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Gulsah ALBAYRAK1 , Ece KONAC1 , Umit Akin DERE2 , Hakan EMMEZ2

1 Gazi Universität, Medizinische Fakultät, Abteilung für Medizinische Biologie und Genetik, Ankara, Türkei
2 Gazi Universität, Medizinische Fakultät, Abteilung für Neurochirurgie, Ankara, Türkei


Korrespondenz: Ece KONAC; E-Mail: [email protected]

Empfangen: 16 January 2020Accepted
: 3 July 2020Published
: 29 December 2020

Zusammenfassung

ZIEL: Es sollten die Wirkungen von Metformin, Dichloracetat (DCA) und Memantin auf T98G- und U87-MG-Zellen des menschlichen Glioblastoms (GBM) untersucht werden, um den Stoffwechsel der Tumorzellen auf multidirektionale Weise zu beeinflussen.
MATERIAL und METHODEN: Die IC50-Werte für Metformin, DCA, Metformin+DCA und Memantin wurden mittels MTT-Assay in T98G- und U87-MG-Zellen in vitro bestimmt. Die Expression der Proteine Casp3, Bcl-2, Bax, c-Myc und GSK-3B wurde nach der Behandlung untersucht. Fünfzehn GBM+-Tumorgewebe wurden auf Casp-3, Bcl-2, Bad, Bax und apoptotische Proteinexpressionsmuster untersucht.
ERGEBNISSE: Die Krebszellen-Stoffwechselmedikamente Metformin, DCA, Metformin+DCA und Memantin induzierten Zytotoxizität in T98G- und U87-MG-Zellen in dosisabhängiger Weise. Die IC50 für Memantin liegt bei 0,5 mM (p<0,01) und damit fast zehnmal niedriger als die Konzentration von Metformin. Fünfzehn GBM+-Tumorgewebe wiesen unterschiedliche apoptotische Proteinexpressionen auf.
SCHLUSSFOLGERUNG: Memantin hat in T98G- und U87-MG-Zellen einen krebshemmenden Wirkmechanismus, der jedoch für die GBM-Behandlung noch genauer untersucht werden muss.



Keywords: Glioblastom, Krebszelle, Metabolismus, Metformin, Dichloracetat, MemantineDOI
: 10.5137/1019-5149.JTN.29176-20.3


EINLEITUNG

Das Glioblastom (GBM) ist einer der aggressivsten Tumore des zentralen Nervensystems und macht etwa 50 % aller glialen Tumorarten aus [12,27]. Die mediane Überlebensrate für GBM-Patienten ändert sich nicht wesentlich, wenn man die derzeitigen Standardbehandlungen anwendet, die eine Tumorresektion mit anschließender Strahlentherapie und Temozolomid-Behandlung umfassen. Die mediane Überlebenszeit beträgt trotz des kombinierten Einsatzes von Operation, Strahlen- und Chemotherapie ca. 12-14 Monate [7,23].

GBM-Tumoren weisen ein breites Spektrum genetischer Variationen auf, die zu unterschiedlichen therapeutischen Reaktionen führen [5,9,21]. Die Intratumor-Heterogenität könnte der Schlüssel zur Identifizierung der Ursache für ein Therapieversagen sein [22]. Chemotherapeutische Medikamente wie Temozolamid erhöhen die Mutationslast im Krebsgenom im Vergleich zu unbehandelten GBM-Zellen [17]. Alternative Therapieansätze sind daher in der GBM-Behandlung dringend erforderlich.

