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Authors: Henninger, Christian
Title: Untersuchungen zum Einfluss des HMG-CoA-Reduktase-Inhibitors Lovastatin auf die Toxizität ionisierender Strahlung sowie des Anthrazyklinderivats Doxorubicin im Mausmodell
Online publication date: 28-Jan-2013
Language: german
Abstract: Hintergund: HMG-CoA-Reduktase-Inhibitoren (Statine) sind klinisch etablierte Cholesterinsenker. Über die Inhibition der intrinsischen Cholesterinbiosynthese hinaus zeigen sie sogenannte pleiotrope biologische Effekte. Ein Großteil dieser Wirkungen wird auf die Inhibition kleiner Ras homologer GTPasen (Rho GTPasen) zurückgeführt. In vitro schützt das Statinderivat Lovastatin (Lova) primäre humane Endothelzellen vor der Zytotoxizität von ionisierender Strahlung (IR) und dem Krebsmedikament Doxorubicin (Doxo). Zielsetzung: Die Relevanz dieser Befunde für ein in vivo Mausmodell sollte in der vorliegenden Arbeit überprüft werden. Dafür wurden BALB/c-Mäuse mit IR oder Doxo behandelt und der Einfluss einer Kobehandlung mit Lova auf verschiedene Toxizitätsendpunkte untersucht (24 h nach einer einzelnen hohen Dosis IR (i), 14 Tage nach zwei geringen Dosen IR (ii), 48 h nach einer einzelnen hohen Dosis Doxo (iii), sowie 8 Tage nach drei niedrigen Dosen Doxo (iv)). Eine mögliche gleichzeitige Protektion von Tumorzellen durch die Statingabe wurde in einem Xenotransplantationsexperiment überprüft (v), in dem das gleiche Behandlungsschema wie bei iv angewendet wurde. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass eine Statinbehandlung Normalgewebe vor Doxo- und IR-induzierter Toxizität schützt, ohne gleichzeitig protektiv auf transformierte Zellen zu wirken. Dieser Effekt ist wahrscheinlich von einer Inhibition der kleinen GTPasen Rac1 und RhoA abhängig und einer daraus folgenden Modifizierung der DNA-Schadensantwort. i: Die Statinvorbehandlung der Mäuse hatte keinen Einfluss auf die Bildung von initialen IR-induzierten DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) in der Leber. Die Lova-Behandlung wirkte sich jedoch auf IR-induzierte Stressantworten aus, was sich in einer Minderung der Expression von Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern in Leber und Darm widerspiegelte. ii: In der Lunge der Tiere wurde ein Anstieg von molekularen Inflammations- und Fibrosesurrogatmarkern detektiert, der bei Statinkobehandlung ausblieb. Zudem verhinderte die Kobehandlung mit Lova eine IR-induzierte Abnahme der Thrombozytenzahl, ohne sich auf die durch IR verringerte Leukozytenzahl im Blut auszuwirken. iii: Die Verabreichung einer hohen Dosis Doxo induzierte DSB-Formation in der Leber. Die Statinvorbehandlung reduzierte deren Menge um ca. 50 %. Dieser genoprotektive Effekt war unabhängig von der Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies sowie einer Änderung des Doxo-Imports oder Exports. Die Expression von proinflammatorischen und profibrotischen Genen fiel besonders in der Leber und im Herzen durch die Lova-Kobehandlung geringer aus, als in der nur mit Doxo behandelten Gruppe. Zudem verringerte Lova die durch Doxo induzierte Hochregulation von für den AP1-Komplex kodierenden Genen sowie von Zellzykluskontrollfaktoren. Die Lova-Vorbehandlung führte darüber hinaus im Herzen zu einem reduzierten mRNA-Spiegel der Topoisomerasen II α und β. iv: Es konnten schwere Herz- und Leberschäden detektiert werden (gemessen an Gldh-, Gpt- sowie cTn-I-Serumkonzentrationen), die bei einer Kobehandlung mit dem Statin nicht auftraten. Die Lova-Kobehandlung verhinderte außerdem eine durch die Doxo-Behandlung verringerte Leukozytenzahl. Molekulare Marker für frühe fibrotische Ereignisse, sowie für Inflammation und Hypertrophie waren in der Leber und im Herzen nach der Doxo-Behandlung erhöht. Das Statin war auch hier in der Lage, diese toxischen Wirkungen des Anthrazyklins zu mindern. Auch die Doxo-induzierte Expression von Surrogatmarkern für Zellantworten auf oxidativen Stress wurde in der Leber abgeschwächt. In der Leber und im Herzen wiesen die mit Doxo behandelten Tiere höhere mRNA Spiegel von an Zellzykluskontrolle beteiligten Faktoren sowie von DNA-Reparatur und Fremdstoffmetabolismus assoziierten Genen auf. Am stärksten wurde die Expression von Topoisomerase II alpha - ein molekularer Marker für Zellproliferation und bedeutsame Zielstruktur von Doxo - in der Leber hochreguliert. Die Statin-Kobehandlung verhinderte all diese Doxo-induzierten Expressionsänderungen. Im Gegensatz zur Leber wurde die Top2a-mRNA Menge im Herzen durch die Doxo-Applikation reduziert. Auch hier bewirkte die Kobehandlung mit dem Statin, dass die Expression nahe dem Kontrollniveau blieb. v: Die Kobehandlung mit Lova führte zu keinem Schutz der Tumorzellen vor Doxo, sondern erhöhte sogar dessen antineoplastisches Potential.rnFazit: Die Erkenntnisse aus vorhergegangenen in vitro Versuchen konnten zum großen Teil auf die in vivo Situation im Mausmodell übertragen werden. Sie stehen im Einklang mit Ergebnissen anderer Gruppen, welche die Inhibition kleiner GTPasen mit einer geringeren, durch zytotoxische Substanzen induzierten, Inflammation und Fibrose korrelieren konnten. Eine Kobehandlung mit Lova während einer Krebstherapie erscheint somit als vielversprechende Möglichkeit Doxo- oder IR-induzierte Nebenwirkungen auf Normalgewebe zu mildern.
