadenosin (MTA) nicht abbauen. Dies führt zur Akkumulation von MTA im Tumormilieu. Da bereits immunmodulatorische Effekte ...
Abstract (German)
Tumorzellen weisen im Vergleich zu untransformierten Zellen häufig metabolische Dysregulationen auf. Beispielsweise können viele Tumorzellen aufgrund einer Defizienz der MTA-Phosphorylase (MTAP) das im Rahmen der Polyaminsynthese entstehende Nukleosid 5’-Deoxy-5’-Methylthioadenosin (MTA) nicht abbauen. Dies führt zur Akkumulation von MTA im Tumormilieu. Da bereits immunmodulatorische Effekte verschiedener Tumormetaboliten bekannt waren, wurde in dieser Arbeit der Einfluss des Tumormetaboliten MTA unter den im Tumormilieu vorherrschenden inflammatorischen Bedingungen auf humane Monozyten untersucht. MTA hatte bereits in relativ geringen und möglicherweise physiologischen Konzentrationen eindeutig positive Effekte auf die Sekretion der Zytokine Interleukin (IL)-6 und IL-10 durch Monozyten, die auch bei suboptimaler Lipopolysaccharid (LPS)-Stimulation auftraten. Die Sekretion des Zytokins Tumornekrosefaktor (TNF) wurde nur in Gegenwart suboptimaler LPS-Konzentrationen durch relativ geringe MTA-Konzentrationen stimuliert. Höhere MTA-Konzentrationen reduzierten die TNF-Sekretion nicht aktivierter Monozyten und die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) durch die Monozyten.
Des Weiteren wurde untersucht, ob die Wirkung von MTA auf Monozyten über Adenosinrezeptoren vermittelt wird. Obwohl die Monozyten Adenosinrezeptoren auf ihrer Oberfläche exprimierten, wurde bei Analyse intrazellulärer cAMP- und Kalzium-konzentrationen kein Effekt von MTA festgestellt. Bei gleichzeitiger Inkubation von Monozyten mit MTA und Adenosinrezeptorantagonisten wurde die IL-6-Antwort nicht inhibiert. Dies deutet darauf hin, dass die Effekte auf die Zytokinsekretion und die ROS-Produktion der Monozyten nicht über Adenosinrezeptoren vermittelt werden.
Das wohl bekannteste Beispiel eines veränderten Stoffwechselweges in Tumorzellen stellt die Glykolyse dar. Infolge der starken glykolytischen Aktivität von Tumorzellen produzieren diese Laktat, welches im Kotransport mit Protonen, also als Milchsäure, aus den Zellen exportiert wird und im Tumormilieu akkumuliert. Der Einfluss von Milchsäure unter den im Tumormilieu vorherrschenden inflammatorischen Bedingungen auf humane Monozyten stand im Mittelpunkt des zweiten Teils dieser Arbeit. Da Milchsäure zu einer extrazellulären Ansäuerung führt, wurden parallel zu dem Einfluss von Milchsäure auch der Einfluss von Natriumlaktat, des Natriumsalzes der Milchsäure sowie der Effekt des reduzierten pH-Werts auf die Monozyten studiert. Milchsäure hatte bereits in geringen Konzentrationen einen ausgeprägten Effekt auf die LPS-stimulierte TNF-Sekretion der Monozyten. Bei hohen Milchsäurekonzentrationen wurde dieser Effekt auch durch die entsprechende Ansäuerung, aber nicht durch Laktat hervorgerufen. Dieser Einfluss der Milchsäure auf die TNF-Sekretion wurde bei Kokultur humaner Monozyten mit multizellulären Tumorsphäroiden bestätigt. Neben TNF wurde auch die LPS-stimulierte Sekretion von IL-6 durch hohe Milchsäurekonzentrationen, nicht aber durch die entsprechende Ansäuerung oder durch Laktat inhibiert. Die Produktion von ROS durch Monozyten wurde bei hohen Milchsäurekonzentrationen pH-abhängig supprimiert.
