Analyse funktioneller Determinanten des individuellen Tumorrisikos im Tiermodell : der Einfluss der Immuneffektorzellen

Abstract

Tumorerkrankungen gehören in der Humanmedizin zu den häufigsten Todesursachen und gewinnen auch in der Tiermedizin aufgrund des Qualitätsfortschrittes medizinischer Versorgung und der zunehmenden Lebenserwartung der in Obhut des Menschen lebenden Tiere an Bedeutung. Nur eine kleine Anzahl der Tumorerkrankungen entsteht auf der Basis eines genetischen Defektes mit einem dominanten Erbgang, der das Krebsrisiko drastisch erhöht. Das individuelle Risiko gegenüber sporadisch auftretenden Tumoren wird dagegen durch das Zusammenspiel genetischer und exogener Faktoren bestimmt. Eine Aufklärung der Effektormechanismen, die eine genetisch bedingte Tumorresistenz und -suszeptibilität vermitteln, wird wichtige Ansatzpunkte für die Tumorprävention, Frühdiagnose und Therapie bieten. Die Induktion von malignen Tumoren des peripheren Nervensystems in Ratten der nahe verwandten Stämme BDIV und BDIX durch Applikation von N-Ethyl-N-Nitrosoharnstoff (EtNU) am ersten Lebenstag (Postnataltag) ist ein geeignetes Modell zur Erforschung solcher Effektormechanismen. Während > 85% der BDIX-Ratten maligne Schwannome hauptsächlich im Nervus trigeminus (N. trigeminus) entwickeln, sind BDIV-Ratten nahezu vollständig resistent. Eine Punktmutation in der Transmembranregion des Neu/ErbB-2-Gens ist ein frühes, wahrscheinlich das initiale Ereignis der Tumorentwicklung. Im Neu-Gen mutierte Schwannsche Zellen stellen eine Hochrisikopopulation hinsichtlich der Progression zum voll ausgebildeten malignen Phänotyp dar. In früheren Studien konnte gezeigt werden, dass nach der EtNU-Applikation im Neu-Gen mutierte prämaligne Zellen in den Nn. trigemini sowohl der tumorsuszeptiblen BDIX- als auch der tumorresistenten BDIV-Ratten vorhanden sind. Während diese Zellen aus den Nerven der BDIV-Ratten später eliminiert werden, entwickeln sich aus ihnen in BDIX-Ratten maligne Schwannome. Zur Klärung der Frage, ob das Immunsystem an dem Eliminationsvorgang beteiligt ist, wurde die Anzahl von CD8+ zytotoxischen T-Lymphozyten, CD4+ T- Helferzellen und Makrophagen sowie von ED1+ und ED2+ Makrophagen als Funktion der Zeit nach EtNU-Applikation in den Nn. trigemini von Ratten beider Stämme immunhistochemisch untersucht. Dabei wurden gegenüber den unbehandelten Kontrollratten signifikant erhöhte Zahlen von CD4+ Makrophagen und T-Helferzellen ab Tag 40 sowie von CD8+ T-Lymphozyten und ED1+ Makrophagen ab Tag 80 in EtNU-behandelten Ratten beider Stämme gefunden. Es konnte jedoch kein deutlicher stammspezifischer Unterschied festgestellt werden, so dass unklar blieb, ob die Immuneffektorzellen an der Elimination der prämalignen Zellen beteiligt sind. Durch die Thymektomie von BDIX- und BDIV-Ratten nach EtNU-Applikation am ersten Postnataltag sollte die Reifung der T-Lymphozyten unterbunden und so der Einfluss der T-Lymphozyten am Resistenzmechanismus der BDIV-Ratte geklärt werden. Die Effizienz der Thymektomie wurde durch Bestimmung der verbliebenen T-Lymphozyten im Blut dieser Ratten mittels Durchflusszytometrie überprüft. Durch immunhistochemische Untersuchungen der Nn. trigemini konnte gezeigt werden, dass residuale T-Lymphozyten nicht invadieren und daher im Hinblick auf die Kanzerogenese des peripheren Nervensystems vermutlich keine funktionelle Bedeutung haben. Eine signifikante Anzahl (16%) thymektomierter BDIV-Ratten entwickelte nach einer medianen Überlebenszeit von 294 Tagen maligne Schwannome. Dies stellt einen drastischen Anstieg der Inzidenz bei BDIV-Ratten dar. Dagegen zeigte die Thymektomie keinen Einfluss auf die Tumorrate und die Überlebenszeit bei BDIX-Ratten. Dieser Effekt demonstriert die Notwendigkeit einer intakten T-Zell-Antwort für die fast vollständige Resistenz der BDIV-Ratte gegenüber der Entstehung maligner Schwannome nach EtNU-Applikation sowie die funktionelle Hemmung der T-Lymphozyten der BDIX-Ratten. Jedoch konnten in den meisten thymektomierten BDIV-Ratten, die keine Tumoren entwickelt hatten, keine prämalignen Zellen mehr nachgewiesen werden. T-Lymphozyten scheinen daher mit anderen Zellen des Immunsystems wie z. B. Makrophagen oder gewebeintrinsischen Mechanismen zu interagieren, so dass die