Preview

PDF, English - main document Download (5MB) | Terms of use

Abstract

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is the fourth leading cause of cancer-related death worldwide, and often chemotherapy fails due to post-treatment cell survival and patient relapse. Although extensive qualitative research has been performed on drug resistance, the combination of experimental and computational methods offers the perspective of a quantitative prediction for tumour-specific therapeutic approaches. In this context, it is important to study molecular mechanisms involved in drug resistance in PDAC on a systems level and integrate knowledge about involved signal transduction pathways. The aim of this thesis is to investigate two of these mechanisms and quantitatively analyse their role in drug resistance.

In the first sub-project of the thesis, the ubiquitin ligase Casitas B-lineage lymphoma c (CBLc) was characterised as a subtype biomarker for drug resistance in PDAC cells by a combination of mathematical modelling and experiments. It was observed that CBLc confers drug resistance to PDAC cells by amplifying the activation of downstream effectors of the MAPK and PI3K/Akt pathways, which stands in contrast to the well-established role of CBL ubiquitin ligases as negative regulators of membrane receptor tyrosine kinases (RTKs). The observed effect of an increased Erk and Akt activation in presence of Erlotinib could be explained by mathematical modelling assuming a novel function of CBLc as a scaffold for mediators of downstream phosphorylation reactions, responsible for tuning cell response to external stimuli.

The second sub-project of the thesis addressed the spatio-temporal dynamics of drug delivery in PDAC tumour tissue depending on the heterogeneous expression of a drug-metabolizing enzyme, CYP3A5, a member of the cytochrome P450 enzyme family. Recently, it was observed that patient-derived model cell lines of the exocrine-like PDAC subtype express this enzyme, which resulted in drug resistance in cell culture experiments. Accordingly, it can be predicted for tumour tissues that CYP3A5 expression results in local drug gradients and survival of cancer cells. To quantitatively simulate this effect, an agent-based reaction-diffusion model of 3D cell cultures was created. Based on experimental data, the formation of resistant tumour niches due to CYP3A5-expressing cells was simulated. The model was used to create predictions about the selection of resistant cell populations upon treatment with oncological drugs such as erlotinib and paclitaxel.

In conclusion, quantitative descriptions of two distinct cellular mechanisms of drug resistance in the complex landscape of PDAC were established. On the one hand, a new functional role of the potentially oncogenic protein CBLc was mechanistically characterized; on the other, the effect of heterogeneously expressed drug-degrading enzymes resulting in tumour niches protected from cytotoxic drugs was characterised via mathematical modelling. In future, the integration of the developed models could be applied to optimize experimental strategies for in vitro testing of targeted cancer inhibitors and combinations of chemotherapy agents on PDAC and other tumours.

Translation of abstract (German)

Das duktale Pankreas-Adenokarzinom (PDAC) ist die vierthäufigste krebsbedingte Todesursache weltweit. Oft scheitert die Chemotherapie aufgrund therapieresistenter Tumorzellen, durch welche Rezidive entstehen. Im Gegensatz zur qualitativen Erforschung von Medikamentenresistenz, bietet die Kombination von Experimenten mit computergestützten Ansätzen die Perspektive einer quantitativen Vorhersage tumorspezifischer Therapieansätze. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, molekulare Mechanismen, die an der Medikamentenresistenz bei PDACs beteiligt sind, auf systemischer Ebene zu untersuchen und das Wissen über beteiligte Signaltransduktionswege in mathematischen Modellen zu kombinieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zwei dieser Mechanismen zu untersuchen und ihre Rolle bei der Medikamentenresistenz quantitativ zu analysieren.

Im ersten Teilprojekt der Dissertation wurde die Ubiquitin-Ligase Casitas B-lineage Lymphoma c (CBLc) als Subtyp-Biomarker für Medikamentenresistenz in PDAC-Zellen durch eine Kombination aus mathematischer Modellierung und Experimenten charakterisiert. Es wurde beobachtet, dass CBLc zur Resistenz von PDAC-Zellen gegenüber chemotherapeutischen Medikamenten führt, indem es die Aktivierung nachgeschalteter Effektoren der MAPK- und PI3K/Akt-Signalwege verstärkt. Diese Funktion steht im Gegensatz zur etablierten Rolle von CBL Ubiquitin-Ligasen als negativen Regulatoren von Membran-Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs). Der beobachtete Effekt einer erhöhten Erk- und Akt-Aktivierung unter Behandlung mit Erlotinib konnte durch mathematische Modellierung erklärt werden. Die Funktion von CBLc als Adapter für Mediatoren nachgeschalteter Phosphorylierungsreaktionen wurde durch das Modell vorhergesagt und konnte experimentell bestätigt werden.

Im Rahmen des zweiten Teilprojekts der Arbeit wurde die räumlich-zeitlichen Dynamik der Effekte chemotherapeutischer Medikamente im PDAC-Tumorgewebe, beeinflusst durch die heterogene Expression von CYP3A5, einem Mitglied der Cytochrom-P450-Enzymfamilie, durch welches Medikamente abgebaut werden, charakterisiert. Kürzlich wurde beobachtet, dass aus Tumoren abgeleitete Modellzelllinien des exokrinen PDAC-Subtyps dieses Enzym exprimieren, was in Zellkulturexperimenten zu einer Medikamentenresistenz führte. Dementsprechend kann für Tumorgewebe vorhergesagt werden, dass die CYP3A5-Expression zu lokalen Wirkstoffgradienten und zum Überleben der Krebszellen beiträgt. Um diesen Effekt quantitativ zu simulieren, wurde ein agentenbasiertes Reaktions-Diffusions-Modell von 3D-Zellkulturen entwickelt. Basierend auf experimentellen Daten wurde die Ausbildung von resistenten Tumornischen durch CYP3A5-exprimierende Zellen simuliert. Das Modell wurde verwendet, um Vorhersagen über die Selektion resistenter Zellpopulationen bei der Behandlung mit onkologischen Medikamenten wie Erlotinib oder Paclitaxel zu erstellen.

Zusammenfassend wurden quantitative Modelle von zwei unterschiedlichen zellulären Mechanismen der Chemotherapieresistenz in PDACs etabliert. Zum einen wurde eine neue funktionelle Rolle des potentiell bei der Krebsentstehung involvierten Proteins CBLc mechanistisch charakterisiert, zum anderen der Effekt von heterogen exprimierten medikamentenabbauenden Enzymen, durch welche resistente Tumornischen entstehen können, basierend auf mathematischen Modellen charakterisiert. Die entwickelten Modelle könnten in Zukunft zur Optimierung experimenteller Strategien für die In-vitro-Testung zielgerichteter onkologischer Wirkstoffe und Kombinationen von Chemotherapeutika an PDACs und anderen Tumoren eingesetzt werden.