Identification of hypoxia-specific anti-cancer drugs using an in vitro spheroid model
| dc.contributor.advisor | Steigemann, Patrick | |
| dc.contributor.author | Klutzny, Saskia | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Rappsilber, Juri | |
| dc.contributor.referee | Lauster, Roland | |
| dc.contributor.referee | Steigemann, Patrick | |
| dc.date.accepted | 2017-11-06 | |
| dc.date.accessioned | 2018-08-02T08:22:40Z | |
| dc.date.available | 2018-08-02T08:22:40Z | |
| dc.date.issued | 2018 | |
| dc.description.abstract | Cancer is among the leading causes of morbidity and mortality worldwide and the effectiveness of novel treatment approaches is often limited by the development of drug resistance. Owing to the rapid growth, high metabolic rates and lagging or insufficient neo-angiogenesis, many solid tumors are characterized by large regions of hypoxia. Tumor hypoxia is a main determinant for resistance development and treatment failure and is therefore an important target for cancer therapy. Most approaches for targeting hypoxic cells focus on the inhibition of hypoxia adaption pathways but only a limited number of compounds with the potential to specifically target hypoxic tumor regions have been identified. Therefore, a tumor spheroid model that mimics regions of severe hypoxia in tumors was used to perform a high-content screen for the identification of hypoxia-sensitizing compounds that specifically induce cell death in hypoxic tumor spheroids. Using this unbiased phenotypic screening system, a set of compounds including the antipsychotic phenothiazine drug fluphenazine were identified as highly hypoxia-selective hits that act via a novel, yet unreported mode of action. It was discovered that fluphenazine functionally inhibits the lysosomal enzyme acid sphingomyelinase and induces cancer cell death in hypoxic tumor spheroids by sphingomyelin accumulation. Moreover, fluphenazine potentiates the transcriptional activity of hypoxia stress response pathways and causes hypoxia specific cell death via the ER-stress response transcription factor ATF4. Taken together, the here presented data suggest a novel, yet unexplored mechanism in which induction of sphingolipid stress leads to the overactivation of hypoxia stress response pathways and thereby promotes their pro-apoptotic tumor suppressor functions to specifically kill cells in hypoxic tumor areas. This study provides further insight into the survival of cancer cells in hypoxic tumor regions and proposes the inhibition of sphingomyelin metabolism as potential novel target approach in hypoxic tumor regions that could lead to the identification of novel drugs to potentiate anti-cancer therapy. | en |
| dc.description.abstract | Krebserkrankungen gehören weltweit zu den häufigsten Ursachen für Morbidität und Mortalität. Trotz neuartiger Behandlungsansätze wird die Wirkung von Krebstherapeutika häufig durch die Entwicklung von Therapieresistenzen stark vermindert. Auf Grund des schnellen Wachstums, des hohen metabolischen Verbrauchs und der mangelnden oder unzureichenden Neubildung von sauerstoffversorgenden Blutgefäßen zeigen viele Tumore starke hypoxische Regionen auf. Tumorhypoxie ist eine der Hauptursachen für Resistenzentwicklung und Therapieversagen und zählt damit zu einem wichtigen Angriffspunkt für die Krebstherapie. Die häufigsten Therapieansätze für die zielgerichtete Behandlung von hypoxischen Tumorzellen sind auf die Inhibition von Anpassungssignalwegen fokussiert, welche unter starkem Sauerstoffmangel von den Krebszellen aktiviert werden um ihr Überleben zu sichern. Die Anzahl der bisher identifizierten hypoxiespezifischen Therapeutika ist jedoch sehr gering. Daher wurde in dieser Arbeit ein Tumorsphäroid-Model, welches Tumorregionen mit schwerer Hypoxie nachahmt, verwendet, um einen phänotypischen Screen (sog. High-Content-Screen) durchzuführen und chemische Substanzen zu identifizieren, welche spezifisch den Zelltod von hypoxischen Krebszellen induzieren. Mithilfe dieses Screeningsystems war es möglich eine Gruppe von Wirkstoffen zu identifizieren, welche ihre hypoxiespezifische Wirkung über einen neuen, bisher nicht beschriebenen Mechanismus ausüben. Zu dieser Gruppe gehört unter anderem das antipsychotische Phenothiazin-Arzneimittel Fluphenazin. Es wurde herausgefunden, dass Fluphenazin das lysosomale Enzym saure Sphingomyelinase funktionell inhibiert und durch eine starke Akkumulation von Sphingomyelin den Zelltod in hypoxischen Tumorsphäroiden hervorruft. Darüber hinaus verstärkt Fluphenazin die transkriptionelle Aktivität von hypoxischen Stressadaptionssignalwegen und bewirkt so über den ER-Stress Transkriptionsfaktor ATF4 ein hypoxiespezifisches Absterben von Krebszellen. Zusammenfassend lässt sich aus den hier vorgestellten Daten ein neuer, bisher unerforschter Mechanismus ableiten, welcher durch die Induktion von Sphingolipidstress zur Überaktivierung von hypoxischen Stressadaptionssignalwegen führt und so ihre pro-apoptotischen Tumorsupressorfunktionen aktiviert, um spezifisch Krebszellen in hypoxischen Tumorregionen zu töten. Diese Ergebnisse liefern neue wertvolle Einblicke in das Überleben von hypoxischen Tumorzellen und identifizieren den Sphingomyelinmetabolismus als potentiellen neuen Angriffspunkt für die Krebstherapie hypoxischer Tumore, was zur Entdeckung neuer Wirkstoffe beitragen könnte. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/8054 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7215 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.relation.haspart | 10.1038/cddis.2017.130 | |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 570 Biowissenschaften; Biologie | de |
| dc.subject.other | hypoxia | en |
| dc.subject.other | spheroid cancer model | en |
| dc.subject.other | spherid screening | en |
| dc.subject.other | acid sphingomyelinase | en |
| dc.subject.other | hypoxia-inducible factor | en |
| dc.subject.other | activating transcription factor 4 | en |
| dc.subject.other | Hypoxie | de |
| dc.subject.other | Spheroid-Tumor-Modell | de |
| dc.subject.other | Spheroid-Screening | de |
| dc.subject.other | saure Sphingomyelinase | de |
| dc.subject.other | HIF | en |
| dc.subject.other | ATF4 | en |
| dc.title | Identification of hypoxia-specific anti-cancer drugs using an in vitro spheroid model | en |
| dc.title.translated | Identifikation von Hypoxie-spezifischen Krebsmedikamenten mittels eines in vitro Spheroidmodells | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Biotechnologie | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 3 Prozesswissenschaften | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Biotechnologie | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |