Cell Adhesion-Mediated Radioresistance (CAM-RR) Extracellular Matrix-Dependent Improvement of Cell Survival in Human Tumor and Normal Cells in Vitro

Background:

Cell-extracellular matrix (ECM) contact is thought to have great impact on cellular mechanisms resulting in increased cell survival upon exposure to ionizing radiation. Several human tumor cell lines and normal human fibroblastic cell strains of different origin, all of them expressing the wide-spread and important integrin subunit β1, were irradiated, and clonogenic cell survival, β1-integrin cell surface expression, and adhesive functionality were investigated.

Material and Methods: Human tumor cell lines A172 (glioblastoma), PATU8902 (pancreas carcinoma), SKMES1 (lung carcinoma), A549 (lung carcinoma), and IPC298 (melanoma) as well as normal human skin (HSF1) and lung fibroblasts (CCD32) and human keratinocytes (HaCaT) were irradiated with 0–8 Gy. Besides colony formation assays, β1-integrin cell surface expression by flow cytometry and adhesive functionality by adhesion assays were analyzed.

Results: All cell lines showed improved clonogenic survival after irradiation in the presence of fibronectin as compared to plastic. Irradiated cells exhibited a significant, dose-dependent increase in β1-integrin cell surface expression following irradiation. As a parameter of the adhesive functionality of the β1-integrin, a radiation-dependent elevation of cell adhesion to fibronectin in comparison with adhesion to plastic was demonstrated.

Conclusion: The in vitro cellular radiosensitivity is highly influenced by fibronectin according to the phenomenon of cell adhesion-mediated radioresistance. Additionally, our emerging data question the results of former and current in vitro cytotoxicity studies performed in the absence of an ECM. These findings might also be important for the understanding of malignant transformation, anchorage-independent cell growth, optimization of radiotherapeutic regimes and the prevention of normal tissue side effects on the basis of experimental radiobiological data.

Hintergrund:

Es wird angenommen, dass Zellkontakt zu einer extrazellulären Matrix zelluläre Mechanismen stark beeinflusst, die u.a. zu einem verbesserten Zellüberleben nach Bestrahlung führen können. Humane Tumorzelllinien und Fibroblastenzellstämme, von denen alle die weit verbreitete und wichtige Integrin-Untereinheit β1 exprimieren, wurden bestrahlt und das klonogene Überleben, die β1-Integrin-Oberflächenexpression und die adhäsive Funktion des Rezeptors untersucht.

Material und Methodik: Die humanen Tumorzelllinien A172 (Glioblastom), PATU8902 (Pankreaskarzinom), SKMES1 (Bronchialkarzinom), A549 (Bronchialkarzinom) und IPC298 (Melanom) sowie die normalen Haut- (HSF1) und Lungenfibroblasten (CCD32) sowie humane Keratinozyten (HaCaT) wurden mit 0–8 Gy bestrahlt. Neben Koloniebildungsassays wurden die β1-Integrin-Oberflächenexpression mittels Flusszytometrie und die Rezeptorfunktionalität in Adhäsionsassays analysiert.

Ergebnisse: Fibronektin führte im Vergleich zu Plastik in allen getesteten Zellen zu einem gesteigerten Überleben nach Bestrahlung. In bestrahlten Zellen konnte ein signifikanter und dosisabhängiger Anstieg der β1-Integrin-Oberflächenexpression beobachtet werden. Im Adhäsionstest zeigte sich parallel dazu eine bestrahlungsbedingte Zunahme der Zelladhäsion an Fibronektin.

Schlussfolgerung: Die zelluläre Radiosensibilität in vitro wird stark durch Fibronektin im Sinne einer zelladhäsionsbedingten Radioresistenz beeinflusst. Des Weiteren stellen unsere Daten früher und heute in Abwesenheit einer extrazellulären Matrix durchgeführte In-vitro-Zytotoxizitätsstudien in Frage. Die hier gewonnenen Erkenntnisse könnten darüber hinaus für das Verständnis der malignen Transformation, des adhäsionsunabhängigen Zellwachstums, der Optimierung radiotherapeutischer Konzepte und der Prävention von Normalgewebsreaktionen auf der Basis experimenteller radiobiologischer Daten von Interesse sein.