Inhibition of the IL-6/STAT3 signaling pathway for therapeutic intervention in prostate carcinogenesis and cancer cell differentiation

Schröder, Anne; Jove, Richard

doi:999910309478

Inhibition of the IL-6/STAT3 signaling pathway for therapeutic intervention in prostate carcinogenesis and cancer cell differentiation = Inhibition des IL-6/STAT3-Signalweges zur therapeutischen Intervention in der Prostata-Karzinogenese und der Tumorzelldifferenzierung

Schröder, Anne (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anne Schröder

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangVI, 139 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Jove, Richard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-05-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45715
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/229870/files/4571.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Biochemie und Molekularbiologie (513000-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Krebsforschung (Genormte SW) ; Prostatakrebs (Genormte SW) ; Interleukin 6 (Genormte SW) ; Androgen-Rezeptor (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; STAT3 (frei) ; Androgenrezeptor (frei) ; androgen receptor (frei) ; prostate cancer (frei) ; cancer stem cells (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die konventionelle therapeutische Intervention von Prostatakrebs erfolgt durch den Einsatz von Antiandrogenen oder Hormonentzug und wird als hormone deprivation therapy bezeichnet. Dabei wird der Signalweg des Androgen Rezeptors (AR) inhibiert. Trotz initialer Erfolge fuehrt diese Therapie häufig zur Selektion von reistententen, aggressiv metastasierenden Tumorzellen, welche die gezielte Behandlung überleben und somit ein erneutes Tumorwachstum fördern. Die mechanistischen Zusammenhänge, welche zur Enstehung dieses sogenannten hormone refractory prostate cancer (HRPC) führen sind bis heute nicht gut verstanden. Ein Modell, welches die Entstehung von HRPC versucht zu erklären befasst sich mit der Krebsstammzelltheorie. Krebsstammzellen weisen einen ähnlichen Phänotyp wie somatische, adulte Stammzellen auf. Im Verlauf der Mitose können sie sich entweder in zwei Tochterzellen mit gleichen charakteristischen Eigenschaften teilen (self-renewal), oder sie teilen sich asymmetrisch und generieren eine Progenitorzelle, die im weiteren Verlauf zu einer proliferativen Tumorzelle differenziert. Zudem sind Krebsstammzellen sehr resistent gegenüber Chemo- und Radiotherapie. Es wird angenommen, dass die Krebsstammzell-population den Tumor durch asymmetrische Zellteilung mit hoch-proliferativen, differenzierten Tumorzellen versorgt. Der signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) ist ein Onkoprotein, das in vielen Tumoren konstitutiv aktiv vorliegt. STAT3 reguliert Zielgene, welche in der Proliferation, anti-Apoptose, Angiogenese, und Metastase involviert sind. Im Verlauf der Prostata Karzinogenese wurde gezeigt, dass die Interleukin-6 (IL-6) induzierte STAT3 Aktivität das Tumorwachstum fördert. Konstitutive STAT3 Aktivität wurde vor allem in Metastasen und HRPC gefunden. Desweiteren hat sich erwiesen, dass STAT3 eine wichtige Rolle in der Aufrechterhaltung der Pluripotenz von Glioblastoma Stammzellen einnimmt. In dieser Studie wurde die Rolle des IL-6/STAT3 Signalweges in der Entwickung eines Krebsstammzell-phänotyps im Rahmen der Prostata Karzinogenese untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Inhibition des AR Signalweges durch Antiandrogene oder genetischem knock-down von AR zu einer Hochregulierung der IL-6/STAT3 Signaltransduktion führt. Dabei fiel auf, dass die aberrante STAT3 Aktivität mit der Entwicklung eines Krebsstammzell-phänotyps korrelierte. Krebsstammzell-marker waren in metastatischen Tumorgeweben, Geweben mit HRPC, und in Gewebeschnitten von humanen Patienten hochreguliert. Es zeigte sich, dass die Proteinmarker für einen Krebsstammzell-phänotyp in solchen Zellen überexprimiert vorlagen, die eine geringe AR Expression aber erhöhtes tyrosinphosphoryliertes STAT3 aufwiesen. Diese Korrelation könnte auf eine inverse Funktion des AR- und STAT3- Signalweges in der Entwicklung eines Krebsstammzell-phänotyps hinweisen. Die Unterdrückung des IL-6/STAT3 Signalweges wurde durch genetischen knock-down von STAT3 oder der Behandlung von murinen Tumoren mit dem IL-6 Rezeptor Fusionsprotein (IL-6RFP), das IL-6 spezifisch inhibiert, erreicht. Die Inhibition von STAT3 resultierte in signifikant reduziertes Tumorwachstum. Dabei führte die Behandlung mit IL-6RFP zu einer verringerten proliferativen Aktivität der Tumorzellen, als auch zu verminderter Angiogenese und anti-Apoptose. Unterstützt wurden diese Resultate durch eine stabile Expression des dominant-negativen Konstruktes STAT3beta-YFP in Prostatakrebszellen. Die Expression von STAT3beta-YFP führte zu einem reduzierten Wachstum von murinen Tumoren und zu verringerter Angiogenese und Metastase. Weiterhin resultierte die Inhibition von STAT3 durch Behandlung mit dem IL-6RFP oder genetischem knock-down in einer verringerten Expression von Proteinmarkern des Krebsstammzell-phänotyps in vitro und in vivo. Die Applikation einer kombinierten Therapie mit IL-6RFP und dem Antiandrogen Bicalutamide verbesserte die Anti-Tumor Antwort im Vergleich zu den entsprechenden Mono-therapien. Dabei zeigte sich, dass die Inhibition von IL-6 mit dem IL-6RFP die Antiandrogen induzierte Entstehung eines Krebsstammzell-phänotyps überschrieb. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Blockade des Androgen Rezeptors die Aktivierung von STAT3 über zunehmende IL-6 Expression vermittelt und dies in einem erhöhten Krebsstammzell-phänotyp mündet. Somit stellt das IL-6RFP ein potentielles Therapeutikum für die Prostata Karzinogenese dar, indem es das Krebswachstum reduziert und eine Wiederkehr des Tumors dadurch verhindert, dass es die Population der Krebsstammzellen beseitigt.

