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Regulation der Sphingosinkinase-1 durch G alpha q (2012)

Ralf Frederik Claas

Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Teilaspekte des S1P-Signalsystems näher untersucht. Der erste Teil der Arbeit geht der Frage nach, welche Störungen das Ausschalten der S1P-Lyase in der Ca2+-Homöostase verursacht. Die Messung der zellulären Lipidkonzentrationen ergab in Sgpl1-/--MEFs einen sechsfach höherer Wert für S1P und einen doppelt so hohen Wert für Sphingosin als in den Sgpl1+/+-MEFs. [Ca2+]i wurde an Einzelzellen mit Hilfe des Proteinfarbstoffs Cameleon untersucht, wobei [Ca2+]i-Anstiege durch den SERCA-Inhibitor Thapsigargin induziert wurden. So konnte gezeigt werden, dass sowohl in Sgpl1+/+-MEFs als auch in Sgpl1-/--MEFs zwei verschiedene Subtypen existieren, die sich hinsichtlich Geschwindigkeit und Ausmaß des [Ca2+]i-Anstiegs unterscheiden. Die basale [Ca2+]i war im Subtyp der Sgpl1-/--MEFs mit einem schnellen und kurzen [Ca2+]i- Anstieg signifikant erhöht, während das Maximum des Thapsigargin-induzierten [Ca2+]i- Anstiegs im Subtyp der Sgpl1-/--MEFs mit einem langsamen und langen [Ca2+]i-Anstieg signifikant erhöht war. Die AUC des Zeitverlaufs nach der Stimulation mit Thapsigargin war in beiden Subtypen der Sgpl1-/--MEFs signifikant erhöht, was bedeutet, dass der Ca2+-Gehalt der Thapsigargin-sensitiven Speicher in Sgpl1-/--MEFs höher als in Wildtyp-MEFs war. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Aspekte der Modulation des S1P-Signalsystems durch das Sphingosin-Analogon cis-4-Methylsphingosin näher untersucht. Die Messung der Lipidkonzentrationen von cis-4-Methylsphingosin und dem Phosphorylierungsprodukt cis-4- Methyl-S1P erfolgte dabei in HEK-293-Zellen und deren Überständen mittels LC-MS/MS. Hierbei wurde erstmals cis-4-Methyl-S1P im Zellkulturüberstand nachgewiesen, was bedeutet, dass cis-4-Methylsphingosin nach der intrazellulären Phosphorylierung sezerniert werden kann. Dieser Mechanismus bildet die Grundlage dafür, dass cis-4-Methylsphingosin nicht nur intrazellulär wirken, sondern ebenso wie FTY720 als S1P-Rezeptor-Modulator fungieren kann. Der dritte und umfangreichste Teil der Arbeit befasst sich mit der Regulation der SK1 durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Um die Rolle von Gαq/11-Proteinen bei der Ansteuerung der SK1 durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren weiter zu analysieren, wurde zunächst die Rezeptor-induzierte Translokation der SK1 in MEFs untersucht, die sowohl in Gαq als auch in seinem Homolog Gα11 doppelt defizient waren (Gαq/11 -/--MEFs). Die SK1-Translokation war nur nach Transfektion mit Gαq möglich. Um Hinweise auf die strukturellen Erfordernisse für die SK1-Ansteuerung durch Gαq zu erhalten, wurde der Einfluss verschiedener Gαq-Mutanten auf die Translokationshalbwertszeit der SK1 untersucht. So waren alle untersuchten Mutanten in der Lage, die SK1-Translokation in Gαq/11 -/--MEFs zu vermitteln. Die Expression der Gαq- W263D-Mutante führte dabei zu einer signifikant verlangsamten SK1-Translokation. Die durch Gαq-T257E-vermittelte Translokation war erst nach mehreren Minuten feststellbar. Die Abhängigkeit der SK1-Translokation von Gαq wurde auf zellulärer Ebene durch Coexpression einer katalytisch inaktiven Mutante der G-Protein gekoppelter Rezeptorkinase 2 (GRK2) als Gαq-scavenger in HEK3-Zellen nachgewiesen. Dies führte zu einer vollständigen Inhibierung der Carbachol-induzierten SK1-Translokation. Hingegen führte die Überexpression der SK1 in den M3-Rezeptor exprimierenden HEK-293-Zellen zu einer reduzierten Carbachol-induzierten Aktivierung der PLCβ. Dieser Effekt war unabhängig von der katalytischen Aktivität der SK1. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die SK1 mit den Effektoren GRK2 und PLCβ um gemeinsame Bindungsstellen der aktivierten G-Protein Untereinheit Gαq konkurriert. Zusätzlich wurde die direkte Interaktion zwischen Gαq und SK1 auf Proteinebene mittels optischer Thermophorese nachgewiesen. Dazu wurde die humane SK1 als N-terminal getaggtes His6-MBP-Fusionsprotein exprimiert, aufgereinigt und charakterisiert. So konnte gezeigt werden, dass die mit dem Fluoreszenzfarbstoff NT647- markierte hSK1 (hSK1*) mit dem TNF Rezeptor-assoziiertem Faktor 2 (TRAF2), nicht jedoch mit dem N-terminalen Fragment des TRAF family member-associated NF-kappa-B activator (TANK) interagierte. Sowohl inaktives Gαq als auch [AlF4]--aktiviertes Gαq interagierten mit der hSK1* mit einem vergleichbaren kD-Wert. Auch mit NT-647-markiertes Gαq interagierte mit der hSK1 sowohl in der inaktiven als auch in der [AlF4]--aktivierten Form, wohingegen es nicht mit TANK oder TRAF2 interagierte. Insgesamt zeigen die erhaltenen Daten, dass die SK1 ein direktes Target von Gαq ist und sie an genau dieselben Gαq-Reste bindet, an die auch die klassischen Effektoren PLCβ, p63RhoGEF und GRK2 binden.

