title: Identifizierung von Stoffwechselwegen in humanen Ovarialkarzinomzellen mit potentiell therapeutischer Relevanz
title: Identifizierung von Stoffwechselwegen in humanen Ovarialkarzinomzellen mit potentiell therapeutischer Relevanz
title: Identification of metabolic pathways in human ovarian cancer cells with potential therapeutic relevance
Creators: name: Obert, Julia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Eierstockkrebs
proliferation
Intermediärstoffwechsel , Metabolismus
ovarian cancer , metabolism
Proliferation
Medical sciences, Medicine
Medizin, Gesundheit
ECAR
OCR

description: Ein typisches Merkmal von
      Tumorzellen ist ihr veränderter Intermediärstoffwechsel.
      Tumor¬zellen sind häufig gekennzeichnet durch eine
      gesteigerte Glukoseaufnahme sowie die Bildung von Laktat auch
      in Anwesenheit von Sauerstoff (aerobe Glykolyse,
      "Warburg-Effekt"). Als weitere verstärkt ablaufende
      Stoffwechselwege rücken zunehmend der Abbau von Glutamin als
      anaplerotische Reaktion des Citratzyklus ("Glutaminolyse"),
      die de novo Fettsäuresynthese und der Fettsäureabbau über die
      β-Oxidation in den Mittelpunkt der Forschung. Die Inhibition
      dieser Stoffwechselwege könnte eine geeignete Angriffsstelle
      für künftige Krebstherapien sein. Das Ovarialkarzinom ist die
      gynäkologische Krebserkrankung mit der höchsten Letalität und
      weist häufig die Bildung von Aszites als besonderes
      Charakteristikum auf. Die Isolierung primärer Tumorzellen aus
      Aszites bietet eine einzigartige Möglichkeit zur Erforschung
      metabolischer Aberrationen in dieser Tumorentität. Ziel
      dieser Arbeit war die Identifizierung tumorspezifischer
      Stoffwechselwege als mögliche Angriffspunkte neuer
      Therapieansätze. Hierzu wurden patientenabgeleitete
      Ovarialkarzinomzellen im Vergleich zu einer Reihe etablierter
      Tumorzelllinien und der nicht-transformierten
      Brustepithelzelllinie MCF 10A eingesetzt. Voraussetzung dafür
      war die genaue Charakterisierung des metabolischen Phänotyps
      mit Hilfe von Expressionsanalysen und "metabolic profiling"
      mittels des Seahorse XFe Analyzers. Dafür wurden die
      metabolischen Parameter OCR (oxygen consumption rate) und
      ECAR (extracellular acidification rate) sowie die
      entsprechenden Kapazitäten unter Normalbedingungen und unter
      Anwendung von metabolischem Druck, vor allem durch den
      Einsatz von metabolischen Inhibitoren, gemessen. Im Zuge
      dieser Arbeit fiel eine Besonderheit im Stoffwechsel der
      Ovarialkarzinomzelllinie SKOV-3 auf. Die ATP-Produktion aus
      Glukose mittels oxidativer Phosphorylierung (OXPHOS) ist in
      diesen Zellen blockiert. Vermutet wurde zunächst ein Defekt
      im Citratzyklus. Dies ist jedoch nicht kompatibel mit dem
      Befund, dass SKOV-3 Zellen die ATP-Gewinnung mittels OXPHOS
      über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten können. Deshalb
      wurde ein "fatty acid cycle" (FAC) als alternativer
      Stoffwechselweg postuliert, der aus dem zyklischen Auf- und
      Abbau von Fettsäuren besteht. Die Vorteile des FAC für die
      Tumorzelle könnten in einer Unabhängigkeit von externer
      Substratzufuhr bei einer geleichzeitig gesteigerten anabolen
      Kapazität aufgrund der Verlagerung des Glukosestoffwechsels
      in Richtung Pentosephosphatweg sein. Aufgrund der
      potentiellen Vorteile des FAC für proliferierende Zellen ist
      es wahrscheinlich, dass dieser Zyklus auch in anderen Zellen
      operativ ist. Die Ursache für die Besonderheiten des SKOV-3
      Stoffwechsels ist möglicherweise ein verminderter Transport
      von Pyruvat in die Mitochondrienmatrix aufgrund einer
      verringerten Expression des Gens für den Mitochondrial
      Pyruvate Carrier 1 (MPC1). Ein weiterer wichtiger Befund war
      die Feststellung einer gesteigerten aeroben Glykolyse und
      β-Oxidation in allen patientenabgeleiteten
      Ovarialkarzinomzellen. Durch den Einsatz von Inhibitoren für
      Tumorzellen relevante Stoffwechselwege wurde die Möglichkeit
      einer Interferenz mit der Proliferation bzw. dem Überleben
      dieser Zellen mit Hilfe des xCELLigence RTCA untersucht.
