Untersuchungen Zur Sphäroidbildung Von Schilddrüsenkarzinomzellen In
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Aus der Klinik für Plastische, Ästhetische und Handchirurgie der Medizinischen Fakultät der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Untersuchungen zur Sphäroidbildung von Schilddrüsenkarzinomzellen in simulierter Mikrogravitation Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. medic. (doctor rerum medicarum) an der Medizinischen Fakultät der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg vorgelegt von Elisabeth Gerda Warnke aus Schönebeck (Elbe) Magdeburg 2017 Angefertigt von Februar 2013 bis März 2017 in der Klinik für Plastische, Ästhetische und Handchirurgie, Arbeitsgruppe von Professor Daniela Grimm. Klinikdirektor: Herr Professor Dr. med. Manfred Infanger Betreuer: Frau Professor Dr. med. Daniela Grimm Frau Privatdozentin Dr. rer. nat. Ruth Hemmersbach Herr Professor Dr. med. Manfred Infanger II Bibliographische Beschreibung: Warnke, Elisabeth: Untersuchungen zur Sphäroidbildung von Schilddrüsenkarzinomzellen in simulierter Mikrogravitation – 2017. – 115 Bl., 4 Abb., 0 Tab., 5 Anlagen Kurzreferat Die Zellkulturtechnik ist eine wichtige Forschungsmethode im Bereich der Zellbiologie und Biomedizin. Wesentliche Unterschiede zwischen den Zellen in vivo und Zellen in vitro sind jedoch deren Wachstumsbedingungen. Während in Laboren Schilddrüsenzellen als adhärenter Zellrasen am Boden von Kulturflaschen wachsen, zeigen sie im Körper ein dreidimensionales (3D)-Wachstum. Bilden sich Tumore im Körper, so kann das Ablösen aus dem Zellverband in Form von multizellulären Aggregaten (z.B. Metastasen) beobachtet werden. Sphäroide gleichen Metastasen in hohem Maße, da auch sie ein 3D-Wachstum und das Ablösen als Zellaggregate unter Laborbedingungen zeigen. Eine Möglichkeit diese Sphäroide künstlich zu erzeugen ist die Nutzung von Bodenanlagen (Ground-based Facilities - GBF-Anlagen) zur Simulation von Mikrogravitation auf der Erde im Laboratorium. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit die Random Positioning Machine (RPM) und der zweidimensionale (2D)-Klinostat (CN) genutzt. Ein Vergleich beider Versuchsmethoden an der Zelllinie FTC-133 wurde in der Arbeit „Thyroid cells exposed to simulated microgravity conditions – comparison of the fast rotating clionstat and the random positioning machine“ publiziert. In der Veröffentlichung „Common effects of cancer cells exerted by a random positioning machine and a 2D clinostat“ wurden für die Zelllinien ML-1 und RO82-W-1 ebenfalls vergleichende Untersuchungen auf diesen Bodenanlagen vorgenommen. Mechanismen für die Bildung von Sphäroiden wurden in den Arbeiten „Spheroid formation of human thyroid cancer cells under simulated microgravity: a possible role of CTGF and CAV1“ und „Cytokine release and focal adhesion proteins in normal thyroid cells cultured on the random positioning machine” untersucht. Diese Studien wurden durch die European Space Agency (ESA) und durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt. Schlüsselwörter Multizelluläre Sphäroide; Schilddrüsenzellen; Random Positioning Machine; 2D-Klinostat; simulierte Mikrogravitation; adhärentes Wachstum III Die vorliegende Doktorarbeit basiert auf den folgenden chronologisch aufgeführten Publikationen: 1) Warnke E, Pietsch J, Wehland M, Bauer J, Infanger M, Görög M, Hemmersbach R, Braun M, Ma X, Sahana J, Grimm D: Spheroid formation of human thyroid cancer cells under simulated microgravity: a possible role of CTGF and CAV1. Cell Commun. Signal. 12. 32 (2014) 2) Svejgaard B, Wehland M, Ma X, Kopp S, Sahana J, Warnke E, Aleshcheva G, Hemmersbach R, Hauslage J, Grosse J, Bauer J, Corydon TJ, Islam T, Infanger M, Grimm D: Common effects on cancer cells exerted by a random positioning machine and a 2D clinostat. PLoS One. 10. e0135157 (2015) 3) Warnke E, Kopp S, Wehland M, Hemmersbach R, Bauer J, Pietsch J, Infanger M, Grimm D: Thyroid cells exposed to simulated microgravity conditions – comparison of the fast rotating clinostat and the random positioning machine. Microgravity Sci. Technol. 28. 247-260 (2016) 4) Warnke E, Pietsch, J, Kopp S, Bauer J, Sahana J, Wehland M, Krüger M, Hemmersbach R, Infanger M, Lützenberg R, Grimm D: Cytokine release and focal adhesion proteins in normal thyroid cells cultured on the random positioning machine. Cell. Physiol. Biochem. 43. 257-270 (2017) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Die veröffentlichten Publikationstexte sind im Anhang dieser Dissertation aufgeführt. IV Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Kurzreferat .................................................................................................................. III Inhaltsverzeichnis ......................................................................................................... 