T cell receptor diversity prevents T cell leukemia, lymphoma development / von Nabil Saleh Ahmed Al-Ghaili (2010)

Nabil al- Ghaili

Gene therapy is a promising therapeutic strategy that emerged from the attractive idea of targeting therapy at the molecular level. For many patients who suffer from genetic and acquired diseases that cannot be effectively treated by conventional treatment approaches gene therapy remains a huge hope of cure in spite of the hurdles regarding efficacy and safety that need to be overcome. The development of efficient gene transfer vehicles, mainly retroviral vectors, led to the first successful gene therapy trial, to treat patients suffering from X-linked severe combined immunodeficiency syndrome (X-SCID) using gene modified stem cells (Hacein-Bey-Abina, Le Deist et al. 2002). Despite the success of this trial, it revealed the danger of retroviral insertional mutagenesis as a major adverse event of gene therapy using gene-modified stem cells (Hacein-Bey-Abina, von Kalle et al. 2003). In contrast to stem cells, T cells are relatively resistant to insertional mutagenesis and transformation even after transduction with potent oncogenes using retroviral vectors (Newrzela, Cornils et al. 2008). However, mature T cells can self-renew, proliferate and survive for long periods. These criteria are supposed to render T cells prone to transformation. Therefore, the questions of mature T cells transformability and the control mechanism limiting their transformation are still elusive.

Nanopartikel als Trägersysteme für Doxorubicin zur Therapie von Gehirntumoren (2011)

Stefanie Wohlfahrt

Einleitung: Glioblastome, die aggressivsten malignen Gehirntumore, gehören zu den menschlichen Karzinomen mit der schlechtesten Prognose. Ihre Therapie stellt eine große Herausforderung dar. Eine komplette chirurgische Entfernung des Tumors ist auf Grund des infiltrativen Wachstums in gesundes Hirngewebe meist nicht möglich, und trotz der Standardtherapie, die Operation, Chemo- und Radiotherapie umfasst, sind die Behandlungserfolge nicht zufriedenstellend. Erschwerend kommt hinzu, dass das Gehirn vom übrigen Organismus durch die hochselektive Blut-Hirn-Schranke abgegrenzt ist, welche für viele potentiell wirksame therapeutische Substanzen eine Permeabilitätsbarriere darstellt. Somit stehen viele Zytostatika für die systemische Glioblastomtherapie nicht zur Verfügung und eine relative Therapieresistenz ist zu verzeichnen. Nicht nur die Neuentwicklung von Arzneistoffen für die Pharmakotherapie von Erkrankungen des zentralen Nervensystems, wie den Gehirntumoren, sondern auch die Etablierung neuer Arzneiformen zur kontrollierten, gewebsspezifischen Arzneistoffapplikation gewinnt immer mehr an Bedeutung. Ein Ansatz, der in der Vergangenheit vielversprechende Erfolge erzielte, ist die Einbettung von Arzneistoffen in kolloidale Trägersysteme wie polymere Nanopartikel oder Liposome. Diese Carrier sind in der Lage verschiedene Arzneistoffe über die Blut-Hirn-Schranke zu transportieren, damit diese im zentralen Nervensystem ihre Wirkung ausüben können. Der Grund für diesen Erfolg ist offensichtlich begründet in der nanopartikulären Größe und der besonderen Oberflächenstruktur dieser Träger. Zusätzlich geht mit der vermehrten Anreicherung der Wirkstoffe im Zentralnervensystem eine Verminderung der unerwünschten Arzneimittelwirkungen in peripheren Organen einher, was die Therapie positiv beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wird die antitumorale Effizienz nanopartikulärer Formulierungen, die den Wirkstoff Doxorubicin enthalten, eingehend untersucht. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der histologischen und immunhistochemischen Analyse der Gehirntumore, die eine genaue Differenzierung zwischen den Zubereitungen und eine aussagekräftige Effizienzbeurteilung erlaubt. Weiterhin wird der Fokus dieser Arbeit auf die Quantifizierung der Doxorubicinmenge gerichtet, die nach Applikation der nanopartikulären Formulierungen im Gehirn vorliegt. Enthält u.a. die Publikationen: Publikation 1: Transport of drugs across the blood-brain barrier by nanoparticles – A review Journal of Controlled Release – Special Issue: Drug delivery research in Europe Status: accepted, geplantes Erscheinungsdatum: 01.2012 Publikation 2: Increased numbers of injections of doxorubicin bound to nanoparticles lead to enhanced efficacy against rat glioblastoma 101/8 Wohlfart et al. 2009, Journal of Nanoneuroscience, Volume 1, Number 2, December 2009, pp. 144-151 (8) Publikation 3: Treatment of glioblastoma with poly (isohexyl cyanoacrylate) nanoparticles Wohlfart et al. 2011, International Journal of Pharmaceutics 415 (2011) 244-251 Publikation 4: Drug delivery to the brain using surfactant-coated poly (lactide-co-glycolide) nanoparticles: Influence of the formulation parameters Gelperina et al. 2010, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 74 (2010) 157–163 Publikation 5: Efficient chemotherapy of rat glioblastoma using doxorubicin-loaded PLGA nanoparticles with different stabilizers Wohlfart et al. 2011, PloS One May 2011, Volume 6, Issue 5, e 19121 Publikation 6: Kinetics of transport of doxorubicin bound to nanoaprticles across the blood-brain barrier Wohlfart et al. 2011, Journal of Controlled Release (2011), doi:10.1016/j.jconrel.2011.05.010, in press

Evaluation der Adhärenz, Compliance und Persistenz bei Patienten unter antihypertensiver Therapie (2010)

