Mesenchymal stem cells (MSCs) are bone marrow derived multipotent cells with the ability to self-renew and differentiate into multiple connective cell lineages. In vivo, MSCs travel from the bone-marrow to the inflammatory sites and actively participate in remodeling and regeneration process under the influence of soluble growth factors. Due to these inherent properties, MSCs have emerged as an ideal candidate for diverse regenerative therapeutic applications. The development of MSC-based therapies requires in vitro expansion of MSCs; however, MSC expansion results in phenotypical changes that have limited its efficacy upon reintroduction in vivo. In order to increase the efficacy of MSC-based therapeutics, it is critical for us to improve the current understanding of MSC interactions with its niche specific factors and explore new methods to enhance MSC function in vivo. We used tumor conditioned media, which contains soluble factors secreted by tumor cells in culture (TCM), and inflammatory niche-specific soluble factors, such as platelet derived growth factor (PDGF) and transforming growth factor-β1 (TGF-β1), to characterize the mechanical response of MSCs. The intracellular mechanical properties of MSCs were dramatically altered in response to soluble factors and MSCs displayed cytosolic stiffening in response to TCM and TGF-β1. Although PDGF treated cells did not elicit any mechanical response, blocking PDGF signaling with a small molecule inhibitor reversed the stiffening response in TGF-β1 treated cells, indicating crosstalk between these two pathways is essential in TGF-β1 mediated cell stiffening. Furthermore, a genome-wide microarray analysis revealed TGF-β1 dependent regulation of cytoskeletal actin-binding protein (ABP) genes. Actin crosslinking and bundling protein genes, which regulate cytosolic rheology through changes in semiflexible actin polymer meshworks, were upregulated with TGF-β1 treatment. Since TGF-β1 treatment profoundly altered the MSC phenotype after relatively short exposure times, we sought to understand if pretreated cells could sustain these enhanced characteristics leading to higher efficacy in vivo. We found that MSCs pretreated with TGF-β1 displayed enhanced adhesive properties while maintaining the expression profile of surface adhesion molecules even after removal of stimulus. Additionally, pretreated MSCs exposed to lineage specific induction media, demonstrated superior differentiation potential along multiple lineages. Based on the large number of sustained changes, TGF-β1 pretreated cells were used to treat full thickness skin wounds for in vivo wound healing model to determine their therapeutic efficacy. TGF-β1 pretreated MSCs increased wound closure rate and displayed enhanced migration of MSCs towards the center of the wound compared to the control cells. In conclusion, soluble factor pretreated MSCs with altered mechanical properties displayed significantly improved cell functions leading to highly efficient tissue regeneration in vivo. Mechanical priming of MSCs with niche specific factors prior to transplantation can become a viable strategy to maximize their therapeutic potential.

L’élucidation des mécanismes permettant l’optimisation de la réponse immunitaire antitumorale correspond à un enjeu majeur pour le développement de stratégies d’immunothérapie efficace. En effet, les réponses immunitaires antitumorales se traduisent rarement par l’éradication de la tumeur. Dans ce contexte, les travaux antérieurs de mon équipe ont démontré que l’interaction de l’intégrine αE(CD103)β7, souvent exprimée par les lymphocytes infiltrant la tumeur (TIL), avec son ligand E-cadhérine, à la surface des cellules tumorales épithéliales, joue un rôle majeur dans la potentialisation de l’activité lytique des cellules T en induisant la polarisation et l’exocytose des granules cytotoxiques. Nos résultats ont indiqué aussi que le TGF-β1, souvent abondant dans les tumeurs, joue un rôle déterminant dans cette induction suite à l’engagement du récepteur des cellules T. Dans ce contexte, nous avons cherché à comprendre les mécanismes de régulation du gène ITGAE qui codent la sous-unité alphaE de l’intégrine CD103. Nos résultats ont montré que les facteurs transcriptionnels Smad2, Smad3 et NFAT-1 sont impliqués dans la régulation de l’expression de la sous-unité αE(CD103). En effet, une costimulation avec du TGF-β1 recombinant et un anticorps anti-CD3 d’un clone T CD103- induit l’expression de cette intégrine qui est accompagnée d’une translocation dans le noyau de Smad2, Smad3 et NFAT-1 qui sont cytoplasmiques à l’état basal. L’inhibition spécifique de ces facteurs transcriptionnels inhibe l’expression de CD103 et abroge le potentiel lytique du