OPUS 4 | Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)

Development of lentiviral vectors for the gene therapy of HIV infection (2010)

Shweta Pahujani

Drug toxicity and viral resistance limit long-term efficacy of antiviral drug treatment for HIV infection. Thus, alternative therapies need to be explored. Previously, group of “Prof. von Laer” tested the infusion of T lymphocytes transduced with a retroviral vector (M87o) that expresses an HIV entry inhibitory peptide (maC46). Gene-modified autologous T cells were infused into 10 HIV-infected patients with advanced disease and multidrug resistant virus during antiretroviral combination therapy. T cell infusions were tolerated well with no severe side effects. A significant increase of CD4 counts was observed post infusion. At the end of the one-year follow-up, the CD4 counts of all patients were still around or above baseline. Gene-modified cells could be detected in peripheral blood, lymph nodes and bone marrow throughout the oneyear follow-up, whereby marking levels correlated with the cell dose. No significant changes of viral load were observed during the first four months. Four of the seven patients that changed their antiviral drug regimen thereafter responded with a significant decline in plasma viral load. In conclusion, the transfer of gene-modified cells was safe, led to sustained levels of gene marking and may improve immune competence in HIV-infected patients with advanced disease and multidrug resistant virus. However, the low level of gene marking and the lack of substantial long-term in vivo accumulation of gene-protected cells observed in this trial clearly demonstrate the requirement for new vectors with new strategy. In this thesis self‐inactivating lentiviral vectors harboring internal promoters and RNA elements were therefore evaluated for their potential use in a clinical gene‐therapy trial. The results from this work provide the basis for the selection of a suitable candidate vector for extensive preclinical testing. Apart from being capable of transducing non‐dividing cells, lentiviral vectors incorporate a number of additional features that are of potential value for gene therapeutic applications. These include a larger packaging capacity, higher titers than γ‐retroviral vectors and, most importantly, a reduced risk of deregulating cellular genes due to its natural integration profile. The use of internal promoters to drive expression of the therapeutic transgene maC46 should further improve the safety profile of these new‐generation vectors, while an additional artificial splice acceptor (SA) into the 5‟UTR of the transgene over all elevate transgene expression. The rationale for this is that hematopoietic stem and progenitor cells will be Summary 98 protected from enhancer‐mediated transactivation effects and also from potential side effects due to the aberrant expression of maC46 while at the same time the full clinical benefit for the patients is maintained. In order to find a suitable candidate for preclinical studies, two candidate therapeutic vectors harboring different regulatory elements were selected based on results from pilot experiments. The internal promoters used to drive expression of codon optimized maC46 were the PGK promoter and MPSV promoter. This work focuses on the transgene expression levels in lymphoid cells and antiviral activity. The issues of long term expression, propensity to methylation mediated silencing of the promoters, and genotoxicity were also touched. In a first step the performance of different vectors was evaluated in the human T cell lines. Based on promising data from ex vivo human peripheral blood mononuclear cells, the vector carrying the MPSV promoter along with intron were selected for in vivo transplantation experiments. In summary, the ex vivo data suggested the long term survival of lentiviral gene modified cells, along with maintained expression of introduced genes. It was observed that the expression of these constructs depends strongly on the activation and differentiation status of the targeted T cells. This regulation was not linked to any specific promotor. In vivo study shows that maC46 can be introduced into murine multiple hematopoietic lineages via lentiviral vector and expressed at high levels in their mulilineage progeny, without altering the hematopoiesis. There was no sign of any kind of hematopoietic or lymphoid malignancies. Although gene-modified lymphocytes persisted in-vivo, the downregulation of transgene expression was consistent with the ex-vivo observation. In contrast to that the T cells transplanted group showed delayed engraftment of donor cells and there was no expression of C46 in blood and lymphatic organs. . In conclusion, when considering HIV gene therapy focusing CD4+ T cells, potential problems of T cell activation status as related to the desired clinical effect must be addressed. These results might open the way for a gene therapy targeting mainly or exclusively activated T cells and could be exploited for immunostimulatory as well as suppressive approaches.

Der Vitamin-D-Rezeptor als Konvergenzpunkt Butyrat-induzierter Zelldifferenzierung (2002)

