610 Medizin und Gesundheit
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NK cells are part of the innate immune system, and are important players in the body’s first defence line against virus-infected and malignantly transformed cells. While T cells recognize neoplastic cells in an MHC-restricted fashion, NK cells do not require prior sensitization and education about the target. In leukemia and lymphoma patients undergoing allogeneic hematopoietic stem cell transplantation not only T cells but also NK cells have been found to mediate potent graft-versus-tumor effects. Hence, autologous or donor-derived NK cells hold great promise for cancer immunotherapy. Since the generation of highly purified NK cell products for clinical applications is labor-intensive and time consuming, established human NK cell lines such as NK-92 are also being considered for clinical protocols. NK-92 cells display phenotypic and functional characteristics similar to activated primary NK cells. While NK-92 cells are highly cytotoxic towards malignant cells of hematologic origin, they do not affect healthy human tissues. NK-92 cells can be expanded under GMP-compliant conditions, and can therefore be provided in sufficient numbers with defined phenotypic characteristics for clinical applications. Safety of NK-92 cells for adoptive immunotherapy was already shown in two phase I/II clinical trials...
Tumoren epithelialen Ursprungs weisen häufig eine vermehrte Expression und/oder Mutationen des epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors (EGFR) auf. Durch die übermäßig starke bzw. permanente Vermittlung von Überlebens- und Proliferationssignalen an die betroffene Zelle trägt dies direkt zum Voranschreiten der Tumorerkrankung bei. Für eine Reihe von Tumorentitäten ist bekannt, dass eine abnorme Expression von EGFR mit einer schlechteren Prognose für den Krankheitsverlauf und die mittlere Überlebenszeit betroffener Krebspatienten korreliert. Begleitend zur systemischen Chemotherapie solcher Tumoren wird eine gerichtete Therapie zur Eindämmung der EGFR-vermittelten Signaltransduktion durch den Einsatz von Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKI) oder EGFR-spezifischer monoklonaler Antikörper (mAb) erzielt. Bei der therapeutischen Anwendung monoklonaler anti-EGFR Antikörper wurden in einigen Fällen lediglich milde Nebenwirkungen wie z.B. Hautausschläge beobachtet, wobei das Auftreten dieser Effekte mit dem Therapieerfolg korrelierte. Eine Reihe von monoklonalen Antikörpern, die gegen ErbB Rezeptor-Tyrosinkinasen gerichtet sind, sind mittlerweile zur Tumortherapie zugelassen, darunter der chimäre anti-EGFR Antikörper Cetuximab (Erbitux®, ImClone/BMS/Merck) zur Behandlung von metastasierenden Kolonkarzinomen sowie Karzinomen des Kopf- und Halsbereichs, der humane anti-EGFR Antikörper Panitumumab (Vectibix®, Amgen) bei metastasierenden Kolonkarzinomen, und der humanisierte anti-ErbB2 Antikörper Trastuzumab (Herceptin®, Genentech/Roche) bei Brustkrebs. Weitere Antikörper befinden sich derzeit in fortgeschrittenen Phasen der klinischen Entwicklung, darunter der humanisierte anti-EGFR Antikörper Matuzumab (Merck/Takeda). Klinische Daten zeigen, dass Patienten mit EGFR positiven Tumoren, die gegenüber etablierter Chemotherapie resistent sind, von der Behandlung mit anti-EGFR Antikörpern profitieren. Durch aktivierte EGF-Rezeptoren induzierte mitogene Signale werden vermindert bzw. blockiert, indem die Antikörper mit hoher Affinität an ErbB Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden und die Ligandenbindung bzw. die Dimerisierung verhindern, die zur Bildung aktivierter Rezeptor Dimere nötig ist. Auf diese Weise wird die mitogene Signalübertragung aktivierter ErbB-Rezeptor Dimere verhindert und die Proliferation der Tumorzelle wird verlangsamt oder kommt zum Stillstand. Es gibt Hinweise, dass darüber hinaus sekundäre Effektormechanismen des Immunsystems wie die antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC) oder die komplementabhängige Zytotoxizität (CDC) gegen Antikörper-markierte Tumorzellen die anti-tumorale Wirksamkeit dieser Antikörper noch verstärken. Die lebensverlängernde Wirkung der Behandlung mit diesen Antikörpern ist ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung einer zielgerichteten Krebstherapie durch passive Immuntherapie. Zu Beginn dieser Arbeit waren die genauen Bindungsstellen der therapeutischen anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab noch unbekannt. Die Kenntnis der Lage der Epitope auf dem EGFR Molekül könnte wichtige Hinweise zur Aufklärung der Wirkungsmechanismen dieser Antikörper liefern und Ansätze zur weiteren Optimierung dieser Therapeutika aufzeigen. Aus vorangegangenen Experimenten war bekannt, dass Cetuximab und Matuzumab Epitope auf dem EGFR erkennen, die eine intakte Raumstruktur des Rezeptors voraussetzen. Diese Beobachtungen konnten in dieser Arbeit bestätigt werden, ferner konnte die Lage der Epitope auf die EGFR Ektodomäne III/L2 eingegrenzt werden. Da sowohl Cetuximab als auch Matuzumab nicht-lineare, konformationelle Epitope erkennen, wurde eine Variante der Phage Display Methode zur Identifizierung von Peptiden gewählt, die mit den hypervariablen Regionen (CDR) dieser Antikörper interagieren, welche die Bindungsspezifität der Antikörper vermitteln. Ziel dieser Experimente war die Identifizierung von Peptiden, welche die konformationellen Epitope von Cetuximab bzw. Matuzumab in linearer bzw. zyklisch restringierter Form nachbilden. Die Aminosäuresequenzen solcher sogenannter Mimotope könnten zur Identifizierung entsprechender Oberflächenstrukturen am EGFR Molekül herangezogen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden aus kommerziell erhältlichen Bibliotheken genetisch modifizierter M13 Bakteriophagen, die randomisierte lineare bzw. zyklische Peptide als N-terminale Fusion am Oberflächenprotein pIII exponieren (M13KE), unter Anwendung der „Delayed Infectivity Panning“ (DIP) Methode Peptide angereichert, die von Cetuximab bzw. Maztuzumab erkannt werden. Zur Anreicherung von M13KE Bakteriophagen mit CDR-spezifischen Fusionspeptiden mittels DIP wurde zunächst ein „single-chain“ Antikörperfragment aus der cDNA von Matuzumab konstruiert und in den bakteriellen Expressionsvektor pIB-Tx kloniert. Mit dem resultierenden Konstrukt pIB-Tx-scFv(E72K) bzw. dem bereits vorhandenen analogen Konstrukt pIB-Tx-scFv(225), welches das „single-chain“ Antikörperfragment von Cetuximab enthält, wurden E. coli HB101 Bakterien transformiert, um die bakterielle Oberflächenexpression dieser Antikörperfragmente zum Einsatz in DIP Experimenten zu erreichen. In alternierenden positiven und negativen Selektionsrunden wurden unter Einsatz dieser scFv-exprimierenden E. coli HB101 Bakterien in Biopanning Experimenten Phagen mit solchen Fusionspeptiden angereichert, die selektiv an die „single-chain“ Antikörperfragmente von Cetuximab bzw. Matuzumab binden. Phagen ELISA Experimente mit M13KE Einzelklonen zeigten, dass aus allen eingesetzten Bibliotheken Phagen mit Fusionspeptiden isoliert werden konnten, die an den jeweiligen parentalen Antikörper des zur Selektion eingesetzten „single-chain“ Antikörperfragmentes binden. Ein Teil der Phagenklone wies eine zumindest partielle Kreuzreaktivität zu dem entsprechenden anderen anti-EGFR Antikörper auf, obwohl sie auf Bindung an diesen nicht selektioniert