clone T vis à vis de sa cible tumorale autologue. De plus, nous avons identifié deux séquences régulatrices du gène ITGAE humain, un promoteur proximal et un enhancer. Par ailleurs, mon équipe a récemment montré que l’interaction de CD103 à la surface des TIL avec une molécule E-cadhérine recombinante est suffisante pour induire la polarisation des granules cytolytiques par un mécanisme dépendant de la PLC-g1 et ERK et que cette intégrine possède non seulement une fonction d’adhérence, mais aussi une fonction de costimulation du signal TCR des TIL antitumoraux. Nous avons cherché à mieux comprendre la signalisation de l’intégrine CD103, en identifiant les domaines intracytoplasmiques de la sous-unité αE impliqués dans son activation. Nous avons ainsi construit une protéine de fusion CD103-GFP et plusieurs mutants du domaine intracytoplasmique de la sous-unité αE qui ont été ensuite transfectés dans la lignée Jurkat Tag CD103-/beta7+. Nos résultats ont montré que le domaine intracytoplasmique de la chaîne alphaE n’est pas nécessaire à la reconnaissance du ligand, la E-cadhérine. Par contre, nous avons montré que ce domaine est impliqué dans le phénomène de clustering de l’intégrine et dans sa polarisation à la zone de contact avec des billes couvertes avec la E-cadhérine-Fc. Nous avons identifié un domaine de 8 acides aminés (ESIRKAQL), contenant une sérine en position 1163 potentiellement phosphorylable, et qui est indispensable pour la signalisation de l’intégrine. De plus, nos travaux ont montré que ce domaine ESIRKAQL, est nécessaire pour la phosphorylation de la ERK1/2 et PLC-g1. Ainsi, une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires régulant les fonctions de CD103 pourrait contribuer au développement et à l’amélioration de la réponse antitumorale exercée par les CTL. / The elucidation of mechanisms for optimizing the antitumor immune response is a major challenge for the development of strategies for effective immunotherapy. Indeed, the anti-tumor immune responses rarely result in the eradication of the tumor. In this context, the previous work of my team have shown that the interaction of integrin αE(CD103)β7, often expressed by tumor infiltrating lymphocytes (TIL) with its ligand E-cadherin at the cell surface tumor epithelial cells, plays a major role in the potentiation of the lytic activity of T cells by inducing polarization and exocytosis of cytotoxic granules. Our results also indicated that TGF-β1, often abundant in tumors, plays a key role in the induction due to the commitment of the T cell receptor. In this context, we sought to understand the mechanisms regulating ITGAE gene encoding the subunit αE of integrin. Our results showed that the transcription factors Smad2, Smad3 and NFAT-1 are involved in regulating the expression of subunit αE(CD103)β7. Indeed, costimulation with recombinant TGF-β1 and anti-CD3 antibody induces on T cell clone CD103- the expression of this integrin ant the translocation into the nucleus of Smad2, Smad3 and NFAT-1 that are cytoplasmic at baseline. Specific inhibition of these transcription factors inhibits the expression of CD103 and repeals the lytic potential of cloned T with respect to the autologous tumor target. In addition, we identified two regulatory sequences of human ITGAE gene, proximal promoter and enhancer. In addition, my team has recently shown that the interaction of CD103 on the surface of TIL with a recombinant molecule E-cadherin is sufficient to induce the polarization of cytolytic granules by ERK and PLC-γ1 pathway thus this integrin has not only a function of adherence, but also a function of costimulatory signal TCR of TIL. We sought to better understand the signaling of integrin CD103, by identifying the cytoplasmic domains of the subunit αE involved in its activation. We have constructed a fusion protein CD103-GFP and several mutants of intracytoplasmic domain of the subunit αE which were then transfected into the Jurkat Tag cell line CD103-/ β7+. Our results showed that the intracytoplasmic domain of CD103 is not necessary for ligand recognition, E-cadherin. By cons, we have shown that this area is involved in the phenomenon of clustering of integrin and its polarization to the contact area with balls covered with E-cadherin-Fc. We have identified a range of 8 amino acids (ESIRKAQL) containing a potentially phosphorylatable serine in position 1163, which is essential for integrin signaling. In addition, our work has shown that this area ESIRKAQL is necessary for the phosphorylation of ERK1/2 and PLC-g1. Thus, a better understanding of the molecular mechanisms that regulate the functions of CD103 may contribute to the development and improvement of the antitumor response exerted by CTL .

