Charakterisierung von T-Zell-Antworten gegen humane Nierenzellkarzinome sowie Identifizierung von HLA-G als tumorassoziiertes Antigen und Immunevasionsmechanismus des Nierenzellkarzinoms

Humane Nierenzellkarzinom-(NZK)-Zelllinien wurden etabliert, um sie zur Generierung von autologen zytotoxischen T-Zelllinien einzusetzen. Erst nach Modifikation mit dem kostimulierenden B7-1-Molekül wurden mit der NZK-Zelllinie MZ1257RC autologe, tumorspezifische T-Zelllinien generiert und charakterisiert. Die Aufklärung eines T-Zell-definierten TAA eines autologen, zytotoxischen T Zellklons wurde mittels Expressionsklonierung einer hergestellten cDNS-Expressionsbank begonnen. Nach in vitro-Sensibilisierung von peripheren Blutmonozyten mit der autologen NZK-Zelllinie MZ2733RC wurde die HLA-Klasse I-restringierte T Zelllinie XIE6 generiert, die die autologe und verschiedene allogene NZK- sowie Zervixkarzinom-Zelllinien, jedoch nicht autologe Nierenzellen lysiert. Die T Zellen exprimieren TZR Vβ13.6-Ketten und sezernieren GM-CSF und IL-10 nach Antigenstimulation. Jedoch ist die NZK-Zelllinie MZ2733RC wenig sensitiv gegenüber autologen und allogenen Effektorzellen. Erst die Blockade ihrer HLA Klasse I-Moleküle auf der Zelloberfläche erhöht ihre Sensitivität gegenüber allogenen lymphokin-aktivierten Killer-Zellen. Verantwortlich dafür können nicht-klassische HLA Klasse Ib-Moleküle, insbesondere HLA-G sein, dessen Transkripte in der RNS der NZK-Zellen, jedoch nicht in Nierenzellen detektiert wurden. In einer detaillierten Studie wurden HLA-G-Transkripte in NZK-Zelllinien (58%), in NZK-Biopsien (80%), und nur in wenigen Nierenepithelbiopsien (10%) nachgewiesen. In der NZK-Zelllinie MZ2733RC wurde eine konstitutive HLA-G1-Proteinexpression beobachtet, die durch eine IFN-γ-Behandlung induzierbar ist.

Method development using ICP-MS and LA-ICP-MS and their application in environmental and material science

Within this PhD thesis several methods were developed and validated which can find applicationare suitable for environmental sample and material science and should be applicable for monitoring of particular radionuclides and the analysis of the chemical composition of construction materials in the frame of ESS project. The study demonstrated that ICP-MS is a powerful analytical technique for ultrasensitive determination of 129I, 90Sr and lanthanides in both artificial and environmental samples such as water and soil. In particular ICP-MS with collision cell allows measuring extremely low isotope ratios of iodine. It was demonstrated that isotope ratios of 129I/127I as low as 10-7 can be measured with an accuracy and precision suitable for distinguishing sample origins. ICP-MS with collision cell, in particular in combination with cool plasma conditions, reduces the influence of isobaric interferences on m/z = 90 and is therefore well-suited for 90Sr analysis in water samples. However, the applied ICP-CC-QMS in this work is limited for the measurement of 90Sr due to the tailing of 88Sr+ and in particular Daly detector noise. Hyphenation of capillary electrophoresis with ICP-MS was shown to resolve atomic ions of all lanthanides and polyatomic interferences. The elimination of polyatomic and isobaric ICP-MS interferences was accomplished without compromising the sensitivity by the use of a high resolution mode as available on ICP-SFMS. Combination of laser ablation with ICP-MS allowed direct micro and local uranium isotope ratio measurements at the ultratrace concentrations on the surface of biological samples. In particular, the application of a cooled laser ablation chamber improves the precision and accuracy of uranium isotopic ratios measurements in comparison to the non-cooled laser ablation chamber by up to one order of magnitude. In order to reduce the quantification problem, a mono gas on-line solution-based calibration was built based on the insertion of a microflow nebulizer DS-5 directly into the laser ablation chamber. A micro local method to determine the lateral element distribution on NiCrAlY-based alloy and coating after oxidation in air was tested and validated. Calibration procedures involving external calibration, quantification by relative sensitivity coefficients (RSCs) and solution-based calibration were investigated. The analytical method was validated by comparison of the LA-ICP-MS results with data acquired by EDX.