worden waren. Die Sequenzanalyse der Fusionspeptide lieferte keine gemeinsame Consensus Sequenz, es konnten jedoch kurze, gemeinsame Sequenzmotive identifiziert werden. In MTT-Zytotoxizitätsassays wurden diese Klone als mögliche Kompetitoren der Bindung des gegen EGFR gerichteten Immuntoxins scFv(225)-ETA in MTT-Zytotoxizitätsassays eingesetzt. Ein Teil der selektionierten Fusionspeptide war in der Lage, die Bindung der aus dem „single-chain“ Antikörperfragment von Cetuximab scFv(225) bestehenden Zellbindungsdomäne des Immuntoxins scFv(225)-ETA an EGFR exprimierende Zellen zu kompetieren. Auch für einige Fusionspeptide, die zunächst nur auf Bindung an Matuzumab selektioniert worden waren, wurde dies beobachtet. Peptide, welche die Bindung des Immuntoxins an EGFR kompetieren, weisen in ihren pIII-Fusionspeptiden laut Sequenzanalyse die gemeinsamen Sequenzmotive KTL bzw. YPLG auf. Nach einem Abgleich der Sequenzen der kompetierenden, kreuzreaktiven Peptide mit KTL bzw. YPLG Motiven wurden zwei Peptide ausgewählt und zur Immunisierung von Kaninchen eingesetzt. In MTT-Zytotoxizitätsassays wurde zunächst bestätigt, dass die synthetischen Peptide in der Lage sind, durch Kompetition spezifisch die Bindung des gegen EGFR gerichteten Immuntoxins scFv(225)-ETA und dessen zytotoxische Wirkung auf EGFR exprimierende Zellen zu verhindern. Kaninchenseren und aus diesen affinitätsgereinigte anti-Peptid Antikörper zeigten in ELISA Experimenten konzentrationsabhängige Bindung an die immobilisierten synthetischen Peptide. Die Bindung der anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab an die synthetischen Peptide konnte ebenfalls bestätigt werden. In einer Reihe von Experimenten wurde untersucht, ob die Immunisierung mit potentiellen Mimotopen der anti-EGFR Antikörper eine endogene humorale Immunantwort gegen den humanen EGFR bewirkt hatte. Die Bindung der affinitätsgereinigten anti-Peptid Antikörper an den Rezeptor auf der Oberfläche EGFR-exprimierender Tumorzellen wurde zunächst in Durchflusszytometrie (FACS) Experimenten analysiert. Für die gereinigten anti-Peptid Antikörper wurde spezifische Bindung an murine Renca-lacZ/EGFR Zellen sowie an humane A431 Vulvakarzinomzellen detektiert, die den humanen EGFR auf der Oberfläche exprimieren. Die Bindung an A431 konnte durch Vorinkubation der Antikörper mit einem Überschuss der entsprechenden synthetischen Peptide vollständig verhindert werden. In einer weiteren Serie von FACS Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Bindung der Antikörper Cetuximab und Matuzumab an EGFR durch eine Vorinkubation von Renca-lacZ/EGFR Zellen mit den gereinigten anti-Peptid Antikörpern deutlich reduziert werden konnte. Dies ist ein Beweis für die Fähigkeit der in Immunisierungsexperimenten generierten anti-Peptid Antikörper, die Bindungsstellen von Cetuximab und Matuzumab am EGFR zumindest teilweise zu besetzen. Diese Beobachtungen zeigen, dass durch Immunisierung mit den hier ausgewählten synthetischen Peptiden in Versuchstieren die Bildung von Antikörpern mit ähnlichen Eigenschaften wie Cetuximab bzw. Matuzumab und somit eine endogene Immunantwort gegen den humanen EGFR ausgelöst werden konnte. In Immunfluoreszenz Experimenten wurde die Bindung der anti-Peptid Antikörper an Renca-lacZ/EGFR Zellen erneut überprüft und mittels konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) visualisiert. In diesen Experimenten wurde für gereinigte anti-Peptid Antikörper (KTL Motiv bzw. YPLG Motiv) Bindung an die Zelloberfläche bzw. membrannahe intrazelluläre Strukturen beobachtet, die der Lokalisierung der Bindungssignale der parallel getesteten anti-EGFR Antikörper Cetuximab, Matuzumab und dem murinen anti-EGFR Antikörper R-1 entsprach. Die Bindung der anti-Peptid Antikörper konnte durch Zugabe eines Überschusses der jeweiligen synthetischen Peptide verhindet werden. In einer weiteren Serie von Immunfluoreszenz Experimenten wurde der humane EGFR auf Renca-lacZ/EGFR Zellen gleichzeitig mit anti-KTL bzw. anti-YPLG Peptid Antikörpern aus Kaninchen sowie dem murinen anti-EGFR Antikörper R-1 detektiert. Durch eine Überlagerung der Signale konnte eindeutig eine Kolokalisation nachgewiesen werden. Dies ist ein Beweis dafür, dass es sich bei der Bindung der anti-Peptid Antikörper an die Oberfläche von Renca-lacZ/EGFR um Bindung an den humanen EGFR handelt. In Lysaten von EGFR exprimierenden Zelllinien konnte mit gereinigten anti-Peptid Antikörpern ein Protein detektiert werden, dessen Größe dem humanen EGFR entspricht. Die durch Stimulation des humanen EGFR mit dem natürlichen Peptidliganden EGF hervorgerufene Autophosphorylierung des Rezeptors in A431 Zellen konnte durch Zugabe von anti-Peptid Antikörpern teilweise inhibiert werden, allerdings nicht in dem gleichen Ausmaß, wie dies für die als Positivkontrollen eingesetzten anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab beobachtet wurde. In MTT-Zytotoxizitätsassays konnte darüber hinaus eine teilweise Kompetition der Bindung des rekombinanten Toxins TGF!-ETA an EGFR-exprimierende A431 Zellen, und somit eine teilweise Kompetition des natürlichen Peptidliganden TGF! an EGFR durch Vorinkubation mit anti-Peptid Antikörpern nachgewiesen werden. Zur näherungsweisen Quantifizierung der Affinitäten der anti-Peptid Antikörper und der anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab für die synthetischen Peptide (KTL Motiv und YPLG Motiv) bzw. für die gereinigte extrazelluläre Domäne des humanen EGFR (sEGFR) wurden ELISA Bindungstests durchgeführt. Die aus den Bindungskurven berechneten Affinitätswerte zeigen, dass die anti-Peptid Antikörper an sEGFR im nanomolaren Bereich binden und damit ca. 200-fach niedrigere Affinitäten für den Rezeptor besitzen als die affinitätsoptimierten anti-EGFR Antikörper Cetuximab bzw. Matuzumab. Die Affinitäten der anti- Peptid Antikörper für die synthetischen Peptide liegen ebenfalls im nanomolaren Bereich, während Cetuximab und Matuzumab lediglich mikromolare Affinitäten für die Peptide besitzen. Durch „Epitope Mapping“ in silico vorhergesagte mögliche Oberflächenstrukturen auf EGFR, welche die Peptidmimotope mit KTL bzw. YPLG Motiven nachbilden, sind direkt benachbart zu den mittlerweile publizierten Bindungsstellen von Matuzumab und Cetuximab bzw. EGF in der Ektodomäne III/L2 von EGFR (Li et al., 2005; Schmiedel et al., 2008) und zeigten im Falle des Peptides mit KTL Motiv Übereinstimungen mit Teilen beider Epitope. Möglicherweise ist dieses Peptid in der Lage, alternative Strukturen mit KTL bzw. KTI Motiven an der Oberfläche von EGFR nachzubilden, die Gemeinsamkeiten mit beiden Epitopen von Cetuximab bzw. Matuzumab besitzen und daher von beiden Antikörpern erkannt werden können. Eine endgültige Klärung der Bindung der hier identifizierten Peptide an Cetuximab bzw. Matuzumab bzw. der Bindung der anti-Peptid Antikörper an EGFR könnte in nachfolgenden Untersuchungen mittels Röntgenkristallographie bzw. NMR strukturell aufgeklärt werden – die hierzu nötigen Peptide bzw. Proteine liegen bereits in gereinigter Form vor. Eine Optimierung der hier identifizierten Mimotope zur Steigerung der Affinitäten der induzierten anti-Peptid Antikörper für EGFR könnte zur Entwickung von Vakzinen führen, die eine Alternative zur wiederholten, kostenintensiven passiven Immunisierung von Patienten mit EGFR-exprimierenden Tumoren mit monoklonalen Antikörpern darstellen könnte.