La fibrose radio-induite est une complication sévère et tardive de la radiothérapie. Plusieurs études cliniques ont montré que la combinaison pentoxifylline-vitamine E est un traitement sûr et efficace contre la fibrose. Cependant, les mécanismes moléculaires de son efficacité restent inexplorés. Nous avons montré l’efficacité de la combinaison pentoxifylline-vitamine E dans l’entéropathie radique dans une faisabilité clinique. En parallèle, en utilisant un modèle unique, in vitro, de cellules musculaires lisses intestinales primaires isolées des personnes atteintes de l’entéropathie radique, nous avons montré une synergie entre la pentoxifylline et l’analogue hydrophile de vitamine E (trolox) qui permet à l’association d’inhiber l’expression de TGF-β1 au niveau de l’ARN messager et de la protéine. Cette action inhibitrice intervient au niveau transcriptionnel et conduit à une inhibition conséquente des cibles de la voie de signalisation TGF-β1/Smad (Col Iα1, FN1, PAI-1, CTGF), alors qu’elle semble sans effet sur la voie de signalisation Rho/ROCK. Pour la première fois, dans ces cellules issues de l’entéropathie radique, nous avons montré une surexpression de miR-210 ; microRNA induit par l’hypoxie. L’association pentoxifylline-trolox inverse la surexpression de miR-210 aussi bien dans les conditions normoxique que dans les conditions hypoxiques. L’implication de miR-210 dans l’entéropathie radique n’a pas été préalablement étudiée, néanmoins nous avons montré qu’un inhibiteur de miR-210 diminue l’expression de Col Iα1 dans ce modèle. L’effet anti-fibrosant exercé par l’association pentoxifylline-vitamine E est partiellement induit par l’inhibition de la cascade TGF-β1. L’inhibition de miR-210 est un deuxième mécanisme potentiel nécessitant d’autres investigations. Cette étude renforce les essais clinique antérieurs en montrant in vitro une synergie entre pentoxifylline et vitamine E et permettant de proposer cette association en première ligne thérapeutique dans la fibrose radio-induite. De plus, miR-210 est proposé comme une possible cible thérapeutique pour traiter la fibrose radio-induite. / Radiation-induced fibrosis is a serious late complication of radiotherapy. Pentoxifylline-vitamin E has proven effective and safe in clinical trials as treatment of fibrosis, while the molecular mechanism of its activity is yet unexplored. We showed efficacy of Pentoxifylline-vitamin E combination in radiation-induced enteropathy in a small clinical study. In parallel, using a unique in vitro model of primary smooth muscle cells isolated from intestinal samples isolated from humans with radiation enteropathy we showed that pentoxifylline and the hydrophilic analogous of vitamin E (trolox) synergize to inhibit TGF-β1 protein and mRNA expression. This inhibitory action is mediated at the transcriptional level and leads to subsequent inhibition of TGF-β1/Smad targets (Col Iα1, FN1, PAI-1, CTGF), while it has no effect on the Rho/Rock pathway. We have also demonstrated, for the first time, an overexpression of the hypoxia-induced microRNA miR-210 in the fibrotic cells. Pentoxifylline-trolox combination could reverse this miR-210 overexpression in normoxic and hypoxic conditions. While miR-210 has not been previously shown to be involved in radiation-induced enteropathy, we showed that miR-210 inhibitor could reduce mRNA expression of Col Iα1. The anti-fibrotic effect of combined pentoxifylline-vitamin E is at least in part mediated by inhibition of the TGF-β1 cascade. MiR-210 inhibition is another mechanism which needs further investigations. This study strengthens previous clinical data showing pentoxifylline-vitamin E synergy and supports its use as a first-line treatment of radiation-induced fibrosis. Also, it suggests miR-210 as a new potential therapeutic target for the treatment of this complication.

