Duale Inhibition von PARP und dem intra-S/G2-Zellzykluskontrollpunkt als neue Strategie zur hocheffizienten Strahlensensitivierung HPV-positiver HNSCC

Abstract

HPV-positive HNSCC stellen eine klinisch und biologisch unterscheidbare Subgruppe gegenüber der HPV-negativen HNSCC dar und zeichnen sich durch eine bessere Prognose, bedingt durch ein gutes Therapieansprechen, insbesondere auf ionisierende Bestrahlung aus. Als zugrunde liegender Mechanismus konnte eine eingeschränkte Reparaturkapazität bei DNA-Doppelstrangbrüchen, einhergehend mit einem ausgeprägten G2-Arrest, gezeigt werden. Hie-raus ergibt sich die Rationale, durch eine Inhibition der DNA-Reparatur und der Zellzykluskontrolle durch molekulares Targeting eine Radiosensitivierung zu erreichen. Getestet wurde der PARP-Inhibitor Olaparib, sowie die Inhibitoren des intra-S/G2-Checkpoints Adavosertib als Wee1-Inhibitor und Prexasertib als Chk1-Inhibitor. Die Inhibition des intra-S/G2-Checkpoints konnte den bestrahlungsinduzierten G2-Arrest deutlich unterdrücken und führte zu Replikationsstress, detektierbar durch eine Ansammlung der Zellen in der S-Phase und ein in dieser Zellzyklushase ebenfalls deutlich erhöhts Level an gamma-H2AX, als Marker für Replikationsstress und DSB. Dieser Effekt schien durch die Hinzunahme des PARP-Inhibitors nicht beeinflusst, jedoch zeigte sich eine starke Radiosensitivierung der HPV-positiven HNSCC durch die Kombination und insgesamt ein geringer Effekt auf die Normalgewebsfibroblasten. HPV-positive Tumorzellen werden als p53-defizient angesehen und somit insbesondere Anhängig von einem zuverlässigen G2-Arrest. Dies und die bereits erwähnte eingeschränkte DNA-Reparaturkapazität tragen zu der Tumorspezifität des hier gezeigten Ansatzes bei. Nach kombinierter Inhibition treten die Zellen mit unreparierten DSB nach Bestrahlung und durch Bedingungen des Replikationsstresses aus der G-2-Phase in die Mitose ein mit einem hohen Risiko für den mitotischen Zelltod.

HPV-positive HNSCC can be considered as a clinical and biological distinct entity compared to the HPV-negative HNSCC, with a favourable prognosis due to a good response in particular to ionizing radiation. A decreased DNA double-strand break repair associated with a pronounced G2-Arrest can be shown in this context. This leeds to the rationale of a radiosensitisation through inhibition of the DNA repair and the intra-S/G2 cell cycle checkpoint with molecular targeting. We used the PARP inhibitor Olaparib in combination with the inhibitors of the S/G2 cell cycle checkpoint, the Wee1 inhibitor Adavosertib and the Chk1 inhibitor Prexasertib. The inhibition of the intra-S/G2 cell cycle checkpoint resulted in abrogation of the radiation induced G2 arrest and leeds to replication stress, detectable by an accumulation of cells in the S and an increased level of the replication stress and DSB marker gamma-H2AX in this phase of the cell cycle. This was not affected by the PARP inhibition, but we could show a highly effective radiosensiti-zation of the HPV-positive HNSCC cells and little effect on normal human fibroblasts. HPV-positiven tumor cells can be considered p53 deficent and therefore rely on a sound G2 arrest. This attribute and the mentioned impairment of the DNA repair implicate the tumor specificity of the presented approach. Combined inhibition of PARP and the intra-S/G2 cell cycle checkpoint with simultaneous irradiation leads to unrepaired DSB under conditions of severe replication stress with cells entering mitosis with a relevant risk for mitotic catastrophe.