Analysis of the influence of epitope flanking regions on MHC class I restricted antigen presentation

Peptides presented by MHC class I molecules for CTL recognition are derived mainly from cytosolic proteins. For antigen presentation on the cell surface, epitopes require correct processing by cytosolic and ER proteases, efficient TAP transport and MHC class I binding affinity. The efficiency of epitope generation depends not only on the epitope itself, but also on its flanking regions. In this project, the influence of the C-terminal region of the model epitope SIINFEKL (S8L) from chicken ovalbumin (aa 257-264) on antigen processing has been investigated. S8L is a well characterized epitope presented on the murine MHC class I molecule, H-2Kb. The Flp-In 293Kb cell line was transfected with different constructs each enabling the expression of the S8L sequence with different defined C-terminal flanking regions. The constructs differed at the two first C-terminal positions after the S8L epitope, so called P1’ and P2’. At these sites, all 20 amino acids were exchanged consecutively and tested for their influence on H-2Kb/S8L presentation on the cell surface of the Flp-In 293Kb cells. The detection of this complex was performed by immunostaining and flow cytometry. The prevailing assumption is that proteasomal cleavages are exclusively responsible for the generation of the final C-termini of CTL epitopes. Nevertheless, recent publications showed that TPPII (tripeptidyl peptidase II) is required for the generation of the correct C-terminus of the HLA-A3-restricted HIV epitope Nef(73-82). With this background, the dependence of the S8L generation on proteasomal cleavage of the designed constructs was characterized using proteasomal inhibitors. The results obtained indicate that it is crucial for proteasomal cleavage, which amino acid is flanking the C-terminus of an epitope. Furthermore, partially proteasome independent S8L generation from specific S8L-precursor peptides was observed. Hence, the possibility of other existing endo- or carboxy-peptidases in the cytosol that could be involved in the correct trimming of the C-terminus of antigenic peptides for MHC class I presentation was investigated, performing specific knockdowns and using inhibitors against the target peptidases. In parallel, a purification strategy to identify the novel peptidase was established. The purified peaks showing an endopeptidase activity were further analyzed by mass spectrometry and some potential peptidases (like e.g. Lon) were identified, which have to be further characterized.

Evaluation der Leukämie-Reaktivität von PRAME- und p53-spezifischen T-Zellen bei lymphohämatopoetischen Neoplasien im Rahmen einer adoptiven Immuntherapie

Der Transplantat-gegen-Leukämie (GVL) Effekt als immuntherapeutisches Mittel bei der allogenen hämatopoetischen Stammzell Transplantation (HSZT) ist hauptsächlich durch Spender Lymphozyten vermittelt, welche hämatopoetische Minor-Histokompatibilitäts Antigene bzw. Leukämie-assoziierte Antigene (z. B.: PRAME, p53) erkennen. Der adoptive Transfer von Leukämie-spezifischen T-Zellen kann den GVL-Effekt, ohne ein Auftreten einer Transplantat-gegen-Wirt Erkrankung (GVHD), steigern. Unter Verwendung von HLA-A2 und human CD8 transgenen Mäusen (CD8yCyA2Kb) konnten in dieser Arbeit PRAME spezifische CD8+ zytotoxischen T-Zellen generiert werden. Diese zytotoxischen CD8+ T-Zellen zeigten in Chromfreisetzungsuntersuchungen lytische Aktivität gegen eine Vielzahl von Zelllinien, die PRAME endogen prozessieren sowie gegen das spezifische PRAME-Peptid. Des Weiteren wurden die hier generierten T-Zellen auf ihre zytotoxische Aktivität gegen akute myeloische Leukämie Blasten hin untersucht, und diese Untersuchungen zeigten AML-Reaktivität der PRAME-spezifischen sowie der als Vergleich genutzten p53- und HLA-A2-spezifischen T-Zellen. Das Potenzial der PRAME-spezifischen ZTL die GVL-Immunität in vivo zu erhöhen ohne das Vorkommen einer GVHD wurde in einem Tumor-Protektions-Model unter der Nutzung von NOD/SCIDgcnull Mäusen untersucht. Die PRA100- bzw. p53-ZTL wurden adoptiv in NOD/SCIDgcnull Rezipienten transferiert und gleichzeitig wurden die Tiere mit PRAME-, oder p53-exprimierende Tumorzelllinien inokuliert. Die Reduktion des Tumorwachstums bestätigte die Spezifität der T-Zellen auch in vivo. In weiteren in vivo Experimenten wurden NOD/SCIDgcnull Mäuse mit AML-Blasten rekonstituiert. Durch die Applikation von nur CD34 positiven Zellen aus einer AML-Probe, oder einer CD56 depletierten Probe, konnten Rekonstitutionen in 95 % aller Versuche erfolgreich beendet werden. Wurde eine Rekonstitution mittels PCR- und FACS-Analysen diagnostiziert, so folgten mehrere Applikationen der PRAME- oder p53-spezifischen ZTL. In diesen Untersuchungen konnten wir in einem therapeutischen AML-in vivo-Modell zeigen, dass die in diesen Untersuchungen generierten/verwandten ZTL in der Lage sind AML-Blasten in vivo zu bekämpfen und so die leukämische Last der Tiere im Blut sowie in der Milz auf unter 1 % zu regulieren. Der prozentuale Anteil humaner AML Zellen im Knochenmark konnte deutlich gesenkt werden (< 10 %). Zusammenfassend sind die von uns generierten PRAME-spezifischen T-Zellen in der Lage, in vitro und auch in vivo, endogen prozessiertes Protein auf Zelllinien und AML-Blasten zu erkennen und zu lysieren. Auch die p53-ZTL, welche als eine weitere Antigen-spezifische ZTL-Population in vivo getestet wurden, zeigten GVL-Effekte. Die Kenntnis von Tumor- bzw. Leukämie assoziierten Antigenen und die daraus erwachsene Möglichkeit der Generierung krankheitsspezifischer ZTL bietet die Grundlage für eine spezifische Immuntherapie maligner Erkrankungen.