Analysen zum Mechanismus der Wirkung von Milchsäure auf Monozyten zeigten, dass Laktat, durch die Monozyten aufgenommen wird. Darüber hinaus wurden in Anwesenheit von Milchsäure eine Abnahme der LPS-induzierten Glukoseaufnahme sowie eine reduzierte Laktatsekretion festgestellt. Die entsprechende Ansäuerung und extrazelluläres Laktat hatten einen moderaten Effekt auf beide Parameter. Bei Inkubation mit Milchsäure und entsprechender Ansäuerung wurde außerdem eine intrazelluläre Akkumulation von Laktat beobachtet, die nur sehr schwach bei Inkubation mit Laktat auftrat. Diese Daten implizieren, dass extrazelluläre Milchsäure und in abgeschwächter Weise auch die entsprechende Ansäuerung bzw. Laktat die Glykolyse der Monozyten inhibieren. Eine Inhibition der Glykolyse durch 2-Deoxyglukose supprimierte ebenfalls die TNF-Sekretion der Monozyten. Dies bestätigt die bereits bekannte Relevanz der Glykolyse für die Zytokinsekretion von Monozyten und zeigt, dass niedrige Milchsäurekonzentrationen wahrscheinlich über die Inhibition der Glykolyse die TNF-Sekretion supprimieren.
Bei einer genomweiten Analyse mittels RNA-Expressionsarrays wurde eine ausgeprägte Verzögerung der LPS-induzierten Genexpression in Monozyten durch Milchsäure festgestellt. Dieser Effekt wurde nur teilweise durch die entsprechende Ansäuerung, nicht aber durch Natriumlaktat hervorgerufen. Innerhalb der erstellten Clusteranalyse wurde eine signifikante Anreicherung von verschiedenen „Gene Ontology“-Begriffen gefunden, die mit einer Immunantwort, aber auch anderen zellulären Abläufen in Verbindung stehen. Die Untersuchung der mRNA-Expression verschiedener Gene bestätigte das Ergebnis der Arrays und zeigte, dass Milchsäure teils auch längerfristige Effekte auf die Genexpression hatte. In Übereinstimmung mit der Arrayanalyse konnte schließlich demonstriert werden, dass Milchsäure und in geringerem Ausmaß auch die entsprechende Ansäuerung den LPS-induzierten Abbau des Inhibitors von κB α (IκBα) sowie die Phosphorylierung der Proteinkinase B (Akt) verzögern. Dies zeigt, dass im Wesentlichen hohe Milchsäurekonzentrationen über die kurzfristige Blockierung der LPS-abhängigen Signaltransduktion die Genexpression transient beeinflussen. Die daneben auftretenden lang anhaltenden Effekte auf die Genexpression könnten unter anderem über die Herunterregulation von Transkriptionsfaktoren oder Signalproteinen bedingt sein.
Die Ergebnisse zum Einfluss der Tumormetaboliten MTA und Milchsäure auf humane Monozyten zeigen, dass der dysregulierte Stoffwechsel von Tumoren wichtige Funktionen von Monozyten beeinträchtigt und so zur Veränderung der Immunantwort im Tumormilieu beiträgt. Darüber hinaus verdeutlichen die Beispiele Milchsäure und MTA, dass die Modulation von Immunzellen durch Tumormetaboliten über verschiedene Mechanismen stattfinden kann: MTA fördert durch die Induktion von IL-6 und IL-10 eine protumorale Immunantwort. Im Gegensatz dazu trägt die bereits bei geringen Milchsäure-konzentrationen auftretende Inhibition der TNF-Sekretion zur Suppression einer Antitumor-Antwort des Immunsystems bei. Eine genaue Kenntnis der Wirkmechanismen verschiedener Tumormetaboliten auf Immunzellen ist nötig, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Tumorzellen und Immunzellen zu verstehen und mit diesem Wissen selektive Strategien zur Modulation des Tumormetabolismus im Rahmen von Antitumor-Therapien zu entwickeln.
Translation of the abstract (English)
Tumor cells unlike untransformed cells frequently exhibit metabolic dysregulations. Many tumor cells for example are incapable of degrading the nuceloside 5’-deoxy-5’-methylthioadenosine (MTA), a byproduct of the polyamine synthesis. This results in the accumulation of MTA in the tumor milieu. Since different studies had revealed immune modulatory effects of several tumor metabolites the ...
Translation of the abstract (English)
Tumor cells unlike untransformed cells frequently exhibit metabolic dysregulations. Many tumor cells for example are incapable of degrading the nuceloside 5’-deoxy-5’-methylthioadenosine (MTA), a byproduct of the polyamine synthesis. This results in the accumulation of MTA in the tumor milieu. Since different studies had revealed immune modulatory effects of several tumor metabolites the influence of the tumor metabolite MTA on human monocytes was analyzed under inflammatory conditions existing in the tumor milieu. Even in low and potentially physiologic concentrations MTA had an unequivocal positive effect on the secretion of the cytokines interleukin (IL)-6 and IL-10. This effect was also observed after suboptimal lipopolysaccharide (LPS) stimulation. The secretion of the cytokine tumor necrose factor (TNF) was only in the presence of suboptimal LPS concentrations stimulated by relatively low MTA concentrations. Higher MTA levels diminished the TNF secretion of resting monocytes as well as the production of reactive oxygen species (ROS) by these cells.
