in-vitro Untersuchungen zum Einfluss von Calcitriol auf die Proliferations- und Migrationsfähigkeit von Kopf-Hals-Tumorzellen

Abstract

Die vorliegende Dissertation mit dem Titel „in-vitro Untersuchungen zum Einfluss von Calcitriol auf die Proliferations- und Migrationsfähigkeit von Kopf-Hals-Tumorzellen“ beschäftigt sich mit der Untersuchung der Auswirkung von Vitamin D auf die Proliferation und Migration von Zellen des Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinoms, einer der häufigsten malignen Tumorarten im Kopf-Hals-Bereich. Das Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom ist eine aggressive Tumorentität, die häufig erst in fortgeschrittenen Stadien diagnostiziert wird, was die Prognose der betroffenen Patienten erheblich verschlechtert. Trotz moderner Therapieansätze bleibt die Rezidivrate hoch und die Prognose für Patienten mit metastasiertem Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinomen ist nach wie vor ungünstig. Diese ungünstige klinische Situation unterstreicht die dringende Notwendigkeit, neue therapeutische Ansätze zu erforschen, die entweder als Ergänzung zu bestehenden Behandlungen oder als eigenständige Therapieoptionen eingesetzt werden können. Vitamin D, insbesondere die bioaktive Form Calcitriol (1,25-Dihydroxyvitamin D), ist vor allem für seine Rolle im Kalzium- und Phosphatstoffwechsel bekannt. In den letzten Jahren hat jedoch eine zunehmende Zahl wissenschaftlicher Studien gezeigt, dass Vitamin D auch eine potenzielle antitumorale Wirkung besitzen könnte. Insbesondere seine Rolle als Regulator von Signalwegen, die für Zellwachstum, Differenzierung und Migration entscheidend sind, macht Vitamin D zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Unterstützung bestehender Krebstherapien. Im Kontext von Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinomen wurden bisher nur wenige Studien durchgeführt, die sich mit den direkten Effekten von Vitamin D auf das Tumorverhalten, insbesondere hinsichtlich der Proliferation und Migration von Tumorzellen, befassen. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Auswirkungen von Vitamin D auf die Proliferation und Migration von Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom-Zellen systematisch zu untersuchen und dabei physiologische sowie deutlich supraphysiologische Konzentrationen von Calcitriol sowie unterschiedliche Behandlungszeiträume zu vergleichen. Besondere Aufmerksamkeit galt der Frage, ob und wie unterschiedliche Konzentrationen von Calcitriol und die Behandlungsdauer das Tumorverhalten in-vitro beeinflussen und ob sich hieraus neue therapeutische Perspektiven für die Behandlung von Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinomen ableiten lassen. Des Weiteren wurde eine Beeinflussung der Vitamin-D-Rezeptor-Expression nach Calcitriol-Behandlung in ebenfalls physiologischen als auch supraphysiologischen Konzentrationen untersucht. Zur Untersuchung der Proliferation wurde das xCELLigence-System verwendet, das die Proliferation durch kontinuierliche Messung des Zellindex quantifiziert. Diese Methode ermöglichte eine präzise und kontinuierliche Erfassung der Effekte von Calcitriol auf das Zellwachstum der UM-SCC-1 Zellen, einer etablierten Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom-Zelllinie. Zusätzlich wurde die Migration der Zellen mithilfe eines Transwell-Migrationsassays analysiert, der die Fähigkeit der Zellen misst, durch eine poröse Membran zu migrieren. Die Migration ist ein entscheidender Schritt im Metastasierungsprozess und spielt eine zentrale Rolle in der Aggressivität von Krebszellen. Die Expression des Vitamin-D-Rezeptors wurde mittels Western Blot Analyse untersucht. Die Ergebnisse der Proliferationsanalysen zeigten eine dosisabhängige Hemmung der Zellproliferation nach viertägiger Behandlung mit Calcitriol (p<0,0001). Bereits bei physiologischen Konzentrationen (20 pg/ml) konnte eine signifikante Reduktion der Proliferation um 14,35 % festgestellt werden. Nach einer siebentägigen Calcitriol-Behandlung zeigte sich hingegen, dass physiologische und bis leicht supraphysiologische Konzentrationen keinen signifikanten Einfluss auf die Zellproliferation hatten. Erst bei deutlich supraphysiologischen Konzentrationen (50.000 pg/ml) konnte eine signifikante Reduktion der Proliferationsfähigkeit um 34,56 % nachgewiesen werden (p<0,0001). Die Untersuchung der Zellmigration ergab hingegen keinen eindeutigen Einfluss einer viertägigen oder siebentägigen Calcitriol-Behandlung. Während sich nach vier Tagen bei physiologischen Calcitriol-Konzentrationen (60 pg/ml) ein leichter Anstieg der Migration zeigte, normalisierte sich das Migrationsverhalten bei höheren Konzentrationen auf das Niveau der Dimethylsulfoxid-Kontrolle. Erst bei deutlich supraphysiologischen Konzentrationen ließ sich eine leichte Reduktion der Migration erkennen, jedoch ohne klare statistische Signifikanz. Nach sieben Tagen Behandlung blieb der Einfluss von Calcitriol auf die Migration uneinheitlich. Zwar zeigten einzelne Replikate eine gewisse Tendenz zur Reduktion der Migration bei supraphysiologischen Konzentrationen (2.000 pg/ml), jedoch waren die Schwankungen zwischen den Versuchen so groß, dass kein statistisch signifikanter Effekt nachgewiesen werden konnte. Zudem konnte kein Einfluss einer Calcitriol-Behandlung auf die Vitamin-D-Rezeptor-Expression nachgewiesen werden. Auffällig war, dass die UM-SCC-1 Zellen im Vergleich zu anderen Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom-Zelllinien eine deutlich geringere Anzahl an Vitamin-D-Rezeptoren aufwiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren, dass Vitamin D eine signifikante Hemmung der Zellproliferation bewirken kann, insbesondere in Abhängigkeit von der Behandlungsdauer und der Konzentration. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Vitamin D potenziell als unterstützender therapeutischer Ansatz bei Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinomen eingesetzt werden könnte. Weitere Studien sind erforderlich, um die zugrundeliegenden Mechanismen detaillierter zu untersuchen und die klinische Relevanz der Befunde zu evaluieren.

