Wichtige Überlegungen zur Modellierung von Hypoxie in der Krebsbiologie

Hypoxie ist ein wesentliches Merkmal vieler solider Tumoren und kann die Proliferation von Krebszellen, ihren Stoffwechsel, das Ansprechen auf Therapien sowie ihr Metastasierungsverhalten beeinflussen. Eine präzise Modellierung der Tumorhypoxie erfordert jedoch eine sorgfältige Betrachtung der Frage, inwieweit die experimentell eingestellten Sauerstoffkonzentrationen den Bedingungen im Gewebe und an Metastasierungsorten entsprechen.

In unserem kürzlich veranstalteten Webinar untersuchte Diane Lefley, Doktorandin im letzten Studienjahr am Laboratory for Cancer Metastasis and Dormancy der University of Sheffield, verschiedene Faktoren, die die Interpretation von Hypoxieforschung beeinflussen können. Anhand von Erkenntnissen aus Brust- und Prostatakrebsmodellen erläuterte sie, wie Sauerstoffkonzentration, zellulärer Phänotyp, Hypoxiemarker, experimentelle Handhabung und therapeutische Behandlungen die Reaktionen von Tumorzellen beeinflussen können.

Die wichtigsten Erkenntnisse auf einen Blick:

Standard-Zellkulturbedingungen entsprechen nicht den physiologischen Sauerstoffkonzentrationen im Körper.
Hypoxie kann die Proliferation und die Ruhephase von Krebszellen beeinflussen.
Die Expression von Hypoxiemarkern variiert je nach Zelllinie und Versuchsbedingungen.
Chemisch induzierte Hypoxie bildet physikalische Hypoxie nicht zuverlässig nach.
Eine Reoxygenierung kann die HIF-1α-Expression innerhalb kurzer Zeit deutlich reduzieren.
Hypoxie kann das Ansprechen auf therapeutische Behandlungen beeinflussen.

Warum die Sauerstoffkonzentration entscheidend ist

Standard-Zellkulturbedingungen können erheblich von den physiologischen Sauerstoffverhältnissen abweichen, denen Zellen im Körper ausgesetzt sind. Herkömmliche Inkubatoren arbeiten in der Regel mit atmosphärischem Sauerstoff und einer CO₂-Konzentration von 5 %. Daraus ergibt sich eine Sauerstoffkonzentration von etwa 16 %. Diese liegt deutlich über den physiologischen Werten vieler Gewebe. Diane verwies auf Sauerstoffkonzentrationen von etwa 5,5 % im Brustgewebe, rund 4 % im Prostatagewebe und ungefähr 2,9 % im Knochengewebe. Die Sauerstoffversorgung von Tumoren kann noch geringer ausfallen und hängt unter anderem von der Tumorgröße und der Entfernung zu den Blutgefäßen ab. Diese Unterschiede können erhebliche biologische Auswirkungen haben. Hypoxie kann die Zellproliferation, den Stoffwechsel sowie DNA-Schäden und deren Reparatur beeinflussen. Gleichzeitig kann eine verstärkte Abhängigkeit von der Glykolyse die Laktatproduktion und das umgebende Mikromilieu verändern. Das bedeutet, dass die in einem Krebszellmodell verwendete Sauerstoffkonzentration nicht nur das Zellwachstum beeinflussen kann, sondern auch die Reaktion der Zellen auf experimentelle Behandlungen.

Krebszellen reagieren unterschiedlich auf Hypoxie

Dianes Forschungsergebnisse zeigten, dass verschiedene Krebszellmodelle unter denselben Sauerstoffbedingungen sehr unterschiedlich reagieren können.

Bei einer Sauerstoffkonzentration von 3 % vermehrten sich die MCF7-Brustkrebszellen weiterhin, wenn auch langsamer. MDA-MB-231-Zellen erreichten hingegen bereits früher ein Plateau der Zellproliferation. Weitere Vergleiche zeigten, dass dieses Muster nicht einfach dem Rezeptorstatus von Brustkrebs entsprach, da sich andere Modelle des dreifach-negativen Adenokarzinoms unter Hypoxie weiterhin vermehrten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Merkmale wie die Tumurherkunft und der zelluläre Phänotyp entscheidende Faktoren für die Reaktion auf Hypoxie sein könnten.

Darüber hinaus verringerte Hypoxie das klonogene Potenzial der untersuchten Zelllinien. Dies unterstützt die Annahme eines möglichen Zusammenhangs zwischen einer reduzierten Sauerstoffverfügbarkeit und einem eher ruhenden Zellzustand. Dies ist insbesondere für die Modellierung metastasierender Erkrankungen relevant, da disseminierte Tumorzellen zunächst in einem Ruhezustand verbleiben können, bevor sie sich zu klinisch nachweisbaren Metastasen entwickeln.