A step forwards in immunomodulation and immunetolerance knowledge. HLA-G expression in co-cultures of peripheral blood mononuclear cells and stem cells after in vitro NGAL stimulation

NGAL (Neutrophil Gelatinase-associated Lipocalin ) is a protein of lipocalin superfamily. Recent literature focused on its biomarkers function in several pathological condition (acute and chronic kidney damage, autoimmune disease, malignancy). NGAL biological role is not well elucidated. Several are the demonstration of its bacteriostatic role. Recent papers have indeed highlight NGAL role in NFkB modulation. The aim of this study is to understand whether NGAL may exert a role in the activation (modulation) of T cell response through the regulation of HLA-G complex, a mediator of tolerance. From 8 healthy donors we obtained peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and we isolated by centrifugation on a Ficoll gradient. Cells were then treated with four concentrations of NGAL (40-320 ng/ml) with or without iron. We performed flow cytometry analysis and ELISA test. NGAL increased the HLA-G expression on CD4+ T cells, with an increasing corresponding to the dose. Iron effect is not of unique interpretation. NGAL adiction affects regulatory T cells increasing in vitro expansion of CD4+ CD25+ FoxP3+ cells. Neutralizing antibody against NGAL decreased HLA-G expression and reduced significantly CD4+ CD25+ FoxP3+ cells percentage. In conclusion, we provided in vitro evidence of NGAL involvement in cellular immunity. The potential role of NGAL as an immunomodulatory molecule has been evaluated: it has been shown that NGAL plays a pivotal role in the induction of immune tolerance up regulating HLA-G and T regulatory cells expression in healthy donors. As potential future scenario we highlight the in vivo role of NGAL in immunology and immunomodulation, and its possible relationship with immunosuppressive therapy efficacy, tolerance induction in transplant patients, and/or in other immunological disorders.

Study of novel natural compounds as potential drugs in the treatment of acute leukemias

Introduction: Among all cancer types leukemia represents the leading cause of cancer death in man younger than 40 years. Single-target drug therapy has generally been highly ineffective in treating complex diseases such as cancer. A growing interest has been directed toward multi-target drugs able to hit multiple targets. In this context, plant products, based on their intrinsic complexity, could represent an interesting and promising approach. Aim of the research followed during my PhD was to indentify and study novel natural compounds for the treatment of acute leukemias. Two potential multi-target drugs were identified in Hemidesmus indicus and piperlongumine. Methodology/Principal Findings: A variety of cellular assays and flow cytometry were performed on different cell lines. We demonstrated that Hemidesmus modulates many components of intracellular signaling pathways involved in cell viability and proliferation and alters gene and protein expression, eventually leading to tumor cell death, mediated by a loss of mitochondrial transmembrane potential, raise of [Ca2+]i, inhibition of Mcl-1, increasing Bax/Bcl-2 ratio, and ROS formation. Moreover, we proved that the decoction causes differentiation of HL-60 and regulates angiogenesis of HUVECs in hypoxia and normoxia, by the inhibition of new vessel formation and the processes of migration/invasion. Clinically relevant observations are that its cytotoxic activity was also recorded in primary cells from acute myeloid leukemia (AML) patients. Moreover, both Hemidesmus and piperlongumine showed a selective action toward leukemic stem cell (LSC). Conclusions: Our results indicate the molecular basis of the anti-leukemic effects of Hemidesmus indicus and indentify the mitochondrial pathways, [Ca2+]i, cytodifferentiation and angiogenesis inhibition as crucial actors in its anticancer activity. The ability to selectively hit LSC showed by Hemidesmus and piperlongumine enriched the knowledge of their anti-leukemic activity. On these bases, we conclude that Hemidesmus and piperlongumine can represent a valuable strategy in the anticancer pharmacology.

