Structured antibody surfaces for bio-recognition and a label-free detection of bacteria

Antibody microarrays are of great research interest because of their potential application as biosensors for high-throughput protein and pathogen screening technologies. In this active area, there is still a need for novel structures and assemblies providing insight in binding interactions such as spherical and annulus-shaped protein structures, e.g. for the utilization of curved surfaces for the enhanced protein-protein interactions and detection of antigens. Therefore, the goal of the presented work was to establish a new technique for the label-free detection of bio-molecules and bacteria on topographically structured surfaces, suitable for antibody binding.rnIn the first part of the presented thesis, the fabrication of monolayers of inverse opals with 10 μm diameter and the immobilization of antibodies on their interior surface is described. For this purpose, several established methods for the linking of antibodies to glass, including Schiff bases, EDC/S-NHS chemistry and the biotin-streptavidin affinity system, were tested. The employed methods included immunofluorescence and image analysis by phase contrast microscopy. It could be shown that these methods were not successful in terms of antibody immobilization and adjacent bacteria binding. Hence, a method based on the application of an active-ester-silane was introduced. It showed promising results but also the need for further analysis. Especially the search for alternative antibodies addressing other antigens on the exterior of bacteria will be sought-after in the future.rnAs a consequence of the ability to control antibody-functionalized surfaces, a new technique employing colloidal templating to yield large scale (~cm2) 2D arrays of antibodies against E. coli K12, eGFP and human integrin αvβ3 on a versatile useful glass surface is presented. The antibodies were swept to reside around the templating microspheres during solution drying, and physisorbed on the glass. After removing the microspheres, the formation of annuli-shaped antibody structures was observed. The preserved antibody structure and functionality is shown by binding the specific antigens and secondary antibodies. The improved detection of specific bacteria from a crude solution compared to conventional “flat” antibody surfaces and the setting up of an integrin-binding platform for targeted recognition and surface interactions of eukaryotic cells is demonstrated. The structures were investigated by atomic force, confocal and fluorescence microscopy. Operational parameters like drying time, temperature, humidity and surfactants were optimized to obtain a stable antibody structure.

Microarray based real-time analysis of nucleic acid hybridization kinetics and thermodynamics

Ziel dieser Dissertation ist die experimentelle Charakterisierung und quantitative Beschreibung der Hybridisierung von komplementären Nukleinsäuresträngen mit oberflächengebundenen Fängermolekülen für die Entwicklung von integrierten Biosensoren. Im Gegensatz zu lösungsbasierten Verfahren ist mit Microarray Substraten die Untersuchung vieler Nukleinsäurekombinationen parallel möglich. Als biologisch relevantes Evaluierungssystem wurde das in Eukaryoten universell exprimierte Actin Gen aus unterschiedlichen Pflanzenspezies verwendet. Dieses Testsystem ermöglicht es, nahe verwandte Pflanzenarten auf Grund von geringen Unterschieden in der Gen-Sequenz (SNPs) zu charakterisieren. Aufbauend auf dieses gut studierte Modell eines House-Keeping Genes wurde ein umfassendes Microarray System, bestehend aus kurzen und langen Oligonukleotiden (mit eingebauten LNA-Molekülen), cDNAs sowie DNA und RNA Targets realisiert. Damit konnte ein für online Messung optimiertes Testsystem mit hohen Signalstärken entwickelt werden. Basierend auf den Ergebnissen wurde der gesamte Signalpfad von Nukleinsärekonzentration bis zum digitalen Wert modelliert. Die aus der Entwicklung und den Experimenten gewonnen Erkenntnisse über die Kinetik und Thermodynamik von Hybridisierung sind in drei Publikationen zusammengefasst die das Rückgrat dieser Dissertation bilden. Die erste Publikation beschreibt die Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Spezifizität von Microarray Ergebnissen durch online Messung von Kinetik und Thermodynamik gegenüber endpunktbasierten Messungen mit Standard Microarrays. Für die Auswertung der riesigen Datenmengen wurden zwei Algorithmen entwickelt, eine reaktionskinetische Modellierung der Isothermen und ein auf der Fermi-Dirac Statistik beruhende Beschreibung des Schmelzüberganges. Diese Algorithmen werden in der zweiten Publikation beschrieben. Durch die Realisierung von gleichen Sequenzen in den chemisch unterschiedlichen Nukleinsäuren (DNA, RNA und LNA) ist es möglich, definierte Unterschiede in der Konformation des Riboserings und der C5-Methylgruppe der Pyrimidine zu untersuchen. Die kompetitive Wechselwirkung dieser unterschiedlichen Nukleinsäuren gleicher Sequenz und die Auswirkungen auf Kinetik und Thermodynamik ist das Thema der dritten Publikation. Neben der molekularbiologischen und technologischen Entwicklung im Bereich der Sensorik von Hybridisierungsreaktionen oberflächengebundener Nukleinsäuremolekülen, der automatisierten Auswertung und Modellierung der anfallenden Datenmengen und der damit verbundenen besseren quantitativen Beschreibung von Kinetik und Thermodynamik dieser Reaktionen tragen die Ergebnisse zum besseren Verständnis der physikalisch-chemischen Struktur des elementarsten biologischen Moleküls und seiner nach wie vor nicht vollständig verstandenen Spezifizität bei.