Messung und Modellierung von Hypoxie

HIF-1α wird häufig zur Untersuchung zellulärer Reaktionen auf Hypoxie herangezogen. Weitere verwendete Marker sind HIF-2α, CA9, GLUT1, VEGF und Pimonidazol. Diese Marker sollten jedoch nicht als austauschbare Messgrößen für die Sauerstoffkonzentration betrachtet werden. Ihre Expression kann ebenfalls durch den Zelltyp, den Stoffwechsel und weitere Signalwege beeinflusst werden. Diane beobachtete beispielsweise eine CA9-Expression unter bestimmten Bedingungen, die nominell als normoxisch eingestuft wurden. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, Hypoxie mithilfe geeigneter Kontrollen und, sofern möglich, ergänzender Marker zu validieren. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde außerdem Kobaltchlorid als chemischer Ansatz untersucht, um bestimmte Aspekte der hypoxischen Reaktion zu induzieren. Die Auswirkungen unterschieden sich erheblich zwischen den Zelllinien und bildeten die unter physikalischer Hypoxie beobachteten Reaktionen nicht zuverlässig nach. Höhere Konzentrationen waren zudem mit zellulären toxischen Effekten und Veränderungen der Zellmorphologie verbunden.

Die Ergebnisse unterstreichen somit, dass die chemische Aktivierung hypoxieassoziierter Signalwege nicht zwangsläufig den physiologischen Auswirkungen einer reduzierten Sauerstoffverfügbarkeit entspricht.

Reoxygenierung kann die Versuchsergebnisse verändern

Ein wichtiger praktischer Aspekt ist die Frage, was geschieht, wenn hypoxische Zellen wieder normalen Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt werden.

Diane stellte fest, dass die HIF-1α-Expression nach der Reoxygenierung rasch abnahm, wobei die Geschwindigkeit je nach Zelllinie variierte. In einigen Modellen konnten Veränderungen bereits innerhalb weniger Minuten beobachtet werden. Bei Experimenten mit hypoxischen Behandlungen oder entsprechenden Analysen kann dies eine potenzielle Fehlerquelle darstellen. Werden Zellen für Arbeitsschritte wie Behandlungen, Bildgebung oder Probenentnahmen aus kontrollierten Bedingungen entnommen, kann sich der hypoxieabhängige Zellzustand verändern, den die Forschenden eigentlich untersuchen möchten. Wenn Zellen unter einer definierten hypoxischen Umgebung untersucht werden sollen, ist es daher wichtig, die kontrollierten Sauerstoffbedingungen während aller relevanten experimentellen Arbeitsschritte aufrechtzuerhalten.

Hypoxie kann das Ansprechen auf Therapien beeinflussene

Im letzten Teil der Forschungsarbeiten wurde untersucht, wie Hypoxie das Ansprechen auf Krebstherapien beeinflussen kann. Als Beispiele dienten Radium-223 und die Hemmung der DNA-Schadensreaktion. Das Ansprechen auf Radium-223 unterschied sich bei Brustkrebszellmodellen zwischen Standard- und hypoxischen Bedingungen. Auch ein ATM-Inhibitor zeigte unter Hypoxie eine verringerte Aktivität. Diese Unterschiede verdeutlichen, dass die Sauerstoffverfügbarkeit mit den zugrunde liegenden molekularen Eigenschaften der jeweiligen Tumormodelle interagieren kann. Die Forschungsarbeiten wurden außerdem auf ein In-vivo-Modell von Knochenmetastasen bei Prostatakrebs ausgeweitet. Dabei führte die Kombination aus ATM-Hemmung und Radium-223 zu einer reduzierten HIF-1α-Expression im Tumorgewebe, während das umliegende Knochengewebe eine andere Reaktion zeigte. Dies verdeutlicht die Komplexität des Tumormikromilieus und wie wichtig es ist, sowohl die Auswirkungen therapeutischer Behandlungen auf bösartige Zellen als auch auf das umgebende gesunde Gewebe zu berücksichtigen.

Die wichtigsten Erkenntnisse zusammengefasst

Physiologische Sauerstoffkonzentrationen liegen deutlich unter den Werten herkömmlicher Zellkulturbedingungen.
Die Reaktion von Krebszellen auf Hypoxie unterscheidet sich je nach Zellmodell und Phänotyp.
Hypoxiemarker müssen innerhalb des jeweiligen experimentellen Systems validiert werden.
Chemisch induzierte Hypoxie bildet physikalische Hypoxie nicht zuverlässig nach.
Eine Reoxygenierung kann hypoxieassoziierte Signalwege innerhalb weniger Minuten verändern.
Hypoxie kann die Reaktion auf Krebsbehandlungen beeinflussen.