Dokument: Analysis of metabolic reprogramming during the enrichment of glioblastoma stem-like cells in glioblastoma via high resolution proton nuclear magnetic resonance (HR 1H-NMR) spectroscopy
| Titel: | Analysis of metabolic reprogramming during the enrichment of glioblastoma stem-like cells in glioblastoma via high resolution proton nuclear magnetic resonance (HR 1H-NMR) spectroscopy | |||||||
| Weiterer Titel: | Analyse der metabolischen Reprogrammierung von Glioblastomstammzellen mittels hochauflösender Protonenkernspinresonanzspektroskopie (HR 1H-NMR) | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47899 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20201216-091811-3 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Koch, Katharina [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Maciaczyk, Jaroslaw [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | glioblastoma, cancer-stem-cells, metabolism, choline, glutamine | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibungen: | Glioblastoma is the most malignant primary brain tumor with limited therapeutic options because standard therapy fails to target the most aggressive subtype of glioblastomas, glioblastoma stem-like cells (GSCs). GSCs are enriched by epithelial-mesenchymal transition (EMT) and responsible for tumor initiation, chemoresistance, and tumor relapse. Substantial progress has been made toward understanding how GSCs drive tumor progression and therapy resistance, however, whether GSC enrichment is linked to metabolic reprogramming remains elusive. In this thesis, HR 1H NMR spectroscopy of ex vivo cellular extracts of glioblastoma cultures is used to investigate whether GSC enrichment is dependent on metabolic reprogramming and cause changes of the tumor’s metabolic makeup.
In chapter 2.1 we study the effect of glioblastoma culture conditions on the GSC metabolism. The switch to neurosphere growth dramatically increased the CD133pos GSC population in culture. Furthermore, GSC enrichment modulated several intracellular metabolites including choline, creatine, glycine, and myo-inositol that have been previously identified as potential diagnostic markers in tumors. These findings highlight the critical influence of the culture condition on GSC enrichment and cellular metabolism. Chapter 2.2 studies how EMT influences the metabolism of glioblastomas. We observed that the expression of EMT activators is directly linked to aberrant choline metabolism. EMT increased the expression of choline kinase alpha (CHKα) resulting in elevated intracellular levels of phosphocholine and total choline derivatives, a metabolic phenotype associated with malignancy in cancer. Reciprocally, CHKα inhibition significantly reduced the invasiveness, clonogenicity, and expression of EMT associated genes in glioblastoma cells. Moreover, in some cell lines synergetic cytotoxic effects were observed when combining the standard of care chemotherapeutic temozolomide with the CHKα inhibitor V-11-0711. Therefore, CHKα is a powerful regulator of EMT in glioblastoma. This opens the possibility to target chemo-resistant GSCs through impairing their mesenchymal differentiation. Moreover, the newly identified EMT-oncometabolic network may be helpful to monitor the invasive properties of glioblastomas and surveil the success of anti-EMT therapy. In chapter 2.3 we investigate in further detail the metabolic consequence of GSC enrichment especially focussing on glutamine metabolism. GSCs accumulated known oncometabolites, thereby contributing to a more aggressive metabolic phenotype. Furthermore, we could stratify our GSC models into two subtypes based on their relative amount of glutamine in relationship to glutamate (Gln/Glu). Gln/GluHigh GSCs were resistant to glutamine deprivation whereas Gln/GluLow GSCs responded with a significant decrease in their clonogenicity. Cellular growth was sustained in all subtypes even though the cells showed a complete lack of intracellular glutamine. Therefore, monitoring the Gln/Glu ratio of glioblastoma has utility in predicting resistance to Gln starvation. Strikingly, growth and clonogenicity of both GSC subtypes were effectively impaired when pharmacologically targeting glutaminase (GLS), making GLS inhibition a