Tanja Gaschott

Einleitung: Die kurzkettige Fettsäure Butyrat, die im Gastrointestinaltrakt durch bakterielle Fermentation aus nicht resorbierten Ballaststoffen und komplexen Kohlenhydraten der Nahrung gebildet wird, konnte in zahlreichen in vitro-Untersuchungen ihre chemopräventiven Eigenschaften demonstrieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die molekularen Mechanismen der Butyrat-induzierten Differenzierung und Wachstumshemmung von Kolonkarzinomzellen näher zu charakterisieren. Methodik: Die Versuche wurden an den kolorektalen Karzinomzelllinien Caco-2 und SW620 durchgeführt, die unter Standardbedingungen kultiviert wurden. Für einen Teil der Experimente wurden zusätzlich die Pankreaskarzinomzelllinien MiaPaca-2 und Capan-1 verwendet. Zytotoxische Effekte wurden durch Messung des Enzyms Laktatdehydrogenase im Überstand ausgeschlossen. Die Zellzahl wurde mittels Kristallviolettfärbung und die Proliferation über den Einbau von 5-Bromo-2‘-deoxyuridin (BrdU) während der DNA-Synthese bestimmt. Die Zelldifferenzierung wurde anhand der Aktivität des Enzyms alkalische Phosphatase quantifiziert. Rezeptorbindungsstudien mit [3H]1,25-Dihydroxyvitamin D3 wurden zur Ermittlung der Vitamin D Rezeptor- (VDR-) Bindungsaktivität durchgeführt, die Menge an VDR mRNA wurde über PCR quantifiziert. Die Proteine wurden mittels Western Blot und die Zellzyklusdistribution mit Hilfe eines Durchflusszytometers analysiert. Ergebnisse: Butyrat [3 mmol/L] sowie sein Prodrug Tributyrin, in 3-fach niedrigerer Konzentration eingesetzt ([1 mmol/L]), hemmten das Wachstum der Pankreaskarzinom-zelllinien MiaPaca-2 und Capan-1 ähnlich effektiv. Auch die apoptose- und differenzierungsfördernden Wirkungen von Butyrat und Tributyrin waren vergleichbar. In der Kolonkarzinomzelllinie Caco-2 erwies sich Butyrat in der Wachstumshemmung und Differenzierungsinduktion als etwas stärker wirksam. 1,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25-(OH)2D3) [10-6 mol/L] besaß in der Zelllinie Caco-2 ebenfalls proliferationshemmende und differenzierungsinduzierende Eigenschaften, die allerdings nur mäßig ausgeprägt waren. Die Kombination aus Butyrat und 1,25-(OH)2D3 wies in etwa eine additive antiproliferative Wirkung auf, wohingegen die Zelldifferenzierung synergistisch verstärkt wurde. Der potenzierende Effekt auf die Differenzierung ließ sich in der Pankreaskarzinomzelllinie Capan-1 bestätigen. Rezeptorbindungsstudien in Caco-2 Zellen ergaben, dass Tributyrin die spezifische Bindung von 1,25-(OH)2D3 an seinen Rezeptor erhöhte, ohne die Affinität des Liganden zu seinem Rezeptor zu beeinflussen. Auf RNA- und Proteinebene ließ sich eine zeit- und dosisabhängige Steigerung der VDR-Expression durch Tributyrin oder Butyrat in den Kolonkarzinomzelllinien Caco-2 und SW620 beobachten. Andere kurzkettige Fettsäuren ähnlicher Struktur beeinflussten hingegen die VDR-Expression in Caco-2 Zellen nur geringfügig oder gar nicht. Die Butyrat-induzierte Differenzierung von Caco-2, SW620 und Capan-1 Zellen ließ sich durch die Kombination mit dem VDR-Antagonisten ZK 191732 [10-5 mol/L] aufheben. Auch der durch die 48-stündige Butyrat-Behandlung von Caco-2 und SW620 Zellen verursachte G0/G1-Zellzyklusstop verschwand vollständig nach Koinkubation mit ZK 191732. Die genauere Untersuchung des molekularen Mechanismus, der dem Butyrat-induzierten Zellzyklusstop zugrundelag, erbrachte eine verminderte Expression der zellzyklusregulierenden Proteine Cyclin D1, E und A sowie der cyclinabhängigen Kinasen cdk2, 4 und 6 durch Butyrat. Weiterhin verstärkte Butyrat die Expression der cdk-Inhibitoren p21Waf1/Cip1 und p27Kip1. Die Butyat-induzierten Veränderungen in den Proteinmengen von p21Waf1/Cip1, cdk6 und Cyclin A ließen sich durch die Kombination mit 1,25-(OH)2D3 synergistisch verstärken und durch die Koinkubation mit ZK 191732 aufheben. Im Gegensatz hierzu wurden die durch Butyrat verursachten Änderungen in der Expression von p27Kip1, cdk2, cdk4, Cyclin D1 und Cyclin E weder durch 1,25-(OH)2D3 verstärkt noch durch den VDR-Antagonisten vermindert. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse demonstrieren, dass Butyrat, das natürlicherweise durch die Nahrung im Darmlumen präsent ist, eine Reihe zellulärer Prozesse in Kolonkarzinomzellen beeinflusst, die schließlich in einer Proliferationshemmung, Differenzierung und Apoptose der Zellen resultieren. An der Regulation dieser Prozesse durch Butyrat ist der VDR zumindest teilweise beteiligt. Dies erklärt die synergistische Wirkung der Kombination aus Butyrat und 1,25-(OH)2D3 auf die Zelldifferenzierung, den Zellzyklusstop sowie auf die Expression verschiedener zellzyklusregulatorischer Proteine in Karzinomzellen. Die vorliegenden Daten weisen darauf hin, dass Butyrat, als Prodrug in Form von Tributyrin verabreicht, von pharmakologischem Interesse hinsichtlich der Chemoprävention oder -therapie des Kolonkarzinoms sein könnte.

Die Dimerisierungs-Domänen von MLL als potentielle Target-Strukturen in t(4;11) Leukämien (2010)

Birgit Pleß

Reziproke chromosomale Translokationen sind häufig mit Leukämien assoziiert und gelten in den meisten Fällen als Erkrankungsursache. Das MLL-Gen auf der Chromosomenbande q23 des Chromosoms 11 ist an einer Vielzahl chromosomaler Translokationen beteiligt, und die dadurch erzeugten reziproken MLL-Fusionsgene sind ausschließlich mit Hochrisikoleukämien assoziiert. Die häufigste Aberration ist eine reziproke Translokation zwischen den beiden Genen MLL und AF4 (4q21), die t(4;11)-Translokation, die in ca. 80% aller Akuten Lymphatischen Leukämien bei Kleinkindern, aber auch bei älteren Patienten mit einer Sekundärleukämie, auftritt. Die leukämischen Blasten dieser Patienten sind meist gegen konventionelle Therapien resistent, so dass t(4;11) Leukämien mit einer ungewöhnlich schlechten Prognose verbunden sind. Welches der beiden Fusionsproteine, MLL-AF4 oder AF4-MLL, die bei der t(4;11)-Translokation entstehen für die Entstehung der Leukämie verantwortlich ist, wird noch kontrovers diskutiert. Bisherige Publikationen zeigen die Onkogenität beider Fusionsproteine, und ihr Potential, Leukämien im Mausmodell hervorzurufen. Frühere Studien dieser Arbeitsgruppe zeigen die onkogene Wirkung des AF4-MLL Fusionsproteins, dessen Expression zur Wachstumstransformation von murinen Zellen und einer Akuten Lymphatischen Leukämie in der Maus führt. Die onkogene Wirkung von AF4-MLL entsteht, sobald das Fusionsprotein nach seiner Prozessierung durch die Endopeptidase Taspase1 heterodimerisiert und dadurch vor SIAH-vermitteltem proteasomalen Abbau geschützt wird. So kann sich das heterodimerisierte Protein - anders als das AF4-Wildtyp Protein - in den Zellen anhäufen und zu unkontrolliertem Wachstum führen. Um die Heterodimerisierung des AF4-MLL Fusionsproteins kompetitiv zu inhibieren, wurden im Rahmen dieser Arbeit kleine Fragmente aus der C-terminalen Interaktionsdomäne FYRC von MLL exprimiert. Dazu wurde die Interaktion kleiner Peptide aus der FYRC-Domäne mit dem N-terminalen Fragment des AF4-MLL Proteins mithilfe eines Biosensorsystems und Co-Immunopräzipitationen getestet. Anschließend wurden die kleinsten Peptide, die noch an das N-terminale Fragment binden können (B1 und B3), ausgewählt, und zusammen mit AF4-MLL co-exprimiert. Mithilfe von Western Blot-Analysen von gereinigtem AF4-MLL·N konnte gezeigt werden, dass die Expression dieser Peptide dazu führt, dass das C-terminale Fragment nicht mehr an das N-terminale Fragment binden kann. Durch diese Inhibition der Heterodimerisierung kann der AF4-MLL Multiproteinkomplex nicht vollständig aufgebaut werden, da auch die C-terminalen Komplexpartner WDR5 und RBBP5 nur noch eingeschränkt binden können. Zusätzlich wurde die Stabilität der prozessierten Fragmente AF4-MLL·N und MLL·C im Falle einer Inhibition der Dimerisierung untersucht. Offensichtlich sind beide Fragmente nur stabil, wenn sie miteinander heterodimerisiert sind. Eine Blockierung der Interaktion durch kompetitive Peptide führt dazu, dass sowohl AF4-MLL·N als auch MLL·C proteasomal degradiert werden. Da auch das MLL-Wildtyp Protein über die Interaktionsdomänen FYRN und FYRC heterodimerisiert, wurde zusätzlich der Effekt der Expression der Peptide auf die Viabilität von MLL-exprimierenden Zellen untersucht. Dazu wurden die Peptide B1 und B3 in sechs unterschiedlichen Zelllinen, von denen zwei die t(4;11)-Translokation tragen, exprimiert. Anschließend wurde nach einer PI-Färbung der Anteil apoptotischer Zellen mithilfe eines Durchflusszytometers ermittelt. Die vorliegenden Daten deuten darauf hin, dass keines der beiden Peptide einen starken Einfluss auf Zelllinien hat, die das Wildtyp-MLL Gen besitzen. Die Apoptose der vier untersuchten Zelllinien war kaum erhöht, wenn diese Peptide exprimiert wurden. Interessanterweise scheint das Peptid B1 dagegen einen Apoptosefördernden Effekt auf diejenigen Zellen zu haben, die das AF4-MLL Protein exprimieren. Basierend auf den vorliegenden Daten kann die Aussage getroffen werden, dass es prinzipiell möglich ist, das AF4-MLL Fusionsprotein spezifisch anzugreifen. Eine Blockierung der Heterodimerisierung blockiert die Ausbildung des onkogenen AF4-MLL Multiproteinkomplexes. Dies führt zudem dazu, dass die beiden Taspase1-prozessierten Fragmente AF4-MLL·N und MLL·C proteasomal degradiert werden. Die Inhibition der Heterodimerisierung von AF4-MLL ist mit einer leicht erhöhten Apoptoserate in t(4;11)-positiven Zellen verbunden. Diese Beobachtung könnte in Zukunft von Bedeutung sein, wenn über neue Therapieansätze bei t(4;11) Leukämien nachgedacht werden sollte.

