Charakterisierung des HER2-Signalwegs im Vergleich von 2D- und 3D-Zellkultur und in einer Trastuzumab resistenten SKBR-3-Zelllinie

Die Charakterisierung und Kultivierung von Tumorzelllinien mit
Hilfe einer zweidimensionalen (2D) Zellkultur gilt als
Standardmethode in der Zellbiologie. Dreidimensionale (3D) Modelle
gewinnen jedoch immer mehr an Bedeutung, da sie die Tumorbiologie
in Bezug auf physiologisch relevante Zusammenhänge bei der
Tumorentstehung und –progression besser abbilden als eine
herkömmliche 2D-Kultur. Die auf poly-HEMA beschichteten
Zellkulturplatten induzierten multizellulären Tumorspheroide
reflektieren die Morphologie von avaskularen Tumoren und
Mikrometastasen. In der vorliegenden Arbeit werden anhand von
HER2-überexprimierenden Tumorzelllinien die Unterschiede der
HER2-Signalaktivierung und –weiterleitung in 2D- und 3D-Kultur
umfassend beschrieben. In 3D-Kultur konnte ohne Zugabe von
zusätzlichen Wachstumsfaktoren eine stärkere HER2-Phosphorylierung
beobachtet werden. Bei der Brusttumorlinie SKBR-3 bildet HER2 in
2D-Kultur bevorzugt Heterodimere mit HER3, wohingegen in Spheroiden
HER2-Homodimere vorliegen. Diese Homodimere lokalisieren in
lipidreichen Mikrodomänen und begünstigen die Aktivierung des
Ras-MAPK-Wegs, der die Proliferation der Tumorzellen reguliert. Mit
Hilfe des therapeutischen Antikörpers Trastuzumab, der spezifisch
für HER2 ist, kann die Proliferation der Zellen und die
Phosphorylierung von HER2 im 3D-System besser inhibiert werden.
Zusätzlich konnte in 3D eine Herunterregulierung des HER2/HER3
assoziierten PI3K-Akt-Signalwegs nachgewiesen werden. Bei SKBR-3
war in 3D-Kultur neben der stärkeren Phosphorylierung von MAPK auch
die Aktivierung der Integrin 4/Rac1/PAK2-Signalkaskade zu
beobachten. Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit in 3D-Kultur
die Zelllinie SKBR-3 HR generiert, die resistent gegen die
Behandlung mit Trastuzumab ist. Die Charakterisierung dieser Linie
zeigte eine verstärkte Expression von DARPP-32 und eine gesteigerte
HER2/HER3-Heterodimerbildung, gefolgt von einer Hochregulierung des
PI3K-Akt-Wegs. Das Gen für DARPP-32 liegt im ERBB2-Amplikon und
liegt bei vielen Brusttumorproben und –zelllinien amplifiziert vor.
Es konnte gezeigt werden, dass die induzierte Resistenz reversibel
ist und die erneut Trastuzumab responsiven Zellen eine schwächere
Expression von DARPP-32 aufwiesen, gefolgt von einer reduzierten
Aktphosphorylierung. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf
hin, dass das beschriebene 3D-Modell einige in vivo Aspekte des
HER2-Signalmusters besser reflektiert und deshalb als Basis für die
weitere Aufklärung des Wirkmechanismus von Trastuzumab dienen kann.
Außerdem kann dieses 3D-System zur Identifizierung von neuen
Zielmolekülen herangezogen werden um Therapiestrategien zu
entwickeln, welche eine Behandlung der HER2-positiven
Patientenpopulation erlaubt, die bisher nur suboptimal auf die
Behandlung mit Trastuzumab angesprochen haben.