GLIOBLASTOM - Anni Hofmann Stiftung

Zusammenfassung der Arbeiten der 2. Förderperiode (Januar 2016 - Dezember 2017) zu dem Forschungsprojekt "Tumormetabolismus - Interaktion zwischen Tumorzellen und Hirngewebe"

Ziel des Projekts war es, einen Beitrag zur Erforschung der Bedeutung des Tumormetabolismus für das invasive Wachstum von Glioblastomen im Hirn von Patienten zu leisten und basierend hierauf Therapieansätze zu entwickeln. Das Projekt baute auf Vorarbeiten auf, in denen wir einen Hypoxie-induzierten metabolischen Switch zwischen dem Pentosephosphatweg (PPP) und der Glykolyse in Glioblastomzellen nachweisen konnten und zudem zeigen konnten, dass beide Stoffwechselwege kausal in die dichotome Regulation der Proliferation bzw. Migration der Zellen involviert sind. Während die Bedeutung des PPP für die Proliferation offensichtlich ist, da hierdurch Metabolite für die Synthese neuer Zellbestandteile produziert werden, ist die funktionelle Bedeutung der Glykolyse für die Glioblastomzellmigration weitgehend unerforscht.
Unsere Arbeitshypothese war, dass das Glykolyseenzym Glucose-6-phosphat-Isomerase (GPI), welches auch als Autocrine Motility Factor (AMF) bekannt ist, eine wichtige Rolle bei der Migration und Invasion von Glioblastomen spielt. Unsere Untersuchungen zeigten, dass sowohl GPI/AMF als auch dessen Rezeptor AMFR durch Hypoxie heraufreguliert werden und unter Hypoxie insbesondere auch die extrazelluläre Sekretion von GPI/AMF ansteigt. Expressionsanalysen ergaben, dass sowohl GPI/AMF als auch AMFR in Glioblastomen vorwiegend in hochgradig hypoxischen Regionen heraufreguliert sind und eine hohe Expression von GPI/AMF mit einem kürzeren Überleben von Glioblastompatienten korreliert. Funktionelle Untersuchungen zeigten, dass GPI/AMF die Migration von Glioblastomzellen autokrin hochgradig stimuliert, wohingegen die Proliferation teilweise inhibiert wird. Dies bestätigte sich in vivo dahingehend, dass eine Antagonisierung von GPI/AMF mittels shRNA die Hirninvasion der Zellen zwar reduzierte, jedoch parallel deren Proliferation erhöhte. Durch diese Ergebnisse kann die Assoziation zwischen Glykolyse und Zellmigration partiell erklärt werden, allerdings erscheint GPI/AMF aufgrund seiner intrinsischen anti-proliferativen Wirkung nur bedingt als therapeutisches Zielmolekül geeignet.
Bei der Entwicklung therapeutischer Strategien zum metabolischen Targeting ist zu berücksichtigen, dass Glioblastome hochgradig heterogene Tumore sind, deren intra- und intertumorale molekulargenetische Heterogenität sich auch in einer metabolischen Heterogenität widerspiegelt. Um Ursachen und Mechanismen dieser Heterogenität auf klonaler Ebene zu analysieren, entwickelten wir ein Fluoreszenz-basiertes Farbmarkierungssystem (Optical Barcoding). Tracking-Analysen in vitro und in vivo zeigten, dass die metabolischen Adaptationsfähigkeit der Tumorzellen sowie das lokale Mikromilieu einen entscheidenden Einfluss auf die klonale Tumorinitiierungsfähigkeit haben. Um intertumorale Unterschiede des Metabolismus bei Gliomen mit unterschiedlichem genetischen Entstehungshintergrund zu identifizieren, untersuchten wir zudem in Kooperation mit Prof. Glass transgene Mausgliomzellen, welche Veränderungen der Gene TP53, PDGF-B, CDKN2a und EGFR aufweisen. RNA-Sequenzierungsanalysen zeigten, dass unterschiedliche metabolische Pathways in Gliomzellen mit unterschiedlichen Mutationen dominieren und insbesondere die Expression von Glykolyseenzymen stark differenziell reguliert ist. Dies bedeutet, dass Subgruppen von Glioblastomen mit unterschiedlichem genetischem Hintergrund vermutlich unterschiedlich auf ein metabolisches Targeting ansprechen und in klinischen Studien, in denen bereits versucht wird, mit der Glykolyse und anderen Stoffwechselmechanismen zu interferieren, eine Stratifizierung der behandelten Patienten nach Subgruppen erfolgen sollte.
Unsere vorangegangenen Analysen zeigten ferner, dass neben dem PPP mehrere weitere Stoffwechselwege, die mit der Glykolyse verknüpft sind, ebenfalls durch Hypoxie reguliert sind. Diese regulatorischen Veränderungen validierten wir auf Transkript- und Proteinebene. Darüber hinaus führten wir Expressionsanalysen an humanem Glioblastomgewebe sowie funktionelle Untersuchungen für ausgewählte Enzyme in vitro durch. Um die funktionelle Untersuchungen durchführen zu können, regulierten wir die Expression einzelner Moleküle, die sich potenziell als therapeutische Angriffsziele eignen könnten, mittels shRNA herunter und führten zudem Experimente mit spezifischen Inhibitoren durch.