Miriam Ude

Bei chronischen Erkrankungen ist eine regelmäßige Arzneimitteleinnahme eine der Vo-raussetzungen für den Therapieerfolg. Trotzdem nehmen viele Patienten ihre Arzneimit-tel nicht wie vorgeschrieben ein. Dies kann im Rahmen von kardiovaskulären Erkrankun-gen (z. B. Hypertonie) schwerwiegende Folgen wie Herzinfarkt oder Schlaganfall haben. Es ist bekannt, dass die Therapietreue (Adhärenz bzw. Compliance und Persistenz) bei Hypertonikern nur bei 30 – 55 % liegt. Daher ist es von größter Wichtigkeit, die Therapie-treue und die Gründe für mangelnde Adhärenz zu erfassen, um danach gezielte Interven-tionen zur Verbesserung dieser entwickeln zu können. Allerdings liegen aus Deutschland zu dieser Thematik nur wenige Untersuchungen aus Feldstudien in Apotheken oder Ana-lysen aus Verordnungsdatenbanken vor. Um die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten zur Ermittlung der Therapietreue großflä-chig abzudecken, wurden unterschiedliche Erfassungswege genutzt. Zum einen wurde eine Patientenbefragung in öffentlichen Apotheken zur Erfassung der Adhärenz und Ein-nahmegewohnheiten unter medikamentöser Therapie mit Antihypertensiva durchge-führt. Zum anderen diente die Analyse von Verordnungsdaten der DAPI-Datenbank dazu, die Persistenz und Compliance von Patienten unter antihypertensiver Therapie zu be-stimmen. Als Spezialfall wurde weiterhin betrachtet, ob die Umstellung von einem Origi-nal- auf ein generisches Ramipril-Präparat nach dessen Patentauslauf mit einer vermin-derten Compliance einhergeht. Die Patientenbefragung wurde sowohl von Patienten wie auch von den 24 teilnehmenden Apotheken gut angenommen. Dies zeigen die Rücklaufquoten der ausgegebenen Frage-bögen (46,8 % für die Befragung per zugesandtem Fragebogen (KF; kurze Form des Frage-bogens) und 32,8 % für das Interview in der Apotheke (LF; lange Form des Fragebogens)) Gemessen anhand des eingesetzten Adhärenz-Scores beschrieben sich 71,9 % der Patien-ten im LF und 58,2 % im KF selbst als adhärent. Der Bedarf für strukturierte, einfach durchführbare Adhärenz-Erfassungsinstrumente für die öffentliche Apotheke wurde sehr deutlich, wie u. a. der Abschlussbericht, welcher von den Apotheken nach Abschluss der Befragung ausgefüllt wurde, zeigte. Demnach hielten die Apotheken die Befragung von Umfang und Verständlichkeit für angemessen. Die Patienten waren bereit, detaillierte Kapitel V Zusammenfassung V Dissertation Miriam Ude Evaluation der Adhärenz, Compliance und Persistenz bei Patienten unter antihypertensiver Therapie 160 Auskünfte über ihre Erkrankung zu geben. Dies zeigten auch die vielen in den Bogen ein-getragenen Anmerkungen seitens der Patienten und Apothekern, in denen individuelle Probleme dokumentiert wurden. Bei der Analyse von Persistenz und Compliance im Substanzklassenvergleich wurde ein-drücklich gezeigt, dass die Therapietreue unter den First-line-Antihypertensiva (AHT) sub-optimal ist. Patienten unter der Therapie mit β-Blockern (77,3 %) weisen den geringsten non-persistenten Anteil auf, gefolgt von Patienten mit Verordnungen über ACE-Hemmer (78,7 %), AT1-Antagonisten (79,0 %), Calcium-Kanal-Blocker (81,4 %) und Diuretika (83,0 %). Hinsichtlich der Compliance findet sich in der Gruppe der mit AT1-Antagonisten be-handelten Patienten der niedrigste Anteil mit Non-Compliance (52,1 %), gefolgt von ACE-Hemmern (54,1 %), β-Blockern (54,7 %), Calcium-Kanal-Blockern (58,5 %) und Diuretika (63,6 %). Die primäre Hypothese, dass die Compliance nach Umstellung von einem Ramipril-Original-Präparat nach dessen Patentauslauf auf ein Generikum signifikant abnimmt, konnte nicht bestätigt werden. Die Ergebnisse wurden für Patienten ermittelt, welche mit Ramipril-Monopräparaten, nur mit Fixkombinationen aus Ramipril mit einem Diuretikum, oder mit beidem (duale Therapie) behandelt wurden. Die Ergebnisse der im Rahmen dieser Dissertation untersuchten Projekte zeigen, dass die medikamentöse Therapietreue bei Patienten unter antihypertensiver Therapie in Deutschland verbesserungswürdig ist, und dass die Ermittlung der Adhärenz, Compliance und Persistenz von immenser Wichtigkeit ist. Trotz der unterschiedlichen gewählten An-sätze kongruieren die Ergebnisse sehr gut. Patienten benötigen Unterstützung in der Durchführung ihrer medikamentösen Therapie mit AHT, um gesteckte Therapieziele zu erreichen, welche dazu beitragen können, Morbidität und Mortalität zu verringern bzw. die Lebensqualität zu verbessern. Ein erster Schritt dazu ist das zielgerichtete Erkennen therapiebezogener Probleme. Da es hierfür in Deutschland bisher keine strukturierten Instrumente gibt, welche flächendeckend in den Apothekenalltag implementiert wurden, könnte das neu entwickelte und auf Machbarkeit getestete Befragungsinstrument ein Ansatz sein, die Patienten gezielt und zeitsparend nach ihren Problemen mit der Arznei-mitteleinnahme zu befragen und frühestmöglich intervenieren zu können.