Metformin ist ein gängiges Antidiabetikum, das bei der Behandlung von Typ-2-Diabetes eingesetzt wird [18]. Die Behandlung mit Metformin wird mit einem geringeren Risiko für verschiedene Krebsarten in Verbindung gebracht, seine Auswirkungen auf das GBM sind jedoch noch nicht ausreichend untersucht worden [4,24]. Die Behandlung mit Metformin verringert die Temozolomid-Resistenz in GBM-Zellen [26]. Metformin ist jedoch im klinischen Umfeld mit Sicherheitsbedenken behaftet, da in den meisten präklinischen Arbeiten supraphysiologische Dosen von Metformin verwendet wurden [25]. In dieser Studie wollten wir dieses Problem lösen, indem wir die Wirkung von Metformin in Kombination mit Dichloracetat (DCA) untersuchten, das über die Hemmung der Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase auf den Stoffwechsel von Krebszellen abzielt [11]. Ein gezielter Eingriff in den Stoffwechsel von Krebszellen könnte Auswirkungen auf die Behandlung des aggressiven GBM haben. Außerdem wollten wir die Expressionsprofile apoptotischer Proteine untersuchen, um GBM auf molekularer Ebene besser zu verstehen. Außerdem wollten wir mit Metformin, DCA und Memantin in den GBM-Zelllinien T98G und U87-MG in den Stoffwechsel der Krebszellen eingreifen.

Materialien und Methoden

Zellkultur und Chemikalien
Die menschlichen Glioblastom-ZelllinienT98Gund U87-MG wurden von ATCC zur Verfügung gestellt. T98G- und U87-MG-Zellen wurden in DMEM/F12-Medium gezüchtet, das mit 10 % fötalem Rinderserum (FBS) (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA) ergänzt wurde. Die Zellen wurden in einem 5%igenCO2-Inkubator bei 37° C gezüchtet. Metformin, Dichloracetat und Memantin wurden von Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA, zur Verfügung gestellt. Die Zellen wurden 48 Stunden lang mit diesen Wirkstoffen behandelt, um die IC50-Werte zu bestimmen. Alle Wirkstoffe wurden in sterilem destilliertem Wasser aufgelöst.

Zellzytotoxizitätstest
3X103
T98G- und U87-MG-Zellen wurden in einer 96-Well-Platte ausgesät und über Nacht kultiviert. Für den MTT-Assay wurden verschiedene Konzentrationen von Metformin, DCA und Memantin verwendet. MTT-Lösung (5 mg/ml in PBS) wurde zugegeben und die Zellen wurden 4 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Zum Lösen der Kristalle wurde DMSO zugegeben. Das Absorptionsverhältnis wurde mit SpectraMax M3 (Molecular Devices, USA) gemessen

GBM-Patientenproben und Proteinisolierung aus Tumorgewebe
Insgesamt 17 GBM-Tumorgewebeproben wurden im Zeitraum von April 2015 bis April 2016 mit Genehmigung der Ethikkommission für klinische Forschung der Gazi-Universität in der Abteilung für Neurochirurgie entnommen. Die Tumorproben wurden bei -80°C frisch eingefroren. Zwei der Tumorgewebe wurden aus der Studie ausgeschlossen, da ihre Pathologieberichte GBM (-) anzeigten. 0.1 Gramm der Tumorgewebeprobe wurde in RIPA-Lysepuffer homogenisiert. Das Lysat wurde 15 Minuten lang bei 14.000 Umdrehungen pro Minute zentrifugiert, und der Überstand wurde zur Durchführung des BCA-Proteinquantifizierungstests aufgefangen. Die Proben wurden für die weitere Verarbeitung bei -80 °C gelagert.

Western Blotting
T98G-
und U87-MG-Zellen wurden mit PBS gewaschen und in RIPA-Lysepuffer, der 1 mM PMSF enthielt, geschabt und anschließend beschallt. Die Proben wurden 15 Minuten lang bei 13500 Umdrehungen pro Minute bei 4 °C zentrifugiert, und der Überstand wurde gesammelt. Die Proteine wurden mit dem BCA-Assay-Kit (Thermo Pierce, Rockford, IL, USA) quantifiziert. Proteinlysate (20 μg) wurden 5 Minuten lang bei 95 °C in nicht reduzierendem LDS-Probenpuffer (Pierce, Rockford, IL, USA) erhitzt, dann auf 10%ige Tris-Glycin-Gele geladen und auf eine PVDF-Membran (Pierce, Rockford, IL, USA) übertragen. Die Membranen wurden 1 Stunde lang bei Raumtemperatur blockiert und über Nacht bei 4°C mit den primären Antikörpern für Casp3, Bcl2, Bad, Bax, GSK-3B, C-Myc und β-Actin (Thermo Pierce, Rockford, IL, USA) inkubiert. Die Blots wurden mit Luminata Forte Western HRP Substrate (Merck Millipore, Darmstadt, Deutschland) visualisiert. Die Chemilumineszenzsignale der Immunoblots wurden mit Gel Logic 2200 Pro (Carestream Health; Rochester, NY, USA) dokumentiert.