Prostate cancer is the most common cause of male cancer-related deaths in Western countries. Current treatment relies on targeting the androgen receptor (AR) signaling by hormone deprivation therapy. However, hormone depletion results in the selection of drug resistant, highly metastatic tumor cells that survive targeted therapy. Hence, the initial response to treatment is almost always followed by tumor relapse, which is called hormone refractory prostate cancer (HRPC). The development of HRPC is not well understood and remains a challenge for prostate cancer therapy. One model to explain HRPC development proposes the survival of so called cancer stem cells (CSC). CSCs share phenotypical features with embryonic stem cells, are highly drug resistant, and have been suggested to resupply the highly proliferative tumor cell population. STAT3 has been shown to maintain the pluripotent state of glioblastoma stem cells. Moreover, the IL-6/STAT3 signaling pathway has been emphasized to play a critical role in the progression of prostate tumors. In this study, the role of the IL-6/STAT3 signaling pathway in the initiation, progression and recurrence of prostate cancer upon hormone ablation therapy was determined. It was demonstrated that down-regulation of AR by either hormone deprivation therapy or gene-silencing results in the up-regulation of IL-6/STAT3 signaling. Overactive IL-6/STAT3 signal transduction coincided with CSC phenotype development. CSC marker expressions were up-regulated in tumors treated with anti-androgens, metastatic tumor cells as well as human prostate cancer. In human prostate cancer tissues, elevated cancer stem cell markers coincided with those cells exhibiting high STAT3 activity and low AR expression, supporting an opposing role of AR and STAT3 in prostate cancer stem cell development. Targeting the IL-6/STAT3 signaling pathway by gene silencing or using an IL-6 receptor fusion protein (IL-6RFP) resulted in significantly reduced tumor growth which was associated with decreased proliferation, angiogenesis and anti-apoptosis. It was found that overexpression of STAT3beta, a dominant-negative form of STAT3alpha, resulted in diminished prostate tumor growth, reduced angiogenesis and metastasis. Moreover, STAT3 inhibition by either using IL-6RFP or gene-silencing resulted in decreased CSC phenotype development in vitro and in vivo. Application of a combined therapy using the IL-6RFP and the anti-androgen bicalutamide improved tumor growth delay compared to the respective mono-therapies. In addition, IL-6 inhibition by IL-6RFP overwrote the anti-androgen induced CSC phenotype development.

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