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Eine zielgerichtete Bewirtschaftung der Wälder im Hinblick auf die fortschreitende N-Sättigung fordert entsprechende Geoinformationen. Auf der Basis der Ergebnisse der Nitratinventur Bayern (Gensior et al 2003b, Mellert et al. 2005a) wurde eine Karte des Risikos erhöhter Nitratkonzentrationen für das Land Bayern erstellt (Mellert 2005c). Die Bayernkarte liefert Informationen über die durchschnittliche Situation in den forstlichen Wuchsgebieten und dient der Identifizierung von Problemregionen. Als Übersichtskarte kann sie jedoch die Bedürfnisse auf regionaler Ebene, z.B. für ein Wuchsgebiet, kaum befriedigen. Hierzu ist eine räumliche Präzisierung der Geodaten in einem detaillierten Maßstab erforderlich. Die bayernweite Regionalisierung basiert auf der in den Jahren 2001/2002 durchgeführten Nitratinventur im 8 x 8 km Raster (Level-I/BZE) an 399 Punkten im Flachland. Die Anzahl von Inventurpunkten in den einzelnen Wuchsgebieten ist daher sehr begrenzt. Zur Informationsverdichtung der kleinmaßstäbigen Bayernkarte auf den größeren Maßstab der Karte für den Großraum München wurden detaillierte Informationen aus einer 1998 durchgeführten Sickerwasserstudie (Rothe & Mellert 2004) herangezogen. Im vorliegenden Beitrag wird die Möglichkeit eines Downscalings durch ein genestets Verfahren vorgestellt. Die auf einem logistischem Regressionsmodell basierende Regionalisierung auf bayerischer Ebene (Meller et al. 2005c) wird hierbei mit den regionalen Daten durch ein multiples Regressionsverfahren verknüpft. Dank einer ins Projekt integrierten Pilotstudie zur Fernerkundung von Waldtypen konnte eine geeignete Waldkarte für den Raum München durch Klassifikation von Landsat-Daten bereit gestellt werden.
Development of lentiviral vectors for the gene therapy of X-linked chronic granulomatous disease
(2010)
Es gibt eine Vielzahl von Erkrankungen, die auf einen einzelnen Gendefekt zurückzuführen sind (monogene Erkrankungen). Darunter befindet sich auch die Gruppe der primären Immundefizienzen (PIDs), von denen aktuell über 150 verschiedene Typen von der Weltgesundheitsorganisation registriert sind. In vielen fällen leiden betroffene Individuen unter einem stark erhöhten Infektionsrisiko durch bakterielle oder virale Pathogene, sowie den damit verbundenen schweren Symptomen - bis hin zum verfrühten Tod der Patienten. Meist können PIDs mit konventionellen Methoden präventiv behandelt werden. Dazu gehören zum Beispiel die regelmässige Gabe von Antibiotika, Antimykotika, Zytokinen oder Immunglobulinen. Der einzige zur Verfügung stehende kurative Behandlungsansatz beruht auf der Transplantation von hämatopoietischen Stammzellen (HSZT) eines gesunden und passenden Spenders. Häufig steht jedoch kein histokompatibler Spender zur Verfügung.