This Doctor of Medicine thesis, entitled “In-vitro Investigations on the Impact of Calcitriol on the Proliferation and Migration Ability of Head and Neck Tumor Cells”, investigates the effects of vitamin D on the proliferation and migration of head and neck squamous cell carcinoma cells, the most common malignant tumor types in the head and neck region. Head and neck squamous cell carcinoma is an aggressive tumor entity that is often diagnosed at an advanced stage, significantly worsening the prognosis of affected patients. Despite modern therapeutic approaches, the recurrence rate remains high, and the prognosis for patients with metastatic head and neck squamous cell carcinoma is still unfavorable. This challenging clinical situation highlights the urgent need to explore new therapeutic approaches that could either complement existing treatments or serve as independent therapy options. Vitamin D, particularly its bioactive form calcitriol (1,25-dihydroxyvitamin D), is primarily known for its role in calcium and phosphate metabolism. However, in recent years, an increasing number of scientific studies have suggested that vitamin D may also have potential antitumor effects. In particular, the role of vitamin D as a regulator of signaling pathways is crucial for the processes of cell growth, differentiation, and migration. This makes vitamin D a promising candidate for supporting existing cancer therapies. To date, only a few studies have investigated the direct effects of vitamin D on tumor behavior in head and neck squamous cell carcinoma, particularly regarding cell proliferation and migration. The present dissertation has been designed to systematically examine the effect of vitamin D on the proliferation and migration of head and neck squamous cell carcinoma cells, comparing physiological and distinctly supraphysiological concentrations of calcitriol as well as different treatment durations. A particular focus was placed on the investigation of the influence of varying concentrations of calcitriol and treatment duration on tumor behavior in-vitro, with the aim of ascertaining whether these findings may offer new therapeutic perspectives for the treatment of head and neck squamous cell carcinoma. Furthermore, the impact of calcitriol treatment on vitamin D receptor expression was examined at both physiological and supraphysiological concentrations. To assess proliferation, the xCELLigence system was used, which quantifies proliferation by continuously measuring the cell index. This method enabled precise and real-time monitoring of the effects of calcitriol on the cell growth of UM-SCC-1 cells, a well-established head and neck squamous cell carcinoma cell line. Additionally, cell migration was analyzed using a Transwell migration assay, which measures the ability of cells to migrate through a porous membrane. Migration is a crucial step in the metastatic process and plays a central role in cancer cell aggressiveness. The expression of the vitamin D receptor was analyzed using Western blot analysis. The proliferation analysis results demonstrated a dose-dependent inhibition of cell proliferation after four days of calcitriol treatment (p<0,0001). Even at physiological concentrations (20 pg/ml), a significant reduction in proliferation of 14,35 % was observed. In contrast, after seven days of calcitriol treatment, physiological and mildly supraphysiological concentrations had no significant effect on cell proliferation. A significant reduction in proliferation by 34,56 % was only observed at markedly supraphysiological concentrations (50.000 pg/ml; p<0,0001). In contrast, the investigation of cell migration did not reveal a clear effect of either four-day or seven-day calcitriol treatment. After four days, a marginal increase in migration was observed at physiological calcitriol concentrations (60 pg/ml), but at higher concentrations, migration returned to the level of the dimethyl sulfoxide control. A slight reduction in migration was detected only at distinctly supraphysiological concentrations, but without clear statistical significance. After seven days of treatment, the effect of calcitriol on migration remained inconsistent. While individual replicates showed a trend toward reduced migration at supraphysiological concentrations (2.000 pg/ml), the variations between experiments were substantial, preventing the confirmation of statistically significant effect. Calcitriol treatment did not result in any detectable changes in vitamin D receptor expression. Notably, UM-SCC-1 cells exhibited a significantly lower number of vitamin D receptors compared to other head and neck squamous cell carcinoma cell lines. The results of the study demonstrate that vitamin D can significantly inhibit cell proliferation, particularly in a concentration- und time-dependent manner. These findings support the hypothesis that vitamin D could potentially serve as a supportive therapeutic approach in the treatment of head and neck squamous cell carcinoma. Further studies are required to investigate the underlying mechanisms in more detail und to evaluate the clinical relevance of these findings.