Introduction: Amniotic fluid harbors cells indicative of all three germ layers, and pluripotent fetal amniotic fluid stem cells (AFSs) are considered potentially valuable for applications in cellular therapy and tissue engineering. We investigated whether it is possible to direct the cell fate of AFSs in vivo by transplantation experiments into a particular microenvironment, the mammary fat pad. This microenvironment provides the prerequisites to study stem cell function and the communication between mesenchymal and epithelial cells. On clearance of the endogenous epithelium, the ductal tree can be reconstituted by the transfer of exogenously provided mammary stem cells. Analogously, exogenously provided stem cells from other tissues can be investigated for their potential to contribute to mammary gland regeneration. Methods: We derived pluripotent murine AFSs, measured the expression of stem cell markers, and confirmed their in vitro differentiation potential. AFSs were transplanted into cleared and non cleared fat pads of immunocompromised mice to evaluate their ability to assume particular cell fates under the instructive conditions of the fat-pad microenvironment and the hormonal stimulation during pregnancy. Results: Transplantation of AFSs into cleared fat pads alone or in the presence of exogenous mammary epithelial cells caused their differentiation into stroma and adipocytes and replaced endogenous mesenchymal components surrounding the ducts in co-transplantation experiments. Similarly, transplantation of AFSs into fat pads that had not been previously cleared led to AFS-derived stromal cells surrounding the elongating endogenous ducts. AFSs expressed the marker protein α-SMA, but did not integrate into the myoepithelial cell layer of the ducts in virgin mice. With pregnancy, a small number of AFS-derived cells were present in acinar structures. Conclusions: Our data demonstrate that the microenvironmental cues of the mammary fat pad cause AFSs to participate in mammary gland regeneration by providing mesenchymal components to emerging glandular structures, but do not incorporate or differentiate into ductal epithelial cells.
Für eine erfolgreiche Gentherapie ist zunächst ein effizientes Gentransfersystem nötig, das das Transgen in möglichst vielen Zellen einbaut und es aktiv hält. Damit sich dann der Anteil der geschützten Zellen vergrößert, muss eine Selektivität der genmodifizierten Zellen gegenüber den nativen Zellen gegeben sein, wobei die Sicherheit nicht außer Acht gelassen werden darf, da ein ungünstiger Einbau des Transgens eine Insertionsmutagenese und somit Tumoren induzieren kann. Der durch die Arbeitsgruppe von Laer entwickelte retrovirale Vektor M87o codiert den membranständigen Fusionsinhibitor maC46 (membran-anchored C-Peptid 46), der den Eintritt von HIV (Human Immunodeficiency Virus) in die Zielzelle effektiv verhindert. Diese Gentherapie mit M87o wurde in einer klinischen Studie an T-Lymphozyten von 10 weit fortgeschrittenen AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome)-Patienten durchgeführt, wobei die Therapie gut verträglich war und keine Toxizität zeigte. Allerdings hatten die Patienten auch keinen klaren Vorteil von der Therapie. In der vorliegenden Arbeit wurden SIN Vektoren (Self-inactivating Vektoren) in 5 verschiedenen Konstruktionen getestet, um die optimale Vektordesign zu ermitteln und eine langfristige hohe Expression zu ermöglichen. Da die SIN Vektoren im Vergleich zu konventionellen gammaretroviralen Vektoren ein geringeres Risiko bezüglich der Insertionsmutagenese aufweisen, stellen sie ein sichereres Vektorsystem dar. Um eine bessere Transgenexpression zu erzielen, wurde in den SIN Vektoren entweder ein zellulärer Promotor oder ein viraler SFFV (spleen focus forming virus) als internen Promotor verwendet. Zusätzliche regulatorische Elemente, wie wPRE (Woodchuck Posttranscriptional Regulatory Element), cHS4 (chicken Hypersensitive Site) Insulator und SAR (Scaffold Attachment Region) Element wurden dann in unterschiedlichen Kombinationen zu stärkeren und langanhaltenden Expressionen integriert, wobei wPRE die RNA Prozessierung verbessert und somit die RNA Stabilität erhöht und SAR und cHS4 Insulator dem Silencing entgegenwirken und so die Expression aufrechterhalten. Diese fünf SIN Konfigurationen wurden untereinander und mit dem klassischen gammaretroviralen Vektor M87o bezüglich des Titers, der Expressionsstärke und der Langzeit-Genexpression verglichen. Dazu wurden zunächst humane T-Zelllinien PM-1 und primäre humane T-Zellen als Testzellen verwendet. Die Versuche wurden dann mit murinen T-Zellen wiederholt, die in die immundefiziten Mäuse transplantiert wurden, um die Genexpression in vivo weiter zu verfolgen. Die SIN Konstrukte zeigten jedoch eine deutlich schwächere Expression als die LTR (Long Terminal Repeat)-getriebene Vektoren und nur ein Konstrukt mit dem viralen Promotor und wPRE zeigte eine annähernd so hohe Expression wie die konventionellen Vektoren. Während der virale SFFV Promotor eine höhere Expressionsstärke gegenüber dem zellulären EF1α (Elongationsfaktor 1 alpha) Promotor zeigte, hatte der cHS4 Insulator nur geringfügige Einflüsse sowohl auf den Titer als auch auf die Expressionsstärke. Der Vektor mit dem SAR-Element zeigte zwar die geringsten Titer und Expressionsstärke, aber in Langzeitbeobachtung wies er sowohl in vitro als auch in vivo eine relativ konstante Anzahl von transgenpositiven Zellen auf. SIN Vektoren, in denen mit einer Kombination von wPRE und SAR-Element die RNA Prozessierung verbessert und das methylationsbedingte Silencing verhindert wird, könnten eine weitere Optimierungsmöglichkeit des Gentransfersystems bei der Gentherapie darstellen.