Circulating Fibrocytes, their role in renal fibrosis and molecular pathways involved. Possible biomarkers of fibrogenesis in chronic kidney disease

Circulating Fibrocytes (CFs) are bone marrow-derived mesenchymal progenitor cells that express a similar pattern of surface markers related to leukocytes, hematopoietic progenitor cells and fibroblasts. CFs precursor display an ability to differentiate into fibroblasts and Myofibroblasts, as well as adipocytes. Fibrocytes have been shown to contribute to tissue fibrosis in the end-stage renal disease (ESRD), as well as in other fibrotic diseases, leading to fibrogenic process in other organs including lung, cardiac, gut and liver. This evidence has been confirmed by several experimental proofs in mice models of kidney injury. In the present study, we developed a protocol for the study of CFs, by using peripheral blood monocytes cells (PBMCs) samples collected from healthy human volunteers. Thanks to a flow cytometry method, in vitro culture assays and the gene expression assays, we are able to study and characterize this CFs population. Moreover, results confirmed that these approaches are reliable and reproducible for the investigation of the circulating fibrocytes population in whole blood samples. Our final aim is to confirm the presence of a correlation between the renal fibrosis progression, and the different circulating fibrocyte levels in Chronic Kidney Disease (CKD) patients. Thanks to a protocol study presented and accepted by the Ethic Committee we are continuing the study of CFs induction in a cohort of sixty patients affected by CKD, divided in three distinct groups for different glomerular filtration rate (GFR) levels, plus a control group of thirty healthy subjects. Ongoing experiments will determine whether circulating fibrocytes represent novel biomarkers for the study of CKD progression, in the early and late phases of this disease.

Discovery and Pharmacological Characterization of a Novel Small Molecule Antagonist of Integrin α4β1: Focus on Antiallergic Activity

Allergy is a common hypersensitivity disorder that affects 15% to 20% of the population and its prevalence is increasing worldwide. Its severity correlates with the degree of eosinophil infiltration into the conjunctiva, which is mediated by chemokines that stimulate the production of adhesion molecules like intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) and vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) on the endothelial cell surface. The α4β1 and α4β7 integrins are expressed in eosinophils and contribute to their activation and infiltration in AC through the binding to VCAM-1 or fibronectin, expressed on vascular endothelial cells. Blockade of α4 integrins might be a therapeutical achievement in allergic eye diseases. DS 70, that show an IC50 in the nanomolar range against α4β1 integrin in Jurkat cells and in the eosinophilic cell line EOL-1. This compound was able to prevent cell adhesion to VCAM-1 and FN in vitro. In a scintillation proximity assay DS70 displaced 125I-FN binding to human α4β1 integrin and, in flow cytometry analysis, it antagonized the binding of a primary antibody to α4β1 integrin expressed on the Jurkat cells surface as well. Furthermore, we analysed also its effects on integrin α4β1 signalling. In an vivo model of allergic conjunctivitis, topical DS70 reduced the clinical aspects of EPR (early phase reaction) and LPR (late phase reaction), by reducing clinical score, eosinophil accumulation, mRNA levels of cytochines and chemochines pro-inflammatory and the conjunctival expression of α4 integrin. In conclusion, DS70 seems a novel antiallergic ocular agent that has significant effects on both early and late phases of ocular allergy.

Mechanistic study of the effects of 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxoG) on reporter gene expression in mammalian cells

DNA damage causes replication errors, leading to genetic instability or cell death. Besides that, many types of DNA base modifications have been shown to interfere with transcriptional elongation if they are located in the transcribed DNA strand of active genes, acting as roadblocks for RNA polymerases. It is widely assumed that transcription blockage by endogenous DNA damage is responsible for the early cell senescence in organs and accelerated ageing observed in individuals with compromised nucleotide excision repair.rnThe aims of this work were to design new experimental systems for testing transcription blocking potentials of DNA base modifications in an individual gene and to apply these test systems to the investigation of the effects of a frequent endogenously generated base modification, namely 8-oxo-7,8-hydroxyguanine (8-oxoG), on the gene transcription in cells. Several experimental strategies were employed for this purpose. First, I constructed an episomal vector encoding for a short-lived EGFP-ODC fusion protein and measured expression of the reporter gene in permanently transfected clonal cell lines exposed to DNA damaging agents. Second, the expression of plasmid-borne EGFP gene damaged with photosensitisers to obtain one or several oxidative purine modifications per plasmid molecule was determined in transiently transfected human and mouse host cells in an approach known as “host cell reactivation”. As a prerequisite for these experiments, a robust method of precise quantitative measurement of the EGFP gene expression in transiently transfected cells by flow cytometry was developed and validated. Third, I elaborated a very efficient procedure for insertion of synthetic oligonucleotides carrying 8-oxoG into plasmid DNA, avoiding any unwanted base damage and strand breaks. The consequences of 8-oxoG placed in defined positions in opposing DNA strands of the EGFP gene for transcription were measured by host cell reactivation in cells with functional 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) gene and in OGG1 null cells.rnThe results obtained in Ogg1-/- cells demonstrated that unrepaired 8-oxoG, even if situated in the transcribed DNA strand, does not have any negative effect on the reporter gene transcription. On the other hand, as few as one 8-oxoG was sufficient to cause a significant decrease of the gene expression in OGG1-proficient cell lines, i.e. in the presence of base excision repair. For two analysed positions of 8-oxoG in the plasmid DNA, the inhibition of gene transcription by the base modification correlated with the efficiency of its excision by purified OGG1 protein under cell-free conditions. Based on these findings, it has to be concluded that the observed decrease of transcription is mediated by excision of the base modification by OGG1 and probably caused by the repair-induced single-strand breaks. The mechanism of transcription inhibition by 8-oxoG is therefore clearly distinct from stalling of elongating RNA polymerase II complexes at the modified base.