Pharmakokinetische Charakterisierung der Terpenlaktone aus Ginkgo biloba im ZNS am Tiermodell (2010)

Christian Ude

Ginkgo biloba (Gb), eine der am besten untersuchten pharmazeutisch-medizinisch genutzten Pflanzen, wird heute in Form von Spezialextrakten im Sinne einer evidenzbasierten Phytopharmakatherapie eingesetzt. Grundlage hierfür sind die genaue Spezifikation der Zusammensetzung des Spezialextraktes in Bezug auf die wirksamkeitsbestimmenden Inhaltsstoffe, balstbare klinische Daten, das Erforschen des molekularen Wirkmechanismus‘ des Gesamtextraktes aber auch der Einzelbestandteile und die Pharmakokinetik im Targetgewebe. Heute werden im Sinne einer evidenzbasierten Phytopharmakatherapie lediglich Extrakte verwendet, die der Monographie der Komission E entsprechen (22 - 27% Flavonoide, 5 - 7% Terpenlaktone und weniger als 5 ppm Ginkgolsäuren). Der am besten klinisch und pharmakologisch untersuchte Gb-Spezialextrakt ist EGb 761® (Tebonin®), der im zentralen Fokus der vorliegenden Arbeit steht. Die im Jahr 2008 vom IQWiG veröffentlichte Metaanalyse zur Klinik von EGb 761® hat in äußerst detaillierter Form belastbare Daten zur Wirksamkeit dieses Extraktes beschrieben. Es kann festgehalten werden, dass ein Einsatz dieses Spezialextraktes im Rahmen der Therapie einer beginnenden Demenz zu befürworten ist. Basis des klinischen Einsatzes des EGb 761® sind in vitro und in vivo pharmakologische Untersuchungen. Es werden unterschiedliche Gesamtkonzepte zur Wirkung von EGb 761® bzw. Einzeleffekte der Inhaltsstoffe im ZNS diskutiert. Konsensfähig sind heute sicher die Mitochondrien-stabilisierende Wirkung der Terpenlaktone und ein antioxidativer Effekt der Flavonoide. Bb zeigt zusätzlich deutlich protektive Effekte in Bezug auf durch zerebrovaskuläre Ereignisse geschädigte Hirnareale. Darüber hinaus ist die Wirkung der Flavonoide auf die monoaminerge Neurotransmission aktueller Gegenstand der Forschung. Basis jeglicher pharmakologischen Betrachtung ist das pharmakokinetische Verhalten der wirksamen Inhaltsstoffe im Target-Gewebe. Nachdem die ZNS-Bioverfügbarkeit der Flavonoide nachgewiesen wurde, hat die vorliegende Arbeit das zentrale Ziel, die pharmakokinetische Charakteristik der Terpenlaktone aus Gb im ZNS zu untersuchen. Zur quantitativen Analyse der Terpenlaktone (GKA, GKB, GKC und Bb) in biologischen Matrices (Hirn-Homogenat, Plasma) und Hirn-Dialysat-Pufferlösung (aCSF-Puffer) wurde eine LC-MS-Analytik-Methode entwickelt und validiert. Unter Verwendung einer 250x4 mm, Multo High 100 RP18, 5 μm (CS-Chromatographie Service GmbH)-Säule und einer isokratischen Auftrennung mittels einer mobilen Phase bestehend aus 60% 0,1%-iger Ameisensäure und 40%-igem Methanol konnten alle vier genannten Terpenlaktone simultan innerhalb von 20 Minuten analysiert werden. Die beschriebene LC-MS(TOF)-Methode verfügt über eine ausreichende Sensitivität, um die Analyten im nanomolaren Bereich zu quantifizieren (z.B. LOQ Bb in aCSF-Puffer: 0,25 pg/μl; LOQ Bb in Hirnhomogenat: 1 ng/ml). Die Aufarbeitung der Plasma- bzw. Hirn-Homogenat-Proben erfolgte durch eine flüssig-flüssig-Extraktion mit Hilfe von Extrelut®-Säulen; die Hirn-Dialysat-Proben bedurften keiner Probenaufarbeitung. Mit Hilfe der beschriebenen Analytik-Methode war es möglich, GKA, GKB, GKC und Bb in Plasma und Hirnhomogenat von Ratten nach oraler Gabe von 600 mg/kg Körpergewicht EGb 761® bzw. einer vergleichbaren Menge der Reinsubstanzen zu bestimmen. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein direkter Vergleich der erhalten Plasma-Konzentrationen nach Extrakt- bzw. Reinsubstanzgabe gezogen, wobei der Extrakt die höhere AUC (für GKA u. Bb) und daher bessere Bioverfügbarkeit aufwies. Es konnten in Plasma und Gehirngewebe sowohl GKA als auch GKB und Bb in nativer nicht metabolisierter Form nachgewiesen werden. GKC konnte weder in Plasma noch in Hirngewebe bestimmt werden, was die in der Literatur diskutierte These einer schnellen Metabolisierung (Methylierung) stärkt. Die Terpenlaktone sind im Plasma sehr schnell angeflutet und zeigten ein ebenfalls zügiges Abfallen, so dass 24 Stunden nach oraler Applikation keine Konzentrationen mehr zu detektieren waren. Bei der Untersuchung der Hirn-Gewebspiegel von GKA, GKB und Bb zeigten sich keine Unterschiede nach Gabe von Extrakt bzw. Reinsubstanz. Die Substanzen fluteten im Vergleich zum Plasma etwas verzögert an, fielen aber auch bis 24 Stunden nach Applikation wieder unter die Nachweisgrenze. Die Konzentrations-Zeit-Kurven ähnelten in ihrer Form stark denen aus Plasma, waren jedoch zeitlich nach rechts verschoben, so dass ausgeschlossen werden kann, dass es sich im Hirngewebe um Artefakt aus Restblut handelt. Wesentliches Resultat dieser Untersuchungen war, dass erstmalig nach oraler Gabe von EGb 761® gezeigt wurde, dass deutliche Gewebespiegel im Gehirn von Ratten zu erzielen sind und damit diese Substanzen im Target-Gewebe die postulierten pharmakologischen Wirkungen ausüben können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden mit Hilfe der Mikrodialyse-Technik und der bereits beschriebenen LC-MS-Analytik-Methode weitere pharmakokinetische Untersuchungen am Maus-Modell durchgeführt. Es konnte zunächst rein technisch im Rahmen von Wiederfindungsuntersuchungen gezeigt werden, dass die im Dialysat bestimmte Menge Bb ca. 6% der tatsächlich im Extrazellularraum des Maus-Hirns vorliegenden Bb-Konzentration entspricht. Weiterhin zeigten diese Versuche, dass Bb kaum an Plasma-Proteine bindet, da keine signifikanten Unterschiede bei der Dialyse von Bb aus Puffer, Blut oder Plasma zu sehen waren. In einem ersten Tierversuch an gesunden Mäusen konnten die pharmakokinetischen Charakteristika von Bb, die in der Fütterungsstudie an Ratten bestimmt wurden, reproduziert werden, obwohl es sich um einen völlig divergenten Versuchsaufbau, unterschiedliche Tierspezies und nicht um die gleichen Applikationsformen handelt. Diese Tatsache unterstreicht die Aussage beider Studien. Als zusätzliche Aussage ergibt sich aus dem Versuchsaufbau, dass Bb frei und biologisch aktiv im Extrazellularraum vorliegt und nicht z.B. in Membranen gebunden ist. Die Möglichkeit mittels Mikrodialyse und LC-MS-Technik Bb im Extrazellularraum definierter Hirnregionen nachzuweisen, erlaubte eine pharmakokinetische Charakterisierung von Bb in vom Schlaganfall geschädigten Hirngewebe. Es zeigte sich, dass bei Gabe von 10 mg/Kg Bb eine Stunde vor dem Schlaganfall die Bb-Konzentrationen zwar deutlich abfallen, aber dann relativ konstant bleiben, was durch einen fehlenden Abtransport durch die unterbrochene Blutversorgung zu erklären ist.