Für diese Patientengruppe hat sich die gentherapeutische Behandlung mit autologen hämatopoietischen Stammzellen als eine gute Option herausgestellt. Der Beweis hierfür wurde eindrucksvoll in klinischen Heilversuchen für zwei Formen des Schweren Kombinierten Immundefekts (X-SCID und ADA-SCID) geführt, einer Erkrankung die durch das vollständige Fehlen bzw. die nicht-Funktionalität der lymphoiden Immunzellen charakterisiert ist. Autologe hämatopoietische Stammzellen der Patienten wurden hier ex vivo mittels eines gamma-retroviralen Vektors mit einer funktionellen Kopie der defekten cDNA genetisch modifiziert und anschliessend zurück infundiert. In der Summe wurde bei über 30 Patienten eine deutliche Verbesserung des Gesundheitszustandes bis hin zur vollständigen Heilung erzielt. Bei einem vergleichbaren Ansatz wurden in Frankfurt, in einem Heilversuch für die septische Granulomatose (X-CGD), erstmals klinisch relevante Erfolge in der Gentherapie für einen Defekt in der myeloischen Linie von Immunzellen erzielt. Ursache der X-chromosomal gekoppelten Form der septischen Granulomatose sind Mutationen in dem Gen für gp91phox (CYBB), einer essentiellen Untereinheit des in Phagozyten benötigten NADPH-Oxidase Komplexes. In der Folge sind die Phagozyten dieser Patienten nicht mehr in der Lage, die für das Abtöten von Krankheitserregern nötigen reaktiven Sauerstoffspezies zu bilden. Ständig wiederkehrende schwere Infektionen mit sonst unproblematischen Erregern sind die Folge.
Neben klaren gesundheitlichen Verbesserungen in der Mehrzahl der Patienten hatte diese Gentherapeutische Behandlungsstrategie in einigen Fällen auch klare Nebenwirkungen. In fünf von 20 Patienten mit X-SCID, sowie in beiden behandelten X-CGD Patienten, kam es infolge der Therapie zu hämatologischen Veränderungen, die in der Ausbildung eines myelodysplastischen Syndroms (bei X-CGD) und Leukämie (bei X-SCID) mündeten. In allen Fällen war die Ursache eine Hochregulierung von Proto-Onkogenen in der Nähe von g-retroviralen Integrationsstellen. Diese Probleme demonstrieren deutlich die unbedingte Notwendigkeit zur Verbesserung der verwendeten therapeutischen Vektoren.
In der vorliegenden Arbeit wurden lentivirale Vektoren mit myeloid-spezifischen Promotoren entwickelt und auf ihre Eignung für die Gentherapie der X-chromosomal gekoppelten septischen Granulomatose getestet. Lentivirale Vektoren besitzen ein stark verringertes Risiko für Insertionsmutagenese, sowie die exklusive Fähigkeit ruhende Zellen zu transduzieren. Die Verwendung von myeloid-spezifischen Promotoren für die Transgenexpression verringert die Wahrscheinlichkeit der Proto-Onkogen Aktivierung in unreifen Stamm- und Vorläuferzellen – einer Zellpopulation die besonders sensitiv für die in der Leukämieentstehung obligaten Schritte der Immortalisierung und Transformation ist. Gleichzeitig bleibt der volle therapeutische Nutzen erhalten, da das Transgen gp91phox nur in reifen myeloischen Zellen benötigt wird.
Die entwickelten lentiviralen Vektoren exprimieren eine kodonoptimierte gp91phox cDNA unter der Kontrolle des microRNA223-Promoters (223), des MRP8-Promotors (M) oder eines chimären Fusionspromoters bestehend aus den regulatorischen Bereichen des Cathepsin G und des cFes-Promotors (Chim). Zusätzlich wurde ein sogenanntes „ubiquitär aktives Chromatin-öffnendes Element“ (UCOE) in beiden Orientierungen vor den MRP8-Promotor kloniert, um eine erhöhte und stabile Langzeitexpression des Transgens zu erreichen. Ziel der Arbeit war die Selektion eines geeigneten Kandidaten für präklinische Versuchsreihen.
Die für die Evaluierung der Vektoren relevanten Parameter waren die Transgenexpressionslevel, die Spezifität der Expression für myeloische Zellen sowie die vermittelte funktionelle Rekonstitution der NADPH-Oxidase Aktivität. Die Fragestellungen der Langzeitexpression, der Anfälligkeit für CpG-Methylierung sowie der Genotoxizität der Vektoren wurden ebenfalls bearbeitet. Die Vektoren wurden in vitro in verschiedenen Zelllinien sowie in in vitro differenzierten primären murinen und humanen Blutstammzellen getestet. Die beiden besten Kandidaten (223 und Chim) wurden in vivo in Maustransplantationsexperimenten (Maus-Maus und humane Stammzellen in NOD/SCID-Mäuse) analysiert.