DNA-Reparatur-assoziierte genetische und epigenetische Faktoren für die Zweittumorentstehung nach Tumoren im Kindes- und Jugendalter

Die Ursachen der Zweittumorentwicklung bei Personen, die eine Krebserkrankung in der Kindheit überlebten, sind weitgehend unklar. Strahlenexposition oder Chemotherapie führen in normalen somatischen Zellen zu DNA-Schäden, welche bei fehlerhafter Reparatur eine Karzinogenese auslösen können. Es ist denkbar, dass genetische Unterschiede z. B. in den Signalwegen der Zellzykluskontrolle und der DNA-Reparatur nach therapieinduzierten DNA-Schäden eine entscheidende Rolle bei der Zweittumorentwicklung spielen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 20 Personen, die eine Krebserkrankung in der Kindheit überlebten und einen unabhängigen Zweittumor entwickelten, mit 20 gematchten Kontrollpersonen ohne Zweittumorentwicklung verglichen. Die primären Fibroblasten der Patienten wurden auf somatische, genetische und/oder epigenetische Unterschiede in DNA-Reparaturnetzwerken untersucht. Die biologisch relevantesten Ergebnisse lieferten Proteinuntersuchungen mittels Antikörper-Microarrays. Hierbei wurde eine konstitutiv erniedrigte Menge an RAD9A und einigen anderen DNA-Reparatur-Proteinen (BRCA1, DDIT3, MSH6, p53, RAD51) in den Zweittumorpatienten im Vergleich zu den Eintumorpatienten festgestellt. Nach einer DNA-Schädigung durch 1 Gray Bestrahlung erhöhte sich die RAD9A-Proteinmenge, wobei die Zweittumorpatienten eine geringere Induktion als die Eintumorpatienten zeigten. Bei der Quantifizierung der mRNA-Expression mittels RTq-PCR wurde ein niedrigerer RAD9A-mRNA-Level sowohl in den unbehandelten und als auch in den 1 Gray bestrahlten Zellen der Zweittumorpatienten festgestellt. SNP-Array und Methylierungsanalysen konnten keine Auffälligkeiten im RAD9A-Lokus nachweisen. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Modulationen von RAD9A und anderen Zellzyklusarrest- und DNA-Reparaturproteinen zum Risiko einer Zweittumorentwicklung in Kinderkrebspatienten beitragen. Bei einem diskordanten monozygoten Zwillingspaar wurde in ca. 20% der Zellen des Zweittumorzwillings eine Hypermethylierung des Tumorsuppressorgens BRCA1 festgestellt, die mit einer konstitutiv erniedrigten BRCA1-Proteinexpression einhergeht und einen möglichen Krebsrisikofaktor darstellt. Die partielle Deletion des Gens RSPO3, die wahrscheinlich als somatisches Zellmosaik beim Zweittumorzwilling vorliegt, korreliert mit einer niedrigeren RSPO3-mRNA-Expression und ist vermutlich auch mit einer erhöhten Krebsprädisposition assoziiert.