Die maligne Transformation von Zellen beruht auf der Mutation von Genen, die entartete Zellen der regulierenden Wachstumskontrolle entziehen, ihre Versorgung sicher stellen und sie unempfindlich gegen apoptoseinduzierende Signale machen (Hanahan und Weinberg, 2000). Klassische Behandlungsmethoden wie Strahlen- und Chemotherapie wirken häufig über die Aktivierung apoptotischer Signalwege, die jedoch in behandlungsresistenten Tumorzellen blockiert sein können. Das selektive Einbringen proapoptotischer Proteine in Tumorzellen stellt daher eine vielversprechende Strategie zur Umgehung solcher Blockaden dar. In dieser Arbeit wurden tumorspezifische Antikörperfusionsproteine generiert, die humane Zelltod auslösende Proteine als Effektorfunktion enthalten. Das mitochondriale Protein „apoptosis inducing factor“ (AIF) wird durch diverse Apoptosesignale in das Zytoplasma freigesetzt. AIF leitet nach der Translokation in den Zellkern Chromatinkondensation und Degradation der nukleären DNA ein (Cande et al., 2004b). Zur selektiven Einschleusung von zytoplasmatischem AIF (AIF!100) in ErbB2 exprimierende Tumorzellen wurde es an das ErbB2-spezifische „single chain“ Antikörperfragment scFv(FRP5) fusioniert, welches von dem monoklonalen Antikörper FRP5 abgeleitet ist (Wels et al., 1992b). Daneben enthält ein zunächst generiertes AIF!100-DT183-378-5 Fusionsprotein eine Translokationsdomäne aus Diphtherietoxin (AA 183-378) als mögliche „endosome escape“ Aktivität. Diese Domäne sollte der Effektordomäne nach rezeptorvermittelter Aufnahme den Übergang in das Zytoplasma erlauben. Die Expression dieses Moleküls in E. coli und der Hefe Pichia pastoris führte jedoch nicht zu funktionellen AIF!100-DT183-378-5 Proteinen. Daher wurde für nachfolgende Arbeiten ein ähnliches AIF-Fusionsprotein (5-E-AIF!100) aus früheren Arbeiten unserer Gruppe eingesetzt und sein Wirkmechanismus eingehend untersucht. Im Gegensatz zu AIF!100-DT183-378-5 enthält 5-E-AIF!100 die Translokationsdomäne aus Pseudomonas Exotoxin A. Bakteriell exprimiertes, gereinigtes und renaturiertes 5-E-AIF!100 zeigte eine hohe Spezifität für ErbB2 exprimierende Tumorzellen. Im Gegensatz zu unfusioniertem AIF!100 induzierte 5-E-AIF!100 nach Mikroinjektion in das Zytoplasma der Zielzellen keine Apoptose. Dies deutet darauf hin, dass möglicherweise die N-terminale Antikörperdomäne die proapoptotische Aktivität der AIF-Domäne blockiert. Erst die rezeptorvermittelte Aufnahme von 5-E-AIF!100 in Anwesenheit von Chloroquin resultierte in einer hohen Zytotoxizität. Auf diesem Weg wird sehr wahrscheinlich durch proteolytische Spaltung der innerhalb der Translokationsdomäne vorhandenen Furin-Schnittstelle der N-terminale Bereich des Fusionsproteins entfernt. Die eigentliche Translokation der AIF-Domäne findet jedoch ohne die Zugabe endosomolytischer Reagenzien nicht statt, was für eine unzureichende Aktivität der Translokationsdomäne spricht. Die vollständige Entfernung der Translokationsdomäne führte dennoch zu einem AIF-Fusionsprotein, das weder in Abwesenheit noch in Gegenwart von Chloroquin zytotoxisch aktiv ist (Dälken, 2005). Somit ist die in der Translokationsdomäne enthaltene Furin- Schnittstelle sehr wahrscheinlich für die Aktivierung von 5-E-AIF!100 von entscheidender Bedeutung. Im Fall des natürlichen Exotoxin A ist zusätzlich zu der in 5-E-AIF!100 verwendeten Translokationsdomäne ein C-terminales ER-Retentionssignal für einen effizienten Übertritt der katalytisch aktiven Toxindomäne ins Zytoplasma notwendig (Jackson et al., 1999). Das Anfügen eines KDEL-Signals an den C-Terminus von 5-E-AIF!100 führte jedoch nicht zur Erhöhung der „endosome escape“ Aktivität der Translokationsdomäne. Die ladungsabhängige DNA-Bindungsaktivität von AIF ist für die proapoptotische Funktion des Proteins essentiell. Bindung an DNA wurde auch für 5-E-AIF!100 nachgewiesen, und konnte durch Vorinkubation mit negativ geladenem Heparin inhibiert werden. Die Komplexierung mit Heparin führte zu einer erheblichen Reduktion der zytotoxischen Aktivität von 5-E-AIF!100. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist die Abschwächung der Zytotoxizität auf die intrazelluläre Inhibition der AIF/DNA-Interaktion zurückzuführen. Dies bestätigt, dass diese Wechselwirkung für die zelltodinduzierende Eigenschaft von 5-E-AIF!100 von Bedeutung ist. Die Freisetzung Immuntoxin-ähnlicher Proteine, die sich nach rezeptorvermittelter Aufnahme in endosomalen Kompartimenten finden, erfordert häufig die Zugabe endosomolytischer Reagenzien. Um eine von endosomolytischen Reagenzien unabhängige Zytotoxizität der Antikörperfusionsproteine zu erreichen, wurden in dieser Arbeit Möglichkeiten zur Umgehung dieser Abhängigkeit untersucht. Hierzu wurde die Natürliche Killerzelllinie NK-92 eingesetzt. Die Eliminierung von infizierten und transformierten Zellen durch NK-Zellen geschieht hauptsächlich über die Ausschüttung von zytotoxischen Granula, die das porenbildende Protein Perforin und verschiedene Serinproteasen wie Granzym B (GrB) enthalten (Atkinson et al., 1990; Smyth et al., 2001). Dabei ist Perforin für die zytosolische Translokation der Proteasen verantwortlich (Browne et al., 1999). Anhand des Modellproteins Granzym B-scFv(FRP5) (GrB-5) wurde untersucht, ob Antikörperfusionsproteine mit Hilfe von Perforin in das Zytoplasma der Zielzellen gelangen können. GrB-5 wurde in NK-92 Zellen unter Beibehaltung der Spezifität und enzymatischen Aktivität exprimiert. GrB-5 ist wie Wildtyp GrB in zytotoxischen Granula lokalisiert und wird nach der Degranulation sehr wahrscheinlich zusammen mit Perforin sekretiert. Freigesetztes GrB-5 zeigte Bindung an ErbB2 exprimierende Zellen. Zudem wiesen Überstände von aktivierten NK-92 Zellen, die GrB-5 und Perforin enthielten, im Vergleich zu Überständen von Kontrollzellen eine höhere Zytotoxizität gegenüber ErbB2-positiven Tumorzellen auf. Dies lässt darauf schließen, dass GrB-5 in Abwesenheit exogener endosomolytischer Reagenzien durch einen Perforin-vermittelten Mechanismus in die Zielzellen gelangen konnte. Weiterhin wurden NK-92 Zellen generiert, die den GrB-Inhibitor Protease Inhibitor-9 (PI-9) exprimieren. Diese Zellen zeigten im Vergleich zu parentalen Zellen eine höhere Zytotoxizität, die sich auf eine verbesserte Inaktivierung fehlgeleiteter, zytoplasmatischer GrB-Moleküle durch das ektopisch exprimierte PI-9 zurückführen lässt. NK-92-PI-9 Zellen könnten genutzt werden, um größere Mengen von GrB-Fusionsproteinen zu exprimieren, ohne dabei die Zellen durch die Erhöhung der zytoplasmatischen GrB-Konzentration zu gefährden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass AIF für den Einsatz als Effektorfunktion in Immuntoxin-ähnlichen Fusionsproteinen geeignet ist. Die Anwendung von NK-Zellen zur Expression und Sekretion tumorspezifischer Antikörperfusionsproteinen zusammen mit Perforin zeigt einen möglichen Lösungsweg für das generelle Aufnahmeproblem von Immuntoxin-ähnlichen Proteinen. Die erzielten Ergebnisse können nun für die weitere Optimierung humanisierter Antikörperfusionsproteine genutzt werden.
