Radiogene Plasmamembran-Transporte in Tumorzellen

Abstract

Transporte über die Plasmamembran durch Pumpen, Transporter und Ionenkanäle schaffen und nutzen chemische und elektrische Gradienten zur pH-Homöostase, Substratversorgung und Kataboliten-Entsorgung einer jeden Zelle. Zudem kontrollieren sie das Zellvolumen und sind deswegen übergeordnete Regulatoren von Zellproliferation, Zellmigration und Zelltod. Ionenkanäle erzeugen in erregbaren Zellen elektrische Signale. Sie steuern aber als integrale Module auch biochemische Signaltransduktionsketten, indem sie zum Beispiel in Proteinkomplexen mit Membranrezeptoren und „downstream“ Effektor-Proteinen physisch interagieren oder Ca2+-Signale und Ca2+-Effektorproteine regulieren. Tumorzellen zeichnen sich durch eine aberrante Expression von Ionenkanälen/Transportern aus, welche spezifische Funktionen in der Tumorbiologie ausüben, die sich häufig von ihren ursprünglichen Funktionen in nicht-transformierten Zellen unterschieden. Ein plakatives Beispiel dazu sind spannungsaktivierte Natrium-Kanäle, die in normalen erregbaren Zellen Aktionspotentiale aufbauen und in metastasierenden Karzinomzellen die Gewebeinvasion steuern. Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war, in Tumorzellen die Modulation von Ionenkanälen/Transportern in der Plasmamembran durch therapeutisch relevante Dosen von ionisierender Strahlung zu beschreiben. Hierzu wurden in Zelllinien unterschiedlicher humaner Tumorentitäten (chronische myeloische Leukämie (CML), T-Zell akute lymphatischer Leukämie (T-ALL), Lungen-Adenokarzinom, Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom und Glioblastom) nach Bestrahlung mit 0 Gy bzw. 2-10 Gy Photonen mit der Patch-Clamp-Methode elektrophysiologisch abgeleitet und in der Spannungsklemme Ganzzell- bzw. makroskopische Cell attached-Ströme sowie in der 0 pA-Stromklemme das Membranpotential gemessen. Dabei zeigte sich, dass innerhalb wenigen Stunden nach Bestrahlung Ca2+ -permeable nichtselektive Kationenkanäle (nicht näher definiert in CML-Zellen, TRPM2 in T-ALL-Zellen), K+-Kanäle (Kv3.4 und hERG1 in CML-Zellen, IKCa in T-ALL- und Glioblastomzellen, BKCa in Glioblastomzellen,) sowie Cl--Kanäle (Clc-3- ähnliche Kanäle in Glioblastomzellen) aktivieren. Die radiogene Indukton der Cl-Kanal-Aktivierung in den Glioblastomzellen benötigte die Aktivität der BKCa-Kanäle, wodurch die bereits bekannte Signaling-Funktion der BKCa-Kanäle bestätigt wurde. Die Membranpotential-Ableitungen in den Lungenadenokarzinom-Zellen zeigten eine strahleninduzierte transiente Hyperpolarisation, gefolgt von einer länger anhaltenden Depolarisation des Membranpotentials, die 3 h nach Bestrahlung maximal war. Wegnahme der extrazellulären Glukose revertierte die radiogene Depolarisation, der Glukose-Transport-Hemmer Phlorizin und der EGFR-Tyrosinkinase-Inhibitor Erlotinib hemmten sie. Dies lässt auf eine radiogene, EGFR-Tyrosinkinase vermittelte Aktivierung einer Phlorizin-sensitiven Na+-gekoppelten Glukose-Aufnahme über SGLT-Transporter schließen. Eine radiogene SGLT-Aktivierung wurde auch in den Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom-Zellen beobachtet. Begleitende Experimente des Labors Experimentelle Radioonkologie und der Sektion für Strahlenbiologie und Molekulare Umweltforschung, Klinik für Radioonkologie in Tübingen, demonstrierten, dass die radiogene Aktivierung der Ionenkanäle/Transporter zum klonogenen Überleben der Tumorzellen beitragen. Pharmakologische Hemmung oder Knockdown der Ionenkanäle/Transporter radiosensibilisiert die Tumorzellen und zeigt damit deren funktionelle Relevanz für die DNA-Schadensantwort. Als Mechanismen konnte dabei Ionenkanal-reguliertes radiogenes Ca2+-Signaling identifiziert werden, das in CML-, T-ALL- und Glioblastom-Zellen nachgeschaltet Isoformen von CaMKII aktiviert, wodurch über Inhibition von Cdc-25 und Cdc-2 der Zellzyklus in den bestrahlten Zellen an den Fortschritt der DNA-Reparatur angepasst wird. In den Glioblastomzellen trägt zudem die radiogene Aktivierung der BKCa- und Cl--Kanäle zur verstärkten Migration und Gehirninfiltration der Zellen bei, was möglicherweise auch zum Therapieversagen beitragen kann. Mithilfe erhöhter SGLT-Aktivität erhöhen bestrahlte Karzinomzellen ihre Glukoseaufnahme, um so den durch DNA-Reparatur erhöhten Energieverbrauch ausgleichen zu können.