Transkriptom des Meristemgewebes des Kolumnarapfels

Kolumnare Apfelbäume (Malus x domestica) stellen aufgrund ihres auffälligen Phänotyps eine ökonomisch interessante Wuchsform dar. Diese extreme Form des Kurztriebwuchses zeichnet sich durch einen insgesamt sehr schlanken, säulenförmigen Habitus aus, welcher eine dichte Pflanzung und damit einhergehend Ertragssteigerungen im Vergleich zu normalwüchsigen Bäumen ermöglicht. Verursacht wird der Phänotyp durch die Anwesenheit eines einzelnen, dominanten Allels des Columnar (Co)-Gens. Bis auf die approximative Lokalisation des Gens auf Chromosom 10 ist über mögliche Identität und Funktion bislang nichts bekannt.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde ein erster Versuch unternommen, mit Hilfe von Next Generation Sequencing (NGS) Technologien und RNA-Seq Einblicke in das Transkriptom des Sprossapikalmeristems (SAM) kolumnarer Apfelbäume zu gewinnen. So konnte gezeigt werden, dass unabhängig vom Zeitpunkt der Entnahme des Materials mehrere hundert Gene differentiell reguliert werden. Diese lassen sich funktional in mehrere überrepräsentierte Kategorien gruppieren, von denen sich einige wiederum mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren lassen. Durch den Einsatz weiterer Expressionsstudien (Microarrays, qRT-PCR) konnten frühere Ergebnisse bezüglich des Hormonhaushalts auf Genebene bestätigt und neue Erkenntnisse gewonnen werden, die eine mögliche Erklärung für den Phänotyp darstellen. Weiterhin ergab der Vergleich aller durchgeführten Expressionsstudien eine Anreicherung signifikant differentiell regulierter Gene auf Chromosom 10, was auf einen „selective sweep“ hindeutet. Eine potentielle epigenetische Regulation dieser Gene durch das Genprodukt von Co könnte daher möglich sein. Mehr als die Hälfte dieser Gene lassen sich darüber hinaus aufgrund ihrer Funktion direkt mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren.rnDiese Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit des Co-Allels massive Veränderungen in der Genregulation des SAMs mit sich bringt, wobei einige dieser differentiell regulierten Gene mit großer Wahrscheinlichkeit an der Etablierung des kolumnaren Phänotyps beteiligt sind. Auch wenn die Funktion des Co-Genproduktes nicht abschließend geklärt werden konnte, sind doch anhand der Resultate schlüssige Hypothesen diesbezüglich möglich.rn

Untersuchungen zur Lokalisation und Expression des respiratorischen Proteins Neuroglobin bei Säugetieren

In der vorliegenden Arbeit wurde Neuroglobin (Ngb), ein evolutiv altes und in Metazoen konserviertes respiratorisches Protein, funktionell untersucht. Mittels des induzierbaren Tet on / Tet off Systems wurde Ngb ektopisch in der murinen Leber und im Gehirn überexprimiert. Die Transkriptome von Leber und Gehirnregionen Ngb-transgener Mäuse wurden mittels Microarrays und RNA-Seq im Vergleich zum Wildtyp analysiert, um Auswirkungen der Ngb-Überexpression zu ermitteln. Die Transkriptom-Analyse in Leber und Gehirn zeigte eine nur geringe Anzahl differenziell regulierter Gene und Stoffwechselwege nach Ngb-Überexpression. Ngb transgene Mäuse wurden CCl4-induziertem ROS-Stress ausgesetzt und die Leberfunktion untersucht. Zudem wurden primäre Hepatozyten-Kulturen etabliert und in diesen in vitro die extrinsische Apoptose induziert. Die Stressversuche zeigten: (i) Die Ngb-Überexpression hat keine protektive Wirkung in der Leber in vivo. (ii) In Leberzellen in vitro hingegen verminderte eine Ngb-Überexpression effizient die Aktivierung der apoptotischen Kaskade. Eine protektive Wirkung von Ngb ist vermutlich von betrachtetem Gewebe und dem verwendeten Stressor abhängig und keine generelle, selektierte Funktion des Proteins.rnWeiterhin wurde eine Ngb-KnockOut-Mauslinie mit einem LacZ-KnockIn-Genotyp etabliert. Hierbei zeigten die KO-Mäuse keinen offensichtlichen Phänotyp in ihrer Entwicklung, Fortpflanzung und Retina-Funktion. Unter Verwendung des LacZ-Knockin-Konstrukts konnten kontrovers diskutierte Ngb-Expressionsorte im adulten Mausgehirn (Hippocampus, Cortex und Cerebellum) sowie in Testes experimentell bestätigt werden. Parallel wurden öffentlich verfügbare RNA-Seq Datensätze ausgewertet, um die regionale Ngb-Expression systematisch ohne Antikörper-assoziierte Spezifitätsprobleme zu charakterisieren. Eine basale Ngb-Expression (RPKM: ~1-5) wurde im Hippocampus, Cortex und Cerebellum, sowie in Retina und Testes ermittelt. Eine 20-40fach höhere, starke Expression (RPKM: ~160) wurde im Hypothalamus bzw. im Hirnstamm nachgewiesen. Die „digitale“ Expressionsuntersuchung wurde mittels qRT-PCR und Western Blot bestätigt. Dieses Expressionsprofil von Ngb in der Maus weist auf eine besondere funktionelle Bedeutung von Ngb im Hypothalamus hin. Eine Funktion von Ngb in der Sauerstoffversorgung der Retina und eine generelle Funktion von Ngb in der Protektion von Neuronen sind mit dem beobachteten Expressionsspektrum weniger gut vereinbar.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Lysyl oxidase expression is an independent marker of prognosis and a predictor of lymph node metastasis in oral and oropharyngeal squamous cell carcinoma (OSCC)