Statistische Analyse
Die Experimente wurden in dreifacher Ausführung durchgeführt. Die IC50-Werte von Metformin, Dichloracetat und Memantin für die Zelllinien T98G und U87-MG wurden mithilfe von Graph-Pad Prism7 berechnet. Die Ergebnisse wurden als Mittelwert±Standardabweichung angegeben. p<0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen.

Ergebnisse

Auswirkungen von Metformin, DCA, Metformin+DCA und Memantin auf die Zytotoxizität von T98G- und U87-MG-GBM-Zellen
Metformin verringerte die zelluläre Lebensfähigkeit von T98G- und U87-MG-GBM-Krebszellen in einer dosisabhängigen Weise, wie in Abbildung 1A gezeigt wird. Die Behandlung mit 45mM und 25mM Metformin verringerte die Zelllebensfähigkeit für 48 Stunden (p<0,01). Wir untersuchten die Wirkung von DCA auf T98G- und U87-MG-Zellen über 48 Stunden, wobei ein Konzentrationsbereich von 10-60 mM DCA auf Zellen getestet wurde. DCA reduzierte die Lebensfähigkeit der Zellen bei einer Konzentration von 45 mM, wie in Abbildung 1B gezeigt (p<0,01). Es wurden auch verschiedene Konzentrationen von Metformin+DCA an GBM-Zellen getestet, um die IC50-Dosen zu verringern. Die Kombination aus Metformin und DCA verringerte die Lebensfähigkeit der Zellen auf niedrigere Dosen. Die IC50-Dosis für die Kombinationsbehandlung wurde für T98G- und U87MG-Zellen mit 20 mM DCA und 20 mM Metformin für 48 Stunden ermittelt (Abbildung 1C, p<0,01). Darüber hinaus wirkte sich Memantin dosisabhängig auf die zelluläre Toxizität aus, wie in Abbildung 1D dargestellt. 0.die Memantin-Konzentration von 125-5 mM wurde an T98G- und U87MG-Zellen 48 Stunden lang getestet, und der IC50-Wert wurde mit 0,5 mM für T98G- und U87MG-Zellen bestimmt (p<0,01).

Abbildung 1. A) Metformin wurde über einen Bereich von 10-50 mM an T98G- und U87-MG-Zellen über 48 Stunden (h) getestet. Der IC50-Wert wurde mit 45 mM für T98G-Zellen und 25 mM für U87-MG-Zellen bestimmt (p<0,01). B) Dichloracetat (DCA) wurde in einem Bereich von 10-60 mM über 48 Stunden an T98G- und U87-MG-Zellen getestet. Der IC50-Wert wurde für T98G- und U87-MG-Zellen mit 45 mM bestimmt (p<0,01). C) Die Kombination aus Metformin und DCA wurde in verschiedenen Bereichen an T98G- und U87-MG-Zellen 48 Stunden lang getestet. Der IC50-Wert wurde mit 20 mM DCA und 20 mM Metformin für T98G- und U87-MG-Zellen bestimmt (p<0,01). D) Memantin wurde in einem Bereich von 0,125-5 mM für T98G- und U87-MG-Zellen 48 Stunden lang getestet. Der IC50-Wert wurde für T98G- und U87-MG-Zellen mit 0,5 mM bestimmt (p<0,01).