Identifizierung neuer antibiotischer Substanzen mittels verschiedener Bioassays und Massenspektrometrie / von Dorota Anna Urbanek (2011)

Dorota Urbanek

In dieser Arbeit sollten auf Grundlage eines in vitro Transkriptions-/Translations-Assays (TTA) neue Substanzen als Hemmer der bakteriellen Proteinbiosynthese gefunden werden. Um dieses Ziel verfolgen zu können, wurde zuerst ein zellfreies Testsystem aus kommerziellen Komponenten entwickelt und als Screening-Tool für Inhibitoren der bakteriellen Proteinbiosynthese evaluiert. Anhand des allgemein akzeptierten Bewertungskriteriums Z‘-Faktor konnte die Performance des etablierten Assays als exzellent eingeordnet werden. Mit diesem System war es nun möglich, Substanzen aus unterschiedlichen Quellen bei der Wirkstoffsuche als potentielle Antibiotika einzuordnen, welche die Proteinbiosynthese hemmen. In zwei nachfolgenden Projekten wurde die Praktikabilität dieses neuen Assays bei der Auffindung möglicher Antibiotika-Kandidaten bewiesen. In dem ersten Ansatz wurde ein virtuelles Screening der Substanzdatenbanken Specs und Asinex anhand eines Pseudorezeptormodells für Aminoglykoside durchgeführt. In Kombination mit dem TTA sowie einem Ganzzell-Assay gegen den gram-positiven Keim Bacillus subtilis 168 konnte eine Struktur mit Ähnlichkeit zu Vanilloiden als interessanter Ausgangspunkt für weitergehende Untersuchungen identifiziert werden. Die Entdeckung korreliert mit den antimikrobiellen Eigenschaften eines anderen Vanilloid, dem Capsaicin, für welches bisher aber keine Hemmung der Proteinbiosynthese in der Literatur beschrieben ist. Somit konnte gezeigt werden, dass anhand eines virtuellen Screenings sowie weiterer Assays neue Hemmer der bakteriellen Proteinbiosynthese effizient und effektiv gefunden werden können. In einem zweiten Screening-Projekt dienten pflanzliche Naturstoffe als Substanzquelle. Hierfür wurden auf der Grundlage der diterpenoiden Fusidinsäure, einem Proteinbiosynthesehemmer (PBS-Hemmer), tetra-und pentazyklische Isoprenoide ausgewählt. Aus einem Ensemble von terpenoiden Strukturen gingen nach TTA und einem zellbasierten Assay gegen Bacillus subtilis 168 in absteigender Aktivität die 18β-Glycyrrhetinsäure, 11- Keto-β-boswelliaäsure und Carnosolsäure als nennenswerte antimikrobiell wirksame Vertreter und PBS-Hemmer hervor. Auch zeigten sich diese Substanzen den Stoffen aus dem virtuellen Screening sowohl im TTA als auch in der Wirksamkeit gegen Bacillus subtilis 168 deutlich überlegen. Im nächsten Schritt erfolgte deshalb nur für diese drei Terpenoide eine Charakterisierung ihrer Auswirkungen auf das Proteom des gram-positiven Bakteriums Bacillus subtilis 168. Zusammenfassung 131 Dafür wurde eine komplette zweidimensionale gelelektrophoretische Methodik basierend auf der Differentiellen Gelelektrophorese (DIGE) etabliert. Sie umfasst eine Strategie zur schnellen Evaluierung der optimalen Anzucht des Testkeims Bacillus subtilis 168 unter Einfluss einer antimikrobiell wirksamen Substanz und ein einfaches Aufschlussverfahren, um einen kompatiblen Proteinextrakt für DIGE zu erhalten. Außerdem wurde ein preisgünstiges Markierungsverfahren mit dem 5(6)-Carboxyfluorescein-N-hydroxysuccinimid-Ester als Alternative zu den teuren DIGE-Cyan-Farbstoffen entwickelt, um die Fluoreszenzbildqualität eines neuen unbekannten Extraktes vor dem eigentlichen kostspieligen DIGE-Versuch zu überprüfen. Eine Quantifizierung regulierter Spots im Gel ist mit diesem billigen Verfahren ebenfalls möglich, stellt aber keinen Ersatz für den DIGE-Versuch dar. Die Ergebnisse der quantitativ vergleichenden Proteomanalyse vom behandelten und unbehandelten Bacillus subtilis 168 mittels DIGE bieten erstmals einen Einblick in die Einflussnahme der drei Terpenoide 18β-Glycyrrhetinsäure, 11-Keto-ß-boswelliaäsure und Carnosolsäure auf die Stressregulation und die Stoffwechseländerungen dieses Bakteriums. Außerdem beinhaltet die Arbeit einen Abgleich, inwieweit andere antimikrobiell wirksame Substanzen die regulierten Proteine der drei untersuchten Naturstoffe bei Bacillus subtilis 168 beeinflussen können. Aus den erhobenen Daten konnte dann ein Wirkmechanismus für 18β- Glycyrrhetinsäure und Carnosolsäure postuliert werden. 18β-Glycyrrhetinsäure greift wahrscheinlich am membranständigen Lipid-II-System der bakteriellen Zellwand an, da wie bei den Antibiotika Vancomycin, Nisin, Daptomycin, Ramoplanin und Bacitracin das Zellwandstress-Regulationsnetzwerk (LiaRS-System) als Warnsystem aktiviert wird. Außerdem konnte für 18β-Glycyrrhetinsäure und Carnosolsäure eine Theorie für Ihre PBSHemmung entwickelt werden. Beide beeinflussen gegebenenfalls die GTPase-Aktivität des Translationsfaktors EF-G durch Interaktion mit dem ribosomalen Bindezentrum für Translationsfaktoren. Dieses Bindungszentrum ist neben der dekodierenden Region auf der ribosomalen 30S-Untereinheit und dem Peptidyltransferase-Zentrum auf der ribosomalen 50S-Untereinheit eine extrem wichtige Region für die Funktionalität eines Ribosoms. Fusidinsäure greift auch an dieser Stelle an, indem es den EF-G-GDP-Ribosomkomplex stabilisiert. Natürlich wären weitere Studien nötig, z. B. eine Röntgenstrukturanalyse der Ribosomen von 18β-Glycyrrhetinsäure und Carnosolsäure behandelten Bakterien, um die Bindestelle für die PBS-Hemmung zweifelsfrei zu bestätigen.

