Auswirkungen von chronischer Hypoxie auf den Chromosomensatz und die ATP- und GTPKonzentrationen primärer menschlicher Bronchialepithelzellen

Abstract

Hypoxie verändert viele verschiedene Eigenschaften von Zellen, von denen einige die Sauerstoffversorgung wieder verbessern sollen, was jedoch nicht immer gelingt. Hypoxie ist aber auch mit vielen Krankheiten wie Krebs assoziiert: Hypoxie in Tumoren ist mit einer schlechteren Prognose verbunden. Ebenso verschlechtern früh in Tumoren auftretende Aneuploidien die Prognose des Patienten. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen Hypoxie und Aneuploidie untersucht. Dafür wurden zwei verschiedene primäre humane Bronchialepithelzellen zweier verschiedener Firmen (LifeLine und Applied Biological Materials Inc. (abm)) unter hypoxischen Bedingungen kultiviert und mit Zellen unter normoxischen Bedingungen verglichen. Der Energiehaushalt der Zellen in Form von Adenosintriphosphat und Guanosintriphosphat sowie die Veränderungen des Chromosomensatzes wurden über einen Zeitraum von vier Wochen analysiert. Des Weiteren wurden die Zellen mittels Transformations-Assay untersucht. Die Zellen von abm wiesen schon zu Beginn Aneuploidien auf – obwohl diese als primäre Bronchialepithelzellen erworben wurden. Diese wuchsen nach hypoxischer Kultivierung im Transformations-Assay als Sphäroide. Die weiteren Analysen wurden deshalb nur noch mit Zellen der Firma LifeLine durchgeführt. Diese Zellen zeigten unter hypoxischen Bedingungen einen irreversiblen Energieabfall auf fast die Hälfte der Ausgangskonzentration von Adenosintriphosphat und Guanosintriphosphat. Schon nach einer Woche Kultivierung unter hypoxischen Bedingungen wiesen 60 % der Zellen Aneuploidien auf. Nach vier Wochen hypoxischer Kultivierung stieg dieser Anteil auf 85 %. Die aneuploiden Zellen waren nach einer Woche Hypoxie fast-diploid, nach zwei Wochen eher hypodiploid und nach drei und vier Wochen eher hyperdiploid. Der Transformations-Assay war negativ. Unbehandelte Zellen zeigten keine der oben genannten Veränderungen. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals nachgewiesen, dass chronische Hypoxie in menschlichen Bronchialepithelzellen Aneuploidie hervorruft, zusätzlich wurde zum ersten Mal der Verlauf der Aneuploidieentwicklung über einen Zeitraum von vier Wochen analysiert. Aneuploide ist charakteristisch für Krebs. Hypoxie führt zu Aneuploidie, dies zeigen die Befunde in der vorliegenden Arbeit, aber auch die Arbeiten von Kondoh et al. (2013) und Ueyama et al. (2011). Diese Ergebnisse zeigen, dass Hypoxie eine relevante Bedeutung bei der Kanzerogenese zu kommt.

Hypoxia changes many different characteristics of cells, some of which are supposed to improve the oxygen supply, but this is not always possible. Thus, hypoxia is associated with many diseases such as cancer. Hypoxia in tumors is associated with poor prognosis. Aneuploidia also occurs very early in tumors and worsen the patient's prognosis. In this study, the relationship between hypoxia and aneuploidy has been investigated. Two different primary human bronchial cell from two different companies (Lifeline and abm) were cultured under hypoxic conditions and compared with cells under normoxic conditions. The energy balance of the cells in form of adenosine triphosphate and guanosine triphosphate as well as the changes in the chromosomes were analyzed over a period of four weeks. In addition, the cells were analyzed by transformation assay. The cells of abm were aneuploid at delivery - although they were acquired as a primary bronchial cell. These cells grew as spheroids in the transformation assay after hypoxic cultivation. Further analyzes were therefore carried out only with cells of Lifeline. These cells showed an irreversible energy drop to almost half of the initial concentration of both adenosine triphosphate and guanosine triphosphate after hypoxic culture. After one week under hypoxic conditions, 60% of the cells showed aneuploidy, after four weeks 85% of the cells were aneuploid. The aneuploid cells were near-diploid after one week, hypodiploid after two weeks, and hyperdiploid after three and four weeks. The transformation assay was negative. Untreated cells were cultured as control and analyzed at the same time as the treated cells. These cells showed no such changes, as expected. In this paper, it was demonstrated for the first time that chronic hypoxia causes aneuploidy in human bronchial epithelial cells. In addition, the course of the aneuploidy development was analyzed for the first time over a period of four weeks. Aneuploidy is characteristic of cancer. Hypoxia leads to aneuploidy, as is shown by the results in the present paper, but also by the results of Kondoh et al. (2013) and Ueyma et al. (2011). These results show that hypoxia has a relevant importance in carcinogenesis.