genetische Tumorresistenz der BDIV-Ratten durch die Thymektomie nicht vollständig aufgehoben wird. Die unterschiedliche Tumorsuszeptibilität der beiden Stämme könnte sowohl durch funktionelle Unterschiede in der T-Zell-Antwort bedingt sein als auch auf verschiedenen Fähigkeiten der prämalignen Zellen beruhen, Immuneffektorzellen zu hemmen oder ihnen zu entkommen. Cancer belongs to the most frequent causes of death in human medicine and also becomes more and more important in veterinary medicine. A small number of tumors develop on the basis of tumor susceptibility syndromes, dominantly inherited genetic diseases increasing cancer risk drastically. In contrast, the individual risk towards sporadically occurring tumors varying from high susceptibility to complete resistance depends on the interaction of genetic with exogenic factors. A thorough analysis of effector mechanisms modulating tumor risk is a prerequisite for the prevention, early diagnosis and therapy of malignancies. The induction of malignant tumors of the peripheral nervous system in rats of the closely related strains BDIV and BDIX induced by the application of N-Ethyl-N-Nitrosourea (EtNU) on postnatal day one constitutes a suitable model for exploring the biological basis of cancer susceptibility and resistance. While > 85% of the BDIX rats develop malignant schwannomas predominantly of the trigeminal nerves, BDIV rats are almost completely resistant. A transversion mutation in the transmembrane region of the Neu/ErbB-2 gene is an early, likely the initial event in tumor development and diagnostic for malignant schwannomas. This mutated Schwann cells represent a high risk population for the progression to full blown malignant phenotypes. Unexpectedly Neu/ErbB-2 mutant cells were detected in trigeminal nerves of tumor-susceptible BDIX rats as well as in resistant BDIV rats as a consequence of EtNU treatment. While these cells can be eliminated from the nerves of BDIV rats, they give rise to malignant tumors in susceptible BDIX rats. To find out whether the immune system is involved in the elimination process CD8+ cytotoxic T cells, CD4+ T helper cells and macrophages were quantified in trigeminal nerves of both rat strains as a function of time after EtNU exposure. Starting on day 40 significantly increased numbers of CD4+ macrophages and T helper cells were found in EtNU treated rats, while the amounts of CD8+ cytotoxic T cells and ED1+ macrophages surpassed the controls after day 80. As no gross differences were found in immune cell counts between cancer susceptible and resistant rats, it remained unclear, whether the immune effector cells were involved in the elimination of premalignant cells. Therefore the maturation of T cells was prevented by thymectomy of BDIX and BDIV rats after EtNU treatment on postnatal day one. The efficiency of the procedure was monitored by determination of the residual T cells in the blood by flow cytometry. It was shown, that residual T cells could not invade trigeminal nerves and therefore do not appear to interfere with the development of cancer in the PNS. A significant number (16%) of thymectomized BDIV rats developed malignant schwannomas after a median survival time of 295 days representing a strong increase of the tumor incidence of BDIV rats. In contrast thymectomy had no influence on the tumor rate and the survival time in BDIX rats. This effect demonstrates that an intact T cell response is essential for the almost complete resistance of the BDIV rat towards the development of malignant schwannomas after EtNU treatment. In BDIX rats T cells appear to have no effect on tumor development. However, most thymectomized BDIV rats did not develop cancer and Neu mutant cells were not detected in most of their nerves. It is therefore likely, that T cells either interact with other cells of the immune system, as for example macrophages, or with nerve-tissue intrinsic mechanisms so that the genetic tumor resistance of the BDIV rat cannot be completely abolished by the thymectomy. The differential tumor susceptibility of both strains could be caused by functional differences of the T cell response as well as by different capabilities of premalignant cells to escape or counteract the cellular immune response.