Genetische Determinanten der frühen Metastasierung des humanen Bronchialkarzinoms

Abstract

Das Bronchialkarzinom gehört zu den häufigsten Tumorarten in westlichen Industrieländern. Trotz vollständiger Resektion des Primärtumors kommt es bei vielen Patienten im weiteren Krankheitsverlauf zu einem Tumorrezidiv und in Folge dessen zum Tod. Dies ist wahrscheinlich auf eine frühzeitige Disseminierung von Tumorzellen in die regionalen Lymphknoten (lymphogen) oder in den Blutkreislauf (hämatogen) zurückzuführen, von wo aus diese zu Vorläufern von distanten Metastasen werden können. Das Knochenmark (KM) wird häufig von disseminierten Tumorzellen (DTZ) besiedelt. Mehrere Studien konnten bereits zeigen, dass neben dem Lymphknoten-Status (LK) das Vorhandensein von DTZ im KM ein unabhängiger Prädiktor für eine schlechte Prognose darstellt. Unklar ist derzeit, ob es sich bei der Streuung von Zellen aus dem Primärtumor um einen selektiven Prozess oder um ein eher spontanes Ablösen von Tumorzellen aus dem Zellverband handelt. Während bei primären Mammakarzinomen die frühe hämatogene Disseminierung in das KM scheinbar auf ein spezifisches Expressionsmuster zurückzuführen ist, sind für das Bronchialkarzinom bisher noch keine vergleichbaren Studien durchgeführt worden. Daher war es Ziel dieser Arbeit, spezifische genomische Veränderungen oder Genexpressionsmuster des primären Bronchialkarzinoms zu identifizieren, die für die frühe hämatogene Disseminierung ins KM oder die lymphogene Metastasierung in die regionalen LK verantwortlich sind. Unter Verwendung der Mikroarray-Technologie wurden von primären Bronchialkarzinomen mit bekanntem KM- bzw. LK-Status die DNA-Kopienanzahl mit Array-CGH bestimmt, sowie Genexpressionsprofile erstellt. Veränderungen in der Genexpression spezifisch für die lymphogene Disseminierung scheinen überwiegend auf regulatorischen Veränderungen und nicht auf chromosomalen Imbalanzen zu beruhen. In Abhängigkeit vom LK-Status konnten keine spezifischen chromosomalen Regionen gefunden werden, deren Veränderungen in der DNA-Kopienanzahl zu einer differenziellen Genexpression zwischen LK-positiven und LK-negativen Patienten führte. Dahingegen wiesen fünf chromosomale Regionen in Abhängigkeit von der hämatogenen Disseminierung in das KM signifikante Unterschiede sowohl in der DNA-Kopienanzahl als auch in der Genexpression zwischen der KM-positiven und der KM-negativen Gruppe auf (4q12-q32, 10p12-p11, 10q21-q22, 17q21 und 20q11-q13). Die häufigsten Ereignisse waren dabei DNA-Verluste in der KM-positiven und DNA-Gewinne in der KM-negativen Gruppe auf Chromosom 4q12-q32. Weitere FISH-Analysen an zusätzlichen Gewebeproben bestätigten, dass ein Verlust von 4q21 signifikant häufiger in KM-positiven als in KM-negativen Patienten zu finden ist (38% vs. 9%, p=0,002). Heterozygote DNA-Verluste von 4q21 wurden ebenfalls in 39% der Gehirnmetastasen der Lunge nachgewiesen, was für eine bedeutende Rolle dieser Aberration nicht nur für die frühen Schritte der metastatischen Kaskade, sondern auch für die Manifestation von distanten Metastasen spricht. Da es sich beim DNA-Verlust von 4q immer nur um den Verlust eines Allels handelte, muss nach der Two Hit-Hypothese von Knudson das zweite Allel eines potentiellen Tumorsuppressorgens durch z. B. Methylierung reprimiert vorliegen. Dieses Phänomen konnte genutzt werden, um im Rahmen dieser Arbeit potentielle Tumorsuppressorgene auf 4q nachzuweisen, deren Genexpressionen in bronchialen Tumorzelllinien zusätzlich zu einem heterozygoten DNA-Verlust durch Hypermethylierungen inhibiert werden. Diese Ergebnisse konnten durch den Vergleich von Genexpressionsprofilen vor und nach Behandlung mit dem Demethylierungs-Agens 5-Aza-2'-Deoxycytidin (5-Aza-CdR) von einer nicht malignen epithelialen Lungenzelllinie (BEAS-2B) mit bronchialen Tumorzelllinien (H1395, H1993 und HTB-56) erzielt werden. Potentielle Targetgene mussten eine methylierungsunabhängige Genexpression in der Referenz-Zelllinie BEAS-2B aufweisen sowie in normalen Lungengeweben exprimiert werden. Die durch 5-Aza-CdR hervorgerufene Demethylierung musste in mindestens zwei der drei Tumorzelllinien zu einer deutlichen Steigerung der Genexpression von Tumorsuppressorgenen führen. So konnten auf 4q sieben potentielle Tumorsuppressorgene nachgewiesen werden. Für die drei Gene HERC5, DAPP1 und CHIC2 konnte zudem eine signifikante Korrelation zwischen der verminderten Expression und der frühen hämatogenen Disseminierung von Tumorzellen in das KM von Patienten mit einem primären Bronchialkarzinom gezeigt werden. Die in dieser Arbeit dargestellten und diskutierten Ergebnisse weisen erstmals darauf hin, dass die frühe hämatogene Disseminierung von Tumorzellen in das KM ein spezifischer Prozess ist, der unter der Kontrolle verschiedener molekularer Veränderungen zu stehen scheint. Gene in den identifizierten chromosomalen Regionen könnten sowohl als prognostische Marker für die frühe Disseminierung als auch als therapeutische „Targets“ zur Entwicklung neuer Medikamente für das Bronchialkarzinom bedeutend sein.