Der Zusammenhang von Zylinder-Epithel ausgekleideten Abschnitten des Ösophagus mit der Entwicklung eines ösophagealen Adenokarzinoms ist nun schon seit fast 50 Jahren bekannt. Im Jahre 2008 geht man davon aus, dass jährlich etwa 0.5% der Patienten mit Barrett-Ösophagus ein Adenokarzinom entwickeln. Trotz verbesserter Operationstechnik und der zusätzlich angewandten neoadjuvanten Therapie bleibt die Prognose des Adenokarzinom infaust, nicht zuletzt weil sich die Patienten mangels eindrücklicher Frühsymptome oft erst in weit fortgeschrittenen Stadien präsentieren. Bei insgesamt kleinen Fallzahlen für das Adenokarzinom, der hohen Prävalenz der GERD-Symptomatik und des hohen Anteils der Patienten mit Barrett-Ösophagus die offensichtlich nie zu einem Adenokarzinom progredieren, erscheint ein weit angelegtes Screening durch Gastroskopien mit Biopsie-Entnahmen ineffektiv und unökonomisch. Aus dem Ende der Neunziger Jahre prospektiv angelegten Barrett-Register der chirurgischen Universitätsklinik Würzburg wurden 125 Patienten mit Barrett-Diagnose über 819 Patientenjahre verfolgt. Hier wurde lediglich ein Adenokarzinom mit begleitender high-grade Dysplasie beobachtet, das sich nach einem Intervall von 8 Jahren aus einem nicht-dysplastischen Barrett-Segment entwickelte. Weiterhin wurde in einer Patientin mit einem long-segment Barrett-Ösophagus die Rückbildung einer low-grade Dysplasie in ein nicht-dysplastisches Zylinderepithel beobachtet. Die um in etwa ein Drittel erniedrigte Inzidenz des Adenokarzinoms in dieser Studie (1,22 pro 1000 Patientenjahre) könnte sich durch ein längeres Follow-Up an die in der Literatur beschriebene Inzidenz durch das Auftreten weniger Fälle angleichen. Eine regelmäßige endoskopische Überwachung der Barrett-Schleimhaut bleibt, solange noch keine anderen Modalitäten zur sicheren Risikostratifizierung erhältlich sind, eine zwar belastende, im Einzelfall aber lebenswichtige Maßnahme. / In a population of 125 patients with histological confirmed non-dysplastic Barrett's esophagus progression to adenocarcinoma was a rare event (1 case in 819 patient years). 76,8% of patients underwent Nissen fundoplication in this population. The high percentage of surgically treated patients is explained by pre-selection, as the study population was recruited from a patient base in the surgical unit of an University Hospital.

Der gastroösophageale Übergang (GEJ), der die Region abgrenzt, in der der distale Ösophagus auf die proximale Magenregion trifft, ist bekannt für die Entwicklung pathologischer Zustände, wie Metaplasie und Adenokarzinom des Ösophagus (EAC). Es ist wichtig, die Mechanismen der Entwicklungsstadien zu verstehen, die zu EAC führen, da die Inzidenzrate von EAC in den letzten 4 Jahrzehnten um das 7-fache gestiegen ist und die Gesamtüberlebensrate von 5 Jahren 18,4 % beträgt. In den meisten Fällenwird die Diagnose im fortgeschrittenen Stadium ohne vorherige Symptome erstellt. Der Hauptvorläufer für die Entwicklung von EAC ist eine prämaligne Vorstufe namens Barrett-Ösophagus (BE). BE ist der metaplastische Zustand, bei dem das mehrschichtige Plattenepithel des nativen Ösophagus durch ein spezialisiertes einschichtiges Säulenepithel ersetzt wird, das die molekularen Eigenschaften des Magen- sowie des Darmepithels aufweist. Zu den wichtigsten Risikofaktoren für die Entwicklung von BE gehören die chronische gastroösophageale Refluxkrankheit (GERD), eine veränderte Mikrobiota und veränderte Retinsäure-Signalwege (RA). Es ist unklar, welche Zelle der Ursprung für BE ist, da es keine eindeutigen Beweisen für den Prozess der BE-Initiation gibt. In dieser Arbeit habe ich untersucht, wie die GEJ-Homöostase in gesundem Gewebe durch