Einfluss unterschiedlicher polymerer Nanopartikel auf das Differenzierungsverhalten von humanen Stammzellen

n der vorliegenden Dissertation wurde systematisch die Interaktion von rnunterschiedlichen polymeren Nanopartikeln auf die Zellfunktionalität und das rnDifferenzierungspotential zweier humaner Stammzelllinien (mesenchymale und rnhämatopoetische Stammzellen) untersucht. Als Modellsystem wurden Polystyrol-rnPartikel für bioinerte Nanopartikel und PLLA-Partikel als Modell für bioabbaubare Nanopartikel gewählt. rnDie Analyse der Partikelaufnahme und der Zytotoxizität ergab, dass alle getesteten Partikel nach einen Zeitraum von 24 h und einer Inkubation mit 300 µg/mL Partikeln in beiden Zellsorten nicht toxisch waren. Für die CTMA-Cl-stabilisierten Partikel wurde während Differenzierungsversuche mit hMSCs eine Langzeittoxizität festgestellt, so dass diese Partikel für weitere Versuche nicht verwendet werden konnten. rnAlle Partikel wurden in die Zellen aufgenommen. Die Lutensol-stabilisierten Polystyrol-Partikel zeigten sowohl in unfunktionalisierter Form als auch mit Aminogruppen auf der Oberfläche ein geringeres Aufnahmeverhalten in hMSCs und wurden deswegen nicht für weitere Versuche verwendet. Die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel zeigten eine gute Aufnahme, die durch die funktionalisierung mit Carboxylgruppen um ca. das 3-fache rnverstärkt werden konnte (hMSCs). Gleiches wurde für die CTMA-Cl stabilisierten rnPolystyrol und dem dazugehörigen aminofunktionalisierten Partikel beobachtet rn(hMSCs). In hHSCs wurden nur die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel (nicht rnfunktionalisiert, carboxylfunktionalisiert) getestet. Hierbei konnte kein Unterschied bezüglich der Aufnahme festgestellt werden. Die PLLA- und PLLA-Fe-Partikel wurden sowohl in hMSCs als auch in hHSCs sehr gut und besser als die Polystyrol-Partikel aufgenommen. Das in den Partikeln eingebaute Magnetit zeigt keine Auswirkungen auf die Zellaufnahme. Für weitere Versuche wurden deshalb auf Grund der Aufnahme und Toxizitätsdaten die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel (PS und PS-COOH) sowie die ebenfalls SDS-stabilisierten PLLA-Partikel (PLLA und PLLA-Fe) gewählt. Somit standen 4 Partikel zur Auswahl, die sich sowohl in ihrer Größe als auch im verwendeten Tensid nicht unterscheiden und so Aussagen über den Einfluss von Oberflächenfunktionalisierung sowie Magnetit zulassen. rnDie Zellfunktionalität der hMSCs unter Partikeleinfluss wurde mit Hilfe von IL-6 und IL-8 Messungen untersucht, hierbei zeigte sich, dass nur der PLLA-Fe-Partikel zu einer signifikant erhöhten IL-8 Ausschüttung führte, die Sekretion von IL-6 blieb vollständig unverändert. Die IL-8 Sekretion der hHSCs wurde durch die Anwesenheit der Partikel nicht verändert. rnUm den Einfluss der oben beschriebenen Partikel auf das Differenzierungspotential von hMSCs und hHSCs zu untersuchen, wurden beide Zelllinien vor der Induktion der Differenzierung für 24 h mit 300 µg/mL Partikeln inkubiert. Sowohl die histochemischen Färbungen der differenzierten hMSCs als auch die CD-Marker-Färbungen der differenzierten hHSCs zeigten keinen Einfluss der Partikel auf die Differenzierungsfähigkeit. Bei den hMSCs konnte auch keine durch die Partikel hervorgerufene Differenzierung nachgewiesen werden. Die Analyse der Differenzierung auf RNA-Ebene (qPCR) ergab jedoch für beide Zelllinien, dass einzelne Partikel einzelne Differenzierungsmarker in ihrer Expression positiv oder negativ beeinflussen. Einzig der PLLA-Partikel zeigt bei allen untersuchten Differenzierungsrichtungen in beiden Zelllinien rnkeine Veränderung der Expression. Die jeweils beobachteten Expressionsveränderungen sind jedoch nicht stark genug, um die Differenzierung sichtbar zu beeinflussen, was die histologischen bzw. CD-Marker-Färbungen gezeigt haben. rnIn einem Kooperationsprojekt mit der Gruppe von Arancha del Campo (MPI für rnPolymerforschung) wurde der Einfluss unterschiedlicher BMP-2-Peptide auf die rnosteogene Differenzierung von hMSCs untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die unterschiedlichen Peptide in keiner Konzentration und Kombination eine positive Wirkung auf die osteogene Differenzierung haben. rnIm Rahmen eines Kooperationsprojekts mit Kerstin Münnemann (MPI für rnPolymerforschung) konnte gezeigt werden, dass eine quantitative Bestimmung des rnzellulären Eisengehalts nach Inkubation mit SPIOs sowohl mit Hilfe von MRT, H1rn NMR als auch UV/VIS Messungen bis zu einem Detektionslimit von 100.000 Zellen /mL (bei einer Beladung von 10 pg Fe/Zelle) erfolgen kann.

