04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Development of novel bispecific antibodies for cancer therapy targeting the receptor tyrosine kinases HER4 and EGFR(2024) Kühl, Lennart; Kontermann, Roland E. (Prof. Dr.)In this study, novel mono- and bispecific antibodies targeting the ErbB receptor family members EGFR and HER4 were investigated. Dual targeting of EGFR and HER4 by a bispecific, tetravalent antibody comprising a novel, antagonistic HER4-targeting antibody showed inhibition of proliferation and migration for a HB-EGF-stimulated ovarian cancer cell line. No inhibitory effects in a breast cancer cell line expressing EGFR and HER4 indicated that successful dual targeting does not solely rely on target expression. The complexity of HER4 with its isoforms and their different signaling properties makes HER4 a challenging cancer target that needs further in-depth research. To overcome resistances based on escape mutations located in the epitopes of clinically approved antibodies, novel antagonistic EGFR-targeting antibodies binding to a different epitope were developed. This epitope was mapped to domain III of EGFR and binding to clinically relevant EGFR ectodomain mutations resulted in inhibition of EGFR signaling in stable cell lines used as test systems. Favorable activities in comparison to clinically approved antibodies regarding inhibition of EGFR signaling and proliferation were observed for cancer cell lines expressing the EGFR wildtype. Bispecific T-cell engagers can lead to a T-cell mediated target cell killing independent of intracellular downstream signaling in the cancer cell. One challenge for the applicability of T-cell engagers in solid tumors is to keep the balance between T-cell mediated tumor cell killing and severe side-effects caused by a systemic activation of the immune system. Studies on eleven different eIg-based formats for EGFR-binding T-cell engagers showed that valency, geometry, and size influenced their activity profile. Furthermore, one bivalent and one trivalent, bispecific format were investigated for two novel EGFR-targeting moieties. As these molecules bind to clinically relevant escape mutations located in the ectodomain of EGFR, they are expected to show activity in patients with an acquired resistance to approved EGFR-targeting antibodies. These molecules led to a robust T-cell mediated cytotoxicity of cancer cells expressing EGFR. Additionally, benefits regarding an EGFR-level dependent cytotoxicity were observed for reduced binding to EGFR. An initial in vivo study using surrogate molecules in a syngeneic mouse model showed reduction of tumor growth and prolonged survival for treatment with a trivalent, bispecific T-cell engager comprising a novel EGFR-binding moiety. Taken together, beneficial effects of the novel molecules may contribute to improved therapies for patients with both pre-existing and acquired resistances to EGFR-targeting antibodies.Item Open Access Strukturelle und funktionelle Charakterisierung von RERE, einem Gen mit möglicher Relevanz bei der Tumorentstehung(2001) Wärner, Thomas Michael; Pfizenmaier, Klaus (Prof.)RERE (RE repeats encoded) ist ein kürzlich beschriebenes Gen welches in der distalen Region von Chromosom 1p lokalisiert ist. Für diese genomische Region wurde durch molekularbiologische und zytogenetische Studien eine konsistente strukturelle Veränderung in verschiedenen menschlichen Tumoren nachgewiesen. Die Neuroblastom Zelllinie NGP enthält eine reziproke chromosomale Translokation/Duplikation in dieser genomischen Region. Die genomische Sequenz von RERE wurde als die den Bruchpunkt überlagernde Sequenz in der Zelllinie NGP nachgewiesen. In dieser Arbeit wurde die genomische Struktur von RERE beschrieben und die cDNA einer neuen RERE Splicevariante isoliert. In allen untersuchten humanen Geweben wurden mittels Northern blotting zwei dominante RERE-Transkripte nachgewiesen und diese als mögliche Splice Varianten identifiziert. Darüber hinaus wurde in allen untersuchten Tumorzelllinien mittels Western blotting zwei dominante Proteinbanden mit einem RERE Immunserum nachgewiesen. In 2 von 18 untersuchten Tumorzelllinien wurde zusätzlich jeweils eine kleinere dominante Proteinbande detektiert. Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, daß überexprimiertes RERE in PML Oncogenic Domains (PODs) lokalisiert ist und mit den pro-apoptotischen Proteinen PML, BAX und mit Mitochondrien kolokalisiert. Bei RERE transfizierten Zellen wurde durch unterschiedliche Methoden Apoptose nachgewiesen. Durch die Untersuchung verschiedener RERE Proteinfragmente (gesamtes RERE und N- oder C-terminale Deletionsmutanten von RERE) konnte die Region beschrieben werden, die eine Kolokalisierung von RERE und PODs unterstützt und nachdem sie in verschiedene Zelllinien transfiziert wurde, mit dem Nachweis von Apoptose korreliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben einen ersten Hinweis auf die Funktion von RERE. RERE könnte eine Verbindung zwischen PODs und der Kontrolle von Apoptose darstellen und somit eine wichtige Rolle bei der Tumorentstehung spielen.Item Open Access Transcriptional CDK inhibitors CYC065 and THZ1 induce apoptosis in glioma stem cells derived from recurrent GBM(2021) Juric, Viktorija; Düssmann, Heiko; Lamfers, Martine L. M.; Prehn, Jochen H. M.; Rehm, Markus; Murphy, Brona M.Glioma stem cells (GSCs) are tumour initiating cells which contribute to treatment resistance, temozolomide (TMZ) chemotherapy and radiotherapy, in glioblastoma (GBM), the most aggressive adult brain tumour. A major contributor to the uncontrolled tumour cell proliferation in GBM is the hyper activation of cyclin-dependent kinases (CDKs). Due to resistance to standard of care, GBMs relapse in almost all patients. Targeting GSCs using transcriptional CDK inhibitors, CYC065 and THZ1 is a potential novel treatment to prevent relapse of the tumour. TCGA-GBM data analysis has shown that the GSC markers, CD133 and CD44 were significantly upregulated in GBM patient tumours compared to non-tumour tissue. CD133 and CD44 stem cell markers were also expressed in gliomaspheres derived from recurrent GBM tumours. Light Sheet Florescence Microscopy (LSFM) further revealed heterogeneous expression of these GSC markers in gliomaspheres. Gliomaspheres from recurrent tumours were highly sensitive to transcriptional CDK inhibitors, CYC065 and THZ1 and underwent apoptosis while being resistant to TMZ. Apoptotic cell death in GSC subpopulations and non-stem tumour cells resulted in sphere disruption. Collectively, our study highlights the potential of these novel CKIs to induce cell death in GSCs from recurrent tumours, warranting further clinical investigation.Item Open Access Overcoming glioblastoma intractability : pre-clinical characterisation of TRAIL sensitisation by marizomib and novel treatment perspectives(2022) Boccellato, Chiara; Morrison, Markus (Prof. Dr.)Glioblastoma (GBM) is the most aggressive cancer of the central nervous system (CNS). Surgical resection, adjuvant temozolomide-based chemotherapy and radiation are the primary treatments, yet the outcome of GBM patients remains poor with a median life expectancy of 15 to 17 months. Therefore, novel and effective treatment options are required, as are reliable pre-clinical experimental models that are suitable for exploratory studies on novel drugs and drug combinations. In this work, patient-derived cell line models (PDCL), generated from fresh primary or recurrent glioblastoma tumours, have been examined to assess prevalence of responsiveness to a highly stable hexavalent format of TRAIL receptor agonist (IZI1551) and to the blood brain barrier (BBB)-permeant proteasome inhibitor marizomib (MRZ). Serum-free medium and limited cultivation times of both 2D and 3D cancer cell cultures were adopted to maintain the characteristics of primary tumour cells. The degree of BBB permeability of marizomib was evaluated in the human hCMEC/D3 cell line model, which was also employed to test the efficacy of the IZI1551+MRZ combination in pre-clinical settings. It was found that IZI1551 and marizomib acted synergistically to induce apoptosis in the majority of low-passage PDCLs, both under 2D and 3D cultivation conditions. Altering the relative timing of drug exposure, specifically marizomib pre-treatment, led to even enhanced responses and allowed to lower drug concentrations without losing treatment efficacy. Importantly, the amount of marizomib that can cross the simple BBB model was sufficient to confer sensitisation to IZI1551. In cases of treatment resistance against IZI1551 and marizomib, lowering the mitochondrial apoptosis threshold with BH3 mimetics appeared sufficient to restore apoptosis sensitivity. Taken together, these results demonstrated that marizomib is a potent sensitiser of apoptosis induced by a 2nd generation TRAIL receptor agonist in glioblastoma. The optimized synergism between marizomib and IZI1551 in time-shifted treatment schedules, together with the ability of marizomib to cross the BBB, suggests this combination as a promising strategy to be tested in clinical settings. In the second part of this work, an alternative cell death pathway, namely ferroptosis, has been investigated as a strategy to bypass the obstacle of the apoptosis refractory state of highly resistant cancers such