title: Role of Hypoxia-inducible factor-1 and its target genes in human lung adenocarcinoma cells after photon- versus carbon ion irradiation
title: Expression HIF-1-abhängiger Gene in humanen Lungenadenokarzinom (A549)-Zellen und deren Regulation nach Photonen- und Schwerionenbestrahlung
Creators: name: Bill, Verena Maria
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Photon Irradiation
Bestrahlung
Medizin, Gesundheit

description: Exposed to hypoxia tumor cells are
      notably resistant to photon irradiation. The hypoxiainducible
      transcription factor 1α (HIF-1α) seems to play a fundamental
      role in this resistance, while its role after heavy-ion beam
      remains unknown. The intention of this study was to determine
      how A549-cells (non-small-cell lung carcinoma) react in
      different oxygenation states after irradiation with photons
      or heavy ions, particularly in regards to their expression of
      HIF-1 target genes. Resistance of hypoxic A549 cells after
      photon irradiation was documented by cellular and clonogenic
      survival. In contrast, cellular survival after heavy-ion
      irradiation in hypoxic cells was not elevated to normoxic
      cells. Among the oxygen dependent regulation of HIF-1 target
      genes, gene expression analyses showed an increased
      expression of GLUT-1, LDH-A, PDK-1 and VEGF after photon
      irradiation but not after heavy-ion irradiation after 48
      hours in normoxic cells. As expected, CDKN1A as inhibitor of
      cell cycle progression showed higher expression after both
      radiation forms; interestingly CDKN1A was also in an oxygen
      dependent manner lightly upregulated. In western blot
      analyses we demonstrated a significant increase of HIF-1 and
      GLUT-1 caused by hypoxia, but only a tendency of increased
      protein level in hypoxia after photon irradiation and no
      changes after heavy-ion irradiation. Significantly higher
      protein level of secreted VEGF-A could be measured 72 hours
      after photon irradiation in normoxic cells by ELISA analyses.
      Controversially discussed, I could not detect an association
      between HIF-1 and SCF or Trx-1 in A549-cells in this study.
      Whereas Trx-1-expression was neither influenced by changed
      oxygen partial pressure nor irradiation, I could show
      increased SCF mRNA by quantitative Real Time-PCR and secreted
      protein level by ELISA after photon irradiation independent
      of oxygen state. In summary, this study showed that HIF-1 and
      its target genes (GLUT-1, LDHA; PDK, VEGF) and also SCF was
      increased after photon irradiation and therefore could take
      part in radioresistance of photon irradiation therapy in
      contrast to heavy ions. These results suggest a further
      benefit of the radiotherapy using heavy ions for non-small
      cell lung cancer.
description: Hypoxische Tumorzellen sind
      besonders unsensibel für Photonenbestrahlung. Der
      Hypoxie–induzierbare Faktor (HIF-1), dessen Rolle nach
      Schwerionenbestrahlung noch unklar ist, wird als eine der
      wesentlichen Ursachen für die Radioresistenz gegenüber der
      konventionellen Photonenbestrahlung angesehen. Ziel dieser
      Arbeit war das zelluläre Überleben und die Regulation von
      HIF-1 und dessen Zielgenen nach beiden Bestrahlungsqualitäten
      unter verschiedenen Sauerstoffbedingungen an humanen
      nichtkleinzelligen Bronchialkarzinom-Zellen (A549) zu
      untersuchen. Hierzu wurde mit biologisch äquivalenten Dosen
      das im Koloniebildungstest bestimmten 10% Überleben (D10),
      für Photonen [6 Gy] und Schwerionen [2 Gy] bestrahlt. Die
      Ergebnisse des zellulären und klonogenen Überlebens belegten
      die unter Hypoxie beschriebene Resistenz gegenüber
      Photonenbestrahlung. Das Überleben hypoxischer gegenüber
      normoxischer A549-Zellen nach Schwerionenbestrahlung war
      jedoch nicht erhöht. Reoxygenierte Zellen zeigten kein
      erhöhtes Überleben nach Photonenbestrahlung. In den
      Genexpressionsanalysen hatte sich neben der
      sauerstoffabhängigen Regulation HIF-1-abhängiger Zielgene
      auch eine vermehrte Expression von GLUT-1, LDH-A, PDK-1 und
      VEGF durch Photonenbestrahlung nicht aber durch
      Schwerionenbestrahlung nach 48 h in normoxischen Zellen
      gezeigt. CDKN1A, der als Inhibitor der Zellzyklusprogression
      erwartungsgemäß nach Bestrahlung stark exprimiert wurde,
      zeigte auch eine sauerstoffabhängige Regulation. Für GLUT-1
      und HIF-1 stellte sich im Western Blot und einer
      anschließenden Densitometrie eine signifikante Steigerung
      durch Hypoxie dar, nach Photonenbestrahlung ließ sich ein
      Trend zur Expressionssteigerung erkennen und
      Schwerionenbestrahlung bewirkte keine Expressionsänderung.
      Auf Proteinebene zeigte sich nach 72 h eine signifikante
      Steigerung von VEGF durch Photonenbestrahlung in normoxischen
      Zellen. Die aktuell vermehrt auftretende Diskussion, dass SCF
      oder Trx-1 in Zusammenhang mit HIF-1 steht, ließ sich unter
      gegebenen Versuchsbedingungen für A549-Zellen nicht
      bestätigen. Während Trx-1 weder durch veränderten
      Sauerstoffgehalt noch durch Bestrahlung an den untersuchten
      Zeitpunkten in seiner Expression beeinflusst wurde, zeigte
      sich für SCF sowohl in der quantitativen Real Time-PCR als
      auch im ELISA eine vermehrte Expression nach
      Photonenbestrahlung, nicht jedoch nach
      Schwerionenbestrahlung. Zusammenfassend lässt sich annehmen,
      dass HIF-1 nach Photonenbestrahlung vermehrt aktiviert wird
      und somit Anteil an der Radioresistenz trägt, wohingegen
      HIF-1 bzw. dessen Zielgene nach Schwerionenbestrahlung nicht
      vermehrt exprimiert werden. Darin scheint ein weiterer
      wichtiger Unterschied zwischen Photonen- und
      Schwerionenbestrahlung zu liegen. Aufgrund der Assoziation
      von HIF-1 mit einer schlechten Prognose stellt der Einsatz
      von Schwerionenbestrahlung einen möglichen Vorteil für
      Schwerionenbestrahlung bei der Behandlung des
      nicht-kleinzelligen Bronchialkarzinoms dar, was klinisch zu
      beweisen wäre.