Estrogen metabolism in gynecological cancer cells: impacts of dietary supplements and drug resistance

Stefan Poschner

doi:10.25365/thesis.63017

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1389648

Title (eng)

Estrogen metabolism in gynecological cancer cells: impacts of dietary supplements and drug resistance

Parallel title (deu)

Östrogenmetabolismus in gynäkologischen Tumormodellen: Einfluss von Nahrungsergänzungsmitteln und Resistenz

Author

Stefan Poschner

Advisor

Walter Jäger

Assessor

Gerd Bendas

Zdenek Dvorak

Abstract (deu)

Östrogene spielen eine zentrale Rolle in der menschlichen Physiologie; dennoch ist wenig über die Wechselwirkung von Nahrungsergänzungsmitteln oder verschiedenen Krankheitszuständen mit deren Metabolismus bekannt. Änderungen in der Stoffwechselaktivität könnten die aktiven Wirkkonzentrationen der Hormone erhöhen, und somit verschiedenste Krankheiten, insbesondere hormonsensitive Tumore, in der Entstehung und Progression beeinflussen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, erstmals die Wechselwirkung ausgewählter Naturstoffe, welche typischerweise zur Linderung von Wechselbeschwerden eingesetzt werden, mit dem Östrogenstoffwechsel in humanen Brustkrebszelllinien (mit und ohne Östrogenrezeptorexpression) zu untersuchen. Hierfür wurde zunächst eine neue Analysemethode entwickelt, die auf Flüssigchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie basiert und nach internationalen Richtlinien auch validiert wurde. Die hohe Empfindlichkeit und Selektivität dieser Analytik ermöglicht, dass die zehn wichtigsten Steroide des Östrogenstoffwechsels (inklusive der Vorstufen, der aktiven Hormone und der entsprechenden Metaboliten) gleichzeitig quantifiziert werden können. Die Behandlung der Krebszellen mit den Sojaisoflavonen Genistein und Daidzein, beziehungsweise mit Resveratrol (einem Polyphenol aus Weintrauben), zeigte bereits bei äußerst geringen Konzentrationen im (sub‐)mikromolaren Bereich eine starke Hemmung der Sulfatierung und Glukuronidierung von Östrogenen, wodurch wiederum die Spiegel unkonjugierter Steroidhormone, vor allem die des hochpotenten 17β‐Östradiols, signifikant anstiegen. Diese Erhöhung führte weiters zu einer Stimulation des Zellwachstums von Östrogenrezeptor-exprimierenden Zellen, was die dringende Notwendigkeit weiterer Untersuchungen an Frauen unterstreicht; die Anwendungssicherheit von Nahrungsergänzungsmitteln bei Brustkrebspatientinnen könnte so besser evaluiert werden. Im Gegensatz zu diesen Beobachtungen konnte keine Veränderung der Östrogenkonzentrationen festgestellt werden, wenn die gleichen Brustkrebszelllinien mit Traubensilberkerzenextrakt, einem weiteren oft verwendeten pflanzlichen Präparat gegen Wechselbeschwerden, inkubiert wurden. Der Extrakt bewirkte außerdem keinen Wachstumsanstieg, sondern sogar einer Wachstumshemmung der Krebszellen, was darauf hindeutet, dass die Anwendung von Traubensilberkerzenpräparaten bei Brustkrebspatientinnen weitgehend ungefährlich sein dürfte. Der Extrakt, beziehungsweise dessen Hauptbestandteil Actein, zeigte weiters eine ausgeprägte Hemmung der Sulfatierung von Dehydroepiandrosteron (DHEA) durch die Sulfotransferase 2A1, was zu erhöhten Spiegeln von unkonjugiertem DHEA und in weiterer Folge zu einem Anstieg der Androgene Androstendion und Testosteron führte. Dieser Androgenanstieg könnte als Erklärung für die klinisch erwiesene Wirkung von Traubensilberkerzenextrakt gegen menopausale Symptome, insbesondere Hitzewallungen, dienen. Das letzte Kapitel der vorliegenden Dissertation zeigte weiters, dass der Metabolismus von Östrogenen auch als Resistenzmarker für Ovarialkarzinome dienen könnte. Hierfür wurden die Konzentrationen der Östrogene und deren Metaboliten in zwei Carboplatin‐sensitiven und vier ‐resistenten Ovarialkarzinomzelllinien bestimmt. Dabei wurde eine signifikante Hemmung des Östrogenmetabolismus ausschließlich in resistenten Zellen beobachtet; ein Effekt, der durch die Behandlung mit dem monoklonalen anti‐Interleukin‐6‐Rezeptor Antikörper Tocilizumab aufgehoben werden konnte. Klinische Studien, die die Blut‐ und/oder Gewebskonzentrationen konjugierter und unkonjugierter Steroidhormone vor und während der Einnahme von Nahrungsergänzungsmitteln oder im Verlauf verschiedener Krankheitszustände überwachen, sind folglich dringend nötig, um die in dieser Arbeit in vitro beobachteten Zusammenhänge auch mit Patientendaten zu belegen.

