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JOURNAL ONKOLOGIE – Artikel
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02. Dezember 2015

Urothelkarzinom der Harnblase – Aquaporin 3: ein Marker mit hohem prognostischen Potential

W. Otto1,2, S. Denzinger1, M. Burger1, P. Rubenwolf3. 1 Caritas-Krankenhaus St. Josef, Klinik für Urologie der Universität Regensburg, 2 Überörtliche Gemeinschaftspraxis für Urologie, Neutraubling/Abensberg, 3 Facharztzentrum Hochstraße, Frankfurt/Main.

Klinische und histopathologische Parameter allein wurden in der Vergangenheit als nicht ausreichend für die Beurteilung der Prognose von Patienten mit Harnblasenkarzinom erkannt. Seit Jahrzehnten werden daher Biomarker untersucht, mit deren Hilfe die Prognoseabschätzung des Urothelkarzinoms verbessert werden soll. Insgesamt ist das Ergebnis dieser Bemühungen bislang jedoch als unzureichend zu bezeichnen. Insbesondere konnte sich noch kein Marker in allen signifikanten Erkrankungsstadien als hilfreich erweisen und Eingang in die Diagnostik finden bzw. sich als mögliches Target für eine zielgerichtete Therapie anbieten. Dieser Befund führte unsere Gruppe in den letzten Jahren zur Konzentration auf eine neue, zuvor beim Harnblasenkarzinom nicht beachtete, Zielstruktur des Urothels – die Aquaporine.

Seit über 100 Jahren in ihrer Funktion als existent vermutet, konnte die Struktur der Aquaporine erst in den 1980er Jahren durch den späteren Nobelpreisträger für Chemie, Peter Agre, erstmals nachgewiesen werden (1). Lange war man davon ausgegangen, dass diese ubiquitär vorkommenden Membran-Kanäle für den Wasser- und Ionentransport gerade im Urothel nicht vorhanden sind. Die Physiologie der Harnblase als Kapazitätsorgan schien die Präsenz von Aquaporinen auszuschließen. Andere Organsysteme standen daher bei der Erforschung dieser Proteine, von denen inzwischen 13 Isotypen nachgewiesen werden konnten, zunächst im Mittelpunkt (2). Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten auch erste Nachweise für die Bedeutung von Aquaporinen für Karzinogenese und Angioneogenese erhoben werden (3). Auf Proteinebene konnte hier bei in Stadium und Entdifferenzierung fortgeschrittenen Tumoren – Untersuchungen fanden u.a. beim Kolonkarzinom, Magenkarzinom oder Hirntumoren statt – in der Regel eine Überexpression von Aquaporinen festgestellt werden (4-6).


Späte Detektion von Aquaporinen auch im Urothel

Erst nach dem Jahr 2000 begann man auch im Urothel nach der Präsenz von Aquaporinen zu suchen und wurde entgegen der ursprünglichen Erwartungen dort ebenfalls fündig. Hier kam dem Forschungslabor der Biologin Jenny Southgate in York (UK) Pionierfunktion zu. Eine ihrer Arbeitsgruppen mit dem Urologen Peter Rubenwolf aus Würzburg (D) an der Spitze konnte erstmals Aquaporine im Urothel nachweisen – auf genetischer Ebene mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR) die Isotypen 3, 4, 7, 9 und 11, Aquaporin 3 (AQP3) auch auf Proteinbasis mittels immunhistochemischer Verfahren. Hier fiel im Urothel insbesondere die starke Expression von AQP3 im Bereich der Basalmembran und der intermediären Zelllagen auf (7, 8). Es war eine logische Konsequenz, dass als nächster Schritt auch das Verhalten der Expression von AQP3 beim Urothelkarzinom geprüft wurde. Dies geschah durch Peter Rubenwolf und Wolfgang Otto an der Regensburger Universitätsklinik für Urologie in Deutschland.