Proteins of the lysyl oxidase (LOX) family are important modulators of the extracellular matrix. However, they have an important role in the tumour development as well as in tumour progression. To evaluate the diagnostic and prognostic value of the LOX protein in oral and oropharyngeal squamous cell carcinoma (OSCC) we performed QRT-PCR and immunohistochemical analysis on two tissue microarrays (622 tissue samples in total). Significantly higher LOX expression was detected in high grade dysplastic oral mucosa as well as in OSCC when compared to normal oral mucosa (P < 0.001). High LOX expression was correlated with clinical TNM stage (P = 0.020), lymph node metastases for the entire cohort (P < 0.001), as well as in the subgroup of small primary tumours (T1/T2, P < 0.001). Moreover, high LOX expression was correlated with poor overall survival (P = 0.004) and disease specific survival (P = 0.037). In a multivariate analysis, high LOX expression was an independent prognostic factor, predicting unfavourable overall survival. In summary, LOX expression is an independent prognostic biomarker and a predictor of lymph node metastasis in OSCC. Moreover, LOX overexpression may be an early phenomenon in the pathogenesis of OSCC and thus an attractive novel target for chemopreventive and therapeutic strategies.

Mining tissue microarray data to uncover combinations of biomarker expression patterns that improve intermediate staging and grading of clear cell renal cell cancer

PURPOSE: Tumor stage and nuclear grade are the most important prognostic parameters of clear cell renal cell carcinoma (ccRCC). The progression risk of ccRCC remains difficult to predict particularly for tumors with organ-confined stage and intermediate differentiation grade. Elucidating molecular pathways deregulated in ccRCC may point to novel prognostic parameters that facilitate planning of therapeutic approaches. EXPERIMENTAL DESIGN: Using tissue microarrays, expression patterns of 15 different proteins were evaluated in over 800 ccRCC patients to analyze pathways reported to be physiologically controlled by the tumor suppressors von Hippel-Lindau protein and phosphatase and tensin homologue (PTEN). Tumor staging and grading were improved by performing variable selection using Cox regression and a recursive bootstrap elimination scheme. RESULTS: Patients with pT2 and pT3 tumors that were p27 and CAIX positive had a better outcome than those with all remaining marker combinations. A prolonged survival among patients with intermediate grade (grade 2) correlated with both nuclear p27 and cytoplasmic PTEN expression, as well as with inactive, nonphosphorylated ribosomal protein S6. By applying graphical log-linear modeling for over 700 ccRCC for which the molecular parameters were available, only a weak conditional dependence existed between the expression of p27, PTEN, CAIX, and p-S6, suggesting that the dysregulation of several independent pathways are crucial for tumor progression. CONCLUSIONS: The use of recursive bootstrap elimination, as well as graphical log-linear modeling for comprehensive tissue microarray (TMA) data analysis allows the unraveling of complex molecular contexts and may improve predictive evaluations for patients with advanced renal cancer.

