Die Rolle von Vitamin D3-Derivaten und des Vitamin D Rezeptors bei der Entstehung und Behandlung von Patched-assoziierten Tumoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Inaktivierende Mutationen im Tumorsuppressorgen Patched (Ptch) führen zu einer Überaktivität von Smoothended (Smo) und der Hedgehog (Hh)-Signalkaskade. In Folge dessen entstehen Tumoren bspw. der Haut (Basliome, BCC), der Skelettmuskulatur (Rhabdomyosarkome; RMS) oder des Kleinhirns (Medulloblastome, MB). Die genaue Funktionsweise von Ptch ist bis heute nicht geklärt, jedoch wurde postuliert, dass Ptch eine Pumpfunktion für Vitamin D3-Derivate besitzt. Daher untersuchten wir, ob der Hh-Signalweg und damit das Tumorwachstum durch das Vitamin D3-Derivat Calcitriol gehemmt werden kann und in welcher Weise Calcitriol auf molekularer Ebene mit dem Hh-Signalweg interagiert. Anfangs evaluierten wir Calcitriol als Inhibitor der Hh-Signalkaskade und als potentielles Therapeutikum von BCC, RMS und MB. Tatsächlich hemmt Calcitriol die Aktivität des Hh-Signalweges sowie die Proliferation von Ptch-defizienten BCC und RMS Tumorzellen in vitro und in vivo. Eine Calcitriol-basierte Therapie führte in 50% von klinisch-auffälligen Ptch-assoziierten RMS in Mäusen zur „stable disease“. In Mäusen mit Ptch-assoziierten BCC bewirkte die Therapie die Entwicklung von signifikant kleineren Tumoren, wobei die anti-tumorale Wirkung von Calcitriol umso stärker war, je früher die Behandlung begonnen wurde. Die Therapie bewirkte in beiden Tiermodellen eine verminderte Aktivität des Hh-Signalwegs, die Induktion von Differenzierungsmarkern und eine Verminderung der Proliferationsrate. Im Gegensatz zu BCC und RMS sprachen jedoch MB-Kurzzeitkulturen aus Ptch-mutanten Mäusen nicht zuverlässig auf die Gabe von Calcitriol an. Daher untersuchten wir, ob die Wirkung von Calcitriol durch Kombinationsbehandlungen mit anderen Medikamenten zu einer verstärkten anti-tumoralen Wirkung führt. Initiale Experimente ließen eine verstärkte anti-proliferative Wirkung von Calcitriol auf RMS-Zellen durch das Chemotherapeutikum Doxorubicin vermuten. Jedoch wurde eine additive antiproliferative Wirkung von Doxorubicin und Calcitriol auf murine und humane RMS-Zelllinien sowie RMS-Kurzzeitkulturen aus Ptch-mutanten Mäusen nicht bestätigt. Im Gegensatz dazu bewirkt das Antimykotikum Itrakonazol in Kombination mit Calcitriol eine additive Hemmung der Hh-Signalkaskade und der Proliferation von BCC-Zellen in vitro. Die potentiell stärkere Wirkung einer Itrakonazol/Calcitriol-Behandlung wird derzeit in vivo evaluiert. In detaillierten Untersuchungen zur Wirkungsweise von Calcitriol auf molekularer Ebene zeigten wir, dass Calcitriol den Hh-Signalweg Vitamin D Rezeptor (Vdr)-unabhängig hemmt, der Vdr-Promoter selbst jedoch Gli-abhängig reguliert wird. Dies erklärt warum Ptch-assoziierte Tumoren neben einer Überaktivität des Hh-Signalweges auch eine hohe Vdr-Expression zeigen. Unsere Analysen zeigen, dass Calcitriol den Hh-Signalweg auf dem Level von Smo inhibiert und Calcitriol höchstwahrscheinlich direkt an Smo, ähnlich dem anerkannten Smo-Inhibitor Cyclopamin, bindet und inhibiert. Der direkte Nachweis der Interaktion zwischen Calcitriol und Smo erfolgt in den nächsten Monaten über kompetitive Inhibitorstudien unter Verwendung von fluoreszenz-markiertem Cyclopamin. Wir vermuteten, dass Calcitriol im Hh-Signalweg als endokriner Smo-Inhibitor wirkt, der aufgrund eines Ptch-vermittelten Export in den Extrazellularraum mit Smo interagiert. Unserer Daten weisen stark darauf hin, dass Ptch-mutante Zellen eine fehlende Calcitriol-Synthese aufgrund eines gestörten Calcitriol-Metabolismus besitzen. Ein Grund hierfür könnte eine Substratinhibition darstellen, die durch fehlenden Ptch-vermittelten Calcitriol-Export induziert wird. Aktuell analysieren wir daher die Möglichkeit, ob Ptch-mutante Zellen im Vergleich zu Wildtyp Ptch Zellen in der Lage sind, exogen zugefügtes Calcitriol in den Extrazellularraum abzugeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Antitumoral effects of calcitriol in basal cell carcinomas involve inhibition of hedgehog signaling and induction of vitamin D receptor signaling and differentiation. Mol Cancer Ther. 2011 Nov;10(11):2179-88. Epub 2011 Aug 30
Uhmann A, Niemann H, Lammering B, Henkel C, Hess I, Nitzki F, Fritsch A, Prüfer N, Rosenberger A, Dullin C, Schraepler A, Reifenberger J, Schweyer S, Pietsch T, Strutz F, Schulz-Schaeffer W, Hahn H
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Calcitriol inhibits hedgehog signaling and induces vitamin d receptor signaling and differentiation in the patched mouse model of embryonal rhabdomyosarcoma. Sarcoma. 2012;2012:357040. Epub 2012 Feb 21
Uhmann A, Niemann H, Lammering B, Henkel C, Heß I, Rosenberger A, Dullin C, Schraepler A, Schulz-Schaeffer W, Hahn H