Background: HMG-CoA reductase inhibitors (statins) are clinically well established cholesterol lowering drugs. They also exhibit so called pleiotropic biological effects, which are considered to be independent of the inhibition of intrinsic cholesterol biosynthesis. The majority of these effects are most likely related to the inhibition of small Ras-homologous GTPases (Rho GTPases). The statin derivative lovastatin (lova) protects human endothelial cells from the cytotoxicity of ionizing radiation (IR) and the anti-cancer drug doxorubicin (doxo) in vitro. Aim: The aim of this work was to test the in vivo relevance of these results using BALB/c mice as in vivo model. To this end, different endpoints of cytotoxicity were analysed in BALB/c mice treated with IR or doxo (24 h after a single high dose of IR (i), 14 days after two low doses of IR (ii), 48 h after a single high dose of doxo (iii) and 8 days after three low doses of doxo (iv)) with or without co-treatment with lova. Possible protective effects of the statin on tumour cells were analysed by performing a xenograft experiment (v) with doses and time points analogous to treatment scheme iv. Results: Lova treatment protected normal tissue from doxo or IR induced toxicity without protecting transformed cells. Most probably, the beneficial statin effect rests on inhibition of the small GTPases Rac1 and RhoA leading to a modification of the DNA damage response. i: Statin treatment of the mice did not alter IR-induced initial formation of DNA double-strand breaks (DSBs) in the liver. However, lova co-treatment altered IR-induced stress responses as reflected by a reduced hepatic and intestinal expression of genes involved in inflammation and fibrosis. ii: IR led to an increase in mRNA expression of molecular surrogate markers for inflammation and fibrosis in the lung which was prevented by statin treatment. Additionally, co-treatment with lova protected from IR-induced reduction of platelet count without altering the IR derived decrease in leukocyte count. iii: Intraperitoneal injection of a single high dose of doxo induced DSB formation in the liver. Lova treatment reduced the level of DSBs by about 50 %. This genoprotective effect was independent from the generation of reactive oxygen species (ROS) or from altered cellular import or export of doxo. As compared to a single doxo treatment, co-treatment with lova lowered the expression of pro-inflammatory and pro-fibrotic genes in liver and heart. Additionally, lova reduced doxo-induced expression of genes coding for the AP1 complex and cell cycle control factors. Furthermore, pre-treatment with lova caused a reduction in the mRNA levels of topoisomerase II alpha and beta in the heart. iv: After multiple treatments with low dose of doxo, severe heart and liver damage was detected (reflected by cTn-I, GLDH and GPT serum concentrations) 8 days after administration of the last dose doxo. Such organ toxicities did not occur in the statin co-treated groups. The co-treatment with lova prevented doxo-induced reduction in leukocyte count. Doxo treatment elevated the mRNA levels of early fibrotic markers as well as of markers for inflammation and hypertrophy in liver and heart. Again, statin co-treatment was able to reduce these toxic effects of the anthracycline. The doxo-induced expression of genes involved in the cellular responses to oxidative stress was alleviated by the co-treatment in the liver, too. Moreover, the doxo-treated animals showed up-regulated expression of genes associated with cell cycle control, DNA repair and metabolism of xenobiotics. Doxo stimulated a high expression of topoisomerase II alpha (Top2a, a molecular marker for cell proliferation and important target of doxo) in the liver. The statin co-treatment largely mitigated all of these doxo-induced changes in gene expression. By contrast, doxo treatment caused a strong down-regulation of Top2a expression in the heart. In mice co-treated with the statin the Top2a expression remained close to the level of untreated controls. v: In the xenograft experiment co-treatment with lova did not lead to protection of subcutaneous injected human tumor cells from doxo-induced cytotoxicity. It even significantly enhanced the anti-neoplastic potential of doxo.rnConclusion: The findings from previous in vitro experiments were shown to be of relevance in vivo. The data are consistent with results from other groups which demonstrated that the inhibition of small Rho GTPases goes along with reduced inflammation or fibrosis following treatment of animals with cytotoxic drugs or ionizing radiation. Implementation of lova into current cancer-therapeutic regimen could be a promising strategy to alleviate doxo- or IR-induced adverse effects on normal tissue.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4374
URN: urn:nbn:de:hebis:77-33383
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 152 S.
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