Die Sphingosinkinase-1 : ein Schlüsselenzym bei der durch Hypoxie und Stickoxid vermittelten Endothelzellmigration (2009)

Stephanie Schwalm

Bioaktive Sphingolipide spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation vieler entscheidender Prozesse in Endothelzellen. Speziell dem S1P wird eine Schlüsselfunktion in der Regulation der Proliferation und Migration von Endothelzellen beigemessen. Diese Prozesse sind notwendige Teilschritte in der Angiogenese, welche eine wichtige biologische und medizinische Bedeutung hat. So ist die umorangiogenese eine Voraussetzung für die adäquate Versorgung des Tumors mit Sauerstoff und Nährstoffen und trägt des Weiteren zu dessen Aggressivität bei. Ein weiteres Merkmal vieler solider Tumoren ist das Vorkommen hypoxischer Bereiche und erhöhter NO-Spiegel, die zudem, je nach Konzentration, als proangiogene Faktoren wirken können. Das Hauptziel dieser Arbeit lag in der Untersuchung des Einflusses hypoxischer Bedingungen und des Signalmoleküls NO auf das Sphingolipidgleichgewicht in der humanen Endothelzelllinie EA.hy 926. Ein spezieller Fokus wurde dabei auf die Regulation der S1P synthetisierenden Sphingosinkinasen (SK) und der daraus resultierenden Beeinflussung angiogener Zellantworten gelegt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sowohl Hypoxie als auch NO die Aktivität der SK-1, jedoch nicht der SK-2, langanhaltend erhöhten. Dieser Aktivitätsanstieg wurde durch eine Aktivierung des SK-1-Promotors mit einer nachfolgenden verstärkten mRNA- und Proteinexpression vermittelt. Dabei war unter Hypoxie der Transkriptionsfaktor HIF-1α der entscheidende SK-1 regulierende Faktor. Zusätzlich führte die durch Hypoxie ausgelöste Hochregulation der SK-1 zu einem Anstieg der zellulären S1P-Spiegel und zu einer Reduktion der Sphingosinkonzentration. Mechanistische Untersuchungen des Effekts von NO auf die SK-1 zeigten, dass dieser unabhängig von erhöhten cGMP-Konzentrationen aufgrund einer Aktivierung der löslichen Guanylatzyklase (sGC) durch NO war. Zum einen hatte die Verwendung des cGMP-Analogons 8-Bromo-cGMP und des Aktivators der sGC YC-1 keinen Einfluss auf die SK-1-Proteinexpression, und zum anderen hatte die Kostimulation mit dem sGC-Inhibitor ODQ keinen hemmenden Effekt auf die durch NO ausgelöste Hochregulation der SK-1. Demgegenüber ist die klassische MAPK-Kaskade essenziell für die Wirkung von NO auf die SK-1, da der MEK-Inhibitor U0126 die erhöhte Proteinexpression der SK-1 verhindern konnte. Die Aktivierung des vorgeschalteten kleinen GTP-bindenden Proteins p21ras ist ein möglicher Mechanismus, über den NO die Aktivierung der MAPKKaskade verursachen könnte (Lander et al, 1995). In einem weiteren Teil der Arbeit wurde die funktionelle Konsequenz einer Regulation der SK-1 durch Hypoxie und NO in EA.hy 926 Zellen untersucht. Sowohl Hypoxie als auch NO wurden als pro-angiogene Faktoren beschrieben. Daher wurde anhand von Migrationsassays und in-vitro-Angiogeneseassays untersucht, ob die SK-1 bei diesen Zellantworten eine Rolle spielt. Die Depletion der SK-1 durch die Verwendung einer spezifischen siRNA oder mit Hilfe von lentiviralen shRNA-Konstrukten zeigte, dass die Hochregulation der SK-1 unter Hypoxie und NO essenziell für die erhöhte Migration der Endothelzellen ist. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass hypoxische Bedingungen und NO zu einer Hochregulation der SK-1 in EA.hy 926 Zellen führten und eine erhöhte Migrationsrate dieser Zellen zur Folge hatten. Somit ist die SK-1 ein interessanter therapeutischer Ansatzpunkt zur Behandlung von Krankheiten, die mit einer pathologischen Angiogenese einhergehen, wie es im Tumorgeschehen der Fall ist.