Abstract (eng)

Estrogens play a pivotal role in human physiology; however, little is known regarding the interaction of dietary supplements or different disease states with their endogenous metabolism. Altered metabolism may affect the levels of active hormone concentrations and consequently drive the development or progression of various diseases, particularly hormone‐sensitive gynecological cancers. To the best of my knowledge, the present thesis therefore investigated for the first time the interactions of selected natural dietary supplements used for the treatment of menopausal disorders with the endogenous metabolism of estrogens in human estrogen receptor α‐negative (ERα‐) and ‐positive (ERα+) breast cancer cells, using a newly established and validated liquid chromatography high‐resolution mass spectrometry method. Due to the high sensitivity and selectivity of this assay, even small changes in the metabolism of the ten major human estrogen precursors, active estrogens and their respective conjugated biotransformation products could be detected simultaneously. Incubation of cells with the soy isoflavones genistein and daidzein or resveratrol, a polyphenol found in grapes, revealed a strong inhibition of steroid glucuronidation and sulfation at low micromolar or even submicromolar concentrations, with a concomitant increase in the levels of unconjugated steroid hormones, especially the most potent estrogen 17β‐estradiol (E2). This increase of E2 levels caused a stimulation of ERα+ breast cancer cell proliferation in vitro, highlighting the need for further human investigations to assess the safety of botanical applications in patients with breast cancer. By contrast, treatment of the same breast cancer cells with black cohosh extract and its major constituent actein, another plant‐derived supplement for menopausal disorders, revealed no changes in the conjugation of estrogens, which is in line with the observed lack of additional cancer cell proliferation. Indeed, a minor inhibition of ERα‐ and ERα+ breast cancer cell growth was found, thereby suggesting that the use of black cohosh supplements by women diagnosed with breast cancer appears to be safe. However, a selective inhibition of dehydroepiandrosterone sulfation via the sulfotransferase 2A1 was identified, which led to a strongly induced formation of the unconjugated androgens 4‐androstene‐3,17‐dione and testosterone, possibly explaining the clinically proven effect of black cohosh against climacteric vasomotor symptoms, especially hot flashes. The last part of this thesis further demonstrated that targeted estrogen metabolomics can also be used as a marker to determine cancer resistance against platinum‐based drugs, which is a major obstacle in the treatment of ovarian cancer. Using two carboplatin‐sensitive and four carboplatin‐resistant high‐grade serous ovarian cancer cell lines, a significant inhibition of steroid metabolism was observed in carboplatin‐resistant cells, which was reversible by treatment with the monoclonal anti‐interleukin‐6‐receptor antibody tocilizumab. Future studies monitoring the levels of conjugated and unconjugated steroids in the absence and presence of dietary supplements or in different disease states are highly warranted to further prove the importance of steroid metabolomics in patients.

Keywords (eng)

metabolomicssteroidsestrogensbreast cancerhigh-grade serous ovarian cancerLC-HRMS

Keywords (deu)

MetabolismusSteroideÖstrogeneBrustkrebsOvarialkarzinomLC-HRMS

Subject (deu)

Massenspektrometrie

Subject (deu)

Chromatographische Analyse, Elektrophorese

Subject (deu)

Enzyme, Hormone, Vitamine

Subject (deu)

Pharmazie, Pharmazeutika