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.

Redox-basierte Mechanismen der Sensibilisierung bei neuropathischen Schmerzen (2012)

Wiebke Kallenborn-Gerhardt

Bei Entzündung oder Verletzung peripherer Gewebe und Nerven kommt es zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im schmerzleitenden System. Welche ROS-generierenden Systeme hierbei beteiligt sind, ist jedoch nur ansatzweise verstanden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die ROS-produzierende NADPH Oxidase 4 (Nox4) einen wichtigen ROS-Generator im nozizeptiven System darstellt. Nox4 wird in unmyelinisierten nicht-peptidergen sowie in myelinisierten primär afferenten Neuronen exprimiert. In Modellen für akute und inflammatorische Schmerzen zeigten Nox4-/--Mäuse ein ähnliches Verhalten wie ihre wildtypischen Wurfgeschwister, jedoch war ihr Schmerzverhalten in Modellen für neuropathische Schmerzen reduziert. Eine Microarray-Analyse des lumbalen Rückenmarks nach peripherer Nervenverletzung zeigte eine Hochregulation der Expression Myelin-spezifischer Gene in Wildtyp-, nicht aber in Nox4-/- Mäusen. Darüber hinaus wurden in Wildtyp-Mäusen Myelin-spezifische Proteine im N. ischiadicus nach peripherer Nervenverletzung herab reguliert, während in Nox4-/--Mäusen keine Regulation dieser Proteine beobachtet wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nox4 eine essentielle Rolle bei Myelinisierungsprozessen spielt und so die Verarbeitung neuropathischer Schmerzsignale beeinflusst. Neben dem ROS-produzierenden System Nox4 wurde auch die Rolle des Peroxid-abbauenden Proteins Sestrin 2 (Sesn2) im nozizeptiven System untersucht. Nach peripherer Nervenverletzung wurde Sesn2-mRNA in den Spinalganglien und Sesn2-Protein im peripheren Nerv hochreguliert. Sesn2-/--Mäuse zeigten ein normales Verhalten in Modellen für akute und inflammatorische Schmerzen. Ihr Schmerzverhalten war jedoch im Formalin-Test und nach peripherer Nervenverletzung verstärkt. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass sowohl Nox4 als auch Sesn2 bei der Verarbeitung neuropathischer Schmerzsignale wichtige Funktionen einnehmen. Während Nox4 pronozizeptiv wirkt, weist Sesn2 antinozizeptive Effekte auf. Die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies scheint daher ein wichtiger endogener Faktor der Sensibilisierung im Rahmen von neuropathischen Schmerzen zu sein.

Impact of tumour microenvironmental factors on dendritic cell differentiation and function (2012)