Intratumoral budding as a potential parameter of tumor progression in mismatch repair-proficient and mismatch repair-deficient colorectal cancer patients

In colorectal cancer, tumor budding at the invasive front (peritumoral budding) is an established prognostic parameter and decreased in mismatch repair-deficient tumors. In contrast, the clinical relevance of tumor budding within the tumor center (intratumoral budding) is not yet known. The aim of the study was to determine the correlation of intratumoral budding with peritumoral budding and mismatch repair status and the prognostic impact of intratumoral budding using 2 independent patient cohorts. Following pancytokeratin staining of whole-tissue sections and multiple-punch tissue microarrays, 2 independent cohorts (group 1: n = 289; group 2: n = 222) with known mismatch repair status were investigated for intratumoral budding and peritumoral budding. In group 1, intratumoral budding was strongly correlated to peritumoral budding (r = 0.64; P < .001) and less frequent in mismatch repair-deficient versus mismatch repair-proficient cases (P = .177). Sensitivity and specificity for lymph node positivity were 72.7% and 72.1%. In mismatch repair-proficient cancers, high-grade intratumoral budding was associated with right-sided location (P = .024), advanced T stage (P = .001) and N stage pN (P < .001), vascular invasion (P = .041), infiltrating tumor margin (P = .003), and shorter survival time (P = .014). In mismatch repair-deficient cancers, high intratumoral budding was linked to higher tumor grade (P = .004), vascular invasion (P = .009), infiltrating tumor margin (P = .005), and more unfavorable survival time (P = .09). These associations were confirmed in group 2. High-grade intratumoral budding was a poor prognostic factor in univariate (P < .001) and multivariable analyses (P = .019) adjusting for T stage, N stage distant metastasis, and adjuvant therapy. These preliminary results on 511 patients show that intratumoral budding is an independent prognostic factor, supporting the future investigation of intratumoral budding in larger series of both preoperative and postoperative rectal and colon cancer specimens.

High CD10 expression in lymph node metastases from surgically treated prostate cancer independently predicts early death

Patients with nodal positive prostate cancers are an important cohort with poorly defined risk factors. CD10 is a cell surface metallopeptidase that has been suggested to play a role in prostate cancer progression. CD10 expression was evaluated in 119 nodal positive prostate cancer patients using tissue microarrays constructed from primary tumors and lymph node metastases. All patients underwent radical prostatectomy and standardized extended lymphadenectomy. They had no neoadjuvant therapy and received deferred androgen deprivation. In the primary tumor, high CD10 expression was significantly associated with earlier death from disease when compared with low CD10 expression (5-year survival 73.7% vs. 91.8%; p = 0.043). In the metastases, a high CD10 expression was significantly associated with larger total size of metastases (median 11.4 vs. 6.5 mm; p = 0.015), earlier death of disease (5-year survival 71.5% vs. 87.3%; p = 0.017), and death of any cause (5-year survival 70.0% vs. 87.2%; p = 0.001) when compared with low CD10 expression. CD10 expression in the metastases added independent prognostic information for overall survival (p = 0.029) after adjustment for Gleason score of the primary tumor, nodal tumor burden, and resection margins. In conclusion, a high CD10 expression in prostate cancer predicts early death. This information is inherent in the primary tumors and in the lymph node metastases and might help to personalize patient management.

High CD10 expression predicts favorable outcome in surgically treated lymph node-positive bladder cancer patients

CD10 predicts survival in different cancers. The prognostic significance in bladder cancer still has to be documented. One hundred fifty lymph node-positive bladder cancer patients were treated by cystectomy and standardized pelvic lymphadenectomy in curative intent. CD10 expression was evaluated in tissue microarrays (TMAs) constructed from histopathological normal urothelium, primary tumor (tumor center and invasion front), and corresponding lymph node metastases and correlated with tumor characteristics (stage, extracapsular extension, number, and total diameter of metastases) and survival. CD10 expression was successively lost from normal urothelium to primary tumor to metastases (P < .05) and decreased from the tumor center to the invasion front (P < .002). High CD10 expression in tumor center or invasion front (P < .05) but not in the metastases predicted favorable outcome; the prognostic information in the tumor center was independent from tumor stage and lymph node parameters. High CD10 expression level was not associated with specific tumor characteristics. A well-defined sampling strategy for TMAs allows detection of specific biomarker expression patterns and may generate prognostic information inherent in particular tumor areas. The favorable outcome in bladder cancer patients with high CD10 expression might suggest a tumor suppressive function of CD10.