as glioblastoma. Ferroptosis is a recently identified form of iron-dependent regulated cell death that presents distinct features compared to apoptosis and that is characterised by the accumulation of toxic lipid peroxides. Here it was shown that the U-87 MG, a bona-fide glioblastoma cell line that was reported to be TRAIL resistant, displays a dose-dependent cell death response to the ferroptosis inducer RSL3. Surprisingly, it was found that BH3 mimetics antagonised this cytotoxicity. The unexpected consequences of combining these agents highlight the need to better understand the interactions between these drugs in order to advance their use as cancer therapeutics. Overall, this thesis presents diverse treatment options against glioblastoma that exploit either drugs classically inducing apoptosis or the alternative cell death modality of ferroptosis. Considering the limited availability of approved treatments, studies aiming at expanding the choice of glioblastoma therapeutics, such as those conducted in this work, are of particular importance and pave the way for their implementation at a clinical and pre-clinical level.Item Open Access Molekulare Mechanismen der Antiöstrogenwirkung beim Mammakarzinom(2002) Buck, Miriam; Pfizenmaier, Klaus (Prof. Dr.)Antiöstrogene haben sich als sehr effektiv in der Behandlung hormon-responsiver Mammakarzinome erwiesen. Im Verlauf der Therapie kommt es jedoch in der Regel zu einem Verlust der anithormonellen Wirkung. Die an der Entstehung der Antihormonresistenz beteiligten Mechanismen sind weitgehend ungeklärt. Ein entscheidender Schritt zur Aufklärung der antihormonellen Wirkung war die Beobachtung, dass die Behandlung hormonsensitiver Mammakarzinomzellen zu einer Aktivierung des inhibitorischen Wachstumsfaktors TGFb führt. Am Modell-System hormon-sensitiver MCF-7 Mammakarzinomzellen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Beteiligung des TGFb-Systems an der Wirkung des nicht-steroidalen, partiellen Antiöstrogens 4-Hydroxytamoxifen und des steroidalen, reinen Antiöstrogens ICI 182.780 untersucht. Die Ergebnisse sollen zum besseren Verständnis der Interaktionen zwischen Hormonen und Wachstumsfaktoren und den damit im Zusammenhang stehenden Mechanismen der Antiöstrogenresistenz beitragen. Im Mittelpunkt des ersten Teils der Arbeit stand die antiöstrogene Regulation des TGFb-Systems. Untersucht wurde die Expression der Liganden TGFb1 und TGFb2, der Rezeptoren TbRI und TbRII und von Smad7. Zur genauen Quantifizierung der mRNA-Expression dieser Gene wurden spezifische LightCycler RT-PCRs etabliert. Es konnte gezeigt werden, dass nicht nur TGFb2 sondern auch TbRII einer antihormonellen Regulation unterliegt. Die Stärke der Induktion beider Gene korrelierte mit der wachstumsinhibitorischen Wirkung der Antiöstrogene. Smad7 wurde nur schwach durch Antiöstrogen induziert, TGFb1 und TbRI gar nicht. Im zweiten Teil der Arbeit wurde versucht Aufschluss darüber zu erhalten, welche Zweige des komplexen TGFb Signaltransduktionssystems an der antiöstrogenen Wirkung beteiligt sind. Als Endpunkt wurde u.a. die Aktivierung TGFb-sensitiver Promotoren untersucht. Das Reporterplasmid p3TP-lux wurde durch Antiöstrogene ca. 2fach stärker aktiviert als durch TGFb. Über Koexpression dominant-negativer TGFb-Rezeptoren und dominant-negativer Smad4-Proteine konnte gezeigt werden, dass die anitöstrogene Aktivierung von p3TP-lux TGFb vermittelt ist und über den Smad-Signaltransduktionsweg verläuft. Obwohl das steroidale Antiöstrogen ICI 182.780 einen deutlich stärkeren Effekt auf das TGFb-System hat als das partielle Antiöstrogen 4-Hydroxytamoxifen, war die Aktivierung von p3TP-lux durch beide Antiöstrogene annähernd gleich stark. Für eine vollständige Aktivierung von p3TP-lux ist eine Kooperation zwischen einem TGFb aktivierten Smad-Komplex und c-Jun/c-fos notwendig. Die Induktion von c-fos wird jedoch durch steroidale Antiöstrogene blockiert und kommt daher als Ursache der geringen Induktion von p3TP-lux durch ICI 182.780 in Frage. Da TGFb seine Wirkung neben dem Smad-Signaltransduktionsweg auch über MAP-Kinase-Wege entfalten kann, wurde mit Hilfe spezifischer pharmakologischer Inhibitoren die Beteiligung des MEK/Erk- und des p38-MAP-Kinase-Weges an der antihormonellen Wachstumsinhibition untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der p38-Weg über die Induktion von TGFb2 und TbRII an der antihormonellen Wachstumsinhibition beteiligt ist. Zusammenfassend wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass Antiöstrogene verschiedene Gene des TGFb-Signaltransduktionssystems differenziell regulieren. Die Untersuchungen zur Beteiligung der TGFb-Signaltransduktionswege an