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Enzyme Histochemistry
a tool to decipher metabolic landscapes in complex tissues with subcellular resolution
Anne Elisabeth Miller
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Oswald Wagner
DOI
10.25365/thesis.34110
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30097.12643.222769-7
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Auf der ganzen Welt sind Krebserkrankungen eine der Haupttodesursachen. Die Entwicklung neuer Therapieansätze basiert auf dem fundamentalen Verständnis aller Veränderungen, die sich im Laufe der Krebsentstehung in malignen Zellen ansammeln. Eine Gemeinsamkeit, die fast alle Krebsarten miteinander teilen, liegt im Kontrollverlust über die Zellproliferation. Erhöhte Zellteilungsraten werden durch eine Vielzahl intra- und extrazellulärer Faktoren ausgelöst - haben jedoch immer eine Anpassung des Stoffwechsels zur Auswirkung. Schon vor über 90 Jahren hat Otto Warburg festgestellt, dass Krebszellen, im Gegensatz zu nicht-proliferierenden Zellen ihre Energie durch den Abbau von Glukose zu Pyruvat und anschließender Fermentation zu Laktat gewinnen. Auch wenn ein solcher Vorgang auf den ersten Blick keinen energetischen Vorteil für die Zelle bringt, liefert der anaerobe Abbau von Glukose Vorläufer für eine Vielzahl an wichtigen Zellbausteinen wie z.B. Nukleotide oder Lipide sowie die Aufrechterhaltung einer zellulären Redox-Balance. Des Weiteren wurde vor einigen Jahren die Beobachtung gemacht, dass epitheliale Krebszellen dazu in der Lage sind, die umgebenen Zellen im Tumorstroma dazu zu bringen, erhöhte Glykolyseraten zu betreiben und Laktat und Pyruvat direkt für sie zur Verfügung zu stellen. So wurde klar, dass auch Zellen in der direkten Tumorumgebung an den malignen Veränderungen des Stoffwechsels beteiligt sind. Bis heute gibt es jedoch noch keine Möglichkeit um die metabolischen Eigenschaften von einzelnen Zellen im intakten Gewebe zu bestimmen. Im Zuge dieser Masterarbeit, habe ich ein Verfahren etabliert mit dem es möglich ist, die Konstitution des primären Kohlenhydratstoffwechsels in verschiedenen Zellen zu ermitteln ohne das intakte Gewebe zu zerstören. In Kombination mit traditionellen histochemischen Färbungen ist es so möglich gewesen, einzelne Zelltypen in diesen Geweben zu identifizieren und ihnen spezifische metabolische Eigenschaften zuzusprechen. Außerdem war es möglich, diese metabolischen Landschaften in-vitro mithilfe von organotypischen Kolonkrebs Co-Kulturen nachzubilden. Die funktionelle Integration von Makrophagen und Fibroblasten in dieses System hat auch gezeigt, dass die Anwesenheit eines einzelnen Zelltyps zu metabolischen Veränderungen in Krebszellen führen kann. Die Erstellung metabolischer Landkarten kann in der Zukunft eine wertvolle Ergänzung zu traditionellen molekularbiologischen Methoden darstellen. Die Anwendung der Methodik hat großes Potential in der personalisierten Medizin, sowie in verschiedensten Forschungsrichtungen wie z.B. Immunbiologie, Neuropathologie und metabolischen Erkrankungen.
Abstract
(Englisch)
Cancer is responsible for one out of three deaths in Europe and the development of new therapeutic approaches is one of the main research interests worldwide. Despite great variety in cancer types and origin, cancerogenesis is primarily based on uncontrolled cellular proliferation accompanied by subsequent dissemination to other body parts. Plenty of intracellular and extracellular factors are involved in directing a single cell to lose its growth control. One hallmark of excessive proliferation is the adaptation of cellular energy metabolism, which is prerequisite for a sufficient energy and precursor molecule supply. Aerobic glycolysis, as previously described by Otto Warburg, has become synonymous with deregulating cellular bioenergetics. Nevertheless, the process of metabolic adaptation in tumor tissue appears as far more complex as initially imagined. Satisfaction of all proliferative needs such as enhanced ATP production, nucleotide and lipid synthesis is as crucial as maintenance of a functional redox balance. The process of metabolic adaptation gained renewed interest with the observation that a metabolic coupling between glycolytic stromal cells and oxidative cancer cells promotes growth and metastatic potential of the tumor. To date, no appropriate tools are available to analyze the in-vivo metabolic configuration of complex tumor tissues. In this thesis, I established a technique to demonstrate the activities of five metabolic enzymes in healthy and tumorous tissues to estimate the metabolic flux of glycolysis, the oxidative branch of the pentose phosphate pathway and the citric acid cycle. Combining this technique with traditional histochemical procedures enabled cell type identification and exact intracellular localization of enzymatic activities in complex tissue sections. Moreover, kinetic analysis demonstrated that the activity measurements of the enzymatic reactions followed the stoichiometric principles of enzyme-biochemistry and that the method was able to reveal even subtitle metabolic differences. Furthermore, the identified metabolic landscapes were partly recreated in an in-vitro 3D organotypic co-culture model of human colon cancer. Establishing this in-vitro model allowed further functional evaluations of the role of macrophages and how their activation status might influence cancer cell metabolism. In summary, establishing metabolic landscapes with enzyme histochemistry appeared as a valid tool to demonstrate the in-vivo metabolic configurations of tumor microenvironments and by translating this to an in-vitro model provided a valid platform for functional testing. In the light of personalized medicine, this approach might become an important tool to identify and to target the metabolic constitution of the tumor microenvironment from an individual patient.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Tumor microenvironment Carbohydrate metabolism
Schlagwörter
(Deutsch)
Krebs-Stroma Interaktionen Kohlenhydratstoffwechsel
Autor*innen
Anne Elisabeth Miller
Haupttitel (Englisch)
Enzyme Histochemistry
Hauptuntertitel (Englisch)
a tool to decipher metabolic landscapes in complex tissues with subcellular resolution
Paralleltitel (Deutsch)
Enzymhistochemie ; eine Methode um metabolische Karten von komplexen Geweben zu erstellen
Paralleltitel (Englisch)
Enzyme Histochemistry ; a tool to decipher metabolic landscapes in complex tissues with subcellular resolution
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
91 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Oswald Wagner
AC Nummer
AC12153788
Utheses ID
30279
Studienkennzahl
UA | 066 | 834 | |