Auswirkungen von Metformin, DCA, Metformin+DCA und Memantin auf die Casp3-, Bcl2-, Bax-, c-Myc- und GSK3B-Proteinexpression
T98G-Zellen
wurden 48 Stunden lang mit 45mM Metformin, 45mM DCA, 20mM Metformin in Kombination mit 20mM DCA und 0,5mM Memantin behandelt. U87-MG-Zellen wurden 48 Stunden lang mit 25mM Metformin, 45mM DCA, 20mM Metformin in Kombination mit 20mM DCA und 0,5mM Memantin behandelt. Die Expression von Proteinen, die mit Apoptose und Zellzyklusprogression zusammenhängen, d.h. Casp3, Bcl2, Bax, c-Myc und GSK3B, wurde mittels Western Blot untersucht. Metformin und die Metformin-DCA-Kombination verringerten die Casp-3-Proteinexpression in T98G-Zellen (Abbildung 2), wohingegen die Casp-3-Proteinexpression bei allen Behandlungen (Metformin, DCA, Metformin+DCA, Memantin) in U87-MG-Zellen erhöht war (Abbildung 3). Die Bcl-2-Proteinexpression stieg bei DCA-, Metformin+DCA- und Memantin-Behandlung an, während die Bax-Proteinexpression bei allen Behandlungen von T98G-Zellen abnahm. Die c-Myc-Proteinexpression wurde durch die oben genannten Behandlungen (Metformin, DCA, Metformin+DCA, Memantin) in T98G-Zellen verringert. Die Memantin-Behandlung hemmte die GSK3B-Proteinexpression in T98G-Zellen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Auswirkung einer 48-stündigen Behandlung der T98G-Zelllinie mit Metformin (45 mM), DCA (45 mM), Metformin+DCA-Kombination (20 mM DCA+20 mM Metformin) und Memantin (0,5 mM) auf die Expressionswerte von: Casp3, Bcl-2, Bax, c-Myc und GSK-3B. Die B-Act-Proteinexpression wurde als Ladekontrolle verwendet.

Abbildung 3: Wirkung einer 48-stündigen Behandlung der U87-MG-Zelllinie mit Metformin (25mM), DCA (45mM), Metformin+DCA-Kombination (20mM DCA+20mM Metformin) und Memantin (0,5 mM) auf die Expressionswerte von: Casp3, Bcl-2, Bax, c-Myc und GSK-3B. Die B-Act-Proteinexpression wurde als Ladekontrolle verwendet.

Differentielle Proteinexpressionsprofile von GBM-positivem
Tumorgewebe GBM-positive Tumorgewebeproben wurden im Hinblick auf Apoptose charakterisiert, da dies ein Indikator für das Fortschreiten der Krankheit sein könnte. Fünfzehn GBM+-Tumorgewebeproben wurden auf die Expressionsprofile der Proteine Casp-3, Bcl-2, Bad und Bax untersucht. Es wurde festgestellt, dass die untersuchten apoptotischen Proteine bei jedem Patienten unterschiedlich exprimiert werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Differenzielle Proteinexpressionsprofile von 15 GBM+Tumorgewebeproben für die Apoptosegene Casp-3, Bcl-2, Bad, Bax.

Diskussion

Die Zulassung des antiangiogenen Medikaments Bevacizumab bei GBM zeigte eine Verbesserung der Gesamtüberlebensrate der Patienten; diese Erkenntnis bleibt jedoch umstritten [6]. Im Zeitalter der personalisierten Medizin besteht ein Bedarf an alternativen Behandlungsmethoden für einen so aggressiven GBM-Tumor.

Die Glukose- und Glutaminsucht von Krebszellen ist bekanntlich das Markenzeichen von Krebserkrankungen [16]. Ein gestörter Glukosestoffwechsel gilt als treibende Kraft für die Aggressivität und Chemoresistenz von GBM. Das Interesse an einer gezielten Beeinflussung des Tumorstoffwechsels bei der Krebsbehandlung hat sich inzwischen über den Glukosestoffwechsel hinaus auf andere Moleküle wie Glutamin ausgeweitet. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, mehr Erkenntnisse über den Glutamin-Stoffwechsel in Krebszellen zu gewinnen [2]. Ziel der aktuellen Studie ist es daher, den Glukose- und Glutaminstoffwechsel mit Hilfe von Metformin, DCA und Memantin zu beeinflussen.

