Strahlentherapie und Onkologie Original Article Combined Effect of Tumor Necrosis Factor-alpha and Ionizing Radiation on the Induction of Apoptosis in 5637 Bladder Carcinoma Cells Sammy A. Baierlein, Luitpold Distel, Renate Sieber, Christian Weiss, Claus Rödel, Rolf Sauer, Franz Rödel 1 Background and Purpose: Apoptosis can be induced by distinct but overlapping pathways. Ionizing radiation induces apoptosis by an “intrinsic”, mitochondria-dependent pathway. Ligation of tumor necrosis factor-(TNF-)α, FAS (CD95) or TRAIL receptors are typical representatives of an extrinsic, death-receptor-mediated pathway. In this study the effect of irradiation, treatment with the cytokine TNF-α, or a combination of both on the induction of apoptosis and clonogenic survival of bladder carcinoma cells was investigated. Material and Methods: 5637 bladder carcinoma cells were treated with different concentrations of recombinant TNF-α (0–10 ng/ml), irradiated with single doses ranging from 0.5 to 10 Gy, or a combination of both modalities. Apoptotic cells were quantified by the TUNEL assay up to 96 h following treatment, clonogenic cell survival by a clonogenic assay. Synergistic effects of both modalities were evaluated using isobolographic analysis. Results: Irradiation of 5637 carcinoma cells resulted in a discontinuous dose dependence of the apoptotic fraction with a pro- nounced increase in the range of 0–2 Gy and a slighter increase at 2–10 Gy. The percentage of apoptotic carcinoma cells also increased continuously after treatment with lower concentrations of TNF-α reaching a plateau at concentrations of 5.0–10.0 ng/ml. Isobolographic analysis revealed a supraadditive interrelationship between irradiation and TNF-α in the range between 0.005 and 0.5 ng/ml, and an additive effect for TNF-α concentrations > 0.5 ng/ml. The additive effects were confirmed in clonogenic sur- vival assays with reduced survival fractions following combined TNF-α administration and irradiation. Conclusion: The combination of two apoptosis-inducing modalities resulted in a synergistic effect on the induction of apoptosis in 5637 bladder carcinoma cells. Although a radiosensitizing effect still has to be proven in animal models, combined-modality treatment may increase the therapeutic effectiveness of irradiation in bladder cancer. Key Words: Apoptosis · TNF-α · Irradiation · Isobologram analysis · Urinary bladder carcinoma cells Strahlenther Onkol 2006;182:467–72 DOI 10.1007/s00066-006-1475-2 Synergistischer Effekt von Tumor-Nekrose-Faktor alpha und ionisierender Strahlung auf die Apoptoseinduktion in 5637-Blasenkarzinomzellen Hintergrund und Ziel: Apoptose kann durch unterschiedliche, teilweise überlappende Reaktionswege induziert werden. Während ionisierende Strahlung Apoptose über eine intrinsische, mitochondrienabhängige Reaktionskaskade vermittelt, stellen die Akti- vierung von Tumor-Nekrose-Faktor-(TNF-)α, FAS-(CD95-) oder TRAIL-Rezeptoren typische Beispiele der extrinsischen, „Todesre- zeptor“-vermittelten Induktionskaskade dar. In dieser Studie wurde der Effekt einer Bestrahlung, der Gabe des Zytokins TNF-α oder einer kombinierten Therapie auf die Apoptoserate bzw. das klonogene Überleben einer Blasenkarzinomzelllinie untersucht. Material und Methodik: 5637-Blasenkarzinomzellen wurden mit unterschiedlichen Konzentrationen von rekombinantem TNF-α (0–10 ng/ml), Bestrahlung mit Dosen von 0,5–10 Gy oder der Kombination aus beiden Modalitäten behandelt. Die Apoptoserate wurde mit dem TUNEL-Assay bis 96 h nach Behandlung bestimmt, das klonogene Überleben in einem Koloniebildungstest. Syner- gistische Effekte beider Behandlungsmodalitäten wurden in einer isobolographischen Analyse ermittelt. Ergebnisse: Die alleinige Bestrahlung der 5637-Karzinomzellen wies eine diskontinuierliche Dosisabhängigkeit der Apoptosein- duktion mit einem steileren Anstieg im Dosisbereich von 0–2 Gy und einer geringeren Steigerung im Bereich von 2–10 Gy auf. Der Anteil apoptotischer Karzinomzellen stieg nach Behandlung mit geringeren Dosen von TNF-α kontinuierlich an und erreichte ein Plateau bei Konzentrationen von 5,0–10,0 ng/ml. Die isobolographische Analyse zeigte für die Kombination von Bestrahlung und TNF-α im Konzentrationsbereich von 0,005–0,5 ng/ml einen supraadditiven Effekt und einen additiven für TNF-α-Konzentratio- Received: June 21, 2005; accepted: May 10, 2006 1 Department of Radiation Oncology, Friedrich Alexander University, Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Germany. 467 Strahlenther Onkol 2006 · No. 8 © Urban & Vogel