La signalisation cellulaire regroupe l'ensemble des mécanismes biologiques permettant à une cellule de répondre de façon adaptée à son microenvironnement. Pour ce faire, de nombreuses réactions biologiques entrent en jeux avec un important enchevêtrement, créant ainsi un réseau dont le comportement s'apparente à un système complexe. Le compréhension de la réponse cellulaire à une stimulation passe par le développement conjoint des techniques d'acquisition de données, et des méthodes permettant de formaliser ces données dans un modèle. C'est sur ce dernier point que s'inscrivent les travaux exposés dans cette thèse. Nous présentons ici deux approches visant à répondre à des questions de natures différentes sur la signalisation cellulaire. Dans la première nous utilisons un modèle différentiel pour étudier le rôle d'un nouvel interactant dans la voie canonique du TGF-β. Dans la seconde nous avons exploré la combinatoire de la signalisation cellulaire en développant un formalisme discret basé sur les transitions gardées. Cette approche regroupe l'interprétation de la base de données Pathway Interaction Database dans un unique modèle dynamique de propagation du signal. Des méthodes de simulations et d'analyses inspirées des techniques de vérification de modèles telles que l'atteignabilité et l'invariance ont été développées. En outre, nous avons étudié la régulation du cycle cellulaire en réponse à la signalisation, ainsi que la régulation des gènes de notre modèle en comparaison avec des données d'expressions. / Cell signaling contains the whole biological mecanisms allowing the response of a cell to its microenvironnement in an adapted way. Many extremely intertwinned biological reactions are involved in a network that behaves as a complex system. The understanding of cell response requires the development of data acquisition technics and methods to formalize data into models. This point is the main drive of this thesis. We present here two approaches in order to analyse different granularities of cell signaling. In the first one, we used differential model to study the role of a new component of \tgf\ canonical pathway. In the second one, we explored the combinatorial complexity of cell signaling, developing a discrete formalism based on guarded transitions. In this approach, we interpreted the whole database Pathway Interaction Database into a single unified model of signal transduction. Simulation and analysis methods, such as reachability and invariance research, have been developed. The interests are presented through an application on cell cycle regulation by cell signaling, and a global analysis on the regulation of genes compared to experimental data.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη των σηματοδοτικών μονοπατιών που εμπλέκονται στην επαγόμενη από IL-1β παραγωγή της MMP-1, μιας από τις κυριότερες μεταλλοπρωτεϊνάσες του εξωκυτταρικού χώρου, από ινοβλάστες ανθρώπου και η διερεύνηση του μηχανισμού της κατασταλτικής επίδρασης του TGF-β1 στην επαγόμενη από IL-1β παραγωγή της μεταλλοπρωτεϊνάσης αυτής. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε ινοβλάστες αρθρικού υμένα ασθενών με οστεοαρθρίτιδα ή ρευματοειδή αρθρίτιδα, ρινικού πολύποδα και πνεύμονα. Βρέθηκε ότι η επαγωγική δράση της IL-1 πραγματοποιείται μέσω του μονοπατιού της PKC, ενώ σημαντικό ρόλο φαίνεται να παίζουν η ενεργοποίηση του NF-kB, αλλά και των μεταγραφικών παραγόντων της οικογένειας AP-1, μέσω των MAP κινασών. Το μονοπάτι, επίσης των κινασών τυροσίνης φαίνεται να συμμετέχει. Τα μονοπάτια αυτά φαίνεται ότι είναι κοινά στις ινοβλάστες, ανεξάρτητα από την προέλευση. Η δράση αυτή της IL-1β βρέθηκε ότι καταστέλλεται από το μονοπάτι cAMP/PKA στις ινοβλάστες αρθρικού υμένα και ρινικού πολύποδα όχι όμως και πνεύμονα. Ο TGF-β1 βρέθηκε ότι στις ινοβλάστες αρθρικού υμένα και ρινιού πολύποδα είχε κατασταλτική επίδραση στην επαγόμενη από IL-1β παραγωγή της MMP-1 ενώ σε αυτές από πνεύμονα είχε συνεργειακή. Η κατασταλτική δράση του TGF-β1 βρέθηκε ότι πραγματοποιείται μέσω ενεργοποίησης της PKA, κατά τρόπο ανεξάρτητο της παραγωγής cAMP. / The aim of present work was the study of signal tranduction pathways, which are implicated in IL-1β-induced production of MMP-1, one from the predominant metalloproteinases of extacellular matrix, from human fibroblasts, and the investigation of mechanism of suppressive effect of TGF-β1 on IL-1β-induced production of this metalloproteinases. The study was performed in fibroblasts with osteoarthrits or rheumatoid arthritis, nasal polyps and lung. It was found that the IL-1β-induced production of MMP-1 from fibroblasts, independently of their origin, is carried out via PKC pathway, while the activation of transcription factors NF-kB and AP-1, via MAP kinases, seems to play significant role. The tyrosine kinases pathway may also contributes. The IL-1β effect is suppressed from the cAMP/PKA pathway and nasal polyps fibroblasts but not in lung fibroblasts. TGF-β1 is able to antagonize the IL-1β-induced production of MMP-1 from synovial and nasal polyps fibroblasts, while in lung fibroblasts it exhibits synergistic effect. This suppressive effect of TGF-β1 is carried out via PKA activation, independently of cAMP production.

