Einfluss von Vitamin D auf die lytische Signatur tumorinfiltrierender Leukozyten bei Patienten mit Plattenepithelkarzinom im Kopf-Hals-Bereich

Abstract

Plattenepithelkarzinome des Kopf-Hals-Bereiches zählen als sechst häufigste Tumorentität weltweit mit einer 5-Jahres-Überlebensrate von etwa 55 % zu den Tumorerkrankungen mit sehr schlechten Prognoseaussichten. Auch in den vergangenen Jahren konnte diese eingeschränkte Überlebensrate trotz der Entwicklung neuer Therapieansätze bisher nicht wesentlich verbessert werden. Ursächlich hierfür ist zum einen die in den meisten Fällen erst sehr späte Diagnosestellung, welche die Wahl der Therapiekonzepte begrenzen und die Bestimmung des Tumorursprungs erschweren kann. Zum anderen besitzen Kopf-Hals-Tumoren immunsuppressive Eigenschaften, die unter anderem zu einer limitierten Wirkung zielgerichteter medikamentöser Therapien beitragen können. Aus diesem Grund ist es notwendig neue Methoden zu entwickeln, die eine Früherkennung der Tumore verbessern und den Patienten neue und effektivere Therapieoptionen ermöglichen. Einen möglichen Ansatz stellt dabei das Vitamin-D dar, welches mit einer immunstimulierenden sowie antitumoralen Wirkung assoziiert zu sein scheint. Verschiedene Studien konnten belegen, dass Patienten mit einem Plattenepithelkarzinom im Kopf-Hals-Bereich gegenüber gesunden Personen unter einem deutlichen Vitamin-D-Mangel leiden, der zudem mit einer schlechteren Prognose einhergeht. In diesem Zusammenhang wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht, inwieweit Vitamin-D bei Kopf-Hals-Tumorpatienten die zielgerichtete antitumorale Immunabwehr beeinflussen kann. Dazu wurden Tumorgewebeproben von 114 Kopf-Hals-Karzinom-Patienten immunhistochemisch gefärbt, um das Expressionsverhalten der lytischen Effektormoleküle Granulysin, Granzym A, Granzym B, Granzym K und Perforin als Surrogatmarker für die antitumorale Aktivität zytotoxischer Immunzellpopulationen zu untersuchen. Das Patientenkollektiv gliederte sich dabei abhängig vom Vitamin-D-Serumspiegel in 53 Patienten mit einer ausreichenden Vitamin-D-Versorgung sowie 61 Patienten mit einem Vitamin-D-Mangel. Die ausreichende Vitamin-D-Versorgung wurde im Vorfeld als 25-OH-Vitamin-D-Serumkonzentration über 15 ng/ml und der Vitamin-D-Mangel als 25-OH Vitamin-D-Serumspiegel unter 10 ng/ml definiert. Die semiquantitative Auswertung der immunhistochemischen Färbungen erfolgte anschließend mithilfe eines immunreaktiven Scores. Die immunhistochemischen Analysen konnten eine positive Korrelation zwischen einem ausreichend hohen Vitamin-D-Serumspiegel und einer gesteigerten Expression der meisten lytischen Effektormoleküle bei Kopf-Hals-Tumorpatienten nachweisen. Insbesondere in den intratumoral lokalisierten Leukozyten war eine durch die suffiziente Vitamin-D-Versorgung gesteigerte Expression von Granzym B (p = 0,0026), Granzym K (p = 0,0240) und Perforin (p = 0,0030) zu beobachten. Bei der Betrachtung der intratumoral- und peritumoral-leukozytären Expression von Granzym A war dagegen keine Korrelation mit dem Vitamin-D-Serumspiegel festzustellen. Eine ausreichende Versorgung mit Vitamin-D führte zu einer vermehrten tumoralen Expression von Perforin (p = 0,0023), Granulysin (p = 0,0109) und tendenziell auch von Granzym K (p = 0,1142), was die aktivitätssteigernde Wirkung des Vitamin-D auf die gezielte antitumorale Immunreaktion unterstreicht. Weiterhin war zu beobachten, dass eine gesteigerte tumorale Perforin-Expression mit einem signifikant verbesserten Gesamtüberleben von Kopf-Hals-Tumorpatienten assoziiert zu sein scheint (p = 0,0321). Eine ausreichende Vitamin-D-Versorgung führte im untersuchten Patientenkollektiv zudem im Vergleich zu den Patienten mit einem Vitamin-D-Mangel zu einem signifikant verlängerten Gesamtüberleben von durchschnittlich 10 Monaten (p = 0,0188). Dies könnte zum einen durch die gesteigerte tumorale Leukozyteninfiltration bei Patienten mit suffizientem Vitamin-D-Spiegel und zum anderen durch den in dieser Arbeit analysierten Einfluss des Vitamin-D auf die zytolytische Aktivität der Leukozyten bedingt sein. Zusammenfassend verdeutlichen die in der vorliegenden Arbeit erhobenen Daten, dass eine ausreichende Vitamin-D-Versorgung für Kopf-Hals-Tumorpatienten von hoher therapeutischer sowie prognostischer Relevanz sein kann. Die Ergebnisse demonstrieren, dass Vitamin-D die Expression der lytischen Enzyme in der Tumorumgebung der Kopf-Hals-Tumore beeinflussen und somit die zytolytische Aktivität der tumorinfiltrierenden Leukozyten regulieren kann, wodurch eine effektivere antitumorale Immunreaktion generiert werden könnte. Weiterhin sind zusätzliche molekulargenetische Untersuchungen notwendig, welche das immunstimulierende Potenzial des Vitamin-D auch in Abhängigkeit von anderen immunmodulatorischen Einflüssen analysieren, um die genauen Wirkungsweisen des Vitamin-D zu entschlüsseln. Schließlich könnte die kostengünstige Substitution von Vitamin-D im Rahmen einer multimodalen Therapiestrategie die Effektivität immunonkologischer Therapieansätze sowie die prognostischen Aussichten von Kopf-Hals-Tumorpatienten optimieren.

