Influence of selenium on pancreatic carcinogenesis and the role of the selenoproteins cytosolic and mitochondrial thioredoxin reductase in the pancreas

Abstract

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) is one of the most aggressive cancers in humans. It is the fourth leading cause of cancer related deaths in Germany and in the United States. Most PDA occurs sporadically, but there are also approximately 5-10% of patients with a family history of pancreatic cancer. The high mortality of PDA is attributed to a lack of early detection methods and poor efficacy in therapies for advanced disease. As an alternative, preventive strategies in individuals with familial pancreatic carcinoma should be considered. Several epidemiological studies showed an inverse correlation between selenium-intake and mortality of certain types of cancer and particularly in gastrointestinal cancers. To this end, in the first part of this study, the influence of selenium as a preventive nutritional additive was investigated in a genetically defined pancreatic cancer mouse model, the EL-TGFatg/+;p53+/- mouse strain. As a major finding, the differentiation grade of the pancreatic carcinomas was heavily influenced by the selenium status. In the selenium-deficient group there were more non-differentiated pancreatic carcinomas than in the selenium-adequate group, which highlighted the implication of selenium or selenoproteins in tumour differentiation. Unexpectedly, however, there was no protective effect of selenium on total or pancreatic tumour latency. Within the selenoproteins, the thioredoxin reductases are strong candidates which may influence cell death and differentiation in pancreatic carcinogenesis. Their function is generally associated with tumour proliferation and also linked to the activation of the tumour suppressor p53. Consequently, the role of the thioredoxin reductases in the pancreas was studied in the second part of this thesis. The enzymatic activity of cytosolic (TXNRD1) and mitochondrial (TXNRD2) thioredoxin reductase in the pancreas and other organs was determined in relation to the selenium-status. TXNRD1 activity in the pancreas was moderate and decreased under selenium deficiency. TXNRD2, instead, showed very high pancreatic activity in relation to other organs and its activity was even increased under selenium-deficiency emphasising its special role in this organ. To further investigate the function of Txnrd1 and Txnrd2 in the pancreas, tissue-specific knockout mice were created and characterized. The Txnrd1 knockout mice did not show an overt phenotype. Interestingly although, pancreatic acinus cells in one year old mice showed a disturbed rough endoplasmic reticulum and alterations in serum amylase and lipase. These mice also had an impaired glucose tolerance. The pancreas of Txnrd2 knockout mice showed severe chronic pancreatitis and pancreatic atrophy at the end of an observation period of one year. The progressive pathogenic process started with mild pancreatitis, developing spontaneously at an age of four weeks. The chronic stage was characterized by the formation of different types of acinar-to-ductal metaplastic lesions, which could be classified in part as early precursor lesions of pancreatic carcinomas. The endocrine pancreas was not affected. The pancreas-specific Txnrd2 knockout mouse strain is the first genetically modified mouse model spontaneously developing acute and chronic pancreatitis. This strain constitutes a unique and powerful tool to model pancreatic pathogenesis, especially the yet unresolved process of transformation from inflammatory to malignant disease.