der antihormonellen Wirkung weisen darauf hin, dass diese differenzielle Regulation, durch die spezifische Aktivierung einiger TGFb-Signaltransduktionswege (Smad, p38) und gleichzeitige Inhibition anderer (MEK/Erk) erreicht wird. Da die Signaltransduktionswege in unterschiedlichem Ausmaß zur Aktivierung der verschiedenen Promotoren beitragen, kommt es unter Antiöstrogeneinfluss zu einer Modifizierung des TGFb induzierten Genexpressionsmusters und der spezifisch antiöstrogenen Wirkung.Item Open Access Hemmung von Bcr/Abl durch Imatinib führt zu einer Cisplatin-Sensitivierung und zu einer modulierten p53-Funktion bei Bcr/Abl-positiven Zellen(2009) Skorta, Ioanna; Scheurich, Peter (Prof. Dr.)Für die Pathogenese der chronisch myeloischen Leukämie (CML) ist die onkogene Kinaseaktivität von Bcr/Abl essentiell. Aufgrund der Tatsache, dass Bcr/Abl selektiv in malignen Zellen exprimiert wird und diese onkogene Tyrosinkinase kausal für die CML ist, stellt dieses Fusionsprotein einen hervorragenden Angriffspunkt für eine zielgerichtete Behandlung der Krankheit dar. Seit der Einführung im Jahr 2001 hat sich der Bcr/Abl-Tyrosinkinase-Inhibitor Imatinib Mesylat (Glivec®; GleevecTM; STI571) zum Goldstandard in der Primärtherapie der CML etabliert. Obwohl bisher große therapeutische Erfolge mit Imatinib bei Patienten mit CML in chronischer Phase erzielt werden konnten, ist nach aktuellem Erkenntnisstand keine Eliminierung aller leukämischen Zellen durch eine Imatinib-Monotherapie in Patienten möglich. Die Entwicklung neuer Behandlungs-Strategien, die eine vollständige Heilung der CML erzielt, ist nach wie vor von großer Bedeutung. Erfolgversprechend könnte die Kombination aus Imatinib und anderen Medikamenten, wie zum Beispiel Chemotherapeutika, sein. In der vorliegenden Dissertation gelang erstmalig der Nachweis, dass eine Behandlung mit Imatinib zu einer Hypersensitivität gegenüber Cisplatin führt sowohl bei murinen Bcr/Abl positiven Zellen als auch in primären Philadelphia- positiven Progenitor-Zellen aus CML Patienten, die in diesem Ausmaß bisher nicht beschrieben wurde. Die Kombination aus Imatinib und Cisplatin führte bei Bcr/Abl-positiven Zellen zu einer extrem verstärken Induktion von Zelltod, während dieselbe Behandlung keine zusätzlichen Effekte bei Bcr/Abl-negativen Zellen hatte. Darüber hinaus konnte der durch eine Imatinib/Cisplatin- Behandlung vermittelte Viabilitätsverlust durch eine zusätzliche Inkubation mit dem Mdm2-Antagonisten Nutlin weiter verstärkt werden, sodass im Zellliniensystem ein fast 100 %-iger Zelltod und bei primären Zellen eine fast komplette Hemmung der Koloniebildung erreicht wurde. Interessanterweise ergab ein Vergleich der Cisplatin-Sensitivität der Bcr/Abl-positiven Zelllinie BaF3p185 in Anwesenheit von Imatinib mit der von anderen Tumorzelllinien, dass durch Imatinib in Bcr/Abl-positiven Zellen eine Sensitivität erreicht wurde, die vergleichbar mit der extrem sensitiven Hodenzelllinie N-TERA war. Zur Charakterisierung möglicher Ursachen dieser Hypersensitivität Imatinib- behandelter CML Zellen gegenüber Cisplatin, wurden zunächst mögliche Alterationen der Regulation des Zellzyklusarrests nach Cisplatin-Behandlung untersucht. Cisplatin induzierte sowohl bei Bcr/Abl-positiven als auch bei Bcr/Abl-negativen Zellen einen G2/M-Arrest. Durch die Behandlung mit Imatinib kam es zu einem Verlust des G2/M-Arrests und zu einer schnellen Induktion von Zelltod bei Bcr/Abl-positiven Zellen, während dieselbe Behandlung keinen Effekt auf den Cisplatin-induzierten G2/M-Arrest bei Bcr/Abl-negativen Zellen hatte. Darüber hinaus konnte mittels einer Analyse der einzelnen Zellgenerationen 24 h nach Cisplatin-Behandlung gezeigt werden, dass Bcr/Abl-positive Zellen bereits nach der ersten Zellteilung in der G2/MPhase arretierten und eine kleine Zellpopulation, vermutlich nach erfolgter Reparatur des DNASchadens, ohne signifikanten Verlust der mitochondrialen Integrität, eine dritte Zellteilung vollendet hatte. In Anwesenheit von Imatinib hingegen waren die Zellen nicht in der Lage in G2/M zu arretieren. Vielmehr kam es bereits nach der ersten Zellteilung zum Verlust der mitochondrialen Integrität infolge von Cisplatin. Es ist bekannt, dass es durch den Verlust des mitochondrialen Membranpotentials zur Freisetzung von Cytochrom C aus dem Mitochondrium und damit zu einem Caspase-abhängigen Todesmechanismus kommt. Interessanterweise verlief der Imatinib/Cisplatin-induzierte Zelltod bei Bcr/Abl-positiven Zellen unabhängig von Caspasen. Neben Cytochrom C wird auch AIF aus dem Mitochondrium freigesetzt, das in der Lage ist einen Caspase-unabhängigen Todesmechanismus zu induzieren. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass es in Bcr/Abl-positiven Zellen infolge einer Behandlung mit Imatinib und Cisplatin zu einer AIFTranslokation in den Zellkern und somit zur Induktion von Zelltod kam. Als mögliche Ursache für den Verlust des G2/M-Arrests konnte eine verminderte ATMAktivierung infolge einer Imatinib/Cisplatin-Behandlung selektiv bei Bcr/Abl-positiven Zellen identifiziert werden. Die verminderte Aktivierung von ATM führte zu einer Reduktion der p53-Phosphorylierung an Serin 15 und zu einer leichten Reduktion der p53-Induktion nach Cisplatin-Behandlung. Die verminderte p53-Phosphorylierung an Serin 15 hatte Konsequenzen auf die durch zellulären Stress hervorgerufene p53-Antwort, wobei es zu einer verminderten transkriptionellen Aktivität von p53 kam. Dies konnte durch die reduzierte Expression der p53-Zielstukturen, Mdm2 und p21, sowohl auf RNA- als auch auf Proteinebene, gezeigt werden. Im Gegensatz zu Mdm2 und p21 waren die proapoptotischen p53-abhängigen Gene wie BAX, PUMA und NOXA bereits in Abwesenheit von zellulärem Stress hoch exprimiert und wurden durch eine Behandlung mit Cisplatin nicht weiter induziert. Auch eine zusätzliche Behandlung der Zellen mit Imatinib hatte keine Auswirkungen auf die Expression von BAX, PUMA und NOXA. Demnach hat p53 auch keine transaktivierende Wirkung auf diese proapoptotischen Gene in diesem Zellsystem nach einer Behandlung mit Cisplatin. Dies bedeutet, dass die Funktion von p53 als Transkriptionsfaktor durch eine Behandlung mit Imatinib in Bcr/Abl-positiven Zellen gestört war. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte dennoch gezeigt werden, dass p53 für den hypersensitiven Phänotyp, der bei Bcr/Abl-positiven Zellen durch eine Imatinib/Cisplatin-Behandlung induziert wird, eine entscheidende Rolle spielt. p53 hat neben seiner Funktion als Transkriptionsfaktor im Zellkern auch im Zytoplasma eine wichtige Zelltod-induzierende Funktion. Im Zytoplasma ist p53 in der Lage durch die Bindung an pro- und antiapoptotische Proteine, unabhängig von seiner transkriptionellen Aktivität, BAX zu aktivieren und somit Zelltod zu induzieren. Voraussetzung für die Ausübung dieser Funktion ist eine Lokalisation von p53 im Zytoplasma. In dieser Arbeit gelang der Nachweis, dass p53 nach einer Imatinib/Cisplatin-Behandlung Bcr/Abl-positiver Zellen größtenteils im Zytoplasma akkumuliert. Der p53-Export aus dem Zellkern wird vermittelt durch eine verminderte p53-Phosphorylierung am Serin-Rest an Stelle 15, durch eine niedrige Mdm2-Proteinmenge und durch die Aktivierung von FoxO3a. Alle drei Mechanismen konnten in dieser Arbeit nachgewiesen werden. Demnach wird die rasche Induktion von Zelltod durch zytoplasmatisches p53 vermittelt. Im Zytoplasma interagiert p53 mit dem antiapoptotischen Protein Bcl-xL, wodurch eine Aktivierung von BAX durch p53 und somit die Induktion von Zelltod verhindert wird. Es konnte gezeigt werden, dass es selektiv bei Bcr/Abl- positiven Zellen nach einer Behandlung mit Imatinib und Cisplatin zu einer signifikanten Reduktion der Bcl-xL-Expression kam. Diese verminderte Expression von Bcl-xL führte wahrscheinlich zu einem Ungleichgewicht zwischen Bcl-xL und p53 zugunsten von p53, sodass vermehrt “freies“ p53 im Zytoplasma vorlag, das dann in der Lage war, BAX zu aktivieren und einen mitochondrialen Zelltod zu induzieren. Die entscheidende Rolle der verminderten Bcl-xL Expression für den hypersensitiven Phänotyp konnte dadurch belegt werden, dass eine exogene Expression von Bcl-xL, die das Gleichgewicht mit p53 wiederherstellte, ausreichend war, um den Verlust der mitochondrialen Membranintegrität und die Translokation von AIF zu verhindern. Die Induktion von Zelltod bei Bcr/Abl- positiven Zellen nach einer Imatinib/Cisplatin-Behandlung konnte dadurch signifikant reduziert werden. Somit konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass für die Induktion einer Tumorselektiven Hypersensitivität gegenüber Cisplatin zwei Signalwege von entscheidender Bedeutung sind. Durch die Hemmung des ATM/p53-Signalwegs sind Bcr/Abl-positive Zellen nicht mehr in der Lage, in der G2/M-Phase zu arretieren. Darüber hinaus vermittelt eine Cisplatin-Behandlung in Anwesenheit von Imatinib die Akkumulation von p53 im Zytoplasma und eine gleichzeitige Reduktion der Bcl-xL-Expression, was zu einer massiven Induktion von Zelltod führt. Die Befunde dieser Arbeit könnten auch für andere maligne Erkrankungen bedeutend sein. Aufgrund der Tatsache, dass bei vielen Tumoren Signalwege der DNA-Schadensprozessierung per se dereguliert sind, könnte die pharmakologische Hemmung eines weiteren Wegs zu einer vergleichbaren Hypersensitivität führen, wie sie in vorliegender Dissertation nach Hemmung der ATM/p53-Achse und der Bcl-xL-Expression beobachtet wurde. Da bei normalen Zellen durch diesen pharmakologischen Eingriff lediglich ein Weg gehemmt würde, der andere jedoch weiterhin intakt wäre, wäre diese Hypersensitivität tumorselektiv.Item Open Access Molekulare Mechanismen der pro-apoptotischen Kooperation zwischen TNF-R1 und Nicht-Todesrezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie(2002) Fotin-Mleczek, Mariola; Scheurich, Peter (Prof. Dr.)Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die molekularen Mechanismen der apoptotischen Kooperation zwischen dem Todesrezeptor TNF-R1 und den Nicht-Todesrezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie, insbesondere dem TNF-R2, aufzuklären. Es wurde hier gezeigt, dass die Art der zellulären Antwort, die vom TNF-R1 ausgeht, stark von der Dauer der TNF-Stimulation abhängen kann. So reicht ein TNF-Puls aus um den Transkriptionsfaktor NF-kB zu aktivieren, ist aber nicht hinreichend, um die apoptotische Zellmaschinerie in Gang zu setzen. Die Ko- und Vorstimulation des TNF-R2 konnten die TNF-vermittelte Apoptose-Induktion erhöhen und beschleunigen. Die Verstärkung der Apoptose korrelierte dabei mit der Zeitkinetik der TNF-R2-induzierten TRAF2-Depletion. Eine TNF-R2-Stimulation von 6 Stunden führte zu einer fast vollständigen Depletion von TRAF2 aus dem Zytoplasma, verstärkte den TNF-R1-vermittelten Zelltod dramatisch und inhibierte gleichzeitig die TNF-R1-induzierte NF-kB-Aktivierung zu 90%. Wurden die beiden TNF-Rezeptoren gleichzeitig aktiviert, so konnte noch immer eine beträchtliche Verstärkung der TNF-R1-induzierter Apoptose beobachtet werden, während die TNF-R1-vermittelte NF-kB-Aktivierung unbeeinflusst blieb. Mit Hilfe von der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass die Stimulation der Nicht-Todesrezeptoren CD40 und TNF-R2 zur TRAF2-abhängigen Rekrutierung der anti-apoptotischen Moleküle cIAP1 und cIAP2 an die Rezeptoren führte. Dies zeigt, dass der TNF-R1 und die Nicht-Todesrezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie nicht nur um TRAF2 sondern auch um die mit TRAF2 assoziierten Schutzproteine kompetieren können. Diese Kompetition bildet den Kern des Modells zur apoptotischen Kooperation der beiden TNF-Rezeptoren. Demnach kann die Stimulation des TNF-R2 die TNF-R1-induzierte Apoptose auf zwei Ebenen verstärken: über die Inhibierung der NF-kB-abhängigen Induktion von Schutzproteinen und durch die Inhibition ihrer Schutzwirkung auf der post-transkriptionellen Ebene durch Kompetition. In beiden Fällen wird die Ausbildung eines Caspase-8-aktivierenden TNF-R1-Signalkomplexes ermöglicht. In vivo werden die Rezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie auch durch membranständige Liganden aktiviert. Daher wurden im zweiten Abschnitt dieser Arbeit die Interaktionen zwischen TNF-R2, CD40 und ihren membranständigen Liganden analysiert. Unter Anwendung der Laser-Scanning-Mikroskopie und von Kokulturen konnte demonstriert werden, dass in Zell-Zell-Kontakten die Rezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie mit ihren membranständigen Liganden Superaggregate bilden. Diese Aggregate entstehen innerhalb von 30 Minuten nach dem Zusammentreffen zweier Zellen, von denen eine den Rezeptor und die andere den membranständigen Ligand exprimiert. Die Rezeptor-Ligand-Superaggregate bleiben über mehrere Stunden stabil, wobei sich ihre Form und Lage stets verändern. Im Weiterem wurde beobachtet, dass die Rezeptor-Ligand-Superaggregate signalfähige Rezeptor-Komplexe enthalten. So wurde z.B. TRAF2 in die TNF-R2/memTNF-Aggregate rekrutiert. Wurde der CD40 mit einem löslichen CD40-Ligand stimuliert, so wurde die Internalisierung und möglicherweise der Abbau des Rezeptors beobachtet, nicht jedoch nach der Stimulation mit dem membranständigen Ligand. Dies deutet darauf hin, dass sich die Qualität der Bindung zwischen dem Rezeptor und seinem membranständigen Liganden wesentlich von der Interaktion des Rezeptors mit den löslichen Reagenzien unterscheidet.Item Open Access Charakterisierung der Regulation der gerichteten Migration und Invasion humaner Pankreaskarzinomzellen durch den neuronalen Wachstumsfaktor GDNF(2002) Veit, Christine; Scheurich, Peter (Prof. Dr.)Die starke Infiltration intra- und extrapankreatischer peripherer Nerven gilt als Hauptursache für das Auftreten lokaler Rezidive und die äußerst schlechte Prognose von exokrinen Pankreaskarzinomen. Die hohe Affinität der Tumorzellen zu peripherem Nervengewebe und die bereits in frühen Tumorstadien einsetzende perineurale Invasion machen eine spezifische Interaktion zwischen den Pankreaskarzinomzellen und den peripheren Nerven