Divya Sekar

Um der Erkennung durch das körpereigene Immunsystem entkommen, weisen Tumore Modifikationen in ihrer Mikroumgebung auf. Zu diesen gehören u. a. veränderte Sauerstoffkonzentrationen im Tumorkern und die Freisetzung biochemischer Faktoren aus Tumorzellen, welche die Funktion von Tumor-assoziierten Phagozyten, wie z.B. Dendritischen Zellen (DC) beeinflussen. DC sind professionelle Antigen-präsentierende Zellen, die eine Spezialisierung in verschiedene funktionale Subtypen aufweisen. Myeloische DC (mDC) sind besonders effizient in Hinsicht auf die Präsentation von Antigenen, wohingegen plasmazytoide DC (pDC) regulatorisch auf das Immunsystem einwirken. Beide Subtypen spielen eine wichtige Rolle bei der Karzinogenese. Während humane mDC, zur therapeutischen Verwendung, ex vivo aus Monozyten hergestellt werden können, war dies für humane pDC bisher nicht möglich. Ein war deshalb ein erstes Ziel dieser Arbeit, ein Protokoll zur Generierung humaner pDC aus humanen Monozyten zu entwickeln. Diese wurden mittels des Wachstumsfaktors Fms-related tyrosine kinase 3 ligand (Flt3-L) zu pDC-Äquivalenten differenziert, welche als monocyte-derived pDC (mo-pDC) bezeichnet wurden. In der Tat zeigten mo-pDC ein für humane pDC charakteristisches Oberflächenmarkerprofil und wiesen, im Vergleich zu mDC, eine geringe Kapazität zur Induktion der Proliferation autologer T Zellen und zur Phagozytose apoptotischer Zellen auf. Mo-pDC erwarben im Verlauf ihrer Differenzierung aus Monozyten eine kontinuierlich erhöhte Expression des pDC-spezifischen Transkriptionfaktors E2-2 und seiner spezifischen Zielgene. Der wichtigste funktionale Parameter von pDC ist die Produktion großer Mengen von Interferon-α (IFN-α). Mo-pDC sezernierten, nach vorheriger Aktivierung mit Tumornekrosefaktor-α (TNF-α) oder wenn zu ihrer Differenzierung neben Flt3-L auch Vitamin D3 oder all-trans-Retinolsäure verwendet wurde, ebenfalls große Mengen IFN-α. Wurden mo-pDC unter Hypoxie, einem prominenten Faktor der Tumormikroumgebung, generiert, so waren die Expression des spezifischen Transkriptionsfaktors E2-2 und die Freisetzung von IFN-α stark vermindert. Diese Daten zeigten zunächst, dass mo-pDC für das Studium von Differenzierung und Funktion humaner pDC eingesetzt werden können. Weiterhin lieferten sie Hinweise auf eine veränderte Differenzierung humaner pDC unter Hypoxie. In einem nächsten Schritt wurde folglich untersucht, ob Hypoxie auch die Differenzierung von pDC aus deren physiologischen Vorläufern beeinflusst. Wurden Knochenmarkszellen der Maus mit Flt3-L unter Normoxie oder Hypoxie kultiviert, so war die Differenzierung zu pDC unter Hypoxie in der Tat unterdrückt. Dies war abhängig von der Hypoxie-induzierten Aktivität des Hypoxie-induzierten Faktors 1 (HIF-1), da die Flt3-Linduzierte Differenzierung von murinen Knochenmarkszellen, in denen die Expression von HIF-1 in pDC-Vorläuferzellen ausgeschaltet war, unter Hypoxie normal verlief. Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass Hypoxie, durch Aktivierung von HIF-1, Differenzierung und Funktion von pDC unterdrückt. Dieser Mechanismus könnte zu ihrer beschriebenen Dysfunktion in humanen Tumoren beitragen. Neben Hypoxie sind viele andere Faktoren an der Immunsuppression in Tumoren beteiligt. Eine Komponente der Mikroumgebung in Tumoren ist das Vorhandensein apoptotischer Tumorzellen. Apoptose von Tumorzellen findet, im Kontrast zur generellen Sicht von Tumoren als Apoptose-resistente Entitäten, auch in unbehandelten Tumoren im Überfluss statt. Apoptotische körpereigene Zellen unterdrücken unter physiologischen Bedingungen das Immunsystem. Deshalb könnte das Freisetzen von apoptotischem Material oder die Sekretion von Faktoren aus sterbenden Tumorzellen einen starken Einfluss auf die Funktion von Tumor-assoziierten DC und die damit verbundene Aktivierung von tumoriziden Lymphozyten haben. Eine diesbezügliche Studie war das zweite Ziel der vorliegenden Arbeit. Humane mDC wurden zu diesem Zweck mit Überständen lebender, apoptotischer oder nekrotischer humaner Brustkrebszellen aktiviert und anschließend mit autologen T Zellen ko-kultiviert. Danach wurde das zytotoxische Potential der ko-kultivierten T Zellen analysiert. Interessanterweise unterdrückte die Aktivierung mit Überständen apoptotischer Tumorzellen die DC-vermittelte Generierung tumorizider T Zellen durch die Ausprägung einer Population von regulatorischen T Zellen (Treg), die durch die gleichzeitige Expression der Oberflächenmoleküle CD39 und CD69 charakterisiert war. Die Ausprägung der CD39- und CD69-exprimierenden Treg Zell-Population war abhängig von der Freisetzung des bioaktiven Lipids Sphingosin-1-Phosphat (S1P) aus apoptotischen Zellen, welches durch den S1P-Rezeptor 4 zur Freisetzung des immunregulatorischen Zytokins IL-27 aus mDC führte. Neutralisierung von IL-27 in AC-aktivierten Ko-Kulturen von mDC und T Zellen blockierte die Generierung von CD39- und CD69-exprimierenden Treg Zellen und resultierte folglich in der Aktivierung zytotoxischer T Zellen. Weiterhin war die Bildung von Adenosin in den Ko- Kulturen für die Unterdrückung zytotoxischer T Zellen vonnöten. Erste Experimente lieferten Hinweise auf eine direkte Interaktion von CD69- und CD39-exprimierenden Treg Zellen mit CD73-exprimierenden zytotoxischen T Zellen. CD39 und CD73 werden für die Bildung von Adenosin aus ATP benötigt, weswegen die Interaktion von Treg Zellen und zytotoxischen T Zellen die Adenosin-Produktion fördern könnte. Zusammenfassend zeigen die hier präsentierten Befunde wie Faktoren der Tumormikroumgebung die Funktion von humanen DC Subtypen beeinflussen können. Ein Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen kann wertvolle Informationen für die Wahl effektiver Immuntherapien oder Chemotherapien liefern und so die Therapie humaner Tumore unterstützen.

Regulierung des Ceramid - Sphingosin-1-Phosphat - Rheostats durch die neutrale Ceramidase und die Sphingosinkinase-1 in der Niere (2011)