Le syndrome de Brugada (BrS) est une cardiopathie héréditaire à transmission autosomique dominante, se manifestant par une anomalie de l'ECG et un risque accru de mort subite. Les mutations retrouvées dans la sous-unité α du canal sodique cardiaque Nav1.5 chez certains patients entraînent un défaut d'adressage membranaire de ces canaux. Ceux-ci restent alors séquestrés dans des compartiments intracellulaires. L'étude de ces mutants se réduisant souvent à l'utilisation de traitements correcteurs, les mécanismes de rétention impliqués restent encore méconnus. L'objectif de ce travail est d'étudier des mutants Nav1.5 présentant un défaut d'adressage en tenant compte non seulement de l'hétérozygotie des patients BrS mais également de la présence de la sous unité régulatrice β1 prédominante dans le cœur. Des études fonctionnelles et biochimiques mettent en évidence un effet dominant négatif exercé par les mutants R1432G, L325R et S910L sur la densité de courant INa sauvage (WT). Cet effet nécessite la présence de la sous-unité β1 et passe par l'altération de l'adressage membranaire des formes WT. Ceci est la conséquence d'une interaction physique entre des sous-unités α mutantes et WT. D'autre part, les mutants étudiés présentent un profil de maturation lié aux N-glycosylations qui différent de celui des canaux WT. Nos données suggèrent que ces canaux peuvent emprunter (i) la voie classique d'adressage dans leur forme mature (ii) la voie dite non conventionnelle lorsqu'ils sont partiellement glycosylés. En conclusion, ces travaux mettent en évidence le rôle de la sous-unité β1 ainsi que l'implication des N-glycosylations dans la modulation de l'adressage des canaux Nav1.5 / Brugada syndrome (BrS) is an inherited autosomal dominant cardiac channelopathy characterized by abnormal ECG pattern and an increased risk of sudden cardiac death. Several mutations on the cardiac sodium channel Nav1.5 which are responsible for BrS lead to misfolded proteins that do not traffic properly to the plasma membrane and are instead retained in intracellular compartments. Although pharmacological rescue is commonly used to characterize misfolded mutants, underlying cellular retention mechanisms remain unclear. The aim of this work is to investigate trafficking defective Nav1.5 mutants considering BrS patient heterozygosity and the presence of the regulatory β1-subunit which is largely expressed in cardiac tissue. By combining electrophysiology and biochemical approaches, we show that three distinct mutants, R1432G, L325R and S910L, exert a strong dominant negative effect upon wild-type (WT) sodium current density. Our data indicate that this effect requires the presence of the β1-subunit and is mediated by disruption of membrane trafficking of WT channels. Co-immunoprecipitation experiments demonstrate a physical interaction between mutant and WT α-subunits occurring only when the β1-subunit was present. Furthermore, we investigate the maturation pattern of Na channels. Our data show distinct N-glycosylated states between WT and mutant channels, suggesting that Nav1.5 α-subunits traffic (i) via unconventional secretion pathway as a partially glycosylated product, (ii) through the classical secretory pathway for mature fully-glycosylated form. This work highlights that β1-subunit and N-linked glycosylation process play key roles in modulating Nav1.5 trafficki

Ce travail a été mené afin de développer des systèmes polymériques particulaires chargés en facteur de croissance (TGF-β1) en vue d’une application à l’ingénierie tissulaire du cartilage. Tout d’abord, des nanoparticules d’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA) ont été générées par un procédé basé sur la séparation de phase. De plus, des microparticules de PLGA ont été formées à l’aide d’un procédé d’émulsification/extraction du solvant en milieu CO2 pressurisé. L’un des avantages de ces procédés de formulation est l’utilisation de solvants injectables, non toxiques et non volatils. Les systèmes polymériques préparés ont été caractérisés et des particules sphériques à libération contrôlée ont été obtenues avec un rendement d’encapsulation satisfaisant tout en préservant l’activité biologique du facteur de croissance. Les particules chargées en TGF-β1 ont ensuite été incorporées dans un hydrogel injectable à base d’un dérivé cellulosique silanisé (Si-HPMC) contenant des cellules souches. Le biomatériau obtenu a été caractérisé en termes de morphologie, de propriétés rhéologiques et pour sa capacité à libérer le facteur de croissance. La libération contrôlée et localisée du TGF-β1 pourrait induire la survie, la prolifération ainsi que la différenciation chondrocytaire des cellules souches associées ce qui contribuerait à la régénération du cartilage. En conclusion, le biomatériau hybride élaboré au cours de ce travail possède un potentiel prometteur pour l’ingénierie tissulaire du cartilage. / The aim of this work is to develop polymeric particulate systems loaded with transforming growth factor (TGF-β1) for cartilage tissue engineering application. First, nanoparticles of PLGA (poly(lactic-co-glycolic) acid) were generated using a phase separation method while PLGA microparticles were prepared by an emulsification/extraction process in CO2 medium. Interestingly, non-toxic, non-volatile injectable solvents were used in the formulation processes. The prepared polymeric systems were characterized; spherical particles with sustained release were obtained and satisfactory encapsulation efficiency was achieved with preservation of the growth factor bioactivity. TGF-β1-loaded particles were then incorporated within injectable silanized cellulose-based hydrogel (Si-HPMC) containing stem cells. The obtained biomaterial was characterized in terms of morphology, rheological properties and release study. The local and sustained release of TGF-β1 could induce survival, proliferation and differentiation of stem cells into chondrocytes which may promote cartilage regeneration. To conclude, the elaborated hybrid biomaterial has a promising potential for cartilage tissue engineering.