Qualitative and absolute quantitative studies of the cell-nanoparticle interaction

This thesis focused on the polymer’s influence on the interaction of polymeric NPs with epithelial cells. Furthermore, the measurement of single submicron nanoparticles in a commercially available flow cytometer was established, to provide a new method in the toolbox for nanoparticle-cell studies. This gave way to develop a routine for the absolute quantification of intracellular NPs via flow cytometry. rnThe cellular uptake of poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and poly(L-lactide) (PLLA) nanoparticles was investigated via flow cytometry. PLLA-NPs were internalized the most efficiently. But upon co-incubation of PS and PLLA particles with cells, the two particles mutually influenced their uptake, slightly shifting the relative uptake efficiencies. This phenomenon should be based on specific properties of the different polymer materials. The findings indicated a competition (which is strongly influenced by properties of the respective polymeric material) for the uptake into the cells, allegedly due to competition for specific coatings with serum components that enhances the NPs’ cellular uptake. The fluorescence of single 150 nm particles was determined with a benchtop cytometer, breaching the machine’s detection limit but yielding precise NP fluorescence standardization factors. Up to now, these standardization factors are mostly determined by spectroscopic analysis of the particles’ dye content. Finally a flow cytometric routine for absolute particle counting in cells was devised. This quantitation revealed a low uptake efficiency for un-functionalized PMMA NPs of less than 150 NPs (approx. 0,001 % of added) per cell.rn

Nanoparticles for efficient uptake by human dendritic cells and T lymphocytes to be used in adoptive immunotherapy

Dendritic cells (DCs) are the most potent cell type for capture, processing, and presentation of antigens. They are able to activate naïve T cells as well as to initiate memory T-cell immune responses. T lymphocytes are key elements in eliciting cellular immunity against bacteria and viruses as well as in the generation of anti-tumor and anti-leukemia immune responses. Because of their central position in the immunological network, specific manipulations of these cell types provide promising possibilities for novel immunotherapies. Nanoparticles (NP) that have just recently been investigated for use as carriers of drugs or imaging agents, are well suited for therapeutic applications in vitro and also in vivo since they can be addressed to cells with a high target specificity upon surface functionalization. As a first prerequisite, an efficient in vitro labeling of cells with NP has to be established. In this work we developed protocols allowing an effective loading of human monocyte-derived DCs and primary antigen-specific T cells with newly designed NP without affecting biological cell functions. Polystyrene NP that have been synthesized by the miniemulsion technique contained perylenmonoimide (PMI) as a fluorochrome, allowing the rapid determination of intracellular uptake by flow cytometry. To confirm intracellular localization, NP-loaded cells were analyzed by confocal laser scanning microscopy (cLSM) and transmission electron microscopy (TEM). Functional analyses of NP-loaded cells were performed by IFN-γ ELISPOT, 51Chromium-release, and 3H-thymidine proliferation assays. In the first part of this study, we observed strong labeling of DCs with amino-functionalized NP. Even after 8 days 95% of DCs had retained nanoparticles with a median fluorescence intensity of 67% compared to day 1. NP loading did not influence expression of cell surface molecules that are specific for mature DCs (mDCs) nor did it influence the immunostimulatory capacity of mDCs. This procedure did also not impair the capability of DCs for uptake, processing and presentation of viral antigens that has not been shown before for NP in DCs. In the second part of this work, the protocol was adapted to the very different conditions with T lymphocytes. We used leukemia-, tumor-, and allo-human leukocyte antigen (HLA) reactive CD8+ or CD4+ T cells as model systems. Our data showed that amino-functionalized NP were taken up very efficiently also by T lymphocytes, which usually had a lower capacity for NP incorporation compared to other cell types. In contrast to DCs, T cells released 70-90% of incorporated NP during the first 24 h, which points to the need to escape from intracellular uptake pathways before export to the outside can occur. Preliminary data with biodegradable nanocapsules (NC) revealed that encapsulated cargo molecules could, in principle, escape from the endolysosomal compartment after loading into T lymphocytes. T cell function was not influenced by NP load at low to intermediate concentrations of 25 to 150 μg/mL. Overall, our data suggest that NP and NC are promising tools for the delivery of drugs, antigens, and other molecules into DCs and T lymphocytes.

