The molecular basis of prostate cancer cell escape from protoporphyrin IX-based photodynamic therapy

IntroductionPhotodynamic therapy (PDT) uses the combination of a photosensitizing drug and light to cause selective damage to solid tumors. For early or localized disease, PDT can be a curative therapy with many advantages over available alternatives. For more advanced or disseminated disease, curative therapy is usually not possible with current technologies of light application, nevertheless it can improve quality of life and lengthen survival. More recently, there has been increasing evidence that PDT can also induce systemic anti-tumor immunity, indicating that PDT can become a rational therapeutic option, even if not all tumor cells are primarily eliminated by PDT. One prerequisite to minimize tumor relapse in these settings is to elucidate how tumor cells can cope with the PDT-induced damage.Material and methodsHere we have characterized the rescue response of human PC-3 prostate cancer cells exposed in vitro to sublethal PDT after 5-aminolevulinic acid-induced protoporphyrin IX sensitization at the transcriptome level using Affymetrix HG U133 Plus 2.0 oligonucleotide microarrays. Cells were irradiated with laser light at a wavelength of 635 nm adjusted to an irradiance of 100 mW/cm2 with irradiations of 1.5 and 3 J/cm2.ResultsThe early response was characterized by the up-regulation of early response genes like FOS, JUN, EGR1, ATF3, DUSP, heat shock protein genes as well as histone genes, therefore resembling the early response of tumor cells to high dose PDT but without signs of irreversible cell damage. Twenty-four hours after PDT the cells still express high level of early response genes but 235 additional probe sets/genes were now significantly up-regulated (≥3x) that were not up-regulated 4 h after PDT. The most prominently up-regulated genes belong to gene families encoding the aldo-keto reductases, fibroblast growth factors, and HSP40-related proteins. In terms of a possible anti-tumor immune response it is noteworthy that also a multitude of chemokine and interleukin genes were up-regulated by the tumor cells upon PDT. Most of them are involved in granulocyte attraction and activation and some are also important for angiogenesis.ConclusionIn conclusion, the global molecular characterization of the rescue response to PDT of tumor cells indicates that PDT rather favors an anti-tumor immune response than tumor immune escape reactions. Therefore, combining PDT and immunotherapy seem to be an attractive direction for the establishment of novel multimodal tumor therapies.

ZusammenfassungEinleitungBei der photodynamischen Therapie (PDT) von soliden Tumoren wird eine Kombination aus einer photosensibilisierenden Substanz und Licht benutzt, um eine selektive Zerstürung der Tumorzellen zu erzielen. Für Tumore im Frühstadium oder lokalisierte Tumorerkrankungen, kann die PDT eine kurative Therapie darstellen, die viele Vorteile gegenüber bestehenden Behandlungsmethoden hat. Bei fortgeschrittenen oder disseminierten Erkrankungen ist eine kurative Therapie in der Regel nicht müglich, es kann aber durchaus eine Verbesserung der Lebensqualität bzw. eine Lebensverlängerung erreicht werden. In jüngster Zeit häufen sich Hinweise, dass durch PDT auch systemische Tumorimmunität induziert werden kann. Deshalb kann PDT durchaus eine sinnvolle Therapieoption darstellen, auch wenn es zunächst nicht gelingt, die Tumorzellen vollständig zu eliminieren. Um bei einem solchen Vorgehen die Gefahr einer Rezidivbildung zu minimieren, sollte bekannt sein, wie Tumorzellen mit einer durch PDT verursachten Schädigung umgehen.Material und MethodenWir haben die Antwort von humanen PC-3 Prostatakarzinomzellen auf eine sublethale Bestrahlung nach 5-Aminolävulinsäure-induzierter Sensibilisierung mittels Protoporphyrin-IX auf Transkriptionsebene mit Affymetrix HG U133 Plus 2.0 Oligonukleotid-Mikroarrays charakterisiert. Die Zellen wurden mit Laserlicht einer Wellenlänge von 635 nm und einer Bestrahlungsstärke von 100 mW/cm2 und einer Lichtdosis von 1,5 bzw. 3 J/cm2 bestrahlt.ErgebnisseDie frühe Antwort 4 h nach PDT war durch die Hochregulation von early response-Genen wie FOS, JUN, EGR1, ATF3, DUSP, sowie Hitzeschock- und Histongenen bestimmt, wie dies in ähnlicher Weise auch für die Hochdosis-PDT bekannt ist. Allerdings blieben dabei irreversible Zellschäden aus. 24 Stunden nach der PDT exprimierten die Zellen immer noch große Mengen der early response-Gene, aber zusätzlich waren 235 weitere probe sets-Gene signifikant hochreguliert (≥3x). Die am stärksten hochregulierten Gene gehürten zu Genfamilien, die für Aldo-keto-Reduktasen, Fibroblasten-Wachstumsfaktoren und HSP40-verwandte Proteine kodieren. Im Hinblick auf eine mügliche Anti-Tumorimmunreaktion ist es bemerkenswert, dass die Expression einer Vielzahl von Chemokin- und Zytokingenen durch PDT gesteigert wurde, die meisten davon spielen eine Rolle bei der Granulozyten-Rekrutierung und -Aktivierung und einige sind für die Angiogenese wichtig.SchlussfolgerungZusammenfassend kann man sagen, dass die umfassende molekulare Charakterisierung der Tumorzellreaktion auf PDT andeutet, dass PDT eher eine Anti-Tumorimmunantwort als Tumor-Escape-Mechanismen unterstützt. Deshalb künnte die Kombination von PDT und Immuntherapie eine vielversprechende multimodale Tumortherapie werden.