Background: A highly desmoplasmic microenvironment, the mutational landscape, and intra-tumoral heterogeneity contribute to the therapy resistance in pancreatic ductal adenocarcino-ma (PDAC). Due to higher precision, proton beam therapy is regarded beneficial compared to standard photon radiotherapy, although the role of radiotherapy is still ambiguous in PDAC. Cellular adhesion to the extracellular matrix (ECM) via integrins is well-known to mediate radi-ochemoresistance in various tumor entities. In PDAC, β1 integrins are associated with tumor progression. However, their role in radiochemoresistance is yet to be unraveled. Consequently, a comparative evaluation of cell survival and therapy sensitization after inhibition of β1 integ-rins or other survival-promoting protein kinases combined with either photon or proton irradia-tion and the underlying molecular mechanisms was carried out in this work. Materials and Methods: The expression of β1 integrins in PDAC and the correlation with pa-tient survival were assessed using publicly available patient data. The effect of β1 integrin inhi-bition by inhibitory antibodies or depletion on PDAC cell survival upon photon and proton irra-diation was explored using the tumoroid formation assay in three therapy-naïve and one radio-resistant PDAC cell lines grown in more physiological 3D laminin-rich ECM. Protein expression and cellular localization of β1 integrins were analyzed applying Western blot and immunofluo-rescence in the cell line panel. Basal molecular differences and those upon β1 integrin inhibi-tion were determined by a broad-spectrum kinome profiling in therapy-naïve and radioresistant 3D PDAC cultures. A potential interrelation of specific kinases with β1 integrin signaling in re-sponse to radiation was investigated in a single and double knockdown screen. The effects of photon and proton irradiation on PDAC cell survival of five 3D cultured PDAC cell lines were comparatively assessed using the 3D tumoroid formation assay. Molecular alterations upon both radiation types were identified by a broad-spectrum phosphoproteome analysis and Western blot. The exploitation of uniquely altered molecules and other signal transduction and DNA repair molecules for specific sensitization to photon and proton radiation was evaluated using specific biologicals in 3D cultured PDAC cell lines. Results: β1 integrins are overexpressed in PDAC compared to the normal pancreas, and the expression correlates with poorer patient survival. β1 integrin expression and localization var-ied cell line-dependently in the PDAC cell line panel. β1 integrin inhibition elicited an increase in radiosensitivity in all analyzed therapy-naïve and radioresistant 3D PDAC cultures, although less prominent in the latter. In line, the extent of kinase deregulation induced by AIIB2 was lower in the radioresistant 3D PDAC cultures. Double targeting of specific kinases with β1 in-tegrins further increased the radiosensitization in the therapy-naïve 3D PDAC cell cultures, whereas in the radioresistant counterpart, the effect was weak. Further, Erk2, PKD1, and CK1δ were revealed as potential interactors in the β1 integrin-mediated response to radiation. Proton irradiation showed a higher efficacy in the reduction of PDAC cell survival than photon irradia-tion. On the molecular level, irradiation with protons induced more phosphoproteomic altera-tions than photon radiation. Targeting of molecules uniquely altered upon irradiation failed to sensitize 3D PDAC cultures radiation type-specifically. However, a similar degree of radiosen-sitization for proton and photon irradiation in 3D PDAC cultures was observed upon targeting signal transduction and DNA repair proteins. Targeting non-homologous end joining (NHEJ)-specific proteins increased cellular radiosensitivity exceedingly for both radiation types in all 3D PDAC cell cultures. Conclusion: This work revealed a fundamental role of β1 integrins in intrinsic and acquired radioresistance of