possible pan-GSC therapy.Das Glioblastom ist der bösartigste primäre Hirntumor mit sehr eingeschränkten therapeutischen Optionen. Grund dafür sind hoch aggressive Glioblastom Stammzellen (GSZs), eine Subpopulation des Tumors, welche nicht durch die Standardtherapie eliminiert werden können. GSZs werden durch die epitheliale-mesenchymale Transformation (EMT) angereichert und sind verantwortlich für die Tumorinitiation, Chemoresistenz und die Bildung des Rezidivs. In diversen Studien wurde analysiert auf welchem Wege GSZs die Tumorprogression und Therapieresistenz beeinflussen, allerdings ist nicht bekannt, inwiefern die Anreicherung von GSZs durch metabolische Reprogrammierung gefördert wird. In dieser kumulativen Dissertation wurde mit Hilfe von hochauflösender Protonen Kernspinresonanzspektroskopie (HR 1H-NMR) in ex vivo Zellextrakten von Glioblastomkulturen untersucht, ob die Anreicherung von GSZs durch metabolische Reprogrammierung reguliert wird. Kapitel 2.1 befasst sich mit dem Einfluss der Kulturbedingungen von Glioblastomzellen auf den Stoffwechsel und die GSZ Population. Wir konnten zeigen, dass die Umstellung auf das Neurosphärenwachstum zu einer signifikanten Erhöhung von CD133pos GSZs führt. Darüber hinaus wurde die Anreicherung von GSZs von der Regulation mehrerer intrazellulär Metaboliten einschließlich Cholin, Kreatin, Glycin und Myo-Inositol begleitet, welche bereits als potenzielle diagnostische Tumormarker identifiziert werden konnten. Diese Resultate unterstreichen den kritischen Einfluss der Kulturbedingungen auf die GSZ-Anreicherung und den Stoffwechsel von Glioblastomzellen. Kapitel 2.2 untersucht, inwiefern EMT den Metabolismus von Glioblastomzellen beeinflusst. Die Expression von EMT- Aktivatoren korrelierte direkt mit aberrantem Cholinstoffwechsel. Wir beobachteten, dass EMT die Expression von Cholinkinase alpha (CHKα) fördert, was zu einem erhöhten intrazellulären Spiegel an Phosphocholin und Gesamtcholinderivaten führte. Dieser metabolische Phänotyp konnte bereits mit Malignität in verschiedenen Krebserkrankungen korreliert werden. Reziprok führte die Inhibierung von CHKα zu einer signifikant verminderten Invasivität, Klonogenität und Expression von EMT assoziierten Genen. Des Weiteren wurden in einigen Zelllinien synergistische zytotoxische Effekte beobachtet, wenn Glioblastomzellen mit einer Kombination aus dem Standardchemotherapeutikum Temozolomid und dem CHKα Inhibitor V-11-0711 behandelt wurden. Demzufolge möchten wir CHKα als einen vielversprechenden Regulator von EMT im Glioblastom und als möglichen Angriffspunkt in neuen GSZ-spezifischen Therapien hervorheben. Darüber hinaus ist das neu identifizierte EMT-onkometabolische Netzwerk ein vielversprechender diagnostischer Marker um die invasiven Eigenschaften von Glioblastomen und den Erfolg der GSZ-spezifischen Therapie zu überwachen. Kapitel 2.3 beschäftigt sich mit den metabolischen Veränderungen, welche durch eine GSZ-Anreicherung hervorgerufen werden, und legt besonderen Fokus auf den Glutaminstoffwechsel. GSZs akkumulierten diverse Onkometabolite und trugen dadurch zu einem aggressiveren metabolischen Phänotyp bei. Außerdem konnten wir unsere GSZ-Modelle, basierend auf ihrer relativen Menge an Glutamin im Verhältnis zu Glutamat (Gln/Glu), in zwei verschiedene Subtypen unterteilen. Gln/GluHoch GSZs waren resistent gegenüber Glutaminentzug, wohingegen Gln/GluNiedrig GSZs mit einer signifikanten Abnahme ihrer Klonogenität reagierten. Trotz Abwesenheit eines intrazellulären Glutaminreservoirs wurde das Zellwachstum in beiden Subtypen durch den Entzug von extrazellulärem Glutamin nicht beeinträchtigt. Die Überwachung des Gln/Glu-Verhältnisses im Glioblastom ist demzufolge hilfreich um eine Vorhersage über die Resistenz gegenüber Glutaminentzug treffen zu können. Sowohl das Wachstum als auch die Klonogenität beider GSZ-Subtypen konnten effizient durch pharmakologische Inhibierung von Glutaminase (GLS) reduziert werden, so dass wir GLS-Inhibierung als eine vielversprechende Pan-GSZ-Therapie hervorheben möchten. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 16.12.2020 | |||||||
| Dateien geändert am: | 16.12.2020 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 06.12.2017 | |||||||
| Datum der Promotion: | 18.01.2018 |