MMP-2 and MMP-9 in lymph-node-positive bladder cancer

Matrix metalloproteinases (MMP), particularly MMP-2 and MMP-9, participate in tumour progression and metastasis in various cancers. Their significance in urothelial cancer of the bladder (UCB) is unclear. Expression analysis of MMP-2 and MMP-9 in tissue microarrays (TMA) constructed of corresponding samples from histopathological normal urothelium, tumour centre and invasion front of primary tumours and lymph-node (LN) metastases might help to elucidate their relevance in UCB.

Negative regulation of NF-κB by the ING4 tumor suppressor in breast cancer

Nuclear Factor kappa B (NF-κB) is a key mediator of normal immune response but contributes to aggressive cancer cell phenotypes when aberrantly activated. Here we present evidence that the Inhibitor of Growth 4 (ING4) tumor suppressor negatively regulates NF-κB in breast cancer. We surveyed primary breast tumor samples for ING4 protein expression using tissue microarrays and a newly generated antibody. We found that 34% of tumors expressed undetectable to low levels of the ING4 protein (n = 227). Tumors with low ING4 expression were frequently large in size, high grade, and lymph node positive, suggesting that down-regulation of ING4 may contribute to breast cancer progression. In the same tumor set, we found that low ING4 expression correlated with high levels of nuclear phosphorylated p65/RelA (p-p65), an activated form of NF-κB (p = 0.018). Fifty seven percent of ING4-low/p-p65-high tumors were lymph node-positive, indicating a high metastatic tendency of these tumors. Conversely, ectopic expression of ING4 inhibited p65/RelA phosphorylation in T47D and MCF7 breast cancer cells. In addition, ING4 suppressed PMA-induced cell invasion and NF-κB-target gene expression in T47D cells, indicating that ING4 inhibited NF-κB activity in breast cancer cells. Supportive of the ING4 function in the regulation of NF-κB-target gene expression, we found that ING4 expression levels inversely correlated with the expression of NF-κB-target genes in primary breast tumors by analyzing public gene expression datasets. Moreover, low ING4 expression or high expression of the gene signature composed of a subset of ING4-repressed NF-κB-target genes was associated with reduced disease-free survival in breast cancer patients. Taken together, we conclude that ING4 negatively regulates NF-κB in breast cancer. Consequently, down-regulation of ING4 leads to activation of NF-κB, contributing to tumor progression and reduced disease-free patient survival in breast cancer.

Role of KCNMA1 in breast cancer

KCNMA1 encodes the α-subunit of the large conductance, voltage and Ca(2+)-activated (BK) potassium channel and has been reported as a target gene of genomic amplification at 10q22 in prostate cancer. To investigate the prevalence of the amplification in other human cancers, the copy number of KCNMA1 was analyzed by fluorescence-in-situ-hybridization (FISH) in 2,445 tumors across 118 different tumor types. Amplification of KCNMA1 was restricted to a small but distinct fraction of breast, ovarian and endometrial cancer with the highest prevalence in invasive ductal breast cancers and serous carcinoma of ovary and endometrium (3-7%). We performed an extensive analysis on breast cancer tissue microarrays (TMA) of 1,200 tumors linked to prognosis. KCNMA1 amplification was significantly associated with high tumor stage, high grade, high tumor cell proliferation, and poor prognosis. Immunofluorescence revealed moderate or strong KCNMA1 protein expression in 8 out of 9 human breast cancers and in the breast cancer cell line MFM223. KCNMA1-function in breast cancer cell lines was confirmed by whole-cell patch clamp recordings and proliferation assays, using siRNA-knockdown, BK channel activators such as 17ß-estradiol and the BK-channel blocker paxilline. Our findings revealed that enhanced expression of KCNMA1 correlates with and contributes to high proliferation rate and malignancy of breast cancer.

Molecular analysis of HER2 signaling in human breast cancer by functional protein pathway activation mapping

Targeting of the HER2 protein in human breast cancer represents a major advance in oncology but relies on measurements of total HER2 protein and not HER2 signaling network activation. We used reverse-phase protein microarrays (RPMA) to measure total and phosphorylated HER2 in the context of HER family signaling to understand correlations between phosphorylated and total levels of HER2 and downstream signaling activity.