Erste Untersuchungen am Urothelkarzinom

Eine erste Studie an wenigen Urothelkarzinomen der Harnblase unterschiedlicher Stadien hatte hier interessante Daten zu Tage gefördert, die einen statistisch signifikanten Zusammenhang zwischen Invasivität und schlechter Differenzierung mit Expressionsverlust von AQP3 zeigten (Abb. 1). Während alle nicht-muskelinvasiven Harnblasenkarzinome im Stadium pTa eine starke Expression von AQP3 aufwiesen, war dieser Anteil beim frühinvasiven Tumor (pT1) schon deutlich geringer und sank bei muskelinvasiven Harnblasenkarzinomen weiter ab (9). Im weiteren Verlauf kam es zunächst zu einer Beurteilung des Expressionsverhaltens von AQP3 innerhalb des klinisch anspruchsvoll zu managenden pT1-Harnblasenkarzinoms mit der Hypothese, dass Patienten mit AQP3-Verlust mit schlechterem tumorspezifischen Überleben in Verbindung zu bringen waren. Diese Hypothese konnte an 87 Patienten mit pT1-Harnblasenkarzinom, die zwischen 2002 und 2009 einer Blasen-erhaltenden Behandlung mit transurethraler Resektion, Nachresektion und Bacillus-Calmette-Guérin (BCG) Erhaltungstherapie zugeführt worden waren, im Wesentlichen bestätigt werden. Retrospektiv wurden klinische, histopathologische und Verlaufsdaten der Patienten mit einem Follow-up von im Median 31 Monaten erhoben. Im beschriebenen Patientenkollektiv konnte die in der vorausgegangenen deskriptiven Analyse vorgefundene Expression von AQP3 beim pT1-Harnblasenkarzinom mit 59% gut reproduziert werden. Das tumorspezifische Überleben nach 4 Jahren zeigte keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen Patienten mit AQP3-exprimierenden (79%) und nicht-exprimierenden (83%) Tumoren (p=0,762). Dagegen war der Verlust der Expression von AQP3 für die betreffenden Patienten mit einem schlechteren rezidiv- (22% vs. 60%) und progressionsfreien Überleben (PFS, 20% vs. 72%) vergesellschaftet, was für das PFS auch statistische Signifikanz erreichte (p=0,02). In der multivariaten Cox-Regressionsanalyse konnte der Expressionsverlust von AQP3 als einziger unabhängiger Prognoseparameter verifiziert werden (HR=7,58, KI 1,29-44,68; p=0,025) (10).

Abb. 1: Erster Versuch einer diskriminierten Expressionseinteilung zur Anwendung des AQP3-Scores auf das Harnblasenkarzinom.
Abb. 1: Erster Versuch einer diskriminierten Expressionseinteilung zur Anwendung des AQP3-Scores auf das Harnblasenkarzinom.



AQP3-Score diskriminiert auch bei muskelinvasiven Harnblasentumoren

Würden die Ergebnisse für das nicht-muskelinvasive Harnblasenkarzinom aber auch auf muskelinvasive Stadien übertragbar sein? Dieser Fragestellung wurde von derselben Arbeitsgruppe an 100 Patienten mit pT2-pT4 Harnblasenkarzinom, die zwischen 2001 und 2006 einer radikalen Zystektomie zugeführt worden waren, nachgegangen. Erstmals wurde im Rahmen dieser Untersuchung auch eine Unterscheidung der Expression vorgenommen. Man unterschied zwischen einem völligen Expressionsverlust, einer rein zytoplasmatischen sowie einer schwachen oder starken Expression an der Basalmembran. Nach einem medianen Follow-up von 33 Monaten zeigten Patienten mit dem Normalurothel entsprechenden Expressionsmuster ein statistisch signifikant besseres PFS (75% vs. 19%; p=0,043) und tumorspezifisches Überleben (75% vs. 18%; p=0,030). Für das PFS konnte der AQP3-Score auch in der multivariaten Cox-Regressionsanalyse als unabhängiger Prognoseparameter festgestellt werden (HR=2,87, KI 1,06-7,80; p=0,038) (Abb. 2) (11).

Abb. 2: Kaplan-Meier-Analyse zum AQP3-Score und dessen Auswirkung auf das tumorspezifische Überleben von Patienten mit muskelinvasivem Harnblasenkarzinom. Die der AQP3-Expression im Normalurothel entsprechende Expression ist mit einem statistisch signifikant besseren Überleben assoziiert.
Abb. 2: Kaplan-Meier-Analyse zum AQP3-Score und dessen Auswirkung auf das tumorspezifische Ãœberleben von Patienten mit muskelinvasivem Harnblasenkarzinom. Die der AQP3-Expression im Normalurothel entsprechende Expression ist mit einem statistisch signifikant besseren Ãœberleben assoziiert.



AQP3 als Marker der Tumorinvasivität

War bei den ersten Untersuchungen zum Expressionsverhalten von AQP3 bei Harnblasenkarzinomen eine Assoziation von Expressionsverlust mit invasiven und schlecht differenzierten Tumoren suggeriert worden, kann dies durch neueste Untersuchungen an per definitionem schlecht differenzierten Carcinomata in situ (Cis) korrigiert werden. Hier zeigten alle untersuchten Cis nämlich eine gute Expression von AQP3, was die Hypothese nahelegt, dass die zunehmende Tumorinvasivität (die mit schlechter Differenzierung einhergeht) für den AQP3-Expressionsverlust verantwortlich ist und nicht die Differenzierung der Tumoren per se. Zusätzliche Untersuchungen zu diesem und anderen Aspekten von Aquaporinen am Harnblasenkarzinom und weiteren urogenitalen Malignomen sind im Gange.