Die beiden lentiviralen Vektoren 223 und Chim eignen sich beide für eine effiziente Expression in myeloische Zellen, die zur funktionellen Rekonstitution der NADPH-Oxidase Aktivität in vitro und in vivo führen. Sie sind den bisher in klinischen Anwendungen verwendeten Vektoren in allen Parametern klar überlegen. Daher ist in zukünftigen klinischen Anwendungen ein verbesserter therapeutischer Nutzen für die Patienten sowie eine Verminderung des Risikos von Nebenwirkungen zu erwarten.
Signal transducers and activators of transcription (Stats) play central roles in the conversion of extracellular signals, e.g., cytokines, hormones and growth factors, into tissue and cell type specific gene expression patterns. In normal cells, their signaling potential is strictly limited in extent and duration. The persistent activation of Stat3 or Stat5 is found in many human tumor cells and contributes to their growth and survival. Stat5 activation plays a pivotal role in nearly all hematological malignancies and occurs downstream of oncogenic kinases, e.g., Bcr-Abl in chronic myeloid leukemias (CML) and Jak2(V617F) in other myeloproliferative diseases (MPD). We defined the mechanisms through which Stat5 affects growth and survival of K562 cells, representative of Bcr-Abl positive CML, and HEL cells, representative for Jak2(V617F) positive acute erythroid leukemia. In our experiments we suppressed the protein expression levels of Stat5a and Stat5b through shRNA mediated downregulation and demonstrated the dependence of cell survival on the presence of Stat5. Alternatively, we interfered with the functional capacities of the Stat5 protein through the interaction with a Stat5 specific peptide ligand. This ligand is a Stat5 specific peptide aptamer construct which comprises a 12mer peptide integrated into a modified thioredoxin scaffold, S5-DBD-PA. The peptide sequence specifically recognizes the DNA binding domain (DBD) of Stat5. Complex formation of S5-DBD-PA with Stat5 causes a strong reduction of P-Stat5 in the nuclear fraction of Bcr-Abl-transformed K562 cells and a suppression of Stat5 target genes. Distinct Stat5 mediated survival mechanisms were detected in K562 and Jak2(V617F)-transformed HEL cells. Stat5 is activated in the nuclear and cytosolic compartments of K562 cells and the S5-DBD-PA inhibitor most likely affects the viability of Bcr-Abl+ K562 cells through the inhibition of canonical Stat5 induced target gene transcription. In HEL cells, Stat5 is predominantly present in the cytoplasm and the survival of the Jak2(V617F)+ HEL cells is impeded through the inhibition of the cytoplasmic functions of Stat5.
The signal transducer and activator of transcription Stat5 is transiently activated by growth factor and cytokine signals in normal cells, but its persistent activation has been observed in a wide range of human tumors. Aberrant Stat5 activity was initially observed in leukemias, but subsequently also found in carcinomas. We investigated the importance of Stat5 in human tumor cell lines. shRNA mediated downregulation of Stat5 revealed the dependence of prostate and breast cancer cells on the expression of this transcription factor. We extended these inhibition studies and derived a peptide aptamer (PA) ligand, which directly interacts with the DNA-binding domain of Stat5 in a yeast-two-hybrid screen. The Stat5 specific PA sequence is embedded in a thioredoxin (hTRX) scaffold protein. The resulting recombinant protein S5-DBD-PA was expressed in bacteria, purified and introduced into tumor cells by protein transduction. Alternatively, S5-DBD-PA was expressed in the tumor cells after infection with a S5-DBD-PA encoding gene transfer vector. Both strategies impaired the DNA-binding ability of Stat5, suppressed Stat5 dependent transactivation and caused its intracellular degradation. Our experiments describe a peptide based inhibitor of Stat5 protein activity which can serve as a lead for the development of a clinically useful compound for cancer treatment.