Der Wirkmechanismus des Diabetesmedikaments Metformin auf Krebszellen ist bekannt als seine Selektivität bei der Bekämpfung von Krebsstammzellen. Dieser Mechanismus könnte vom Glutamin-Stoffwechsel abhängig sein [8]. DCA ist ein Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase-Inhibitor, der den Warburg-Effekt umkehrt [20]. Die Sensibilisierung von Tumorzellen für die Hemmung der Glykolyse könnte durch ein duales Targeting über Metformin und DCA erreicht werden. Darüber hinaus hat das Alzheimer-Medikament Memantin im Vergleich zu Metformin eine viel niedrigere IC50-Dosis. Die relativ niedrigere IC50-Dosis von Memantin (0,5 mM) könnte daher die Bedenken bezüglich der supra-physiologischen Dosis von Metformin im klinischen Umfeld ausräumen. Neu synthetisierte Memantin-Derivate haben auch eine Anti-Tumor-Aktivität in der U87-MG GBM-Zelllinie gezeigt [3]. Die gezielte Beeinflussung von NMDA-Rezeptor-assoziierten Signalwegen durch Memantin könnte die Behandlung von Gliomen und GBM verbessern [1,14]. Die Aufklärung des Anti-Krebs-Mechanismus von Memantin bei GBM-Zellen ist daher ein vielversprechendes neues Medikament.

Unterschiedliche Proteinexpressionsprofile von 15 GBM+-Tumorgeweben für die apoptotischen Gene Casp-3, Bcl-2, Bad und Bax bestätigen ebenfalls den heterogenen Charakter der Krankheit. Eine positive Expression von Bax wurde in einer großen Serie von Tumoren signifikant mit einer besseren Überlebensrate in Verbindung gebracht [19]. Das Bax-Proteinexpressionsprofil könnte daher eine prognostische Bedeutung für das Ansprechen auf die GBM-Behandlung haben. Die Caspase-3-Aktivierung hat sich als Prädiktor für das progressionsfreie Überleben bei GBM-Patienten erwiesen [13].

Die molekulare Stratifizierung von Patienten ist unerlässlich, um die Patientengruppen zu identifizieren, die am ehesten von dem gewählten Behandlungsprotokoll profitieren werden.

In einer kürzlich durchgeführten Studie, die in eine Phase-II-Studie überging, untersuchten Forscher die maximal verträglichen Dosen von Memantin, Mefloquin und Metformin in Kombination mit Temozolomid. Maraka et al. kamen zu dem Schluss, dass diese Medikamente bei neu diagnostiziertem GBM sicher mit Temozolomid kombiniert werden können [10]. Allerdings wurden bei den kombinierten Therapieschemata einige Nebenwirkungen gemeldet, so dass der Ansatz hinterfragt wurde und die Frage aufgeworfen wurde, ob Memantin oder Mefloquin die beobachteten Nebenwirkungen verursachte [15]. Bei der Verwendung von Arzneimittelkombinationen ist es nach wie vor von entscheidender Bedeutung, die Wechselwirkungen zwischen den Arzneimitteln und/oder die pharmakokinetischen Wechselwirkungen zu verstehen.

SCHLUSSFOLGERUNG

Unsere In-vitro-Ergebnisse belegen, dass das Alzheimer-Medikament Memantin bei der GBM-Behandlung in niedrigeren Dosen als Metformin eingesetzt werden könnte. Die Eigenschaften von Memantin, die Hirnblutschranke zu durchdringen, sind ebenfalls vielversprechend für die GBM-Behandlung. Interessant ist auch, dass Memantin eine alternative neoadjuvante Therapie insbesondere für ältere Krebspatienten darstellen könnte. Diese Behauptung muss in randomisierten kontrollierten Studien weiter untersucht werden.

DANKSAGUNG

Diese Studie wurde durch ein wissenschaftliches Stipendium des Wissenschaftlichen und Technologischen Forschungsrates der Türkei, TUBITAK (Projekt Nr.: SBAG- 214S578), unterstützt.

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