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Jana Lippmann

• Für die Funktion und das Überleben von Zellen ist die Aufrechterhaltung und Regulation der Redoxhomöostase durch Produktion und Elimination von radikalen Sauerstoffspezies (ROS) von entscheidender Bedeutung. In Tumorzellen finden sich höhere basale ROS-Level als in gesunden Zellen, was jedoch trotz des vermehrten oxidativen Stresses nicht zur Zelltodinduktion führt, da kompensatorisch antioxidative Mechanismen ebenfalls gesteigert sind. Vor allem zwei antioxidative Systeme sind hauptsächlich bei der Elimination von ROS involviert: das Glutathion (GSH)-System und das Thioredoxin (TRX)-System. Hierbei spielt eine beständige Regeneration von GSH, als auch von TRX, eine wichtige Rolle, da diese bei der Reduktion von Sauerstoffradikalen verbraucht werden. Im hepatozellulären Karzinom (HCC) ist die gestörte Redoxhomöostase mit gesteigerten ROS Leveln ein wichtiger Faktor in der Karzinogenese. Das HCC wird oft erst im fortgeschrittenen, nicht mehr kurativen Stadium diagnostiziert und ist resistent gegenüber nahezu allen Formen von Chemotherapien. Dies verdeutlich die immense Bedeutung der Erforschung der teilweise unverstandenen Tumorgenese, aber auch die Notwendigkeit für die Entwicklung von neuen Therapien. In der hier dargestellten experimentellen Arbeit gingen wir deshalb der Frage nach, ob die alleinige Inhibierung der antioxidativen Schutzmechanismen durch sog. ROS Modulatoren ausreicht, um eine Zelltodinduktion in humanen HCC-Zelllinien herbeizuführen und damit eine potenzielle neue Therapiestrategie aufzuzeigen. Wir konnten zeigen, dass die simultane Inhibierung dieser zwei antioxidativen Hauptmechanismen im HCC durch die Kombination von Auranofin (TXR-Inhibitor) mit Buthionine-Sulfoximin (BSO, Glutathion-Inhibitor) und Erastin (indirekter Glutathion-Inhibitor) mit BSO zur ROS-abhängigen Zelltodinduktion im HCC in vitro führt. Interessant ist, dass die gesteigerten ROS-Level jedoch nicht den Zelltod im HCC induzierten, wenn nur eines der beiden antioxidativen Systeme inhibiert wurde. Offenbar ist die Tumorzelle in der Lage durch Hochregulierung anderer antioxidativer Systeme das induzierte ROS zu neutralisieren. Unsere Untersuchungen zum Wirkmechanismus der Zelltodinduktion durch die Kombinationsbehandlungen Auranofin + BSO bzw. Erastin + BSO identifizierten unerwarteterweise eine Caspasen-unabhängige, nicht-apoptotische Zelltodform, die sog Ferroptose, welche durch ROS-Produktion und Lipidperoxidierung charakterisiert ist. Weitere Experimente konnten untermauern, dass mit der Induktion der Ferroptose durch die selektive ROS-Modulation die Apoptoseresistenz der HCC Zellen umgangen werden kann. Mechanistisch kann diese erstmals 2012 beschriebene eisenabhängige Zelltodform, Ferroptose, durch zwei verschiedene Signalwege induziert werden: Erstens durch den kanonischen Pfad, bei welchem die Inhibierung der Glutathionperoxidase 4 (GPX4), einem Protein, welches die Zellmembran vor Lipidperoxidation schützt, eine zentrale Rolle spielt, und zweitens durch den nicht-kanonischen Pfad, welcher durch eine Anhäufung von zweiwertigem Eisen u. a. durch Aktivierung von Hämoxygenasen (HO), vermittelt durch den Transkriptionsfaktor Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2), gekennzeichnet ist. Wir konnten feststellen, dass in unseren Kombinationsbehandlungen beide Pfade involviert sind und eine Herunterregulierung von GPX4 als auch eine Akkumulation von Nrf2 und Hämoxygenase-1 (HO-1) besteht. Zusammenfassend konnte unsere Arbeit zeigen, dass mittels pharmakologischer Adressierung zweier antioxidativer Systeme die Therapieresistenz der HCC-Zellen umgangen werden kann, und dass die Induktion der Ferroptose zukünftig eine vielversprechende Therapieoption im HCC darstellen könnte.