Rapamycin induces TGFβ [TGF-beta], Smad-mediated profibrotic gene expression in renal mesangial cells upstream and independent of mTOR (2009)

Bashier Ibrahim Osman

The mTOR kinase inhibitor rapamycin (sirolimus) is a drug with potent immunosuppressive and antiproliferative properties. We found that rapamycin induces the TGF/Smad signaling cascade in rat mesangial cells (MC) as depicted by the nuclear translocation of phospho-Smads 2, -3 and Smad-4, respectively. Concomitantly rapamycin increases the nuclear DNA binding of receptor (R)- and co-Smad proteins to a cognate Smad-binding element (SBE) which in turn causes an increase in profibrotic gene expression as exemplified by the connective tissue growth factor (CTGF) and plasminogen activator inhibitor 1 (PAI-1). Using small interfering (si)RNA we demonstrate that Smad 2/3 activation by rapamycin depends on its endogenous receptor FK-binding protein 12 (FKBP12). Mechanistically, Smad induction by rapamycin is initiated by an increase in active TGF1 as shown by ELISA and by the inhibitory effects of a neutralizing TGF antibody. Using an activin receptor-like kinase (ALK)-5 inhibitor and by siRNA against the TGF type II receptor TGF-RII) we furthermore demonstrate a functional involvement of both types of TGF receptors. However, rapamycin did not compete with TGFfor TGF-receptor binding as found in radioligand-binding assay. Besides SB203580, a specific inhibitor of the p38 MAPK, the reactive oxygen species (ROS) scavenger N-acetyl-cysteine (NAC) and a cell-permeable superoxide dismutase (SOD) mimetic strongly abrogated the stimulatory effects of rapamycin on Smad 2 and 3 phosphorylation. Furthermore, the rapid increase in Dichlorofluorescein (DCF) formation implies that rapamycin mainly acts through ROS. In conclusion, activation of the profibrotic TGFSmad signaling cascade accompanies the immunosuppressive and antiproliferative actions of rapamycin. Keywords: FK506 binding protein; p38 MAP kinase; rapamycin; renal fibrosis; Smads; TGFβ

Etablierung eines universellen Testsystems zur funktionellen Analyse neuer MLL-Fusionspartner (2010)

Nadine Spilger

Leukämische Erkrankungen entstehen häufig aufgrund genetischer Aberrationen. Dabei handelt es sich in den meisten Fällen um reziproke chromosomale Transloka-tionen, die an der Entstehung chimärer Fusionsgene mit intaktem Leserahmen betei-ligt sind und letztendlich zur Expression neuartiger Fusionsproteine führen. Das auf Chromosom 11 Bande q23 lokalisierte MLL-Gen (Mixed Lineage Leukemia) spielt bei einigen dieser chromosomalen Aberrationen eine wichtige Rolle. Es entstehen Fusi-onsproteine, die phänotypisch sowohl mit akuten myeloischen Leukämien (AML) als auch mit akuten lymphatischen Leukämien (ALL) assoziiert sind. Diese hämatopoie-tischen Erkrankungen werden aufgrund ihrer ungünstigen Prognose und schlechter Heilungschance als Hochrisiko-Leukämien klassifiziert. Neben Translokationen des MLL-Gens sind für die Leukämogenese noch weitere genetische Aberrationen von Bedeutung. Ebenso spielen, allerdings in geringerem Maße, Deletionen, Inversionen sowie Insertionen eine Rolle. Allen chromosomalen Translokationen sowie den übrigen chromosomalen Veränderungen geht mindestens ein DNA-Doppelstrangbruch voraus. Dieser findet sowohl beim MLL als auch beim Partnergen in sogenannten Bruchpunktsregionen statt. Inzwischen sind 104 verschiedene Veränderungen des MLL-Gens bekannt, von de-nen 64 auf molekularer Ebene charakterisiert wurden. Allein über 20 Partnergene wurden in den letzten fünf Jahren im Diagnostikzentrum DCAL (Diagnostic Center of Acute Leukemia) des Universitätsklinikums Frankfurt identifiziert. Allerdings sind bis heute noch keine universellen Ansätze zur Etablierung eines Tiermodells zur Unter-suchung neuer Partnergene bekannt. Somit ist es von großem Interesse möglichst schnell und zuverlässig dieses Ziel zu erreichen, um weitere Informationen über das onkogene Potential der beteiligten MLL-Partner zu erhalten. Als neue Kandidaten wurden im Rahmen dieser Arbeit DCPS, MAML2 sowie NRIP3 untersucht, die auf die Positivkontrolle ENL und auf die Negativkontrolle LASP1 bezogen wurden. Zunächst wurde ein universelles retrovirales Vektorsystem entwickelt, welches den MLL-N-Terminus (Exon 1 - Exon 9) trägt. Das zu untersuchende Partnergen kann durch Einklonieren der entsprechenden DNA-Sequenz in diesen Vektor eingefügt werden. Um ein authentisches Fusionsprodukt mit durchgehendem Leserahmen zu erhalten, sind die beiden Gene durch eine intronische Sequenz voneinander separiert. Die korrekte Fusion konnte auf Transkriptebene via RT-PCR nachgewiesen werden. In Vorversuchen wurden die Konstrukte MLL•DCPS, MLL•ENL (Positivkontrolle), MLL•LASP1 (Negativkontrolle), MLL•MAML2 sowie MLL•NRIP3 in murine hämato-poietische Progenitorzellen (Ba/F3 und 32D) transduziert. Die erfolgreiche Infektion konnte sowohl fluoreszenzmikroskopisch als auch auf Transkriptebene nachgewie-sen werden. Des Weiteren zeigten die Konstrukte unterschiedliche Einflüsse auf die Hox-Genexpression der Hox-Gene a5, a7, a9, a10, b3 und b4. Zur Untersuchung wachstumstransformierender und proliferierender Eigenschaften der Fusionsproteine folgten nach Abschluss der Vorversuche erste Transduktionsex-perimente mit murinen Lin-/Sca1+-hämatopoietischen Zellen. Mittels eines Methylcel-lulose-Assays sollten die transformierenden Eigenschaften der MLL-Fusionen über-prüft werden. Lediglich die Positivkontrolle wies wachstumstransformierende Eigen-schaften auf. Somit legen die bisherigen Ergebnisse die Vermutung nahe, dass noch weitere Faktoren für die Leukämogenese relevant sein müssen. Um Aussagen über das Verhalten der zu untersuchenden MLL-Fusionen in vivo tref-fen zu können, wurden retroviral infizierte, Lin-/Sca1+-aufgereinigte hämatopoietische Stammzellen in Empfängermäuse transplantiert. Bis zum jetzigen Zeitpunkt konnten bei den Mäusen noch keinerlei Symptome einer leukämischen Erkrankung diagnosti-ziert werden. Es ist abzuwarten, ob die transplantierten Mäuse in den nächsten Wo-chen leukämische Verhaltensauffälligkeiten aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erfolgreich ein Testsystem etabliert werden, das es ermöglicht, neue Partnergene in kürzester Zeit funktionell zu analysieren. So können in Zukunft hoffentlich neue Erkenntnisse zur Leukämogenese gewonnen werden, die eventuell neue Therapieansätze ermöglichen.

