Onkologische Sicherheit der hydrostatischen Hochdruckbehandlung zur Devitalisierung von Tumorzellen

Brach, Julia Kristin; Hackenberg, Stephan; Wirth, Markus Hubertus

doi:10.18154/RWTH-2026-06015

Onkologische Sicherheit der hydrostatischen Hochdruckbehandlung zur Devitalisierung von Tumorzellen

Brach, Julia Kristin^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Julia Kristin Brach, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Hackenberg, Stephan (Thesis advisor)^RWTH* ; Wirth, Markus Hubertus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06015
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1037388/files/1037388.pdf

Einrichtungen

Klinik und Lehrstuhl für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde (932010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kopf-Hals-Tumore (frei) ; Zytokine (frei) ; autologe Rekonstruktion (frei) ; hydrostatischer Hochdruck (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Die hydrostatische Hochdruckbehandlung (High Hydrostatic Pressure, HHP) stellt ein innovatives Verfahren zur vollständigen Devitalisierung tumorinfiltrierten Gewebes bei gleichzeitigem Erhalt der extrazellulären Matrix dar und eröffnet damit neue Perspektiven für die autologe Gewebereimplantation in der rekonstruktiven Kopf-Hals-Chirurgie. Voraussetzung für eine klinische Anwendung ist jedoch eine umfassende präklinische Bewertung der onkologischen Sicherheit, insbesondere im Hinblick auf die druckinduzierte Freisetzung löslicher Mediatoren mit potenziell tumorfördernden oder stromal-aktivierenden Effekten.Analysen des Zytokinprofils HHP-behandelter Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom (HNSCC)-Zellen zeigten eine ausgeprägte, druckabhängige Freisetzung proinflammatorischer Zytokine, insbesondere von IL-1α und IL-1β. Demgegenüber waren IL-6 und IL-8 überwiegend in konditionierten Medien unbehandelter Tumorzellen nachweisbar. Funktionelle Untersuchungen ergaben, dass konditionierte Medien aus Zellen, die mit subletalen Druckbereichen (200 MPa) behandelt wurden, das proliferative, migratorische und invasive Verhalten vitaler Tumorzellen fördern können. Im Gegensatz dazu waren bei Anwendung des klinisch relevanten Drucks von 300 MPa, der eine vollständige Devitalisierung gewährleistet, weder in 2D- noch in 3D-Modellen tumorfördernde Effekte nachweisbar, trotz hoher Konzentrationen proinflammatorischer Zytokine, insbesondere IL-1α und IL-1β. Dies spricht dafür, dass die unter diesen Bedingungen freigesetzten Mediatoren keine biologisch relevante Restaktivität auf Tumorzellen entfalten.Ergänzend wurde untersucht, ob konditionierte Medien HHP-behandelter Tumorzellen stromale Zellen aktivieren oder eine cancer-associated-fibroblast (CAF)-ähnliche Transdifferenzierung mesenchymaler Stromazellen induzieren können. Konditionierte Medien unbehandelter Tumorzellen (0 MPa) führten lediglich zu einer milden, donorabhängigen Veränderung auf molekularer und morphologischer Ebene, während eine CAF-typische Markerexpression, insbesondere von α-SMA, FAP und TNC, ausschließlich unter Positivkontrollbedingungen (TGF-β1-Stimulation) beobachtet wurde. Konditionierte Medien aus 300 MPa-behandelten HNSCC-Zellen induzierten zwar eine elongierte, spindelförmige Zellmorphologie der Stromazellen sowie eine erhöhte Proliferation, zeigten jedoch keine Veränderungen in der Expression der untersuchten CAF-Marker. Auch erhöhte Spiegel von MCP-1, IL-6, IL-8 und CCL5 blieben deutlich unterhalb der Effekte des 0 MPa-konditionierten Mediums und korrelierten nicht mit einer stabilen, tumorfördernden Stromareaktion.In ihrer Gesamtheit liefern diese Ergebnisse eine robuste präklinische Evidenz für die onkologische Sicherheit der HHP-Behandlung bei 300 MPa sowohl auf Tumorzell- als auch auf Stromaebene in vitro. Der definierte Druckbereich ermöglicht eine zuverlässige Devitalisierung maligner Zellen, ohne das Wachstum oder die Invasivität residualer Tumorzellen zu stimulieren oder die stromale Mikroumgebung in Richtung eines tumorfördernden CAF-Phänotyps zu verschieben. Damit liefern die vorliegenden Arbeiten eine belastbare präklinische Grundlage für weiterführende in vitro- und in vivo-Untersuchungen zur klinischen Weiterentwicklung der HHP-Technologie und tragen zur Bewertung ihres potenziellen Einsatzes in der rekonstruktiven Kopf-Hals-Chirurgie bei.

High hydrostatic pressure (HHP) treatment is an innovative method for the complete devitalization of tumor-infiltrated tissue while preserving the extracellular matrix, thus opening up new perspectives for autologous tissue implantation in reconstructive head and neck surgery. However, a comprehensive preclinical evaluation of oncological safety is required prior to clinical application, particularly with regard to pressure-induced release of soluble mediators with potentially tumor-promoting or stromal-activating effects.Analyses of the cytokine profile of HHP-treated head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) cells showed a pronounced, pressure-dependent release of proinflammatory cytokines, in particular IL-1α and IL-1β. In contrast, IL-6 and IL-8 were predominantly detectable in conditioned media from untreated tumor cells. Functional studies showed that conditioned media from cells treated with sublethal pressure ranges (200 MPa) can promote the proliferative, migratory, and invasive behavior of viable tumor cells. In contrast, when the clinically relevant pressure of 300 MPa, which ensures complete devitalization, was applied, no tumor-promoting effects were detectable in either 2D or 3D models, despite high concentrations of proinflammatory cytokines, in particular IL-1α and IL-1β. This suggests that the mediators released under these conditions do not exert any biologically relevant residual activity on tumor cells.In addition, it was investigated whether conditioned media from HHP-treated tumor cells can activate stromal cells or induce cancer-associated fibroblast (CAF)-like transdifferentiation of mesenchymal stromal cells. Conditioned media from untreated tumor cells (0 MPa) only led to a mild, donor-dependent change at the molecular and morphological level, while CAF-typical marker expression, in particular of α-SMA, FAP, and TNC, was observed exclusively under positive control conditions (TGF-β1 stimulation). Conditioned media from 300 MPa-treated HNSCC cells induced an elongated, spindle-shaped cell morphology of the stromal cells and increased proliferation, but showed no changes in the expression of the CAF markers examined. Elevated levels of MCP-1, IL-6, IL-8, and CCL5 also remained well below the effects of the 0 MPa-conditioned medium and did not correlate with a stable, tumor-promoting stromal response.Taken together, these results provide robust preclinical evidence for the oncological safety of HHP treatment at 300 MPa at both the tumor cell and stromal levels in vitro. The defined pressure range enables reliable devitalization of malignant cells without stimulating the growth or invasiveness of residual tumor cells or shifting the stromal microenvironment toward a tumor-promoting CAF phenotype. The present work thus provides a robust preclinical basis for further in vitro and in vivo studies on the clinical development of HHP technology and contributes to the evaluation of its potential use in reconstructive head and neck surgery.

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