Wichtiger Teilerfolg in der Gentherapie : Interview mit Dr. Marion Gabriele Ott und Dr. Manuel Grez
(2006)
Die Septische Granulomatose (CGD) ist eine seltene Erkrankung, die auf einem genetischen Defekt bestimmter weißer Blutzellen beruht, die darauf spezialisiert sind, in den Körper eingedrungene Pilze und Bakterien aufzuspüren und zu vernichten. Frankfurter Ärzten und Wissenschaftlern um Prof. Dr. Dieter Hoelzer vom Klinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität und Dr. Manuel Grez vom Chemotherapeutischen Forschungsinstitut Georg-Speyer-Haus gelang es, eine intakte Kopie des defekten Gens in Blutstammzellen von zwei erwachsenen CGD-Patienten einzuschleusen und so die Funktion der Fresszellen teilweise wieder herzustellen. Eine vollständige Heilung gelang jedoch nicht – ein Patient verstarb zwei Jahre nach der zunächst erfolgreichen Behandlung an seiner Grunderkrankung. Im Gespräch mit Dr. Anne Hardy berichten Dr. Marion Gabriele Ott (Arbeitsgruppe Hoelzer) und Dr. Manuel Grez (Georg-Speyer-Haus) über die Höhen und Tiefen ihrer gentherapeutischen Forschung.
Analysis of knockout/knockin mice that express a mutant FasL lacking the intracellular domain
(2009)
Fas ligand (FasL; CD178; CD95L) is a type II transmembrane protein belonging to the tumour necrosis factor family; its binding to the Fas receptor (CD95; APO-1) triggers apoptosis in the receptor-bearing cell. Signalling through this pathway plays a pivotal role during the immune response and in immune system homeostasis. Similar to other TNF family members, the intracellular domain has been reported to transmit signals to the inside of the FasL-bearing cell (reverse signalling). Recently, we identified the proteases ADAM10 and SPPL2a as molecules important for the processing of FasL. Protease cleavage releases the intracellular domain, which then is able to translocate to the nucleus and to repress reporter gene activity. To study the physiological importance of FasL reverse signalling in vivo, we established knockout/knockin mice with a FasL deletion mutant that lacks the intracellular portion (FasLDeltaIntra). Co-culture experiments confirmed that the truncated FasL protein is still capable of inducing apoptosis in Fas-sensitive cells. Preliminary immune histochemistry data suggest that, in contrast to published data, the absence of the intracellular FasL domain does not alter the intracellular FasL localization in activated T cells. We are currently investigating signalling and proliferative capacities of T cells derived from homozygous FasLDeltaIntra mice to validate a co-stimulatory role of FasL reverse signalling.
Introduction The prolactin-Janus-kinase-2-signal transducer and activator of transcription-5 (JAK2-STAT5) pathway is essential for the development and functional differentiation of the mammary gland. The pathway also has important roles in mammary tumourigenesis. Prolactin regulated target genes are not yet well defined in tumour cells, and we undertook, to the best of our knowledge, the first large genetic screen of breast cancer cells treated with or without exogenous prolactin. We hypothesise that the identification of these genes should yield insights into the mechanisms by which prolactin participates in cancer formation or progression, and possibly how it regulates normal mammary gland development. Methods We used subtractive hybridisation to identify a number of prolactin-regulated genes in the human mammary carcinoma cell line SKBR3. Northern blotting analysis and luciferase assays identified the gene encoding heat shock protein 90-alpha (HSP90A) as a prolactin-JAK2-STAT5 target gene, whose function was characterised using apoptosis assays. Results We identified a number of new prolactin-regulated genes in breast cancer cells. Focusing on HSP90A, we determined that prolactin increased HSP90A mRNA in cancerous human breast SKBR3 cells and that STAT5B preferentially activated the HSP90A promoter in reporter gene assays. Both prolactin and its downstream protein effector, HSP90α, promote survival, as shown by apoptosis assays and by the addition of the HSP90 inhibitor, 17-allylamino-17-demethoxygeldanamycin (17-AAG), in both untransformed HC11 mammary epithelial cells and SKBR3 breast cancer cells. The constitutive expression of HSP90A, however, sensitised differentiated HC11 cells to starvation-induced wild-type p53-independent apoptosis. Interestingly, in SKBR3 breast cancer cells, HSP90α promoted survival in the presence of serum but appeared to have little effect during starvation. Conclusions In addition to identifying new prolactin-regulated genes in breast cancer cells, we found that prolactin-JAK2-STAT5 induces expression of the HSP90A gene, which encodes the master chaperone of cancer. This identifies one mechanism by which prolactin contributes to breast cancer. Increased expression of HSP90A in breast cancer is correlated with increased cell survival and poor prognosis and HSP90α inhibitors are being tested in clinical trials as a breast cancer treatment. Our results also indicate that HSP90α promotes survival depending on the cellular conditions and state of cellular transformation.
Zur erfolgreichen Behandlung von Tumorerkrankungen sind effiziente Therapien notwendig. Oftmals kommt es nach einer klassischen Tumortherapie zum Auftreten von Rezidiven, die aus residuellen Tumorzellen hervorgehen. Grund hierfür können eine bereits erfolgte Metastasierung oder Resistenzmechanismen der Tumorzellen sein. Auf Grund ihrer Fähigkeit Gewebe aktiv zu infiltrieren bietet der Einsatz zytotoxischer Lymphozyten im Rahmen einer zellulären Immuntherapie den Vorteil, auch bereits metastasierte Tumorzellen zu erreichen. Dadurch können auch Tumorzellen eliminiert werden, die Resistenzmechanismen meist im oberen Teil apoptotischer Signalkaskaden aufweisen. Eine spezifische Ausrichtung zytotoxischer Lymphozyten auf Tumorantigene ist grundsätzlich über chimäre Antigenrezeptoren möglich. Dabei bietet die Generierung von Tumor-spezifischen zytotoxischen Effektorzelllinien den Vorteil, Zellklone mit definierter Aktivität und Spezifität bereitstellen zu können. Im Hinblick auf einen klinischen Einsatz scheint hierfür die Natürliche Killerzelllinie NK-92 besonders geeignet. Die Ergebnisse einer klinischen Studie mit parentalen NK-92 Zellen zeigten eine gute Verträglichkeit ohne Nebenwirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden NK-92 Zellen genetisch so modifiziert, dass sie chimäre Antigenrezeptoren mit Spezifität für die Tumorantigene CD20, EpCAM, GD2 und CD138 exprimieren. In der Tumortherapie stellen das mit Tumoren der B-Zell-Reihe assoziierte CD20-Molekül und das auf den meisten Tumorzellen epithelialen Ursprungs exprimierte EpCAM-Protein wichtige Zielantigene monoklonaler Antikörper dar. Studien zeigten, dass auch die auf Tumorzellen des Neuroblastoms bzw. Multiplen Myeloms exprimierten Moleküle GD2 bzw. CD138 geeignete Angriffspunkte für immuntherapeutische Ansätze sein könnten. Die chimären Antigenrezeptoren sind aus einem Antigenspezifischen scFv-Antikörperfragment aufgebaut, das über ein Fragment der CD8alpha-Kette mit der CD3zeta-Kette als Signaltransduktionsdomäne verbunden ist. Nach retroviraler Transduktion zeigte sich eine hohe und homogene Oberflächenexpression dieser Rezeptoren auf modifizierten NK-92 Zellen. Auf das Oberflächenprotein CD20 ausgerichtete NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen wiesen gegen CD20- positive Tumorzelllinien und primäre Tumorzellen eine hohe zytotoxische Aktivität auf. Im Vergleich waren parentale NK-92 Zellen gegen diese Tumorzellen nicht oder deutlich weniger aktiv. Dabei war die zytotoxische Aktivität der NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen mit dem monoklonalen anti-CD20 Antikörper Rituximab kompetitierbar. Mit Hilfe der gegen parentale und modifizierte NK-92 Zellen resistenten Zelllinie NIH3T3 wurde gezeigt, dass allein über die stabile Expression des CD20-Proteins in NIH3T3 Zellen die Resistenz gegen modifizierte NK-92 Zellen überwunden werden kann. NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen waren in der Lage, CD20-positive NIH3T3-CD20 Zellen auch bei niedrigen E/T-Verhältnissen effizient abzutöten. In Mischkulturen aus NIH3T3 und NIH3T3-CD20 Zellen war zudem eine selektive zytotoxische Aktivität der NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen ausschließlich gegen Antigen-positive Zellen nachweisbar. Über die Analyse von Zellkonjugaten zwischen zytotoxischen Effektorzellen und ihren Zielzellen, deren Bildung grundsätzliche Voraussetzung für eine Eliminierung ist, wurden Hinweise erhalten, dass der chimäre Antigenrezeptor hierzu keinen Beitrag zu leisten scheint, sondern vor allem die anschließende Aktivierung der modifizierten NK-92 Zellen bewirkt. Mit EpCAM-spezifischen NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen war auch bei niedrigen E/T-Verhältnissen eine effiziente Abtötung von unterschiedlichen Tumorzelllinien epithelialen Ursprungs möglich. Eine erfolgreiche Blockierung dieser zytotoxischen Aktivität mit dem monoklonalen Antikörper MOC31 bestätigte, dass diese spezifisch über den chimären Antigenrezeptor vermittelt wurde. Die untersuchten epithelialen Zelllinien erwiesen sich dagegen als vollkommen resistent gegen parentale bzw. mit demleeren Expressionsvektor modifizierte NK-92-Mock Zellen. Weitere Ergebnisse zeigten, dass die zytotoxische Aktivität von NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen tatsächlich über Granzym B vermittelt wird. Eine erhöhte FasL-Oberflächenexpression infolge der Cokultur mit Antigen-positiven Zielzellen war dagegen nicht nachweisbar. Anhand dieser Ergebnisse kann eine signifikante Beteiligung von FasL an der zytotoxischen Aktivität der modifizierten NK-92 Zellen ausgeschlossen werden. Weiterhin wurden therapeutische Effekte von NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen in einem Xenograftmodell in NOD-scid/scid Mäusen mit einer humanen EpCAM-positiven Tumorzelllinie untersucht. Hier wurde im Vergleich zur Kontrollgruppe durch Behandlung mit EpCAM-spezifischen NK-92 Zellen, unerwarteterweise aber auch mit NK-92-Mock Zellen, ein signifikant längeres Überleben der Tiere beobachtet. Nach der Ableitung CD138-spezifischer NK-92-scFv(B-B4)-Zeta Zellen wurde zwar eine hohe zytotoxische Aktivität gegen CD138-positive Zelllinien erhalten. Es war jedoch keine im Vergleich zu parentalen NK-92 Zellen weiter verstärkte Zytotoxizität nachweisbar. Als Ursache hierfür ist eine mangelnde Funktionalität des scFv-Antikörperfragments im Kontext des chimären Antigenrezeptors denkbar. Da die Bindungseigenschaften von scFv-Fragmenten entscheidend durch die Anordnung ihrer schweren und leichten Antikörperketten zueinander beeinflusst werden können, wurden NK-92 Zellen etabliert, die ein scFv-Fragment mit umgekehrter Orientierung der Antikörperketten in ihrem chimären Antigenrezeptor tragen. Diese werden derzeit im Rahmen einer externen Zusammenarbeit auf ihre Funktionalität hin überprüft. Zur Konstruktion gegen das Disialogangliosid GD2 gerichteter chimärer Antigenrezeptoren wurden parallel zwei scFv-Fragmente des Antikörpers ch14.18 eingesetzt, die sich in der Orientierung der schweren und leichten Antikörperketten zueinander unterscheiden. Mit den Antigenrezeptorkonstrukten modifizierte NK-92 Zellen zeigten eine im Vergleich zu parentalen NK-92 und NK-92-Mock Zellen stark erhöhte Zytotoxizität gegen GD2 exprimierende humane Tumorzelllinien. Dabei wurde weder bei der Expressionsdichte der chimären Antigenrezeptoren noch in der zytotoxischen Aktivität modifizierter NK-92 Zellen mit unterschiedlicher Anordnung der variablen Antikörperdomänen im scFv Antikörperfragment ein signifikanter Unterschied beobachtet. Mit der extrazellulären Domäne von CTLA-4 als Modellprotein wurde der mögliche Einsatz einer zu scFv-Antikörperfragmenten alternativen Antigenbindungsdomäne geprüft. CTLA-4 wird normalerweise auf T-Zellen exprimiert und bindet an CD80 bzw. CD86 auf APCs. CD80- und/oder CD86-positive Zielzellen wurden von NK-92-sCTLA-4-Zeta Zellen im Vergleich zu parentalen NK-92 Zellen spezifisch und mit hoher Effizienz lysiert. In Zytotoxizitätsassays wurde mit Hilfe einer sowohl gegen parentale als auch modifizierte NK-92 Zellen resistenten Tumorzelllinie gezeigt, dass allein die stabile Expression des CD86 Proteins in dieser Zelllinie ausreicht, um die Resistenz gegen NK-92-sCTLA-4-Zeta Zellen aufzuheben. Daraus kann geschlossen werden, dass grundsätzlich auch der Einsatz von zu scFv- Antikörperfragmenten alternativen Antigenbindungsdomänen eine spezifische Ausrichtung und effiziente Aktivierung von NK-92 Zellen gewährleistet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die genetische Modifikation der Natürlichen Killerzelllinie NK-92 zur Ausrichtung auf Tumor-spezifische Zielstrukturen einen grundsätzlich geeigneten Ansatz zur Behandlung maligner Erkrankungen darstellt. Eine Weiterentwicklung Antigen-spezifischer NK-92 Derivate als mögliche Zelltherpeutika erscheint daher sinnvoll und vielversprechend.
Objective: Establishment of an immunocompetent mouse model representing the typical progressive stages observed in malignant human gliomas for the in vivo evaluation of novel target-specific regimens.
Methods: Isolated clones from tumours that arose spontaneously in GFAP-v-src transgenic mice were used to develop a transplantable brain tumour model in syngeneic B6C3F1 mice. STAT3 protein was knocked down by infection of tumour cells with replication-defective lentivirus encoding STAT3-siRNA. Apoptosis is designed to be induced by soluble recombinant TRAIL + chemical Bcl-2/Bcl-xL inhibitors.
Results: Striatal implantation of 105 mouse tumour cells resulted in the robust development of microscopically (2 – 3 mm) infiltrating malignant gliomas. Immunohistochemically, the gliomas displayed the astroglial marker GFAP and the oncogenic form of STAT3 (Tyr-705-phosphorylated) which is found in many malignancies including gliomas. Phosphorylated STAT3 was particularly prominent in the nucleus but was also found at the plasma membrane of peripherally infiltrating glioma cells. To evaluate the role of STAT3 in tumour progression, we stably expressed siRNA against STAT3 in several murine glioma cell lines. The effect of STAT3 depletion on proliferation, invasion and survival will be first assessed in vitro and subsequently after transplantation in vivo. Upstream and downstream components of the STAT3 signalling pathway as well as possible non-specific side effects of STAT3-siRNA expression after lentiviral infection will be examined, too.
Conclusions: Its high rate of engraftment, its similarity to the malignant glioma of origin, and its rapid locally invasive growth should make this murine model useful in testing novel therapies for malignant gliomas.