Squamous cell carcinoma of the head and neck is the sixth most common tumor entity worldwide, with a 5-year survival rate of about 55 %, making it one of the tumor diseases with a very poor prognosis. Despite the development of new therapeutic approaches, this limited survival rate has not been improved significantly in recent years. The reason for this is, on the one hand, a very late diagnosis in most cases, which can limit the choice of therapy concepts and make it difficult to determine the origin of the tumor. On the other hand, head and neck tumors have immunosuppressive properties, which may, among other effects, contribute to a limited effect of targeted drug therapies. For this reason, it is necessary to develop new methods which improve early detection of tumors and provide patients with new and more effective treatment options. One possible approach is vitamin D, which seems to be associated with an immunostimulatory as well as antitumor effect. Various studies have shown that patients with squamous cell carcinoma of the head and neck suffer from a significant vitamin D deficiency compared with healthy people, which is moreover associated with a poorer prognosis. In this context, the present study investigated the extent to which vitamin D may influence the targeted antitumor immune response in head and neck tumor patients. For this purpose, tumor tissue samples from 114 head and neck cancer patients were stained immunohistochemically in order to investigate the expression behavior of the lytic effector molecules granulysin, granzyme A, granzyme B, granzyme K and perforin as surrogate markers for the antitumor activity of cytotoxic immune cell populations. The patient collective was divided into 53 patients with sufficient vitamin D supply and 61 patients with vitamin D deficiency, depending on the serum vitamin-D level. Adequate vitamin D supply was defined in advance as 25-OH vitamin D serum concentration above 15 ng/ml and vitamin D deficiency as 25-OH vitamin D serum level below 10 ng/ml. Semiquantitative evaluation of immunohistochemical staining was performed subsequently using an immunoreactive score. The immunohistochemical analyses demonstrated a positive correlation between a sufficiently high vitamin D serum level and an increased expression of most lytic effector molecules in head and neck tumor patients. In particular, in the intratumorally localized leukocytes, an increased expression of granzyme B (p = 0.0026), granzyme K (p = 0.0240) and perforin (p = 0.0030) was observed due to the sufficient vitamin D supply. In contrast, when intratumoral and peritumoral leukocyte expression of granzyme A was examined, there was no correlation with serum vitamin D levels. An adequate supply of vitamin D resulted in increased tumoral expression of perforin (p = 0.0023), granulysin (p = 0.0109), and tended to increase granzyme K (p = 0.1142), which underscores the activity-enhancing effect of vitamin D on the targeted antitumor immune response. Furthermore, it was observed that increased tumoral perforin expression seems to be associated with significantly improved overall survival of head and neck tumor patients (p = 0.0321). Adequate vitamin D supply also resulted in a significantly prolonged overall survival of 10 months on average in the studied patient population compared with vitamin D deficient patients (p = 0.0188). This may be due to the increased tumoral leukocyte infiltration in patients with sufficient vitamin-D levels on the one hand and to the influence of vitamin D on the cytolytic activity of leukocytes analyzed in this thesis on the other hand. In conclusion, the data collected in the present study illustrate that adequate vitamin D supply may be of high therapeutic as well as prognostic relevance for head and neck tumor patients. The results demonstrate that vitamin D may influence the expression of lytic enzymes in the tumor environment of head and neck tumors and thus regulate the cytolytic activity of tumor-infiltrating leukocytes. This may generate a more effective antitumor immune response. Furthermore, additional molecular genetic studies are needed to analyze the immunostimulatory potential of vitamin D also in relation to other immunomodulatory influences so as to decipher the exact modes of action of vitamin D. Finally, cost-effective substitution of vitamin D as part of a multimodal therapeutic strategy could optimize the effectiveness of immuno-oncological therapeutic approaches as well as the prognostic outlook of head and neck tumor patients.