Kollagen des marinen Schwammes Chondrosia reniformis Nardo : optimierte großtechnische Herstellung, Analytik und neue pharmazeutisch-technologische Anwendungsmöglichkeiten (2009)

Martina Nicklas

Kollagen des marinen Schwammes Chondrosia reniformis Nardo: Optimierte großtechnische Herstellung, Analytik und neue pharmazeutisch-technologische Anwendungsmöglichkeiten Großtechnische Isolierung und Untersuchung von Chondrosia-Kollagen Schwämme spielen eine wichtige Rolle im Ökosystem des Meeres und ihr Vorkommen ist begrenzt. Zur schonenden und nachhaltigen Nutzung als Rohstoffquelle müssen im Hinblick auf eine industrielle Nutzung alternative Wege zur Gewinnung von marinem Schwammkollagen entwickelt werden. Ein Beispiel hierfür sind die sogenannten „Marikulturen“ direkt im Meer, aus denen die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Schwämme stammten. Im Gegensatz zu den früher eingesetzten Methoden zur Isolierung des Chondrosia-Kollagens, die Laborcharakter trugen, konnte in der vorliegenden Dissertationsarbeit ein stark vereinfachtes, für die großtechnische Produktion geeignetes Verfahren mit einer hohen Ausbeute (ca. 35%) beschrieben werden. Das Schwammausgangsmaterial wurde über ca. 4 Tage mit Hilfe von Natriumsulfit reduktiv behandelt und die Kollagenfasern (nach einem Filtrationsschritt) in saurem Medium gewonnen. Atomkraftmikroskopische Aufnahmen des isolierten Materials zeigten die kollagentypische Fibrillenquerstreifung, die Unlöslichkeit der Faserbündel in saurem Milieu sowie deren Abbau in die einzelnen Fibrillen in neutraler Pufferlösung. Die von tierischen Kollagenen abgeleitete Bestimmung des Proteingehaltes ergab einen im Vergleich zum kalkulierten Kollagenanteil höheren Gesamtproteingehalt. Dies ist ein Hinweis auf mögliche nichtkollagene Proteinanteile, die an Kollagen assoziiert vorliegen können. Untersuchungen zur Aminosäurenzusammensetzung des isolierten Materials ergaben im Vergleich zu den von Swatschek et al. (2002a) publizierten Ergebnissen einen deutlich höheren Glycin- und einen mehr als doppelt so hohen Hydroxyprolingehalt. Dies kann dahingehend gedeutet werden, dass die neue Isolierungsmethode die bekannten Verunreinigungen des Kollagens mit Glykoproteinen reduziert und zu einem deutlich reineren Kollagenmaterial führt. Mit Hilfe einer neu entwickelten Methode konnten erstmalig Partikel aus Chondrosia-Kollagen hergestellt werden, deren Größe im Nanometerbereich lag. Hierbei handelte es sich um eine kontrollierte alkalische Hydrolyse des isolierten, gefriergetrockneten Kollagens in 1,5 M NaOH. Es konnte eine Partikelausbeute in Höhe von ca. 10% erzielt werden. Atomkraftmikroskopische Aufnahmen zeigten gleichförmige, sphärische Partikel. Die Partikelgrößenuntersuchungen mittels Photonenkorrelationsspektroskopie (nach Resuspension der gefriergetrockneten Schwammkollagennanopartikel (SKNP)) ergaben eine Größe von 168 ± 9,1 nm. Somit sind diese Partikel im Gegensatz zu den bisher aus Chondrosia-Kollagen gewonnenen Mikropartikeln auch für intravenöse Anwendungen geeignet und haben eine größere Trägerkapazität. Die hergestellten Nanopartikel wurden adsorptiv mit dem Wirkstoff 17?-Estradiol-Hemihydrat beladen. In Abhängigkeit von der eingesetzten Stoffkonzentration (1,25 bis 5,0 mg/ml) konnten Beladungsraten von bis zu 13,1% erzielt werden. Die Stabilitätsprüfung von wässrigen Partikelsuspensionen ergab nach 180 Tagen Einlagerung eine auf 7 bis 8% reduzierte Beladungsrate. Nach Inkorporation der beladenen Partikel in eine Hydrogelgrundlage wurde die transdermale Bioverfügbarkeit des Arzneistoffs im Rahmen der Hormonersatztherapie bei postmenopausalen Frauen untersucht. SKNP-Gele mit einer Estradiolkonzentration in Höhe von 0,06% wurden mit gleichkonzentrierten partikelfreien Gelen verglichen. In den Speichelproben der Patientinnen konnten nach täglicher einmaliger Applikation des Nanopartikelgels nach 28 Tagen signifikant höhere Estradiolkonzentrationen gemessen werden. Die ermittelten Flächen unter den Konzentrations-Zeit-Kurven (AUC) über 24 h nach der einmaligen topischen Applikation von 0,75 mg Estradiol waren um das 2,3 bis 3,4-fache höher als die entsprechenden AUC-Werte des Vergleichsgels. 24 h nach Auftragen des Gels lagen die Estradiolspiegel des Vergleichsgels in etwa wieder auf Höhe der Basalwerte, wohingegen die Estradiolwerte nach Applikation des SKNP-Gels zum gleichen Messzeitpunkt mindestens doppelt so hoch waren. Somit konnten bei Anwendung der SKNP-Zubereitung eine deutlich erhöhte transdermale Estradiolabsorption und eine verlängerte Arzneistoffwirkung beobachtet werden. Das nanopartikuläre Trägersystem aus Chondrosia-Kollagen stellt damit eine vielversprechende Möglichkeit zur Erhöhung der transdermalen Bioverfügbarkeit von lipophilen, schlecht resorbierbaren Wirkstoffen dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Formulierung für einen magensaftresistenten Überzug mit Chondrosia-Kollagen als Filmbildner entwickelt. Die Sprühsuspension bestand aus 15% gefriergetrocknetem Kollagen, dem Weichmacher Triethylcitrat (1,5%), dem Trennmittel Talkum (7,5%) und Wasser. Der Coating-Prozess wurde in einem Dragierkessel mit Placebotabletten durchgeführt. In regelmäßigen Abständen wurden Tabletten-Stichproben entnommen, um die erforderliche Kollagenschichtdicke für eine Magensaftresistenz zu bestimmen. Tabletten mit einer Kollagenauftragsmenge von 12,9 mg/cm2 entsprachen der Prüfung auf Magensaftresistenz gemäß Europäischem Arzneibuch. Die Widerstandsdauer in 0,1 M Salzsäure betrug mehr als 2 h und der Zerfall in Phosphatpufferlösung pH 6,8 höchstens 10 min. Rasterelektronenmikrosko-pische Aufnahmen bei unterschiedlichen Vergrößerungen zeigten eine gleichmäßige und glatte beschichtete Oberfläche. Das Auftragsverfahren im Dragierkessel erwies sich als reproduzierbar. Die mechanischen Eigenschaften der überzogenen Tabletten waren zufriedenstellend und die Magensaftresistenz wurde durch eine 6-monatige Lagerung nicht beeinträchtigt. Als Naturprodukt eignet sich Schwammkollagen als Überzugsmaterial für Nichtarzneimittel. Der schnelle Zerfall des Kollagenüberzugs in neutraler Pufferlösung stellt einen Vorteil gegenüber den häufig verwendeten Schellacküberzügen dar, die sich im Darmtrakt zu langsam auflösen und daher nicht selten mit synthetischen Polymeren kombiniert werden.