Fazit

Aquaporine sind ubiquitär vorhandene Glykoproteine, die in ihrer Funktion Wasser- und Ionenkanälen (allerdings transportieren sie keine Ionen – Ausnahme: AQP6 – möglicherweise Cl-Ionen) entsprechen. Nach erstmaligem Nachweis von AQP3 auch im Urothel kam es in den letzten Jahren zur Feststellung des AQP3-Expressionsverlusts als prognostisch relevanter Parameter des progressions- und tumorspezifischen Überlebens von Patienten mit Harnblasenkarzinom. So wurde sowohl für das frühinvasive als auch das muskelinvasive Urothelkarzinom der Harnblase die AQP3-Expression als unabhängiger prädiktiver Faktor für ein besseres PFS in der multivariaten Cox-Regressionsanalyse ermittelt.

 

 

Wolfgang Otto

PD Dr. med. Wolfgang Otto

Forschungskoordinator am Lehrstuhl für Urologie der Universität Regensburg
Ortsübergreifende Gemeinschaftspraxis für Urologie
Straubinger Straße 45
93326 Abensberg

E-Mail: wolfgang.otto@ukr.de

Peter Rubenwolf

PD Dr. med. Peter Rubenwolf

MSc, FEBU, FEAPU
Facharzt für Urologie/
Kinderurologie
Facharztzentrum Hochstraße 49
60313 Frankfurt

E-Mail: rubenwolf@facharztzentrum-hochstrasse.de

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ABSTRACT
 



W. Otto1,2, S. Denzinger1, M. Burger1, P. Rubenwolf3, 1Caritas-Krankenhaus St. Josef, Klinik für Urologie der Universität Regensburg, 2Überörtliche Gemeinschaftspraxis für Urologie, Neutraubling/Abensberg, 3Facharztzentrum Hochstraße, Frankfurt/Main

Aquaporins are a family of transmembrane pore-forming proteins which are ubiquitously expressed in all kingdoms of life. Their main physiological function is to facilitate transport of water and small uncharged molecules such as urea, glycerol and pyrimidines across cell membranes and epithelial surfaces. Besides their role in epithelial physiology, AQPs have been shown to be implicated in carcinogenesis, most notably cell migration and tumour angiogenesis. Having previously provided molecular evidence of AQP3 expression in normal human urothelium, Rubenwolf and Otto were the first to show that loss of AQP3 is associated with worse progression- and recurrence-free survival in patients with urothelial carcinoma of the bladder. Importantly, multivariate Cox regression analysis has confirmed the expression status of AQP3 to constitute an independent marker of progression-free survival both in early-invasive (pT1) and muscle-invasive urothelial carcinoma of the bladder. Thus, expression of AQP3 may help urologic surgeons select patients in need for early cystectomy (AQP3-negative pT1 G3 tumours) or (neo-)adjuvant chemotherapy (AQP3-negative muscle-invasive tumours).



Keywords: aquaporins, carcinogenesis, tumour angiogenesis, AQP3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Literatur:

(1) Agre P, Saboori AM, Asimos A et al. Purification and partial characterization of the Mr 30,000 integral membrane protein associated with the erythrocyte Rh(D) antigen. J Biol Chem 1987; 262:17497-17503.
(2) Magni F, Sarto C, Ticozzi D et al. Proteomic knowledge of human aquaporins. Proteomics 2006; 6(20):5637-49.
(3) Saadoun S, Papadopoulos MC, Hara-Chikuma M et al. Impairment of angiogenesis and cell migration by targeted aquaporin-1 gene disruption. Nature 2005; 434:786-92.
(4) Markert JM, Fuller CM, Gillespie GY et al. Differential gene expression profiling in human brain tumors. Physiol Genomics 2001; 5(1):21-33.
(5) Moon C, Soria JC, Jang SJ et al. Involvement of aquaporins in colorectal carcinogenesis. Oncogene 2003; 22(43):6699-6703.
(6) Shen L, Zhu Z, Huang Y et al. Expression profile of multiple aquaporins in human gastric carcinoma and its clinical significance. Biomed Pharmacother 2010; 64(5):313-8.
(7) Rubenwolf PC, Georgopoulos NT, Clements LA et al. Expression and Localisation of Aquaporin Water Channels in Human Urothelium In Situ and In Vitro. Eur Urol 2008 Aug 13.
(8) Rubenwolf PC, Georgopoulos NT, Kirkwood LA et al. Aquaporin Expression Contributes to Human Transurothelial Permeability In Vitro and Is Modulated by NaCl. PLoS One 2012; 7(9):e45339.
(9) Rubenwolf PC, Denzinger S, Otto W. Aquaporin 3 protein expression in transitional cell carcinoma: a potential marker with regard to tumour progression and prognosis? Eur Urol 2012; 61(3):627-8.
(10) Otto W, Rubenwolf PC, Burger M et al. Loss of aquaporin 3 protein expression constitutes an independent prognostic factor for progression-free survival: an immunohistochemical study on stage pT1 urothelial bladder cancer. BMC Cancer 2012; 12:459.
(11) Rubenwolf PC, Thomas C, Denzinger S et al. Loss of AQP3 protein expression is associated with worse progression-free and cancer-specific survival in patients with muscle-invasive bladder cancer. World J Urol 2015 May 5. (Epub ahead of print).

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