Epigenetic silencing of transgene expression represents a major obstacle for the efficient genetic modification of multipotent and pluripotent stem cells. We and others have demonstrated that a 1.5 kb methylation-free CpG island from the human HNRPA2B1-CBX3 housekeeping genes (A2UCOE) effectively prevents transgene silencing and variegation in cell lines, multipotent and pluripotent stem cells, and their differentiated progeny. However, the bidirectional promoter activity of this element may disturb expression of neighboring genes. Furthermore, the epigenetic basis underlying the anti-silencing effect of the UCOE on juxtaposed promoters has been only partially explored. In this study we removed the HNRPA2B1 moiety from the A2UCOE and demonstrate efficient anti-silencing properties also for a minimal 0.7 kb element containing merely the CBX3 promoter. This DNA element largely prevents silencing of viral and tissue-specific promoters in multipotent and pluripotent stem cells. The protective activity of CBX3 was associated with reduced promoter CpG-methylation, decreased levels of repressive and increased levels of active histone marks. Moreover, the anti-silencing effect of CBX3 was locally restricted and when linked to tissue-specific promoters did not activate transcription in off target cells. Thus, CBX3 is a highly attractive element for sustained, tissue-specific and copy-number dependent transgene expression in vitro and in vivo.
Although a variety of genetic strategies have been developed to inhibit HIV replication, few direct comparisons of the efficacy of these inhibitors have been carried out. Moreover, most studies have not examined whether genetic inhibitors are able to induce a survival advantage that results in an expansion of genetically-modified cells following HIV infection. We evaluated the efficacy of three leading genetic strategies to inhibit HIV replication: 1) an HIV-1 tat/rev-specific small hairpin (sh) RNA; 2) an RNA antisense gene specific for the HIV-1 envelope; and 3) a viral entry inhibitor, maC46. In stably transduced cell lines selected such that >95% of cells expressed the genetic inhibitor, the RNA antisense envelope and viral entry inhibitor maC46 provided the strongest inhibition of HIV-1 replication. However, when mixed populations of transduced and untransduced cells were challenged with HIV-1, the maC46 fusion inhibitor resulted in highly efficient positive selection of transduced cells, an effect that was evident even in mixed populations containing as few as 1% maC46-expressing cells. The selective advantage of the maC46 fusion inhibitor was also observed in HIV-1-infected cultures of primary T lymphocytes as well as in HIV-1-infected humanized mice. These results demonstrate robust inhibition of HIV replication with the fusion inhibitor maC46 and the antisense Env inhibitor, and importantly, a survival advantage of cells expressing the maC46 fusion inhibitor both in vitro and in vivo. Evaluation of the ability of genetic inhibitors of HIV-1 replication to confer a survival advantage on genetically-modified cells provides unique information not provided by standard techniques that may be important in the in vivo efficacy of these genes.
Chronic granulomatous disease (CGD) is a primary immunodeficiency characterized by impaired antimicrobial activity in phagocytic cells. As a monogenic disease affecting the hematopoietic system, CGD is amenable to gene therapy. Indeed in a phase I/II clinical trial, we demonstrated a transient resolution of bacterial and fungal infections. However, the therapeutic benefit was compromised by the occurrence of clonal dominance and malignant transformation demanding alternative vectors with equal efficacy but safety-improved features. In this work we have developed and tested a self-inactivating (SIN) gammaretroviral vector (SINfes.gp91s) containing a codon-optimized transgene (gp91(phox)) under the transcriptional control of a myeloid promoter for the gene therapy of the X-linked form of CGD (X-CGD). Gene-corrected cells protected X-CGD mice from Aspergillus fumigatus challenge at low vector copy numbers. Moreover, the SINfes.gp91s vector generates substantial amounts of superoxide in human cells transplanted into immunodeficient mice. In vitro genotoxicity assays and longitudinal high-throughput integration site analysis in transplanted mice comprising primary and secondary animals for 11 months revealed a safe integration site profile with no signs of clonal dominance.