PDAC. However, to substantially overcome acquired radioresistance, further investigation is needed. Furthermore, a similar efficacy of proton and photon irradiation when combined with targeted therapies was demonstrated. These results suggest that multitargeting approaches based on targeting of β1 integrins or NHEJ-specific molecules combined with pho-ton or proton irradiation may turn out particularly promising. The strong radiosensitizing poten-tial of targeting these molecules may enable a more frequent use of radiotherapy for PDAC patient treatment. / Hintergrund: Ein stark desmoplasmatisches Mikromilieu, das Mutationsprofil und die intra-tumorale Heterogenität tragen zur Therapieresistenz des Pankreaskarzinoms bei. Aufgrund der höheren Präzision wird die Protonentherapie als vorteilhaft gegenüber der Standard Pho-tonentherapie angesehen, obwohl ihre Wirksamkeit im Pankreaskarzinom noch ungewiss ist. Es ist bekannt, dass die zelluläre Adhäsion an die extrazelluläre Matrix (EZM) über Integrine die Radiochemoresistenz in verschiedenen Tumorentitäten vermittelt. Hierbei stehen β1 In-tegrine in Zusammenhang mit dem Fortschreiten der Erkrankung. Welche Rolle die β1 Integri-ne in der Radiochemoresistenz im Pankreaskarzinom spielen ist jedoch noch nicht bekannt. In dieser Arbeit wurde daher eine vergleichende Analyse des Zellüberlebens und der Therapie-empfindlichkeit nach Hemmung von β1 Integrinen oder anderen überlebensfördernden Pro-teinkinasen in Kombination mit Photonen- oder Protonenbestrahlung sowie der zugrundelie-genden molekularen Mechanismen durchgeführt. Material und Methoden: Die Expression von β1 Integrinen im Pankreaskarzinom und die Kor-relation mit dem Patientenüberleben wurden mittels öffentlich verfügbarer Patientendaten be-stimmt. Die Wirkung der β1-Integrin-Hemmung durch inhibitorische Antikörper oder mittels knockdown auf das Überleben von Pankreaskarzinomzellen bei Bestrahlung mit Photonen und Protonen wurde durch den Tumoroidbildungsassay in drei therapienaiven und einer strahlen-resistenten Pankreaskarzinomzelllinien untersucht. Diese wurden in physiologischer, 3D Lami-nin-reicher EZM kultiviert. Die Proteinexpression und die zelluläre Lokalisation von β1 Integri-nen wurden in allen Zelllinien mittels Western Blot und Immunfluoreszenz analysiert. Basale molekulare Unterschiede und solche nach Hemmung von β1 Integrinen wurden durch eine Breitspektrum-Kinomanalyse in therapienaiven und strahlenresistenten 3D-Pankreaskarzinomkulturen bestimmt. Eine mögliche Wechselbeziehung spezifischer Kinasen mit der β1 Integrin-vermittelten Strahlenantwort wurde in einem Einzel- und Doppel-knockdown Screen untersucht. Die Effekte der Bestrahlung mit Photonen und Protonen auf das Überleben von Pankreaskarzinomzellen wurden vergleichend anhand des Tumoroidbildungsassays in fünf 3D-kultivierten Pankreaskarzinomzelllinien bewertet. Durch beide Strahlungstypen indu-zierte molekulare Veränderungen wurden durch eine Breitspektrum-Phosphoproteomanalyse und mittels Western Blot identifiziert. Die Nutzung einzigartig veränderter Moleküle sowie an-derer Signaltransduktions- und DNA-Reparaturmoleküle zur spezifischen Sensibilisierung für Photonen- und Protonenstrahlung wurde untersucht. Dies erfolgte durch eine gezielte Hem-mung dieser Moleküle durch spezifische Biologika in 3D-kultivierten Pankreaskarzinomzellli-nien. Ergebnisse: β1 Integrine sind im Pankreaskarzinom im Vergleich zum gesunden Pankreas überexprimiert und ihre Expression korreliert negativ mit dem Patientenüberleben. Die Expres-sion und Lokalisierung der β1 Integrine variierte zelllinienabhängig in den Pankreaskarzinom-zelllinien. Die Hemmung der β1 Integrine führte zu einer Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit in allen analysierten therapienaiven und strahlenresistenten 3D kultivierten Pankreaskarzinom-zelllinien, auch wenn diese in den letzteren weniger stark ausfiel. Auch der Grad der durch die Hemmung induzierten Deregulierung von Kinasen in den strahlenresistenten 