Das duktale Adenokarzinom des Pankreas gehört zu den aggressivsten Krebsarten des Menschen. In Deutschland wie auch in den USA bilden Krebserkrankungen des Pankreas die viert häufigste durch Krebs hervorgerufene Todesursache. Obwohl die molekularen Mechanismen des duktalen Adenokarzinoms immer besser verstanden werden, nimmt diese Krebserkrankung meist einen tödlichen Verlauf. Die hohe Sterblichkeitsrate wird vor allem durch fehlende Möglichkeiten der Früherkennung und mangelnde Effektivität der Behandlungsmethoden bei fortgeschrittener Krankheit begründet. Zumeist tritt das Pankreaskarzinom spontan auf, jedoch bei 5-10% der Patienten lässt sich ein familiärer Hintergrund nachweisen. Für diese Patientengruppe sollten präventive Maßnahmen angestrebt werden. In epidemiologischen Studien konnten Hinweise zu einer inversen Korrelation von Selenaufnahme und altersabhängiger Sterblichkeit bei verschiedenen Krebsarten und vor allem bei gastrointestinalen Krebserkrankungen erarbeitet werden. Im ersten Teil der hier vorliegenden Studie wurde daher der Einfluss von Selen auf das Pankreaskarzinom des genetisch definierten EL-TGFatg/+;p53+/- Mausmodelles beforscht. Selen-defiziente Mäuse wurden mit Selen-adäquat ernährten Mäusen verglichen. Interessanter Weise wurde der Differenzierungsgrad der entstandenen Pankreas-karzinome hoch signifikant durch den Selenstatus der Mäuse beeinflusst. Selen-defizient ernährte Mäuse entwickelten hauptsächlich anaplastische Pankreaskarzinome, wohingegen Selen-adäquat ernährte Mäuse mehr differenzierte Tumoren aufwiesen. Unerwarteter Weise konnte jedoch kein protektiver Einfluss von Selen weder auf die Latenzzeit aller auftretender Tumoren, noch im einzelnen auf Pankreaskarzinome festgestellt werden. Innerhalb der Gruppe der Selenoproteine sind die Thioredoxinreduktasen potentielle Kandidaten welche den Zelltod und die Differenzierung von Pankreaskarzinomen beeinflussen. Ihre Funktion wird im Allgemeinen mit der Proliferation von Tumoren und der Aktivierung des Tumorsupressors p53 in Verbindung gebracht. Folglich wurde die Rolle der Thioredoxinreduktasen im Pankreas im zweiten Teil dieser Studie bearbeitet. Die enzymatische Aktivität der cytosolischen (TXNRD1) und mitochondrialen (TXNRD2) Thioredoxinreduktase im Pankreas und anderen Organen wurde im Allgemeinen und in Bezug auf den Selenstatus der Tiere bestimmt. Die enzymatische Aktivität von TXNRD1 im Pankreas war eher mäßig und sank unter Selen-defizienten Bedingungen noch weiter ab. TXNRD2 hingegen zeigte eine sehr starke enzymatische Aktivität im Pankreas und in Selen-defizienten Tieren erhöhte sich die enzymatische Aktivität von TXNRD2 im Pankreas sogar noch, was auf eine wichtige Rolle dieses Enzyms in diesem Organ schließen lässt. Um die Rolle von Txnrd1 und Txnrd2 im Pankreas aufzuklären wurden Gewebe-spezifische Knockout-Mäuse gezüchtet und charakterisiert. Txnrd1 Knockout-Mäuse zeigten zuerst keinen offensichtlichen Phänotyp. Interessanter Weise jedoch, konnte in Azinus-Zellen des Pankreas von ein Jahr alten Mäusen ein dilatatives bis hin zu völlig zerstörtem rauen Endoplasmatischem Retikulum beobachtet werden. Des Weiteren wurden Veränderungen der Amylase und Lipase Werte im Blutserum gemessen. Die Tiere hatten auch eine veränderte Glucose Toleranz. Das Pankreas der Txnrd2 Knockout-Mäuse wies eine schwerwiegende chronische Pankreatitis und voranschreitende Atrophie des Pankreasgewebes gegen Ende des Beobachtungszeitraums von einem Jahr auf. Die Mäuse entwickelten spontan eine akute Pankreatitis im Alter von vier Wochen. In der chronischen Pankreatitis wurden verschiedene Arten von azinären-duktalen Metaplasien gefunden, die zum Teil als frühe Vorläuferstadien von Pankreaskarzinomen klassifiziert werden konnten. Das endokrine Pankreas wies keine Veränderungen auf. Dieser Pankreas-spezifische Txnrd2 Knockout-Mausstamm ist das erste genetische Model welches spontan akute und chronische Pankreatitis entwickelt und bietet daher enorme Möglichkeiten für die Erforschung dieser inflamatorischen Erkrankung und ihrer Verbindung zu Krebserkrankungen des Pankreas.