Biophysical studies on LmrA : a multidrug resistance ABC transporter / von Ute A. Hellmich (2010)

Ute Hellmich

LmrA is a member of the ATP Binding Cassette (ABC) transporter family of membrane proteins and a structural and functional homologue of P-glycoprotein1, 2. ABC-transporters share a common architecture of two transmembrane domains and two nucleotide binding domains. The NBDs are highly conserved in this transporter family whereas the TMDs are highly diverse3. The TMDs recognize the substrate and the NBDs bind and hydrolyze ATP and thus contribute the energy for substrate translocation. ABC transporters as a protein family transport a high number of substrates including peptides, nutrients, ions, bile acids, lipids and other lipophilic compounds. LmrA is a multidrug transporter that recognizes a number of hydrophobic substrates including fluorescent dyes and antibiotics1, 4-6. LmrA is a native protein of the gram-positive bacterium Lactococcus lactis. In this thesis, L. lactis was used as a homologous expression host for the preparation of LmrA for a variety of experiments. Wildtype LmrA as well as a number of cysteine mutants were successfully expressed in L. lactis, purified and subsequently characterized by a variety of biochemical assays (Chapter 4). LmrA can be expressed to very high amounts in L. lactis. The purification and reconstitution were optimized for the requirements of solid-state NMR experiments in this thesis. For the first time, an ABC transporter has been reconstituted in synthetic lipids to a ratio of up to 1:150 (mol/mol). LmrA was shown to be active under magic angle spinning conditions with these reconstitution ratios. By taking advantage of the slower ATP hydrolysis by LmrA ΔK388 (lysine deletion in the Walker A motif), a real-time 31P solid-state NMR ATPase assay was established (Chapter 5). This assay allowed, for the first time, the investigation of all phosphor nuclei during the ATP hydrolysis cycle of a membrane protein simultaneously and in real time7. This assay has been successfully adapted to investigate both ATP hydrolysis and substrate phosphorylation of diacylglycerol kinase (together with S. Wollschlag) and ATP hydrolysis at high temperatures of the thermophilic ABC transporter ABC1 from Thermos thermophilus (together with A. Zutz). In the course of this thesis, the gene for LmrA has been cloned into expression vectors suitable for Escherichia coli and the heterologous expression of LmrA was established (Chapter 4). The functionality of the heterologously expressed protein has been investigated and compared to L. lactis LmrA. In these experiments, LmrA was shown to yield a distinct multidrug resistance phenotype in its E. coli host and to show secondary active multidrug transport in the absence of ATP and presence of a proton gradient [Hellmich et al, in prep] (Chapter 4). Previously, it had been shown that LmrA acts as a seconadary active transporter when the NBDs are truncated8. The overexpression in minimal and defined medium and the purification of LmrA from E. coli have been optimized. Isotope labeling for ssNMR has been established and the first multinuclear ssNMR experiments have been carried out on a functional ABC transporter (Chapter 8). ABC transporters couple two cycles: upon ATP binding, the NBDs dimerize, hydrolyze the ATP, subsequently release Pi and ADP and finally dissociate. During this cycle, conformational changes are relayed to the TMDs which utilize the energy from ATP binding and/or hydrolysis to translocate the respective substrate. The prehydrolysis state can be trapped by beryllium fluoride, whereas the post-hydrolysis state of this cycle can be trapped by vanadate9-12. Trapping protocols for these reagents were successfully established for LmrA in this thesis (Chapter 4). This allowed for the investigation of different catalytic states by both ssNMR and EPR. A general 19F labeling protocol for membrane proteins has been established in the course of this thesis and successfully applied to proteorhodopsin (together with N. Pfleger)13 and LmrA (chapter 6). Single cysteine mutants of LmrA that line out the dimer interface have been labeled with a fluorine label for ssNMR. In the apo state, the 19F labeling indicates highly flexible transmembrane domains, a finding that is supported by 13C ssNMR and EPR measurements. The addition of drugs has a different effect on different positions within the LmrA dimer, therefore indicating that different drugs are recognized at a different position within the protein. For P-glycoprotein and LmrA it has been previously shown by biochemical methods that different drug binding sites co-exist. For a 19F label attached at position 314 (LmrA E314C), the spectra showed two distinct peaks with similar populations. This could hint towards a structural asymmetry within the LmrA dimer that might also be reflected in the alternating ATP hydrolysis at the NBDs. E314 has been specifically implicated with drug transport. Thus, structural asymmetry at this position might be functionally relevant for guiding a substrate through the transporter. Structural asymmetry within a homodimeric ABC transporter has also been shown for BtuCD, the E. coli vitamin B12 importer14. In addition, the conserved glutamates in EmrE, a small multidrug resistance protein, were shown to be asymmetric in the drug bound state15. Both, uniformly 13C/15N labeled as well as selectively amino acid type labeled LmrA has been investigated in different conformational states. Interestingly, significant dynamic changes in the b-sheet regions of LmrA (confined to the NBDs) were observed in the pre-hydrolysis (beryllium fluoride) and transition state (vanadate trapped) state. These were interpreted as the transition from a domain in fast conformational exchange in the apo state to one of intermediate exchange in the nucleotide bound state. A significant change in NBD mobility upon nucleotide binding was previously also shown with 2H ssNMR on LmrA16. By EPR it was shown that LmrA in both the vanadate and BeFx trapped states displays a significantly higher rigidity and therefore defined distances, whereas the apo state resembled a “floppy” protein with no preferred distance distribution. This concurs with data obtained from 19F ssNMR with fluorine labeled single-cysteine mutants. Here, in agreement with the EPR data, a higher label (and possibly) protein mobility was observed in the apo state displaying rather broad line widths. Upon trapping with vanadate, the line widths of the majority of fluorine-labeled mutants decreased due to an enhanced protein rigidity and a more homogenous environment of the fluorine labels. A similar observation was made when increasing the temperature that can be explained due to higher protein flexibility at increased temperatures. Solution NMR was employed to investigate the isolated soluble NBD of LmrA (Chapter 9). First 2D and 3D spectra were successfully obtained and could be utilized for a preliminary assignment of a significant fraction of residues. Additionally, binding of ATP and ADP in absence and presence of magnesium was investigated. Finally, the effects of peptides emulating the coupling helices of the full-length transporter on the soluble NBD were investigated. Strikingly, binding of one of these peptides only occurred in the presence of nucleotides (whereas the other showed no binding at all) hinting towards a tightly coupled regulation of the NBD and TMD during the substrate translocation/ATP hydrolysis cycle based on nucleotide binding.