Survivin functions as an apoptosis inhibitor and a regulator of cell division during development and tumorigenesis. Since survivin is a highly relevant target for tumor therapy, we investigated whether interference with it’s dynamic cellular localization represents a novel strategy to inhibit survivin’s cancer promoting functions. We confirmed survivin overexpression in head and neck as well as in colorectal cancers and identified an evolutionary conserved Crm1-dependent nuclear export signal (NES) in survivin. Importantly, nuclear export was required for survivin mediated protection against chemo- and radiotherapy-induced apoptosis by securing efficient interference with cytoplasmic caspases. In dividing cells, the NES was required for tethering of survivin and of the survivin/Aurora-B kinase complex to the mitotic machinery, which was inevitable for proper cell division. The clinical relevance of our findings was supported by showing that preferential nuclear localization of survivin correlated with enhanced survival in a cohort of colorectal cancer patients. Targeting survivin’s nuclear export by the application of NES-specific antibodies promoted its nuclear accumulation and inhibited its cytoprotective function. We here show that nuclear export is essential for the tumor promoting activities of survivin and encourage the identification of chemical inhibitors to specifically interfere with survivin’s nuclear export as a novel class of anticancer therapeutics.
Following publication of the data presented by von Minckwitz and colleagues it has been brought to our attention that some patients should be scored differently. Stable disease was seen in three of the eighteen patients instead of two of the eighteen patients: one patient with transitional cell carcinoma treated at 4 µg/kg scFv(FRP5)-ETA per day, and two breast cancer patients treated at 4 and 12.5 µg/kg scFv(FRP5)-ETA per day. Disease progression occured in 9 of the eighteen patients evaluated (see corrected Table 2 overleaf). This does not affect the conclusions of our study. In addition we would like to correct the following errors: patient IDs for patients U01 and U02 in the original Table 2 were interchanged. In addition, patient N03 had a grade 3 elevation of gamma-glutamyl transferase, and not grade 2 (see corrected Table 2 overleaf).
Phage display selection of HIV specific conserved mimotopes with IgG from long-term non-progressors
(2005)
Poster presentation Background The aim of this study is to identify conserved epitopes of HIV-1 neutralizing antibodies in polyclonal plasma from LTNP to finally derive vaccine candidates. Materials and methods The presence of neutralizing antibodies in 9 LTNP sera was proved by in vitro neutralization assays. Phage displayed peptide libraries were screened with LTNP IgG. HIV-specific mimotopes were analyzed for homology to the gp120 structure by a software (3DEX) especially developed for this purpose. Mice were immunized with interesting phages and their sera were analyzed for neutralizing activities against HIV-1. Results After biopannings, between 19% and 75% HIV-specific phage clones were identified by ELISA. Mimotope sequences were identified and could be aligned by 3DEX to linear or conformational epitopes on gp120. A peptide specific immune response was detected in sera of immunized mice. The first mice sera analyzed showed neutralizing activities against HIV-1. Conclusion Mimotopes could be selected from LTNP sera that represent conformational epitopes on gp120. Those ones inducing neutralizing antibodies upon immunization potentially are suited to derive vaccine candidates.
The continuously growing natural killer (NK) cell line NK-92 is highly cytotoxic against malignant cells of various origin without affecting normal human cells. Based on this selectivity, the potential of NK-92 cells for adoptive therapy is currently being investigated in phase I clinical studies. To further enhance the antitumoral activity of NK-92 cells and expand the range of tumor entities suitable for NK-92-based therapies, here by transduction with retroviral vectors we have generated genetically modified NK-92 cells expressing chimeric antigen receptors specific either for the tumor-associated ErbB2 (HER2/neu) antigen or the human Epithelial Cell Adhesion Molecule (Ep-CAM). Both antigens are overexpressed by many tumors of epithelial origin. The chimeric antigen receptors consist of either the ErbB2 specific scFv(FRP5) antibody fragment or the Ep-CAM specific scFv(MOC31), a flexible hinge region derived from CD8, and transmembrane and intracellular regions of the CD3 zeta chain. Transduced NK-92-scFv(FRP5)-zeta or NK-92-scFv(MOC31)-zeta cells express high levels of the fusion proteins on the cell surface as determined by FACS analysis. In europium release assays no difference in cytotoxic activity of NK-92 and transduced NK-92 cells towards ErbB2 or Ep-CAM negative targets was found. However, even at low effector to target ratios transduced NK-92 cells specifically and efficiently lysed established ErbB2 or Ep-CAM expressing tumor cells that were completely resistant to cytolytic activity of parental NK-92 cells. Similarly, ErbB2-positive primary breast cancer cells isolated from pleural effusions of patients with recurrent disease were selectively killed by NK-92-scFv(FRP5)-zeta. In an in vivo model in immunodeficient mice treatment with retargeted NK-92-scFv(FRP5)-zeta, but not parental NK-92 cells resulted in markedly delayed growth of ErbB2 transformed cancer cells. These results demonstrate that efficient retargeting of NK-92 cytotoxicity can be achieved, and might allow the generation of potent cell-based therapeutics for the treatment of ErbB2 and Ep-CAM expressing malignancies. This therapeutic approach might be applicable for a large variety of different cancers where suitable cell surface antigens have been identified.
The receptor tyrosine kinase ErbB2 (HER2) is overexpressed in multiple human tumors of epithelial origin. High ErbB2 expression is functionally involved in tumorigenesis and correlates with poor clinical prognosis. For immunotherapy of ErbB2 expressing tumors, we developed a strategy to supply the tumor cells with costimulatory activity. A bispecific fusion protein was constructed (BIg5), containing the IgV-like domain of huCD86, the CH2/CH3 domain of huIgG1 and the ErbB2-specific single chain antibody fragment scFv(FRP5). A similar fusion protein lacking the CD86 domain (Ig5) was used as a control. Upon binding of BIg5 to ErbB2 on tumor cells, these cells display CD86 on their surface and thus can deliver costimulatory signals for T-cell activation. In addition, NK cells could be activated by CD86 binding to CD28. BIg5 is secreted by eukaryotic cells as a homodimer with increased stability compared to monomers and possibly enhanced costimulatory activity due to crosslinking of CD28 on effector cells. By FACS analysis, specific binding of the scFv(FRP5) domain to ErbB2 as well as CD86 IgV binding to CTLA-4 could be demonstrated. Together with anti-CD3 antibody, BIg5 stimulates proliferation of human CD2-purified lymphocytes in vitro. After binding to ErbB2 on murine Renca-lacZ/ErbB2 tumor cells, about 50% of initially bound BIg5 is still present on the cell surface after 4 hours. For delivery of chimeric fusion proteins in vivo, we used syngeneic, stably transfected HC11 mammary epithelial cells continuously secreting the proteins. Inoculation of these bystander cells close to subcutaneously growing Renca-lacZ/ErbB2 tumors should provide a long-lasting source to achieve high local concentrations of BIg5 at the tumor site. In vivo HC11-BIg5 cells proved to be non-tumorigenic and secreted BIg5 for several weeks, causing a strong anti-BIg5 antibody response. Treatment of established Renca-lacZ/ErbB2 or ErbB2-negative Renca-lacZ tumors by peritumoral inoculation of either HC11-BIg5 or HC11-Ig5 cells led to rejection of all Renca-lacZ/ErbB2, but none of the Renca-lacZ tumors. HC11neo control cells had no effect on tumor growth. Rejection of ErbB2+ tumors led to long-term protection also against subsequent challenge with intravenously injected ErbB2- tumor cells. Intraperitoneal injection of bystander cells secreting the fusion proteins did not lead to tumor regression suggesting that high local concentrations at the tumor site are necessary to target ErbB2 on tumor cells and to overcome elimination of BIg5 or Ig5 by neutralizing antibodies. The CD86 IgV domain of BIg5 did not play a major role in the observed antitumoral immune response suggesting NK-cell mediated ADCC as the initial effector mechanism followed by activation of tumor specific T cells. Targeting of ErbB2 on tumor cells with antibody fusion proteins that interact specifically with the host immune system could be an efficient and specific approach for therapy of solid ErbB2+ tumors.
