Signature der Sphingolipid-verwandten Gene im Krebs

Heutige Anti-Krebsstrategien konzentrieren sich hauptsächlich auf die Validierung folgender Targets und Signaltransduktionswege: Wachstumsfaktorsignaling, Zellzyklusregulation, Krebs-Stammzellen, Regulatoren der Apoptose, Angiogenese und Metastasierung. Interessanterweise gibt es Hinweise, dass Sphingolipide in einigen dieser Pathways aktiv beteiligt sind. So hat sich Sphingosin 1-Phosphat als wirksamer Trigger der Proliferation, Zytoskeletonorganisation, Migration, Adhärenz, Tight-Junction-Assemblierung, und Morphogenese herausgestellt. Nicht nur bei Tumorzellen sondern auch an Endothelzellen wirkt Sphingosin 1-Phosphat als starker pro- angiogenetischer Faktor. Dieses spezielle Lipid wirkt extrazellulär, indem es sich an das jeweils zellspezifische Repertoire von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren bindet. Als Antipole zu Sphingosin 1-Phosphat wirkt das intrazelluläre Ceramide, ein pro-apoptotisches Molekül, dessen krankheitsabhängige Spiegel zur Dysregulation des apoptotischen Zelltods sowie zur Entwicklung eines Multidrugresistenz Phänotyps in Krebszellen beitragen können. Allein diese zwei Beispiele für die Plethora von Sphingolipidmetaboliten illustrieren, wie wichtig das Verständnis der Bildung und des Abbaus von Sphingolipid Mediatoren mittels eines Vergleichs zusammenhängender Systeme zellulärer Enzyme unter gesunden und erkrankten Bedingungen für die Tumorgenese ist. Das Ziel dieser Studie ist eine vertiefende Charakterisierung zellulärer "Checkpoints", welche das physiologisch ausbalancierte Sphingolipid-System in den pathologischen Status lenken und somit zur Entwicklung und Progression solider Tumoren sowie zur Entstehung von Therapieresistenzen führen. Für die systemische Analyse soll die Kombination (i) eines in silico datengetriebenen Ansatzes, basierend auf der Analyse verfügbarer genomweiter Microarray-Datensätze zur Ergründung veränderter Sphingolipid-assoziierter Gensignaturen sowie (ii) eines wissensbasierenden Ansatzes, bei welchem eine real-time PCR Genexpressionanalyse unter Verwendung einer speziell entworfenen Multigensignatur (Liste aus 45 Genen; Zusammensetzung erstellt basierend auf einer Datenschürfung aus dem Sphingolipid Gebiet, der Erstellung von Gen-interaktions-Netzwerken) verwendet werden. Genexpressionsanalysen werden unter Zuhilfenahme gut charakterisierter klinischer Proben aus drei verschiedenen Typen solider Tumoren vorgenommen. Genprofilling erfolgt weiters an etablierten Zellinien der entsprechenden Tumortypen sowie an Chemotherapieresistenzmodellen unter Verwendung sensitiver und antikrebsmedikamentresistenter Untergruppen. Die erstellten Genexpressionsdatensets werden einer weiteren Analyse unterzogen, um Gesetzmäßigkeiten im Expressionsmuster innerhalb eines definierten soliden Tumortyps zu finden und somit Multigensignaturen mit prognostischem Beitrag zu identifizieren. Um Verbindungen zu anderen krankheitsrelevanten Mechanismen (Proliferations-, Invasions-, Metastasierungs-, Tumorstroma- und Angiogenese- assoziert) erstellen zu können werden Teile der Tumorproben, welche Hinweise auf das Vorliegeneiner signifikanten Korrelation der Genexpression zwischen der Sphingolipid zugehöriger Multigensignatur und klinischen Parametern aufweisen zusätzlich unter Zuhilfenahme des Affymetrix Microarrays analysiert. Um die funktionelle Relevanz der auserwählten Kandidatengene bewerten zu können werden in vitro Zell-basierte Experimente vorgenommen um eine Reiche zellulärer Antworten abdecken zu können. Krankheits- assoziierte Wirkungen der Sphingolipidmodifizierenden Enzyme werden den zellulären/gewebes-Pegel der bioaktiven Sphingolipid mediatoren (Sphingolipidomics) angeglichen. Konzeptualisierung der gewonnenen Daten könnte nicht nur zur Grundlagenforschung dienen, sondern voraussichtlich auch für therapeutische Angriffsziel Findung und dem Aufbau von prognostischen und/oder prädiktiven Sphingolipid-zugehörigen Tumor-assozierten Multigenexpressionssignaturen dienen.