wahrscheinlich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher nach Signalmolekülen gesucht, die an der Induktion der perineuralen Invasion humaner Pankreaskarzinomzelllinien beteiligt sein könnten. Der Einfluss konditionierter Medien neuronaler und glialer Zellen sowie spezifischer rekombinanter neuronaler Faktoren auf die Proliferation und Chemotaxis humaner Pankreaskarzinomzelllinien wurde analysiert. Hierbei wurde der neurotrophe Faktor GDNF (glial cell line-derived neurotrophic factor) als Chemotaxis-induzierender Faktor für PANC-1-Zellen identifiziert. Da GDNF bei neuronalen Zellen seine spezifische Wirkung durch Bindung an den GDNF-Rezeptor-Komplex entfaltet, wurde die Expression dieses Rezeptor-Komplexes, bestehend aus der Rezeptortyrosinkinase Ret und dem GPI-Anker-Protein GFRa, in PANC-1-Zellen nachgewiesen. Mittels RT-PCR (Reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion)- und Western blot-Analysen konnte die Expression der beiden GDNF-Rezeptor-Komponenten Ret und GFRa1 sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene demonstriert werden. Eine nähere Charakterisierung des GDNF-Rezeptor-Komplexes in PANC-1-Zellen durch RT-PCR-Analysen ergab, dass die Transkripte von zwei GFRa-Proteinen, GFRa1 und GFRa2, und den drei bekannten Ret-Isoformen, Ret9, Ret43, Ret51, in PANC-1-Zellen nachweisbar sind. Durch Sequenzanalyse des Ret51-Transkriptes aus PANC-1-Zellen konnte die Expression der wildtypischen Sequenz in diesen Zellen bestätigt werden. Nachfolgend wurde die vollständige kodierende Ret51-DNA-Sequenz in den pEGFP-N1-Vektor kloniert und die Expression der Ret-EGFP-Fusionsproteine in PANC-1- und HEK293-Zellen in Fluoreszenz- und Western blot-Analysen überprüft. Zur Untersuchung Ret-abhängiger Signaltransduktionswege in PANC-1-Zellen wurden Ras- und Rac-GTP-Präzipitationsversuche und Kinaseaktivitätsanalysen der MAP-Kinasen ERK2 und JNK anhand von in vitro Phosphorylierungsexperimenten durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse zeigten, dass die Behandlung der Zellen mit GDNF zu einer Steigerung der N-Ras- und Rac-GTP-Menge in PANC-1-Zellen führt und die Phosphorylierung der MAP-Kinasen ERK2 und JNK induziert. Durch Migrationsexperimente in Anwesenheit des MEK1-Inhibitors PD98059 und des PI3-Kinase-Inhibitors LY294002 konnte die Relevanz der Ras- Raf-MEK-ERK-Kaskade und der PI3-Kinase für die gerichtete Migration von PANC-1-Zellen herausgestellt werden. Um den Einfluss verschiedener Rho-Proteine auf Migrations- und Invasionsprozesse humaner Pankreaskarzinomzelllinien analysieren zu können, wurde die RhoC-cDNA-Sequenz aus BxPC-3-Zellen amplifiziert und PANC-1-Zellklone generiert, welche EGFP-RhoC- oder EGFP-RhoA-Fusionsproteine stabil überexprimieren. Das Migrationsverhalten dieser Zellklone wurde im Boyden-Kammer-System analysiert. Hierbei wurde gezeigt, dass die Expression von EGFP-RhoC im Gegensatz zu EGFP-RhoA zu einer deutlichen Steigerung der Chemotaxis bei PANC-Zellen führt. Somit wurden entscheidende molekulare Mechanismen aufgedeckt, die für die GDNF-induzierte Migration von PANC-1-Zellen relevant sind. Es wäre darüber hinaus möglich, dass das GDNF/Ret/GFRa-System sowie die kleine GTPase RhoC an der perineuralen Invasion von Pankreaskarzinomzellen in vivo beteiligt sind.Item Open Access Population and single-cell based quantitative analysis of protein kinase D-mediated regulation of the cell cycle(2014) Räth, Sebastian; Pfizenmaier, Klaus (Prof. Dr.)The cell cycle consists of G1, G2, S, and M phase and is a tightly regulated process with various checkpoints to control order and length of the separate phases. A multitude of signal molecules and pathways are involved in this process. In cancer, cell cycle control is often changed and understanding of these changes may result in new therapeutic targets in the treatment of patients. Additionally, cell cycle control is of special interest in stem cells as important decisions of cell fate – to proliferate or to differentiate - are part of cell cycle control. The success of adult stem cell therapeutic applications is thus dependent on in-depth understanding of this regulation. The Fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator (Fucci) is a sophisticated technology, which can easily determine G1 and/or S/G2/M phases of the cell cycle. The technology analyzes living cells in a spatio-temporal manner using fusion proteins consisting of two distinct cell cycle proteins fused to two fluorophores - a dual color scheme of orange and green. The aim of this thesis was to characterize the influence of Protein kinase D (PKD) using this technology in cells with adult stem cell characteristics and an established human