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Einleitung: Warburg beschrieb vor 100 Jahren die aerobe Glykolyse als speziell bevorzugten Stoffwechselweg von Tumorzellen, charkaterisiert durch eine starke Laktatbildung. Diese Theorie wurde in der Literatur als sogenannter Warburg-Effekt bekannt. Warburg erachtete veränderte Mitochondrien als Ursprung für Meta- und somit von Neoplasien. Im Rahmen molekulargenetischer Analysen von Neoplasien erfuhr der Warburg-Effekt eine wissenschaftliche Renaissance. Ziel der Arbeit war die Analyse mitochondrialer Parameter an unterschiedlichen Tumor- und Kontrollzelllinien mit dem Ziel, funktionelle Unterschiede in den Mitochondrien maligner und nicht-maligner Zellen als Grundlage für neue Therapiestrategien nachzuweisen.

Material und Methoden: Nach Kultivierung dreier Tumorzelllinien (SiHa, WiDr, 23132/87) und J774- bzw. Fibroblasten als Kontrollgruppe wurden Glukoseverbrauch, Laktatproduktion und Sauerstoffverbrauch gemessen. Parallel erfolgte Mitochondrienisolation und deren Analyse hinsichtlich Vitalität (Ca²⁺-induzierter Schwellung[CHO1] ), Atmungskettenfunktion (Clark-Elektrode), Membranintegrität (differenzielle Citratsynthaseaktivität[CHO2] ) und mitochondriales Membranpotential (JC1-markierte FACS-Analyse) vor und nach Entkopplung.

Ergebnisse: Im Vergleich zu den Kontrollzellen verbrauchten die Tumorzellen signifikant mehr Glukose (p<0,05) und produzierten mehr Laktat (p<0,05). Verglichen mit der Kontrolle nutzen Tumorzellen zu 80-85 % mitochondriale Atmung für den Sauerstoffstoffwechsel und nur geringfügig an der Zelloberfläche (p<0,05). Die Kontrollgruppe verbraucht dagegen zusätzlich Sauerstoff an der Zelloberfläche (23% der Atmung). Mitochondrien von Tumorzellen zeigten eine erhöhte Aktivität der Atmungskette, messbar am gesteigerten Sauerstoffverbrauch. Selektive Inhibition einzelner Komplexe der Atmungskette und der ATPase ermöglichte die Bestimmung der Funktion der einzelnen Komplexe und damit den Elektronentransport durch Messung des Sauerstoffverbrauchs. Die Aktivität der Atmungskette von Mitochondrien der Tumor- und Kontrollzellen unterschieden sich in den Komplexen I, III und IV (p < 0,0001) sowie in der Aktivität der ATPase (p < 0,05). Die gesteigerte Aktivität der Atmungskette ging mit einem gesteigerten Membranpotential einher. Bei diesem hyperaktiven mitochondrialen Stoffwechsel weist die tumoröse ATP-Synthase eine geringere Anfälligkeit gegenüber Entkoppler-induzierter Depolarisation auf (p<0.01). Tumorzellmitochondrien insgesamt zeigten signifikant geringere Schwellung auf externe Apoptoseinduktion (p<0,05). Hinsichtlich der Membranintegrität gab es keine signifikanten Unterschiede.

Schlussfolgerung: Die Messungen zur Bildung von Laktat belegen den für Tumorzellen typischen glykolytischen Phänotyp. Eine Schädigung der mitochondrialen Atmungskette im Sinne der Warburg-Theorie wurde bei den untersuchen Tumorzelllinien nicht gefunden. Im Gegenteil, die Funktion der Atmungskette von Tumorzellmitochondrien war vergleichsweise gesteigert. Als Ursache hierfür wurde eine Steigerung des Membranpotentials gemessen. Es wird vermuten, dass diese Beobachtung auf eine Inhibition der „mitochondrial permeability transition pore“ hindeutet. Da über diese Pore neben Kalzium auch andere Moleküle transportiert werden, scheinen Tumorzellen mit einer gesteigerten Funktion der Atmungskette auch resistenter gegenüber apoptoseinduzierende Pharmaka zu sein. Sollte sich dies bestätigen, wären Mitochondrien ein attraktives Target für neuartige anti-maligne Strategien, z.B. zur Optimierung von Chemotherapien.