Zelluläre Vakzine zur Induktion therapeutisch wirksamer antitumoraler Immunität (2010)

Ute Elisabeth Burkhardt

Krebszellen zeichnen sich häufig durch Expression von tumorassoziierten Antigenen aus, über die grundsätzlich eine spezifische Erkennung durch das Immunsystem möglich ist. Ansätze zur Immuntherapie von Krebserkrankungen zielen darauf ab, das Potential der körpereigenen Immunabwehr zur Tumorabwehr auszunutzen. Für die Aktivierung von tumorspezifischen T-Zellen ist die Präsentation von Peptidepitopen eines Tumorantigens zusammen mit effizienter Kostimulierung durch professionelle antigenpräsentierende Zellen (APCs), insbesondere dendritische Zellen (DCs), entscheidend. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden zur Induktion einer spezifischen Immunantwort gegen das tumorassoziierte Antigen ErbB2/HER2 neuartige zelluläre Vakzine generiert und ihre Aktivität in der Therapie bestehender ErbB2-exprimierender Tumoren analysiert. ErbB2 ist ein Mitglied der epidermalen Wachstumsfaktorrezeptorfamilie und wird von vielen humanen Tumoren epithelialen Ursprungs überexprimiert. Als Rezeptortyrosinkinase ist ErbB2 direkt an der Tumorpathogenese beteiligt und stellt eine wichtige Zielstruktur für unterschiedliche immuntherapeutische Ansätze dar. In Vorarbeiten der Arbeitsgruppe wurde ein chimäres Tumorvakzin entwickelt, das über die extrazelluläre Domäne des humanen B7-Liganden CTLA-4 die spezifische Beladung von B7-exprimierenden APCs mit einem immunogenen Abschnitt des humanen ErbB2 (HER2/neu) in vivo ermöglicht. Die Immunisierung von naiven Mäusen mit DNA-Vektoren, die für sekretierte CTLA-4-ErbB2 Fusionspoteine kodieren, induzierte in den vorangegangenen Arbeiten eine protektive Immunität gegen anschließend injizierte ErbB2-exprimierende murine Nierenkarzinomzellen (Renca-lacZ/ErbB2). Allerdings war eine therapeutische Vakzinierung mit den DNA-Vektoren gegenüber bereits bestehenden Tumoren nicht mehr wirksam. Zur Erhöhung der therapeutischen Wirksamkeit des CTLA-4-ErbB2 Tumorvakzins wurde in dieser Doktorarbeit eine alternative Behandlungsstrategie entwickelt, bei der das APC-spezifische Fusionsprotein durch ein zelluläres Vakzin in vivo zur Verfügung gestellt wird. Durch stabile Transfektion der aus BALB/c Mäusen stammenden nicht tumorigenen Mammaepithelzelllinie HC11 mit einem CTLA-4-ErbB2 kodierenden DNA-Konstrukt wurde dazu das klonale zelluläre Vakzin HC11/CTLA-4-ErbB2 abgeleitet und funktionell charakterisiert. Von diesem Zellvakzin wurde anhaltend CTLA-4-ErbB2 Fusionsprotein in das umgebende Milieu sezerniert, das in der Lage war, effizient an B7-exprimierende Zellen zu binden. Die dreimalige Immunisierung mit dem zellulären HC11/CTLA-4-ErbB2 Vakzin im wöchentlichen Intervall löste im immunkompetenten BALB/c Mausmodell eine ErbB2-spezifische Immunantwort aus. Mit Hilfe des bereits zuvor in den prophylaktischen DNA-Vakzinierungsexperimenten eingesetzten BALB/c Renca-lacZ/ErbB2 Tumortransplantationsmodells wurde zunächst untersucht, ob das zelluläre HC11/CTLA-4-ErbB2 Vakzin einen Einfluss auf das Wachstum von etablierten ErbB2-exprimierenden Tumoren hat. Die Inokulation des Vakzins in die Nähe von subkutan wachsenden Renca-lacZ/ErbB2 Tumoren führte in BALB/c Mäusen zu einer kompletten Tumorregression in der Mehrzahl der behandelten Tiere. Dabei war der antitumorale Effekt von der starken Induktion ErbB2-spezifischer Antikörper und einer mäßigen ErbB2-spezifischen Aktivität systemischer zytotoxischer T-Zellen begleitet. Durch Vakzinierung und Tumorabstoßung wurde ein Langzeitschutz induziert, der die erneute Abstoßung einer zwei Monate nach dem Primärtumor systemisch applizieren letalen Dosis von Renca-lacZ/ErbB2 Tumorzellen bewirkte. Die Vakzinierung mit HC11/CTLA-4-ErbB2 hatte keinen Einfluss auf das Wachstum ErbB2-negativer Tumorzellen. Ebenso führte die Behandlung mit HC11 Zellen, die ein irrelevantes CTLA-4 Fusionsprotein sezernieren, nicht zur Abstoßung von RencalacZ/ ErbB2 Tumoren. Diese Resultate bestätigen die antigenspezifische Wirkung des zellulären HC11/CTLA-4-ErbB2 Vakzins. Für die Evaluierung von ErbB2-spezifischen Immuntherapien stehen eine Reihe transgener Mausmodelle zur Verfügung, welche die Untersuchung des Einflusses einer bestehenden immunologischen Toleranz gegenüber humanem ErbB2 auf die therapeutische Aktivität zulassen. Ein gut etabliertes und häufig verwendetes Tiermodell sind dabei transgene WAP-Her-2 Mäuse, für die der humane ErbB2-Rezeptor ein Selbstantigen darstellt. In dieser Arbeit wurden durch Kreuzung mit BALB/c WAP-Her-2 F1 Mäuse mit einem genetischen CB6F1 Hintergrund erzeugt. Diese Tiere wiesen eine ausgeprägte immunologische Toleranz gegenüber humanem ErbB2 auf und eigneten sich somit für die Analyse der Aktivität des zellulären HC11/CTLA-4-ErbB2 Vakzins in einem physiologisch relevanten Kontext. Eine therapeutische Vakzinierung mit dem ursprünglichen HC11/CTLA-4-ErbB2 Vakzin führte in diesen WAP-Her-2 F1 Tieren nicht zu einer Abstoßung von Renca-lacZ/ErbB2 Tumoren. Zur Erhöhung der Effektivität von HC11/CTLA-4-ErbB2 in der Therapie von ErbB2-positiven Tumoren in immunologisch toleranten Mäusen wurde daher ein ähnliches zelluläres Vakzin generiert, das zusätzlich das immunmodulatorische Zytokin IL-15 sezerniert. Im Gegensatz zu HC11/CTLA-4-ErbB2 war das optimierte zelluläre HC11/CTLA-4-ErbB2/IL-15 Vakzin auch in immuntoleranten WAP-Her-2 F1 Mäusen therapeutisch wirksam und verzögerte signifikant das Wachstum von ErbB2-exprimierenden Tumoren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die andauernde Expression und Sekretion des APC-spezifischen CTLA-4-ErbB2 Fusionsproteins durch peritumoral injizierte Epithelzellen eine wirksame antigenspezifische Immunantwort und antitumorale Aktivität gegen etablierte Tumoren induzieren kann. Es ist wahrscheinlich, dass sich ähnliche Zellvakzine auch in menschlichen Krebspatienten als wirksam und nützlich erweisen können. Eine weitere Entwicklung dieses Ansatzes hin zu einer klinisch anwendbaren Immuntherapie erscheint daher sinnvoll.

Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)

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