Hintergrund: Der PI3K/Akt/mTOR Signalweg ist, neben anderen Zellfunktionen, in die Regelung des Zellzyklus, Zellwachstum und Apoptose involviert und in Kolorektal-Karzinomen häufig mutiert. Mutationen in diesem Signalweg resultieren in unkontrolliertem Zellwachstum, Zellteilung sowie der Hemmung von Apoptose. In der Therapie von Tumoren zeigt die zielgerichtete Hemmung zentraler Komponenten dieses Signalwegs vielversprechende Ansätze. Welche Auswirkung die Inhibition dieser Komponenten jedoch auf Signalwege in dreidimensionaler Zellkultur, welche die in vivo Situation besser darstellt, hat ist bis jetzt noch wenig erforscht.

Methoden: In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Inhibitoren MK-2206 (Akt), Rapamycin, Torin1 und PF-4708671 Einzeln und in Kombination, auf den Zellzyklus, das Zellwachstum und Apoptose untersucht. Dafür wurde das veränderte Wachstum, die Verteilung der Zellzyklusphasen und die Menge an apoptotischen Zellen in Multizellulären Tumor Sphäroiden, nach Behandlung mit den oben genannten Inhibitoren, gemessen. Um die Wichtigkeit der MCTS Methode zu unterstreichen wurden die Experimente, die Apoptose und die Zellzyklusverteilung betreffend, zeitgleich auch in der konventionellen Kultivierungsmethode durchgeführt.

Ergebnisse: Die sechs verwendeten Zelllinien CaCo2, HT29, HCT116, DLD-1, LS174T und SW620, kultiviert als MCTS, zeigten unterschiedliche Reaktionen auf die Behandlung mit einzelnen Inhibitoren und Inhibitor-Kombinationen. Weiters konnten signifikante Unterschiede der Inhibitor-Auswirkung auf den Zellzyklus, zwischen 2D- und 3D-Kulturen festgestellt werden, wohingegen die Inhibitoren nur geringe Auswirkungen auf Apoptose zeigten.

Schlussfolgerung: Diese Studie untermauert die Wichtigkeit der MCTS-Methode in der Biomedizinischen Forschung vor allem dadurch, dass unterschiedliche Reaktionen auf die Inhibitoren des PI3K/Akt/mTOR Signalwegs im Gegensatz zu konventionellen Zellkulturmethode festgestellt werden konnten. Sie leistete einen Beitrag um das veränderte PI3K/Akt/mTOR signaling in 3D Kulturen zu verstehen und könnte helfen neue effiziente Inhibitorkombinationen zur Behandlung von Darmkrebs zu finden. Es bleibt zu testen ob die unterschiedlichen Reaktionen Anzeichen für verändertes signaling aufgrund von unterschiedlichen Mutationen sind. Die abnehmende Wirkung der Inhibitoren, in 3D Zellkulturen, ist möglicherweise auf eine erhöhte Medikamenten-Resistenz durch Zell-Zell-Kontakte zurück zu führen.

Background: PI3K/Akt/mTOR signaling influences the regulation of cell growth, cell cycle progression, and apoptosis and is frequently mutated in colorectal cancers (CRC). The deregulation of components included in this signaling pathway results in uncontrolled growth and cell cycle progression as well as inhibition of apoptosis. The approach to inhibit core components of the PI3K/Akt/mTOR pathway is promising in cancer therapy, but its impact on cell signaling in general and tumor stroma interaction is not understood in great detail in three dimensional (3D) experimental setups, which closer resemble the in vivo situation.

Methods: To understand the impact of targeted inhibition with the inhibitors MK-2206 (Akt inhibitor), Rapamycin and Torin1 (mTOR inhibitor), as well as PF-4708671 (S6K inhibitor) on the abovementioned cellular functions in 3D multicellular tumor spheroids (MCTS), we measured growth inhibition, survival, and cell cycle distributions in the six colon-adenocarcinoma cell lines, CaCo2, HT29, HCT116, DLD-1, LS174T, and SW620 upon treatment. To underline the importance of the MCTS model the apoptosis and proliferation assays were performed on conventional 2D cultures and 3D cell cultures.

Results: The cell lines, cultured as MCTS, showed different responses when treated with the different single inhibitors individually and in combination ranging from drastic growth inhibitory effects to complete resistance. Additionally, in cell proliferation assays significant differences were detectable between 2D and 3D cultures, whereas apoptosis rates displayed only minor changes.

Conclusion: We confirmed the importance of the MCTS model in biomedical research, due to diverse responses upon inhibitor treatment compared to conventional cell cultures. This study contributed to better understand PI3K/Akt/mTOR signaling in 3D and might help to elucidate novel efficient drug combinations for colon cancer treatment. It remains to be tested whether the different responses of the cell lines indicate aberrant signaling owing to different mutational states. The decrease in drug response against pathway inhibitors in 3D cultures may be due to increased resistance to anti-cancer drugs induced by cell-cell contact.