3D Pankreaskar-zinomzellkulturen war geringer. Der gleichzeitige knockdown spezifischer Kinasen mit β1 In-tegrinen potenzierte die Strahlenempfindlichkeit in den therapienaiven 3D Pankreaskarzinom-zellkulturen, während diese im strahlenresistenten Pendant nur wenig beeinflusst wurde. Fer-ner wurden Erk2, PKD1 und CK1δ als potenziell beteiligte Kinasen in der durch β1 Integrine vermittelten Strahlenantwort entdeckt. Die Bestrahlung mit Protonen zeigte eine höhere Wirk-samkeit bei der Verringerung des Pankreaskarzinomzellüberlebens als die Photonenbestrah-lung. Auf molekularer Ebene induzierte die Protonenbestrahlung mehr Veränderungen im Phosphoproteom als die Photonenbestrahlung. Die gezielte Hemmung von einzigartig verän-derten Molekülen sensibilisierte die 3D Pankreaskarzinomzellkulturen nicht Strahlungsart-spezifisch. Jedoch konnte eine ähnliche Effizienz der beiden Strahlungstypen nach Hemmung gewisser Signaltransduktions- und DNA-Reparaturproteine in 3D Pankreaskarzinomzellkultu-ren gezeigt werden. Die zelluläre Strahlenempfindlichkeit gegenüber beiden Strahlungsarten wurde hierbei besonders durch die Hemmung spezifischer Proteine des non-homologous end joining (NHEJ) in allen 3D Pankreaskarzinomzellkulturen erhöht. Schlussfolgerung: Diese Arbeit konnte eine wesentliche Rolle von β1 Integrinen bei der intrinsischen und erworbenen Strahlenresistenz im Pankreaskarzinom ermitteln. Um die Strah-lenresistenz jedoch gänzlich zu überwinden, sind weitere Untersuchungen erforderlich. Des Weiteren wurde eine ähnliche Wirksamkeit von Protonen- und Photonenbestrahlung in Kombi-nation mit gezielten Therapien gezeigt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Multi-Targeting-Ansätze, die auf der Hemmung von β1 Integrinen oder NHEJ-spezifischen Molekülen in Kom-bination mit Photonen- oder Protonenbestrahlung basieren, ausgesprochen vielversprechend sein können. Angesichts des enormen Potentials zur Steigerung der Strahlenempfindlichkeit durch die Hemmung dieser Moleküle könnte eine häufigere Anwendung der Strahlentherapie bei Pankreaskarzinompatienten ermöglicht werden.

Background Hematopoietic stem cells located in the bone marrow interact with a specific microenvironment referred to as the stem cell niche. Data derived from ex vivo co-culture systems using mesenchymal stromal cells as a feeder cell layer suggest that cell-to-cell contact has a significant impact on the expansion, migratory potential and ‘stemness’ of hematopoietic stem cells. Here we investigated in detail the spatial relationship between hematopoietic stem cells and mesenchymal stromal cells during ex vivo expansion. Design and Methods In the co-culture system, we defined three distinct localizations of hematopoietic stem cells relative to the mesenchymal stromal cell layer: (i) those in supernatant (non-adherent cells); (ii) those adhering to the surface of mesenchymal stromal cells (phase-bright cells) and (iii) those beneath the mesenchymal stromal cells (phase-dim cells). Cell cycle, proliferation, cell division and immunophenotype of these three cell fractions were evaluated from day 1 to 7. Results Phase-bright cells contained the highest proportion of cycling progenitors during co-culture. In contrast, phase-dim cells divided much more slowly and retained a more immature phenotype compared to the other cell fractions. The phase-dim compartment was soon enriched for CD34+/CD38− cells. Migration beneath the mesenchymal stromal cell layer could be hampered by inhibiting integrin β1 or CXCR4. Conclusions Our data suggest that the mesenchymal stromal cell surface is the predominant site of proliferation of hematopoietic stem cells, whereas the compartment beneath the mesenchymal stromal cell layer seems to mimic the stem cell niche for more immature cells. The SDF-1/CXCR4 interaction and integrin-mediated cell adhesion play important roles in the distribution of hematopoietic stem cells in the co-culture system.

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