Molekulare Mechanismen der Knochenmetastasierung des Nierenzellkarzinoms

Die schlechte Prognose des Nierenzellkarzinoms (NZK) kommt nicht durch den Primärtumor an sich zustande, sondern durch das Vorhandensein von Fernmetastasen. Obwohl bereits vieles über die Mechanismen der Metastasierung bekannt ist, sind die Hintergründe der Organspezifität metastasierender Tumorzellen weitgehend ungeklärt. In 30% der Fälle kommt es zur Entstehung von Knochenmetastasen. Diese hohe Frequenz deutet darauf hin, dass NZK-Zellen bevorzugt in dieses Organ metastasieren, da die Knochenmatrix ein günstiges Mikromilieu für ihr Wachstum bietet. Hierbei könnte extrazellulärem Calcium und dem für die Detektion zuständigen Calcium-sensitiven Rezeptor (CaSR) eine entscheidende Rolle zukommen, da sich Knochen durch ihren hohen Gehalt an Calcium auszeichnen und von anderen Organen unterscheiden. Das Ziel der vorliegenden Dissertation lag in der Aufklärung der Mechanismen, die zu einer Knochenmetastasierung des NZK führen.rnrnIn ersten Analysen konnte gezeigt werden, dass sich bereits der Primärtumor durch eine von Calcium unabhängige charakteristische Expression bestimmter Signalmediatoren auszeichnet, die Metastasierungspotenzial und –ort bestimmen. So wurden in Gewebeproben und primären Tumorzellen von NZK-Patienten, die innerhalb von fünf Jahren nach Nephrektomie Knochenmetastasen entwickelten, in Westernblot-Analysen eine sehr hohe Expression der α5-Integrine, eine starke Aktivität von Akt, FAK und eine Reduktion der PTEN-Expression detektiert. Diese Veränderungen begünstigten die chemotaktische Migration in Richtung Fibronektin (bestimmt in einer Boyden-Kammer) und die Adhäsion dieser NZK-Zellen an Komponenten der Extrazellularmatrix (Fibronektin und Kollagen I – beides ist Bestandteil der Knochenmatrix). Migration und Adhäsion sind essentielle Schritte beim Austreten der Tumorzellen aus dem Primärtumor und Infiltration des Knochens. In NZK-Zellen von Patienten, die keine Metastasen oder Lungenmetastasen entwickelten, waren diese Charakteristika nicht oder deutlich schwächer ausgeprägt. Bestimmte Primärtumore sind somit prädestiniert Knochenmetastasen auszubilden.rnrnUm die Bedeutung von extrazellulärem Calcium und dem CaSR darzustellen, wurde die Expression des CaSR mittels Real-Time PCR, Westernblot-Analysen und durchflusszytometrisch in NZK-Gewebeproben und –Zellen von Patienten untersucht, die innerhalb von fünf Jahren nach Nephrektomie keine bzw. Lungen- oder Knochenmetastasen ausbildeten. Proben von Patienten mit Knochenmetastasen zeigten die stärkste Expression von CaSR-mRNA und CaSR-Protein. Durch eine Behandlung der NZK-Zellen mit Calcium in physiologischen Konzentrationen, konnte Calcium als möglicher Regulator der CaSR-Expression ausgeschlossen werden. Der Einfluss von Calcium auf die Metastasierungsfähigkeit der primären NZK-Zellen wurde anhand eines weiteren chemotaktischen Migrationsversuchs mit Calcium als Chemotaxin analysiert. Die Zellproliferationsrate konnte nach Behandlung der Zellen mit Calcium mittels BrdU-Inkorporation gemessen werden. NZK-Zellen, die aus dem Primärtumor von Patienten mit Knochenmetastasen kultiviert wurden, konnten durch eine erhöhte extrazelluläre Calcium-Konzentration verstärkt zu Migration und Proliferation (Konzentrations-abhängige Steigerung) angeregt werden. Diese stellen weitere essentielle Schritte bei der Infiltration und Vermehrung der NZK-Zellen in den Knochen dar. Die Effekte traten bei NZK-Zellen aus Patienten, die keine oder Lungenmetastasen ausbildeten, nicht auf. Die Identifizierung der beteiligten Signalwege erfolgte in Westernblot-Analysen und einem Phospho-Kinase Array. Hierdurch konnten eine verstärkte Aktivierung des Akt-, JNK-, p38α- und PLCγ-1-Signalwegs und eine beinahe vollständige Reduktion der PTEN-Expression nach Calcium-Behandlung in Knochen-metastasierenden NZK-Zellen aufgedeckt werden. Durch Blockierung des CaSR mittels des Inhibitors NPS 2143 konnte bestätigt werden, dass die metastasierungs-fördernde Wirkung von Calcium über den CaSR zustande kommt. rnrnNZK-Zellen zeichnen sich somit bereits im Primärtumor durch eine charakteristische Expression verschiedener Signalmediatoren aus, die ihr Metastasierungspotenzial und die mögliche Lokalisation der Metastase bestimmen. Gelangen metastasierende NZK-Zellen auf ihrem Weg durch den Blutkreislauf in das Knochenmilieu, verhilft ihnen hier eine hohe Expression des CaSR zu einem wichtigen Überlebensvorteil. Extrazelluläres Calcium wirkt über den CaSR, verstärkt ihre metastatischen Eigenschaften und fördert schließlich die Ausbildung einer Knochenmetastase. Aus diesem Grund kommt dem CaSR eine Rolle als möglicher prognostischer Marker hinsichtlich der Knochenmetastasierung beim NZK zu. Die Charakteristika des Primärtumors sollten daher die Auswahl des adjuvanten Therapeutikums und die Nachsorgeuntersuchungen beeinflussen. um die Medizin dem Ziel einer individualisierten Therapie näher zu bringen.rn