Ankathrin Thekla Förster

Das Gleichgewicht zwischen den Sphingolipiden Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat (S1P) spielt eine entscheidende Rolle für das Schicksal einer Zelle. Es ist bekannt, dass Ceramid proapoptotisch wirkt, wohingegen S1P antiapoptotische und entzündungshemmende Signalwege induziert [6]. Eine Beeinflussung der Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme sowie eine daraus resultierende gestörte Balance zwischen Ceramid und S1P ist somit ein Merkmal diverser entzündlicher Krankheiten wie der Asthma bronchiale, der Colitis ulcerosa [148] oder auch verschiedenen Arten von Tumoren [199]. Das Hauptziel dieser Arbeit lag in der Untersuchung der Ceramid-abbauenden neutralen Ceramidase (NCDase) und der S1P-synthetisierenden Sphingosinkinase 1 (SK1) in verschiedenen Nierenzellen. Ein Fokus wurde dabei auf die Regulierung dieser Enzyme durch entzündungshemmende Corticosteroide in Ratten Mesangiumzellen gelegt, wobei diese Zellen entscheidend in der Entstehung entzündlicher Nierenerkrankungen wie einer Glomerulonephritis sind. Weiterhin wurde der Einfluss der Mutation putativer Phosphorylierungsstellen der NCDase auf die Regulierung dieses Enzyms in HEK293 Zellen untersucht und in einem dritten Teil der Arbeit schließlich die Expression und die Funktion der SK1 in der humanen Niere im Vergleich zum Nierenzellkarzinom analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass Glucocorticoide (GCs) Mesangiumzellen durch eine Steigerung der intrazellulären S1P-Konzentrationen vor durch Stress induzierter Apoptose schützen. Diese Beeinflussung des Sphingolipid-Rheostats beruhte auf einer gesteigerten mRNA- und Proteinexpression der Sphingosinkinase 1 (SK1) und der neutralen Ceramidase (NCDase). Außerdem wurde nachgewiesen, dass der Promotor der NCDase durch GCs aktivierbar ist und dass zwei Glucocorticoid-responsive-Elemente (GREs) innerhalb der Promotorsequenz durch die Bindung von Glucocorticoidrezeptoren (GRs) diese Aktivierung bewirken. In vivo Experimente mit isolierten Glomeruli, die aus mit Dexamethason behandelten Mäusen gewonnen wurden, zeigten ebenfalls eine Erhöhung der mRNA-Expression und Aktivität der SK1 sowie eine gesteigerte Proteinexpression der NCDase. Somit wurde erstmals ein direkter Einfluss von GCs auf den Sphingolipidmetabolismus in Mesangiumzellen beschrieben. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine Mutation zweier putativer Proteinkinase C (PKC)-Phosphorylierungsstellen (T253A und T420/23A) in der Sequenz der murinen NCDase zu einem verlangsamten Reifungsprozess dieses Enzyms führt. Western Blot-Analysen ergaben, dass der überexprimierte NCDase-WT zwei unterschiedlich glykosylierte Isoformen mit einem Molekulargewicht von 120 und 130 kDa exprimiert, welche stetig durch einen aktiven Prozess sezerniert werden. Im Gegensatz dazu war in den Mutanten ausschließlich die 130 kDa-Form im Zellkulturüberstand und die 120 kDa-Form im Lysat zu finden. Im Zusammenfassung 129 Gegensatz zum WT lokalisierten die Mutanten lediglich an intrazellulären Membranen und nicht zusätzlich an der Plasmamembran. In Lysaten von Zellen die die Mutanten exprimierten, konnte eine verringerte relative Aktivität gemessen werden, die der sezernierten mutierten Formen hingegen war erhöht. Daher wurde vermutet, dass die 130 kDa-Form die reife Plasmamembran-gebundene und anschließend sezernierte, aktivere Isoform der NCDase darstellt. Die Inkubation von Mesangiumzellen mit Zellkulturüberständen, die den sezernierten NCDase-WT enthielten, führte zum Schutz vor durch Stress induzierter Apoptose. Somit kann eine auto- bzw. parakrine Funktion der sezernierten NCDase angenommen werden. Dem dritten Teil der Arbeit lag die erstmalige Beschreibung der SK1-Expression in der gesunden humanen Niere zugrunde. Es konnte gezeigt werden, dass diese im Zytoplasma sowie an Membranen von Zellen des proximalen Tubulus sowie in geringerem Maße in Podozyten und Mesangiumzellen des Glomerulus exprimiert wird. Im Gegensatz dazu wurde die SK1 in Biopsien von Patienten mit Nierentumor im Nukleus gefunden. Die Untersuchung der SK1-Expression in 5 verschiedenen Nierentumorzelllinien im Vergleich zu Epithelzellen des proximalen Tubulus (Human Kidney 2 - HK2-Zellen) ergaben, dass sowohl die Protein- als auch die mRNA-Expression der SK1 in Föhn-Zellen stark erhöht, in ACHN3-Zellen hingegen signifikant niedriger war. Zudem konnte auch in den Föhn-Zellen eine nukleäre Expression der SK1 nachgewiesen werden. Die Behandlung von HK2-, ACHN3- und Föhn-Zellen mit dem Transforming Growth Factor-ß2 (TGF-ß2) resultierte in einer transkriptionellen Steigerung der SK1-Expression. Die Herunterregulierung der SK1 in diesen Zellen führte zu einem Arrest der Zellen in der S Phase, wohingegen die Überexpression der SK1 in den ACHN3-Zellen zu einem signifikanten Schutz vor Apoptose führte. Zusammenfassend sind die Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme NCDase und SK-1 ein interessanter therapeutischer Ansatzpunkt zur Behandlung von Krankheiten, die mit pathologischen Prozessen wie Entzündung, Apoptose und Proliferation einhergehen, wie es bei Glomerulonephritiden und bei Nierentumoren der Fall ist.

Allergenes Potenzial und Epitopstruktur von beta-Conglycinin aus der Sojabohne (2011)

