| License: Publishing license for publications excluding print on demand PDF - Submitted Version (141MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-337571
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.33757
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 12 May 2016 |
| Referee: | Prof. Peter Hau |
| Date of exam: | 8 April 2016 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Neurologie Medicine > Zentren des Universitätsklinikums Regensburg > Zentrum für Hirntumore (ZHT) |
| Keywords: | Glioblastoma, GBM, brain tumor initiating cells, BTIC, STAT3, ibuprofen, diclofenac |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 570 Life 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: | 33757 |
Abstract (English)
High-grade gliomas, especially glioblastomas, are highly complex and heterogeneous primary brain tumours. Glioblastoma (GBM) is one of the most aggressive cancers with poor overall survival prognosis. Fast and widespread invasion of the brain parenchyma by a subpopulation of progenitor tumour cells is a main pathophysiological feature of these tumours. Invasion renders localised therapies ...
Abstract (English)
High-grade gliomas, especially glioblastomas, are highly complex and heterogeneous primary brain tumours. Glioblastoma (GBM) is one of the most aggressive cancers with poor overall survival prognosis. Fast and widespread invasion of the brain parenchyma by a subpopulation of progenitor tumour cells is a main pathophysiological feature of these tumours. Invasion renders localised therapies ineffective and is a primary cause of tumour recurrence as well as associated morbidity. Identification of factors related to invasion of brain tumour initiating cells (BTIC) into the surrounding parenchyma may provide strategic targets for early and sustained anti-invasion therapies. The dependency and interaction of infiltrative progeny cells with the tumour microenvironment as well as their adaptive development from the tumour cell fraction have not been adequately investigated.
Organotypic brain slice cultures (OBSC) were used as a valuable in situ model to analyse migration, as well as invasion, in conditions that simulate normal brain tissue and its respective microenvironmental influences. Unlike common animal models, this allowed monitoring of live tumour cell invasion in real time. Invasion of glioblastoma cells was induced by inoculation of fluorescence tagged human BTICs in the hippocampal region of OBSCs. During this analysis, morphologically distinct invasive cells emerged from the initial cell population, which drove invasion into the surrounding tissue. Differences in cell morphology and behaviour allowed categorisation of three populations of cells into leader, follower, and stationary which were otherwise not possible to observe in 2D migration assays.
To assess cellular expression markers specific for each group, a micromanipulator adapter was developed to isolate the separate cell subpopulations from OBSCs. After cDNA library generation and subsequent microarray analysis, a detailed comparison between stationary, follower, and leader cells was conducted. Invasive cells exhibited a markedly distinct expression pattern in comparison to follower and stationary cells, which allowed designation of a leader cell-specific gene expression signature. Unravelling the dynamics and complexity of leader cell invasion and induction by microenvironmental cues may provide new targets for future development of effective glioma treatments.
Deciphering the roles of leader, follower, and stationary cells in heterogeneous GBM is a long-term goal. However, an important short-term objective should be the improvement of existing standard therapy. Combined adjuvant therapies may prolong the currently very short median survival rate of patients with glioma. It was previously demonstrated that ibuprofen and diclofenac exhibit significant anti-tumourigenic effects on GBM cell lines in vitro. Although it was not conclusively proven here, restriction of signal transducer and activator of transcription number 3 (STAT3) phosphorylation and c-myc modulation could constitute mechanisms of their GBM restricting capacities.
In parallel, the unknown characteristics of primary BTICs and their differentiated pairs were analysed with regard to selected transcription factor expression as well as their motility and proliferation. Correlation of proliferation and migration allowed for clustering of the cells into separate subgroups. Subsequently, separate, well-characterised cell lines were analysed for sensitivity to STAT3-specific inhibition. This analysis revealed a remarkable restriction of both proliferation and migration in in vitro as well as in situ analyses.
The findings of the present study suggest that STAT3 is an important target for further therapy approaches of high-grade gliomas, and is supported by the identification of STAT3 as part of the leader cell gene expression signature in this work. The results presented here indicate that there may be value in the investigation of Stattic or other STAT3 specific inhibitors in clinical trials for glioma treatment.
Translation of the abstract (German)
Höhergradige Gliome, im besonderen Glioblastome sind sehr komplexe, heterogene hirneigene Tumore. Glioblastome zählen zu den aggressivsten Krebsformen mit einer sehr schlechten Prognose. Ein pathophysiologisches Hauptmerkmal ist die schnelle und weit ausgedehnte Invasion des Hirnparenchyms durch eine Subpopulation von Tumorvorläuferzellen. Diese infiltrierenden Tumorzellen stehen im Zusammenhang ...