Furthermore, it was analyzed whether the effect of MTA on monocytes is mediated via adenosine receptors. Although adenosine receptors were found to be expressed on the surface of monocytes no effect of MTA on intracellular cAMP or calcium concentrations was detected. In addition, the concomitant incubation of monocytes with MTA and adenosine receptor antagonists did not reduce the IL-6 secretion of these cells. This indicates that adenosine receptors are not involved in the effects of MTA on the cytokine secretion and ROS production of monocytes.
Probably the best known example of an altered tumor metabolism is the glycolysis. Due to their strong glycolytic activity, tumor cells produce lactate which is exported in the cotransport with protons. Thus, tumor cells secrete lactic acid which thereupon accumulates in the tumor milieu. The second part of this work focused on the influence of lactic acid on human monocytes in the context of the inflammatory conditions existing in the tumor milieu. Since the production of lactic acid leads to an extracellular acidification the influence of sodium lactate, the sodium salt of lactic acid, as well as the influence of a reduced extracellular pH-value was studied in addition to the effect of lactic acid on human monocytes. Even low lactic acid concentrations significantly suppressed the LPS-stimulated TNF secretion of monocytes. In the presence of high lactic acid concentrations this effect was also caused by the corresponding acidification but not by lactate. This influence of lactic acid on the TNF secretion was confirmed in a coculture model of human monocytes with multicellular tumor spheroids. Besides TNF, high concentrations of lactic acid also inhibited the LPS-stimulated secretion of IL-6. However, the IL-6 secretion was not impaired by the corresponding acidification or lactate concentration. The ROS production of monocytes was suppressed by high lactic acid concentrations in a pH-dependent manner.
Analyses concerning the mechanism underlying the effect of lactic acid showed that lactate is taken up by monocytes. Moreover, a decrease in the LPS-induced glucose uptake and a reduced secretion of lactate in the presence of extracellular lactic acid were detected. The corresponding acidification as well as sodium lactate had a moderate effect on both parameters. Furthermore, in the presence of both lactic acid and the corresponding acidification an accumulation of intracellular lactate was observed. The incubation with extracellular lactate caused only a weak increment of the intracellular lactate level. These data implicate that lactic acid and in an attenuated manner also the corresponding acidification or lactate inhibit the glycolytic flux of monocytes. Additionally, blocking of glycolysis by 2-deoxyglucose suppressed the TNF secretion of monocytes. This result confirms the well-known relevance of the glycolysis for the cytokine secretion of monocytes and suggests that the suppression of the TNF secretion by low lactic acid concentrations is mediated via an inhibition of glycolysis.
In the course of a whole genome microarray expression analysis lactic acid was found to strongly delay the LPS-induced gene expression. This effect was only partly observed in the presence of the corresponding acidification and could not be detected in the presence of sodium lactate. The generated cluster analysis contained a significant accumulation of different gene ontology terms linked with both an immune response and other cellular processes. The verification of the mRNA expression of diverse genes confirmed the result of the microarrays. In addition, prolonged effects of lactic acid on the gene expression were observed. In line with the microarray analysis lactic acid and to a lesser extent the corresponding acidification were found to delay the LPS-induced degradation of the inhibitor of κB α (IκBα) and the phosphorylation of the protein kinase B (Akt). This demonstrates that high lactic acid concentrations temporary block the LPS-induced signal transduction and thereby transiently influence the gene expression. The concomitant long-lasting effects on the gene expression might be caused among other things by a downregulation of transcription factors or signalling molecules.
The results on the influence of the tumor metabolites MTA and lactic acid on human monocytes clearly show that the dysregulated metabolism of tumors impairs important functions of monocytes and thereby accounts for the modulation of immune cells by the tumor milieu. Furthermore, the examples lactic acid and MTA illustrate that the modulation of immune cells by tumor metabolites can occur via different mechanisms: MTA supports a protumoral immune response by inducing IL-6 and IL-10. By contrast, the inhibition of the TNF secretion, which is already detectable in the presence of low lactic acid concentrations, contributes to the suppression of an anti-tumor response of the immune system. The precise knowledge of the mechanism of action of different tumor metabolites on immune cells is required to understand the complex interactions between tumor cells and immune cells and to apply this knowledge in the development of selective strategies on the modulation of the tumor metabolism in the course of anti-tumor therapies.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 06:43
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