5 Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 7 1. Vorwort .................................................................................................................... 9 2. Preface ................................................................................................................... 10 3. Zielsetzung ............................................................................................................. 11 4. Einleitender Textteil zum Stand der Forschung ........................................................... 12 4.1 Bodenanlagen – Simulation von Schwerelosigkeit auf der Erde .................................. 12 4.2 Sphäroidbildung – Methoden und Bedeutung in der Medizin ...................................... 15 4.3 Schilddrüse – gesunde Zellen und das Karzinom ....................................................... 17 5. Ergebnisse und Diskussion der zugrundeliegenden Publikationen ................................. 19 5.1 Sphäroidbildung von humanen Schilddrüsenkarzinomzellen in simulierter Mikrogravitation: eine mögliche Rolle von CTGF und CAV1 ................................... 19 5.2 Kultivierung auf der Random Positioning Maschine und dem 2D-Klinostaten: Gemeinsame Auswirkungen auf Karzinomzellen ..................................................... 22 5.3 Schilddrüsenzellen in simulierter Mikrogravitation – Vergleich von Klinostat und Random Positioning Maschine ............................................................................................ 25 5.4 Zytokinsekretion und Veränderungen fokaler Adhäsionsproteine von auf der Random Positioning Machine kultivierten Schilddrüsenzellen ................................................ 27 6. Schlussfolgerungen .................................................................................................. 30 7. Zusammenfassung ................................................................................................... 32 8. Summary ................................................................................................................ 33 9. Literaturverzeichnis ................................................................................................. 34 10. Abbildungsverzeichnis ........................................................................................... 42 11. Danksagung .......................................................................................................... 43 12. Erklärung .............................................................................................................. 44 13. Darstellung des Bildungsweges ............................................................................... 45 5 Inhaltsverzeichnis 14. Wissenschaftliches Engagement .............................................................................. 48 15. Anhang ................................................................................................................. 50 15.1 Publikation 1 ....................................................................................................... 50 15.2 Publikation 2 ....................................................................................................... 62 15.3 Publikation 3 ....................................................................................................... 85 15.4 Publikation 4 ..................................................................................................... 100 15.5 Liste weiterer Publikationen ................................................................................ 115 6 Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 2D Zweidimensional 3D Dreidimensional AD Adhärente Zellen ADS Airbus Defense and Space BDNF Brain-derived neutrophic factor CAV1 Caveolin-1 Gen CCL2 Monocyte chemotactic protein-1 Gen CN Klinostat CO2 Kohlenstoffdioxid CORA Continuously Open Research Announcement CTGF Connective tissue growth factor CTGF Connective tissue growth factor Gen CXCL8 Interleukin-8 Gen d Tag DGLRM Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrtmedizin DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DTC Differenzierte Schilddrüsenkarzinome ELISA Enzyme-Linked Immunosorbent Assay ESA European Space Agency F-Aktin Filamentöses Aktin FLUMIAS Fluoreszenzmikroskopisches Analysesystem für biologische und biomedizinische Forschung im Weltraum FN1 Fibronectin FN1 Fibronectin Gen FTC Follikuläres Schilddrüsenkarzinom g Schwerkraft, Gravitation GBF Ground-Based Facilities, Bodenanlagen GC-A Guanylylzyklase A GM-CSF Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor h Stunden ICAM1 Intercellular adhesion molecule 1 IL Interleukin IL Interleukin Gen ISS International Space Station ITBG1 Integrin β1 Gen 7 Abkürzungsverzeichnis LAMA1 Laminin Gen MAP Multi-Analyte Profiling