      Dabei zeigte sich, dass einzelne Inhibitoren nur in exzessiv
      hohen Konzentrationen die Proliferation (wahrscheinlich
      unspezifisch) hemmten, dass aber die Kombination
      verschiedener Stoffwechselmodulatoren in Konzentrationen, in
      denen sie als einzelner Wirkstoff wirkungslos waren, zu
      deutlichen synergistischen Effekten führte. Vor allem die
      Kombination von Oxamat (Laktat-Dehydrogenase-Inhibitor) mit
      den Inhibitoren DCA (Inhibitor der
      Pyruvat-Dehydrogenase-Kinasen; PDKs), AOA (Inhibitor der
      Aspartat-Transaminase und damit des Malat-Aspartat-Shuttles)
      sowie SB204990 (Inhibitor der ATP-Citrat-Lyase) verursachte
      eine deutliche Proliferationsinhibition, bis hin zum
      Absterben der Zellen. Dennoch unterscheiden sich
      Ovarialkarzinomzellen von verschiedenen Patientinnen zum Teil
      deutlich hinsichtlich ihres Metabolismus bzw. der
      Auswirkungen von Inhibitoren auf die Proliferation. Beispiele
      hierfür sind Unterschiede bei (i) der Nutzung von Glutamin
      und Pyruvat als alleinigem Substrat, (ii) der Abhängigkeit
      von PDKs, Laktat-Dehydrogenase und Aspartat-Transaminase
      (iii) der Korrelation metabolischer Reaktionen auf
      Inhibitoren mit Effekten auf die Proliferation. Dies zeigt,
      dass eine potentielle Anwendung metabolischer Inhibitoren
      eine personalisierte Tumordiagnostik notwendig macht, um
      individuell optimale Kombinationen von Wirkstoffen zu
      identifizieren. Zudem könnte die Untersuchung dieser
      Hemmstoffe in Kombination mit Chemotherapeutika oder
      Modulatoren von Signalwegen ggf. zu optimierten
      Therapiekonzepten führen.
description: A characteristic feature of tumor
      cells is their altered intermediary metabolism. Tumor cells
      frequently exhibit increased glucose uptake and lactate
      production even in the presence of oxygen (aerobic
      glycolysis, "Warburg effect"). Other metabolic pathways
      activated in tumor cells, including the degradation of
      glutamin as an anaplerotic reaction of the citric acid cycle
      ("glumaminolysis"), de novo fatty acid synthesis and fatty
      acid degradation via β-oxidation also have attracted
      particular attention. These altered metabolic pathways
      represent promising potential pharmacologic targets for
      cancer therapy . Ovarian cancer is the most lethal of all
      gynaecologic malignancies with the development of ascites in
      the peritoneal cavity as a characteristic feature. The
      isolation of primary cancer cells from ascites provides a
      unique opportunity to investigate metabolic aberrations in
      this tumor entity. The aim of this study was the
      identification of tumor-specific metabolic pathways as
      potential targets for new therapeutic approaches. For this
      purpose, patient-derived ovarian carcinoma cells were
      analyzed in comparison to a number of established tumor cell
      lines and the non-transformed breast epithelial cell line
      MCF-10A. A prerequisite for this study was the
      characterization of the metabolic phenotypes by expression
      analysis and "metabolic profiling" using the Seahorse XFe
      analyzer. Towards this goal, the metabolic parameters OCR
      (oxygen consumption rate) and ECAR (extracellular
      acidification rate) as well as the corresponding metabolic
      capacities were measured under normal conditions and
      metabolic pressure, mainly induced by metabolic inhibitors.
      This work revealed a specific metabolic feature of the
      ovarian carcinoma cell line SKOV-3. ATP production from
      glucose by oxidative phosphorylation (OXPHOS) is blocked in
      these cells. Initially, this was hypothesized to be caused by
      a defect in TCA-cycle. However, this hypothesis is not
      compatible with the finding that SKOV-3 cells are able to
      sustain ATP recovery via OXPHOS over long periods of time.
      Therefore, a "fatty acid cycle" (FAC) was postulated as an
      alternative metabolic pathway. This pathway consists of the
      cyclic synthesis and degradation of fatty acids. The
      advantages of the FAC could be independence of external
      supply of substrates and increased anabolic capacity due to a
      shift of glucose metabolism towards pentose phosphate
      pathway. Due to the advantages of the FAC for proliferating
      cells, it is likely that this cycle is also operative in a
      variety of other cells. The reason for the abnormal SKOV-3
      metabolism was in the end localised as a defect in pyruvate
      transport into the mitochondrial matrix, which is due to a
      reduced expression of Mitochondrial Pyruvate Carrier 1 gene
      (MPC1). Another important result was the finding of increased
      aerobic glycolysis and β-oxidation in all patient-derived
      ovarian carcinoma cells. By using inhibitors of tumor
      relevant metabolic pathways, the potential to interfere with
      the proliferation or survival of these cells was examined
      using the xCELLigence RTCA. It was shown that single
      inhibitors were able to reduce proliferation (probably
      unspecifically) only at excessive concentrations, but that
      the combination of different metabolic modulators at
      concentrations ineffective on their own resulted in
      significant synergistic effects. Especially the combination
      of Oxamate (lactate dehydrogenase inhibitor) with the
      inhibitors DCA (inhibitor of pyruvate dehydrogenase kinases;
      PDKs), AOA (inhibitor of aspartate transaminase and thus of
      the malate aspartate shuttle) and SB204990 (inhibitor of ATP
      citrate lyase) caused a distinct proliferation inhibition,
      including cell death. Nevertheless ovarian carcinoma cells
      from different patients differ in part substantially with
      respect to their metabolism and the anti-proliferative
      effects of inhibitors. Examples are differences in (i) the
      utilization of glutamine and pyruvate as the sole substrate,
      (ii) the dependence of PDKs, lactate dehydrogenase and
      aspartate transaminase, and (iii) the correlation of
      metabolic responses to inhibitors with anti-proliferative
      effects. This demonstrates that the potential application of
      metabolic inhibitors necessitates personalized tumor
      diagnostics to identify individually optimal combinations of
      drugs. Furthermore, the investigation of these inhibitors in
      combination with chemotherapeutic agents or modulators of
      signaling pathways could possibly lead to optimized
      therapeutic concepts.