Charakterisierung von Interleukin-16 als therapeutische Zielstruktur im Multiplen Myelom

Abstract

Trotz der Einführung innovativer therapeutischer Wirkstoffe zur Bekämpfung des Multiplen Myeloms ist die knochenmarkresidierende Plasmazellneoplasie durch eine hohe Rückfallquote geprägt, die in einem aggressiven Phänotyp mit inhärenten Chemoresistenzmechanismen begründet liegt und mit geringen Überlebenserwartungen einhergeht. In vorläufigen Studien konnte gezeigt werden, dass die Tumorprogression des Multiplen Myeloms an eine erhöhte IL-16-Serumkonzentration geknüpft ist. Ziel dieser Arbeit war daher, die biologische Funktion von IL-16 in der malignen Plasmazelle zu identifizieren und zu untersuchen, inwiefern das Cytokin die Pathogenese des Multiplen Myeloms beeinflusst. Im ersten Teil der Arbeit erfolgten IL-16-Expressionsanalysen in Myelomzellen, die eine starke IL-16-Genaktivität und eine hohe IL-16-Proteinbiosyntheserate aufzeigten. Besonders auffällig war dabei eine Periodizität der IL-16-Expressionsmuster, die auf eine zyklische Regulation hindeutet. Weiterhin wurde ein dereguliertes Sezernierungsverhalten der Myelomzellen beobachtet, was zur massiven IL-16-Anreicherung im extrazellulären Raum führte. Korrelations- und Aktivitätsstudien zeigten, dass das aberrante Sekretionsmuster der Myelomzellen vermutlich auf eine permanente Caspase-3-Aktivität zurückzuführen ist. Jene Zellen, für die eine IL-16-Expression nachgewiesen werden konnte, sekretierten die biologisch aktive Form des Cytokins unabhängig von der Aktivierung durch externe Stimuli. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein System etabliert, dass einen verlässlichen IL-16-Knockdown innerhalb der Myelomzellen gewährleistet. Basierend auf diesem System wurden genomweite Expressionsprofile IL-16-positiver und IL-16-negativer Myelomzellen mittels Microarray-Analysen erfasst und ein funktioneller Beitrag von IL-16 auf die Proliferationsförderung, Hemmung der Zelldifferenzierung sowie der positiven Einflussnahme auf die Zellviabilität abgeleitet. Myelomzellen eines weit fortgeschrittenen Stadiums reagierten dabei am sensibelsten auf den Verlust von IL-16. Weiterführende Analysen dienten der funktionellen Bestätigung der hergeleiteten Effekte. Dabei zeichnete sich eine signifikante Relevanz von IL-16 für das Wachstumsverhalten der Myelomzellen ab. Insbesondere schien dabei die Zellzyklusprogression von der S-Phase zur G2-Phase betroffen zu sein. Den positiven Effekt auf die Tumorzellproliferation vermittelte IL-16 über die Stimulierung der PI3-Kinase-, NFκB- und MAP-Kinase-Signalkaskaden sowie der Hochregulierung prominenter wachstumsstimulierender Faktoren des Multiplen Myeloms. Weiterhin konnte der anhand der Microarray-Analysen postulierte positive Effekt von IL-16 auf die Zellviabilität in einem funktionellen Assay bestätigt werden. Besonders interessant war die Beobachtung, dass der Verlust von IL-16 zur drastischen Hemmung des klonalen Wachstums von Vorläuferzellen des Multiplen Myeloms führte. Dadurch kann eine große Bedeutung des Cytokins für den Selbsterneuerungsprozess der neoplastischen Zellen abgeleitet werden, die für die hohen Rezidivraten im Multiplen Myelom verantwortlich zu sein scheinen. Durch die Identifizierung des tumorprogressiven Effekts von IL-16 im Multiplen Myelom wurde die bekannte physiologische Funktion des Cytokins als chemotaktischer Faktor und Immunmodulator erstmals um die Relevanz im onkologischen Kontext erweitert. Die vorgestellten Ergebnisse unterstreichen das Potential von IL-16, als eine therapeutisch relevante Zielstruktur in der Behandlung des Multiplen Myeloms zu fungieren.

Multiple myeloma is a hematological malignancy, which emerges from a deregulated plasma cell located in the bone marrow. Even though several new and effective modes of therapy have been introduced for the treatment of myeloma, the disease is characterized by a high rate of relapses and therefore still considered incurable. Interestingly, IL-16 expression levels correlate positively with the severity of the disease and a poor outcome of the patients. Hence, the aim of the current study was to investigate whether the molecular function of IL-16 is associated with the progression of myeloma. The first part of this study demonstrates that IL-16 gene expression and IL-16 protein biosynthesis is upregulated in myeloma cells. Further, a periodicity in its expression pattern could be observed which indicates a cyclic regulation of IL-16 production. Myeloma cells demonstrated an aberrant and deregulated secretion of bioactive IL-16 leading to highly increased levels of this cytokine in the extra cellular space. Experiments investigating the activity of Caspase-3 and its correlation with processed and released IL-16 suggested the abnormal IL-16 secretion pattern is based on permanent basal activity of this protease. The majority of cells that were tested positive for intracellular IL-16 expression were able to secrete the mature cytokine independently of external activation stimuli. The second part of the current study describes the development of a reliable knock down system for effective repression of IL-16 production. Using this approach whole gene expression profiles of IL-16 positive and IL-16 negative myeloma cells were explored. By comparing both groups it was shown that IL-16 promotes the cell growth of myeloma cells. Furthermore, IL-16 contributed to cell viability and inhibited tumor cell differentiation. Myeloma cells of advanced stages of the disease were affected most by the loss of IL-16 expression. Additional analyses were performed to confirm gene expression profiles determined by micro array studies. As indicated in the previous part, IL-16 proved to be a contributing factor of myeloma cell proliferation. In particular, IL-16 had an impact on cell cycle progression during S-phase-G2-phase transition. The cytokine mediated its tumor-promoting effect by activating the prominent proliferation pathways of PI3-Kinase, NFκB and MAP-Kinases. Furthermore, it upregulated important growth stimulating factors implicated in the pathogenesis of multiple myeloma. Additionally, the postulated positive effect of IL-16 on cell viability was confirmed by functional assays. Importantly, IL-16 knock down was shown to dramatically reduce the clonogenic growth of myeloma precursor cells, which are suspected to be responsible for the high rate of relapses in myeloma patients. By identifying the strong effects of IL-16 on the progression of multiple myeloma the well established function of IL-16 as a chemotactic factor and immunomodulator could be extended in an oncological context for the first time. These results underline its potential as a therapeutic target structure for the treatment of multiple myeloma.