Translation of the abstract (German)
Höhergradige Gliome, im besonderen Glioblastome sind sehr komplexe, heterogene hirneigene Tumore. Glioblastome zählen zu den aggressivsten Krebsformen mit einer sehr schlechten Prognose. Ein pathophysiologisches Hauptmerkmal ist die schnelle und weit ausgedehnte Invasion des Hirnparenchyms durch eine Subpopulation von Tumorvorläuferzellen. Diese infiltrierenden Tumorzellen stehen im Zusammenhang mit der Ineffektivität lokaler Therapien. Zugleich stellt die Infiltration die primäre Ursache für Rezidiventwicklung sowie die damit verbundenen Mortalität dar. Die Identifizierung von Faktoren, die wesentlich zur Invasion Hirntumor induzierenden Zellen (BTIC) in das umgebende Parenchym beitragen, kann entscheidende, strategische Ziele für frühe und nachhaltige invasionshemmende Therapien aufzeigen. Bislang ist die Abhängigkeit und Interaktion der infiltrierenden Vorläuferzellen mit dem sie umgebenden Mikromilieu wenig untersucht. Ebenso wenig ist die adaptive Entwicklung der Zellen an das Mikromilieu ergründet, die es den Zellen ermöglicht den Tumorherd zu verlassen.
Organotypische Hirnschnittkulturen (OBSC) wurden als nützliches in situ Model verwendet, um Migration sowie Invasion von Gliom-Zellen unter Konditionen, die das normale Hirngewebe reflektieren zu untersuchen. Im Gegensatz zu üblicherweise verwendeten Tiermodellen ermöglichen OBSCs die live Nachverfolgung der Invasion von Tumorzellen in das Gewebe. Diese Invasion wurde durch die Implantation von Fluoreszenz-markierten humanen BTICs in die Nähe der Hippocampusregion der OBSCs induziert. Durch diese Analysemethode konnten invasive Zellen identifiziert werden, die sich aus der initialen Zellpopulation entwickelten und die Invasion in das umliegende Parenchym voran getrieben haben. Unterschiede in Zellmorphologie und –verhalten führten zur Differenzierung dreier Zellpopulationen: Leader, Follower und Stationary. Diese Unterscheidung war in
2D Migrationsanalysen nicht möglich. Um das spezifische Genexpressionsprofil der einzelnen Gruppen zu untersuchen, wurde ein Adapter für einen Mikromanipulator entwickelt, um die einzelnen Teilpopulationen getrennt von einander aus OBSCs isolieren zu können. Aus den isolierten Zellen wurden cDNA Bibliotheken generiert, sodass eine Microarray-Analyse erfolgen konnte, die einen detaillierten Vergleich zwischen Leader-, Follower- und Stationary-Zellen ermöglichte. Die invasiven Leader-Zellen wiesen ein von Follower- und Stationary-Zellen deutlich abweichendes Expressionsmuster auf, welches zur Identifizierung einer für Leader-Zellen spezifischen Gensignatur führte. Die Entschlüsselung der Leader-Zellinvasion unterliegenden Dynamik und Komplexität, sowie ihrer Induktion durch Einflüsse des Mikromilieus kann neue Angriffspunkte für die weitere Entwicklung effektiver Gliom-Therapien liefern.
Die Aufklärung relevanter Einflussfaktoren in der Beziehung von Leader-, Follower- und Stationary-Zellen zueinander und innerhalb heterogener Glioblastome ist ein langfristiges Ziel. Dahingegen stellt die Verbesserung existierender Standardtherapien eine wichtige kurzfristige Aufgabe dar. So könnten adjuvante Kombinationstherapien zur Verlängerung der momentan sehr kurzen medianen Überlebensrate führen oder die Lebensqualität von Patienten verbessern. Es wurde bereits gezeigt, dass Ibuprofen und Diclofenac in vitro signifikante anti-tumorigene Wirkung auf Glioblastom-Zelllinien haben. Diesen anti-tumorigenen Wirkmechanismen könnten eine Hemmung der Phosphorylierung des „signal transducer and activator of transcription number 3“ (STAT3) sowie eine Modulierung von c-myc zugrunde liegen, jedoch konnte dies in der vorliegenden Arbeit nicht eindeutig bewiesen werden.
Parallel dazu wurden die bisher unbekannten Eigenschaften primärer BTICs und der jeweiligen differenzierten Pendants bezüglich der Expression ausgesuchter Transkriptionsfaktoren sowie ihrer Migrations- und Proliferationsrate hin, untersucht. Durch Korrelation von Proliferations- und Migrationsraten war eine Gruppierung der Zellen in separate Untergruppen möglich. Diese gut charakterisierten Zellen wurden außerdem auf ihr Ansprechen auf eine STAT3-spezifische Hemmung hin untersucht, was eine beträchtliche Beeinträchtigung der Proliferation sowie Migration in vitro und in situ zur Folge hatte.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit weisen darauf hin, dass für zukünftige Therapieansätze höhergradiger Gliome, STAT3 ein wichtiges Angriffsziel darstellt. Dies wird durch die Tatsache gestützt, dass STAT3 in dieser Arbeit als Teil der Genexpressionssignatur der Leader-Zellen identifiziert wurde. Die hier präsentierten Daten deuten darauf hin, dass die Untersuchung von Stattic oder anderer spezifischer STAT3 Inhibitoren im Rahmen klinischer Studien für Gliom-Therapien von Nutzen sein könnte.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 22:42
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