Optimisation of chemical lysis protocol for point-of-care leukocyte differentiation

The full blood cell (FBC) count is the most common indicator of diseases. At present hematology analyzers are used for the blood cell characterization, but, recently, there has been interest in using techniques that take advantage of microscale devices and intrinsic properties of cells for increased automation and decreased cost. Microfluidic technologies offer solutions to handling and processing small volumes of blood (2-50 uL taken by finger prick) for point-of-care(PoC) applications. Several PoC blood analyzers are in use and may have applications in the fields of telemedicine, out patient monitoring and medical care in resource limited settings. They have the advantage to be easy to move and much cheaper than traditional analyzers, which require bulky instruments and consume large amount of reagents. The development of miniaturized point-of-care diagnostic tests may be enabled by chip-based technologies for cell separation and sorting. Many current diagnostic tests depend on fractionated blood components: plasma, red blood cells (RBCs), white blood cells (WBCs), and platelets. Specifically, white blood cell differentiation and counting provide valuable information for diagnostic purposes. For example, a low number of WBCs, called leukopenia, may be an indicator of bone marrow deficiency or failure, collagen- vascular diseases, disease of the liver or spleen. The leukocytosis, a high number of WBCs, may be due to anemia, infectious diseases, leukemia or tissue damage. In the laboratory of hybrid biodevices, at the University of Southampton,it was developed a functioning micro impedance cytometer technology for WBC differentiation and counting. It is capable to classify cells and particles on the base of their dielectric properties, in addition to their size, without the need of labeling, in a flow format similar to that of a traditional flow cytometer. It was demonstrated that the micro impedance cytometer system can detect and differentiate monocytes, neutrophils and lymphocytes, which are the three major human leukocyte populations. The simplicity and portability of the microfluidic impedance chip offer a range of potential applications in cell analysis including point-of-care diagnostic systems. The microfluidic device has been integrated into a sample preparation cartridge that semi-automatically performs erythrocyte lysis before leukocyte analysis. Generally erythrocytes are manually lysed according to a specific chemical lysis protocol, but this process has been automated in the cartridge. In this research work the chemical lysis protocol, defined in the patent US 5155044 A, was optimized in order to improve white blood cell differentiation and count performed by the integrated cartridge.

Shikonin directly targets mitochondria and causes mitochondrial dysfunction in cancer cells

Chemotherapy is a mainstay of cancer treatment. Due to increased drug resistance and the severe side effects of currently used therapeutics, new candidate compounds are required for improvement of therapy success. Shikonin, a natural naphthoquinone, was used in traditional Chinese medicine for the treatment of different inflammatory diseases and recent studies revealed the anticancer activities of shikonin. We found that shikonin has strong cytotoxic effects on 15 cancer cell lines, including multidrug-resistant cell lines. Transcriptome-wide mRNA expression studies showed that shikonin induced genetic pathways regulating cell cycle, mitochondrial function, levels of reactive oxygen species, and cytoskeletal formation. Taking advantage of the inherent fluorescence of shikonin, we analyzed its uptake and distribution in live cells with high spatial and temporal resolution using flow cytometry and confocal microscopy. Shikonin was specifically accumulated in the mitochondria, and this accumulation was associated with a shikonin-dependent deregulation of cellular Ca(2+) and ROS levels. This deregulation led to a breakdown of the mitochondrial membrane potential, dysfunction of microtubules, cell-cycle arrest, and ultimately induction of apoptosis. Seeing as both the metabolism and the structure of mitochondria show marked differences between cancer cells and normal cells, shikonin is a promising candidate for the next generation of chemotherapy.