Die Erkenntnis, dass nicht nur Proteine, sondern auch Lipide, inklusive der Sphingolipide, eine kritische Rolle bei einer Vielzahl von zellulären Regulationsmechanismen spielen, eröffnet neue Angriffspunkte bei der Behandlung verschiedenster Erkrankungen. Durch die innovative Methodik und den angewandten integrativen Ansatz gehört das Projekt P 23228-B13, geleitet von Assoc.-Prof. Dr. Diana Mechtcheriakova, gefördert vom Austrian Science Fund (FWF), zu den Vorreitern auf dem Gebiet der Erforschung des komplexen Sphingolipidsystems und dessen Einfluss auf die Pathobiologie von Krebserkrankungen. Eine der wichtigsten Erkenntnisse in diesem Projekt ist, dass zelluläre, Sphingolipid-assozierte Ereignisse zu den Pathomechanismen beitragen, welche dem Prozess der epithelial-mesenchymalen Transition (EMT) des kleinzelligen Lungenkarzinoms zugrunde liegen. Diese neue Erkenntnis, welche einen entscheiden Beitrag zur Krebsforschung an sich und weiterführend zur Entwicklung neuer Therapieansätze darstellt, wurde in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Top-Experten aus verschiedenen Fachgebieten erarbeitet. Weiters wurde im Zuge der Projektdurchführung ein innovativer Analysealgorithmus, welcher von dem Forschungsteam als MuSiCO/from Multigene Signature to Patient-Orientated Clinical Outcome bezeichnet wird, entwickelt. MuSiCo ermöglicht es eine Brücke zwischen der Grundlagenforschung und der translationalen Forschung zu schlagen und somit einen möglichst großen Nutzen für den Patienten zu erlangen; der Fokus liegt in der Studie auf dem Adenokarzinom der Lunge, dem serösen Ovarialkarzinom sowie Gehirntumoren. Es werden dabei Patienten-spezifische Genexpressionsdaten, ermittelt mittels der von den Forschern geschaffenen Gene Signatures mit bereits bekanntem Wissen aus dem Omics Bereich vereinigt und mittels State-of-the-Art statistischer Modellierung Überlebensraten berechnet. Die Erkenntnis über die Notwendigkeit des integrativen, Systembiologie- basierenden Ansatzes für das Erlangen eines weitreichenden Überblicks hat entscheidend zum Erfolg des Projekts beigetragen. Sphingolipide gehören einer komplexen Klasse von natürlich vorkommenden Lipidmolekülen an, welche von der Zelle synthetisiert und ins Plasma freigesetzt werden. Zusätzlich zu der grundlegenden Funktion der Sphingolipide als Bestandteile zellulärer Membranen zeigen bahnbrechende Entdeckungen der letzten Jahrzehnte eine Rolle der Sphingolipidmediatoren als aktive Regulatoren von kritischen zellulären und biologische Prozessen, wie Zellwachstum, Überleben, Differenzierung und Migration. Als Beispiel wird das Gleichgewicht zwischen Sphingosine 1-phosphate (S1P) und Ceramid, bekannt als das Sphingolipid Rheostat, als einer der entscheidenden Faktoren gesehen, welcher über Überleben/Proliferation oder aber Apoptose/Zelltod bestimmen. Unter physiologischen Bedingungen wird das Zusammenspiel der einzelnen Sphingolipidmediatoren durch die exakt abgestimmte Zusammenarbeit der synthetisierenden, abbauenden, modifizierenden Enzyme, sowie der spezifischen Zelloberflächenrezeptoren und Transporter, welche allesamt die Sphingolipid Machinery darstellen, sichergestellt. Im Falle von pathophysiologischen Zuständen bringt solch eine Komplexität hingegen eine Vielzahl von Bruchstellen mit sich; der hierbei entwickelte Algorithmus erlaubt es, solche Bruchstellen auf der Gen- und Lipidebene aufzudecken. Der erste Teil der Studie wurde im Jahr 2016 in einem hoch angesehenen Journal auf dem Gebiet der Krebsforschung, Oncotarget, publiziert. Ein weiterer Teil erschien 2014 in PLoS ONE, einem Top-Journal in der Kategorie Interdisciplinary Sciences. Weitere Publikation(en) sind in Vorbereitung.