Yvonne Kühne

Sojabohnen sind aufgrund ihres hohen Proteingehaltes ein wichtiges Nahrungsmittel und insbesondere bei Kindern ein häufig austretendes allergenes Lebensmittel. Der einizige zur Zeit mögliche Schutz vor einer allergischen Reaktion auf Soja ist die strikte Vermeidung der Aufnahme. Die allergenen Substanzen sind Proteine und Glykoproteine. Es gibt eine Reihe von Produkten aus Soja, die kein oder nur geringe Mengen Protein enthalten, aber in zahlreichen Lebensmitteln enthalten sind. Die Prüfung der potenziellen Allergenität von solchen Produkten, wie z.B. Vitamin E aus Soja, ist von grundlegendem Interesse für allergische Personen. Vitamin E aus Soja wird vielen Produkten z.B. als Antioxidanz zugesetzt und müsste nach den rechtlichen Kennzeichnungsvorschriften als Allergen auf der Verpackung angegeben werden. Ein Ziel dieser Promotionsarbeit war daher die Entwicklung von sensitiven und spezifischen Detektionmethoden für den Nachweis von Sojaprotein in Tocopherol (VitaminE) aus der Sojabohne. Aber auch die Charakterisierung von Sojaallergenen für die Entwicklung von diagnostischen und therapeutischen Methoden ist wichtig. Das zweite Ziel der Arbeit war somit die genauere Charakterisierung von β- Conglycinin (Gly m 5) als Sojaallergen sowie die Identifizierung der IgE-bindenden Bereiche des untersuchten Proteins. Zum Nachweis, dass in dem hoch prozessierten Sojaprodukt Tocopherol kein Sojaprotein mehr vorhanden war, wurden mehrere proteinbiochemische und immunologische Methoden entwickelt und validiert. Der sojaspezifische ELISA zur Detektion von hydrophilen Sojaproteinen aus der Tocopherolmatrix mit einer realen Nachweisgrenze von 10 ppm zeigte eine gute Reproduzierbarkeit. Die Detektion von lipophilen, denaturierten und hydrophilen Sojaproteinen aus Tocopherol im Immunoblot mit einer Nachweisgrenze von 20 ppm war ebenfalls gut reproduzierbar. Der etablierte IgE Immunoblot mit Sojaallergikerseren wies eine vergleichbare Sensitivität auf. In keiner der 10 untersuchten Tocopherolproben wurde mit den etablierten sensitiven sojaspezifischen Methoden Sojaprotein detektiert. Bei in vivo Studien von klinischen Partnern wurde bei Sojaallergikern weder eine Reaktion auf Tocopherol im Hauttest noch in der oralen Provokation von 500 mg Tocopherol beobachtet. Dass Gly m 5 ein wichtiges Sojaallergen ist und als diagnostischer Marker für schwere allergische Reaktionen genutzt werden kann, wurde in einer früheren Publikation unserer Arbeitsgruppe beschrieben. Die genauere Charakterisierung von Gly m 5 in dieser Arbeit zeigte, dass es ein Hauptallergen bei sojaallergischen Kindern und bei Sojaallergikern mit anaphylaktischen Reaktionen darstellt. Dabei zeigten alle Gly m 5 sensibilisierten Sojaallergiker spezifisches IgE gegen eine der drei Gly m 5 Untereinheiten, das Gly m 5.03. Diese Untereinheit kann somit als diagnostischer Marker für eine Gly m 5 Sensibilisierung eingesetzt werden. Es konnte ebenfalls in dieser Arbeit bestätigt werden, dass die meisten Gly m 5 sensibilisierten Sojaallergiker moderate bis schwere allergische Reaktionen zeigten und Gly m 5 somit einen potenziellen Marker für die Schwere einer Sojaallergie darstellt. Zur Identifizierung von IgE-bindenden Bereichen des Gly m 5 und des homologen Erdnussallergens Ara h 1 wurde die hoch sensitive und spezifische CelluSpot Technik etabliert, welche im Vergleich zur häufig angewendeten SPOT Membran-Technik nicht nur Zeit und Serumvolumen spart, sondern auch die individuelle Testung der Seren unter ständiger Mitführung von Positiv-und Negativkontrollen ermöglichte. Diese Methode stellt damit eine geeignete Technik zur Untersuchung von IgE reaktiven linearen Bereichen der Gly m 5 Untereinheiten und des Ara h 1 dar. Die Mehrheit der Gly m 5 sensibilisierten Sojaallergiker besaß spezifisches IgE gegen sequenzielle synthetische Peptide der Gly m 5 Untereinheiten, wobei jedes Allergikerserum ein individuelles IgE Bindungsmuster zeigte. Zusammengefasst wurden fünf sequenzielle Regionen auf allen drei Gly m 5 Untereinheiten identifiziert, welche die größte IgE Bindungshäufigkeit aufwiesen. Alle fünf Bereiche waren zwischen 12-17 Aminosäuren groß und auf der Moleküloberfläche lokalisiert. Sie bildeten gemeinsam zwei zusammenhängende Bereiche in der Kernregion der Gly m 5 Moleküle und lassen vermuten, dass sie Teile von Konformationsepitopen darstellen. Zur Untersuchung einer möglicherweise vorhandenen serologischen Kreuzreaktivität zwischen den zwei Leguminosen Soja und Erdnuss, wurden sowohl Sojaallergiker mit Erdnussallergie als auch Erdnussallergiker ohne Sojaallergie auf Reaktivitäten gegen Peptide des Erdnussallergens Ara h 1 untersucht. Dabei wurden drei sequenzielle Bereiche identifiziert, die von der Mehrheit der Sojaallergiker, jedoch nur selten von den Erdnussallergikern erkannt wurden. Diese drei Bereiche wiesen eine Sequenzähnlichkeit zu den reaktivsten Bereichen der Gly m 5 Untereinheiten auf. Die Untersuchung von Allergikerseren auf Aminosäuresequenzebene könnte als diagnostische Methode zur Unterscheidung der klinischen Ausprägung einer Sojaallergie im Vergleich zur Erdnussallergie dienen und somit die Anzahl der risikobehafteten Nahrungsmittelprovokationen zur Bestätigung einer Sojaallergie senken. Die Identifizierung von B-Zell Epitopen ist eine wichtige Grundlage für die Herstellung von Hypoallergenen mit verringerter B-Zell Aktivität, bei gleichbleibender T-Zell- Aktivierung. Solche hypoallergenen Mutanten sind eine hoffnungsvolle Perspektive für eine Immuntherapie von Sojaallergikern, da sie womöglich das Risiko einer allergischen Reaktion während der Behandlung verringern können.

Doctoral Thesis

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