cancer cell line. At first, a characterization of primary human mesenchymal stromal cells (MSC) derived from umbilical cord (UC) and bone marrow (BM) was performed. Furthermore, murine bone marrow stromal cells (mBMSCs) were isolated and osteogenic differentiation was investigated in tissue culture and in vivo. Three out of seven independent cell isolates showed the ability to differentiate into osteocytes, adipocytes, and chondrocytes in vitro. In vitro multipotency of an established mBMSC line was maintained over 45 passages. The osteogenic differentiation of this cell line was confirmed by quantitative polymerase chain reaction (qPCR) analysis of specific markers such as osteocalcin and shown to be Runx2 dependent. Notably, the cell line, when transplanted subcutaneously into mice, possesses full skeletal stem cell characteristics in vivo in early and late passages, evident from bone tissue formation, induction of vascularization, and host derived hematopoiesis. This cell line provides, thus, a versatile tool to unravel the molecular mechanisms governing osteogenesis in vivo thereby aiding to improve current strategies in bone regenerative therapy. Consequently, multipotent mBMSC lines were established from transgenic Fucci mice. Single cell analysis of cell cycle progression was performed in these Fucci-mBMSCs and Fucci transgenic human HeLa cells. Specifically, the influence of protein kinase D (PKD) and the RAF/MEK/ERK pathway on progression through S/G2/M phase was investigated in detail. Inhibition of PKD but not of MEK resulted in a delay in progression through S/G2/M phase in HeLa cells and mBMSCs. Furthermore, MAPK pathway activation was quantitatively assessed during the synchronous progression of HeLa cells through S/G2/M and successfully used to develop a quantitative mathematical model describing this pathway. Taken together this study demonstrates the benefit of quantitative and single cell analysis in cells with stem cell characteristics and an established cell line to enlighten the role of PKD in cell cycle control and, on top of that, support the notion that PKD is a potential new target for cancer therapy.Item Open Access Combinations of costimulatory antibody-ligand fusion proteins for targeted cancer immunotherapy(2013) Hornig, Nora; Kontermann, Roland (Prof. Dr.)Combinatorial strategies are of emerging interest in cancer immunotherapy. Costimulation by individual members of the Ig- or TNF-superfamily have already revealed promising antitumor potential, thus prompting the exploration of their synergistic abilities in combinatorial approaches. Here, in order to avoid systemic side effects, costimulation was restricted to the tumor site by pursuing a targeted strategy with antibody-ligand fusion proteins composed of tumor antigen-directed antibodies and the extracellular domain of the costimulatory ligands B7 or 4-1BBL, respectively. Costimulatory activity was assessed in an experimental model system where tumor cells coexpressed the antigens fibroblast activation protein (FAP) and endoglin (EDG) and initial MHC-independent T cell activation and tumor-targeting was mediated by a bispecific antibody (scDbFAPxCD3). Combined costimulation with B7- and 4-1BBL-fusion proteins (B7-DbFAP, scFvEDG-4-1BBL) was shown to be superior to the individual effects in terms of cytokine release (IL-2/IFN-γ), proliferation and activation marker expression (CD25), leading to a T cell population with enhanced levels of an activation-experienced memory phenotype and with a higher capability for target cell killing. Furthermore, the model system was adapted for a time-shift costimulation setting. Here, enhanced T cell proliferation and granzyme B expression as well as reduced levels of PD-1 expression demonstrated the benefit of B7.1- and 4-1BBL-costimulation-assisted restimulation. Consequently, the antitumor activity of this combinatorial setting was confirmed in vivo in a lung metastasis mouse model. Finally, the combinatorial spectrum was expanded by the generation and subsequent incorporation of antibody-fusion proteins comprising the extracellular domains of the TNF-superfamily ligands Ox40L, LIGHT or GITRL. Here, advantages of combined costimulation with either B7.1- or 4-1BBL- fusion proteins were shown in terms of T cell proliferation and IFN-γ release. In summary, combinatorial approaches with tumor-directed costimulatory ligands in form of antibody-ligand fusion proteins were shown to be feasible, revealing a great potential for the modulation and enhancement of a T cell response. Thus, they appear to be a promising strategy in cancer immunotherapy that should be considered for further investigation.