Tumor-specific T lymphocytes can be regarded as a highly effective mechanism for tumor rejection. A substantial number of T-cell defined tumor antigens including mutated oncoproteins and differentiation antigens have been identified. However, while most spontaneous tumors appear to be antigenic, few are immunogenic. Activation of tumor-specific cytotoxic T cells (CTL) requires presentation of tumor antigens by professional antigen presenting cells (APCs) via MHC I molecules. Due to their crucial role in T-cell activation, APCs are being exploited for active cancer immunotherapy. Present experimental strategies include the incubation of dendritic cells with synthetic, tumor specific peptides to achieve uptake of tumor antigens and presentation in the context of MHC molecules. Alternatively, gene therapeutic approaches are aimed at the endogenous expression of tumor antigens in APCs upon transfer of suitable vector constructs. Our strategy for the presentation of tumor antigens by APCs is based on the intracellular delivery of tumor antigens as part of a fusion protein specifically targeted to APC cell surface receptors. We have constructed prototype molecules that contain a soluble fragment of CTLA-4 for cell binding via interaction with B7 molecules, genetically fused to a protein fragment derived from the tumor-associated antigen ErbB2. To improve uptake and direct the antigenic determinant preferentially to the MHC class I pathway, in one of these protein vaccines also the translocation domain of the bacterial Pseudomonas exotoxin A has been included. In the parental toxin this protein domain facilitates escape from the endosomal compartment to the cytosol upon receptor mediated endocytosis. Here we have investigated the in vitro cell binding activity of such reagents and their antitumoral activity in immunocompetent murine model systems. Specific binding to B7 molecules and uptake of bacterially expressed protein vaccines could be demonstrated. Ex vivo restimulation with an ErbB2-derived peptide of splenocytes from Balb/c mice injected with the fusion proteins resulted in enhanced IFN-gamma production by T cells. Protective and therapeutic effects of ErbB2 protein vaccines were also investigated. Vaccinated animals were protected against subsequent challenge with syngeneic ErbB2 expressing tumor cells. Likewise, s.c. injection of ErbB2 protein vaccines in the vicinity of established tumors resulted in tumor rejection and long lasting protection indicating that immunological memory was induced. Our results suggest that chimeric proteins combining a tumor antigen and specific recognition of APCs in a single molecule are suitable for targeted delivery of antigens to professional APCs and might become valuable tools for cancer immunotherapy.
Enzymatic and antisense effects of a specific anti-Ki-ras ribozyme in vitro and in cell culture
(1999)
Due to their mode of action, ribozymes show antisense effects in addition to their specific cleavage activity. In the present study we investigated whether a hammerhead ribozyme is capable of cleaving mutated Ki-ras mRNA in a pancreatic carcinoma cell line and whether antisense effects contribute to the activity of the ribozyme. A 2[prime]-O-allyl modified hammerhead ribozyme was designed to cleave specifically the mutated form of the Ki-ras mRNA (GUU motif in codon 12). The activity was monitored by RT-PCR on Ki-ras RNA expression by determination of the relative amount of wild type to mutant Ki-ras mRNA, by 5-bromo-2[prime]-deoxy-uridine incorporation on cell proliferation and by colony formation in soft agar on malignancy in the human pancreatic adenocarcinoma cell line CFPAC-1, which is heterozygous for the Ki-ras mutation. A catalytically inactive ribozyme was used as control to differentiate between antisense and cleavage activity and a ribozyme with random guide sequences as negative control. The catalytically active anti-Ki-ras ribozyme was at least 2-fold more potent in decreasing cellular Ki-ras mRNA levels, inhibiting cell proliferation and colony formation in soft agar than the catalytically inactive ribozyme. The catalytically active anti-Ki-ras ribozyme, but not the catalytically inactive or random ribozyme, increased the ratio of wild type to mutated Ki-ras mRNA in CFPAC-1 cells. In conclusion, both cleavage activity and antisense effects contribute to the activity of the catalytically active anti-Ki-ras hammerhead ribozyme. Specific ribozymes might be useful in the treatment of pancreatic carcinomas containing an oncogenic GTT mutation in codon 12 of the Ki-ras gene.
Background: Murine leukemia virus (MLV) vector particles can be pseudotyped with a truncated variant of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) envelope protein (Env) and selectively target gene transfer to human cells expressing both CD4 and an appropriate co-receptor. Vector transduction mimics the HIV-1 entry process and is therefore a safe tool to study HIV-1 entry. Results: Using FLY cells, which express the MLV gag and pol genes, we generated stable producer cell lines that express the HIV-1 envelope gene and a retroviral vector genome encoding the green fluorescent protein (GFP). The BH10 or 89.6 P HIV-1 Env was expressed from a bicistronic vector which allowed the rapid selection of stable cell lines. A codon-usage-optimized synthetic env gene permitted high, Rev-independent Env expression. Vectors generated by these producer cells displayed different sensitivity to entry inhibitors. Conclusion: These data illustrate that MLV/HIV-1 vectors are a valuable screening system for entry inhibitors or neutralizing antisera generated by vaccines.
Introduction: ScFv(FRP5)-ETA is a recombinant antibody toxin with binding specificity for ErbB2 (HER2). It consists of an N-terminal single-chain antibody fragment (scFv), genetically linked to truncated Pseudomonas exotoxin A (ETA). Potent antitumoral activity of scFv(FRP5)-ETA against ErbB2-overexpressing tumor cells was previously demonstrated in vitro and in animal models. Here we report the first systemic application of scFv(FRP5)-ETA in human cancer patients.
Methods: We have performed a phase I dose-finding study, with the objective to assess the maximum tolerated dose and the dose-limiting toxicity of intravenously injected scFv(FRP5)-ETA. Eighteen patients suffering from ErbB2-expressing metastatic breast cancers, prostate cancers, head and neck cancer, non small cell lung cancer, or transitional cell carcinoma were treated. Dose levels of 2, 4, 10, 12.5, and 20 μg/kg scFv(FRP5)-ETA were administered as five daily infusions each for two consecutive weeks.
Results: No hematologic, renal, and/or cardiovascular toxicities were noted in any of the patients treated. However, transient elevation of liver enzymes was observed, and considered dose limiting, in one of six patients at the maximum tolerated dose of 12.5 μg/kg, and in two of three patients at 20 μg/kg. Fifteen minutes after injection, peak concentrations of more than 100 ng/ml scFv(FRP5)-ETA were obtained at a dose of 10 μg/kg, indicating that predicted therapeutic levels of the recombinant protein can be applied without inducing toxic side effects. Induction of antibodies against scFv(FRP5)-ETA was observed 8 days after initiation of therapy in 13 patients investigated, but only in five of these patients could neutralizing activity be detected. Two patients showed stable disease and in three patients clinical signs of activity in terms of signs and symptoms were observed (all treated at doses ≥ 10 μg/kg). Disease progression occurred in 11 of the patients.
Conclusion: Our results demonstrate that systemic therapy with scFv(FRP5)-ETA can be safely administered up to a maximum tolerated dose of 12.5 μg/kg in patients with ErbB2-expressing tumors, justifying further clinical development.