stammzellregulatorische Morphogene aufrechterhalten wird, welche Rolle der Vitamin-A (RA-Signalübertragung) spieltund wie ihre Veränderung zur BE-Entwicklung beiträgt. Im ersten Teil meiner Dissertation habe ich anhand von Einzelmolekül-RNA in situ-Hybridisierung und Immunhistochemie eindeutig das Vorhandensein von zwei Arten von Epithelzellen nachweisen können, dem Plattenepithel in der Speiseröhre und dem Säulenepithel imMagenbereich des GEJ. Mittels Abstammungsanalysen im Mausmodell konnte ich zeigen, dass die Epithelzellen des Ösophagus und des Magens von zwei verschiedenen epithelialen Stammzelllinien imGEJ abstammen. Die Grenze zwischen Plattenepithel und Säulenepithelzellen im SCJ des GEJ wirddurch gegensätzliche Wnt-Mikroumgebungen streng reguliert. Plattenepithelstammzellen des Ösophagus werden durch das Wnt-hemmende Mikroumgebungssignal aufrechterhalten, während Magensäulenepithelzellen durch das Wnt-aktivierende Signal aus dem Stromakompartiment erhalten werden. Ich habe die in vivo Erhaltung der Epithelstammzellen des GEJ mit Hilfe eines in vitro Epithel-3D-Organoidkulturmodells rekonstruiert. Das Wachstum und die Vermehrung von Magensäulenepithel-Organoiden hängen von Wnt-Wachstumsfaktoren ab, während das Wachstum von Plattenepithel-Organoiden von Wnt-defizienten Kulturbedingungen abhängt. Darüber hinaus zeigte die Einzelzell-RNA-Sequenzanalyse (scRNA-seq) der aus Organoiden gewonnenenEpithelzellen, dass der nicht-kanonische Wnt/ planar cell polarity (PCP) Signalweg an der Regulierung der Plattenepithelzellen beteiligt ist. Im Gegensatz dazu werden säulenförmige Magenepithelzellen durch den kanonischen Wnt/beta-Catenin- und den nicht-kanonischen Wnt/Ca2+-Weg reguliert. Meine Daten zeigen, dass die SCJ-Epithelzellen, die am GEJ verschmelzen, durch entgegengesetzte stromale Wnt-Faktoren und unterschiedliche Wnt-Weg-Signalee in den Epithelzellen reguliert werden. Im zweiten Teil der Dissertation untersuchte ich die Rolle der bioaktiven Vitamin A Verbindung RA auf Ösophagus- und Magenepithelstammzellen. Die In-vitro-Behandlung von epithelialen Organoiden der Speiseröhre und des Magens mitRA oder seinem pharmakologischen Inhibitors BMS 493 zeigte, dass jeder Zelltyp unterschiedlich reguliert wurde. Ich beobachtete, dass eine verstärkte RA die Differenzierung von Stammzellen und den Verlust der Schichtung förderte, während die RA-Hemmung zu einer verstärkten Stammzellbildung und Regeneration im mehrschichtigen Epithel der Speiseröhre führte. Im Gegensatz zur Speiseröhre ist der RA-Signalweg in Magen-Organoiden aktiv, und die Hemmung von RA hat ein reduziertes Wachstum von Magen-Organoiden. Globale transkriptomische Daten und scRNA-seq-Daten zeigten, dass derRA-Signalweg einen Ruhephänotyp in den Ösophaguszellen induziert. Dagegen führt das Fehlen von RA in Magenepithelzellen zur Expression von Genen, die mit BE assoziiert sind. Daher isteine räumlich definierte Regulation der Wnt- und Retinsäure-Signalgebung amGEJ entscheidend für eine gesunde Homöostase, und ihre Störung führt zur Entwicklung von Krankheiten. / Gastroesophageal junction (GEJ), demarcating the region where the distal esophagus meets with the proximal stomach region, is known for developing pathological conditions, including metaplasia and esophageal adenocarcinoma (EAC). It is essential to understand the mechanisms of developmental stages which lead to EAC since the incidence rate of EAC increased over 7-fold during the past four decades, and the overall five years survival rate is 18.4%. In most cases, patients are diagnosed in the advanced stage without prior symptoms. The main precursor for the development of EAC is a pre-malignant condition called Barrett's esophagus (BE). BE is the metaplastic condition where the multilayered squamous epithelium of the native esophagus is replaced by specialized single-layered columnar epithelium, which shows the molecular characteristics of the gastric as well as intestinal epithelium. The main risk factors for BE development include chronic gastro-esophageal acid reflux disease (GERD), altered microbiota, and altered retinoic acid signaling (RA). The cell of origin of BE is under debate due to a lack of clear evidence demonstrating the process of BE initiation. Here, I investigated how GEJ homeostasis is maintained in healthy tissue by stem cell regulatory morphogens, the role of vitamin A (RA signaling), and how its alteration contributes to BE development. In the first part of my thesis, I showed the presence of two types of epithelial cells, the squamous type in the esophagus and the columnar type in the stomach region in the GEJ, using single-molecule RNA in situ hybridization (smRNA-ISH) and immunohistochemistry. Employing lineage tracing in the mouse model, I have demonstrated that the esophageal epithelial and stomach epithelial cells derived from two distinct epithelial stem cell lineages in the GEJ. The border between squamous and columnar epithelial cells in the Squamo-columnar junction (SCJ) of GEJ is regulated by opposing Wnt microenvironments. The regeneration of stomach columnar epithelial stem cells is maintained by Wnt activating signal from the stromal compartment while squamous epithelial stem cells of the esophagus are maintained by the Wnt inhibitory signals. I recapitulated the in vivo GEJ epithelial stem cell maintenance by using in vitro epithelial 3D organoid culture model. The growth and propagation of stomach columnar epithelial organoids depend on Wnt growth factors, while squamous epithelial organoids' development needs Wnt-deficient culture conditions. Further, single-cell RNA sequence (scRNA-seq) analysis of organoid-derived epithelial cells revealed the non-canonical Wnt/ planar cell polarity (PCP) pathway involvement in regulating the squamous epithelial cells. In contrast, columnar stomach epithelial cells are regulated by the canonical Wnt/ beta-catenin and non-canonical Wnt/Ca2+ pathways. My data indicate that the SCJ epithelial cells that merge at the GEJ are regulated by opposing stromal Wnt factors and distinct Wnt pathway signaling in the epithelial cells. In the second part of the thesis, I investigated the role of Vitamin A-derived bioactive compound RA on esophageal and stomach epithelial stem cells. In vitro treatment of esophageal and stomach, epithelial organoids with RA or its pharmacological inhibitor BMS 493 revealed that each cell type was regulated distinctly. I observed that enhanced RA promoted esophageal stem cell differentiation and loss of stratification, while RA inhibition led to enhanced stemness and regeneration of the esophagus stratified epithelium. As opposed to the esophagus, RA signaling is active in the stomach organoids, and inhibition of RA reduces the growth of stomach organoids. Global transcriptomic data and scRNA-seq data revealed that RA signaling induces dormancy phenotype in the esophageal cells. In contrast, the absence of RA in stomach epithelial cells induces the expression of genes associated with BE. Thus, spatially defined regulation of Wnt and RA signaling at GEJ is critical for healthy homeostasis, and its perturbation leads to disease development.

Das Adenokarzinom des distalen Ösophagus war ein Tumor von wachsender klinischer Bedeutung, aufgrund eines weitestgehend unerklärten Inzidenzanstiegs bei weißen Männern in der westlichen Welt. Die Karzinogenese folgte einer gut charakterisierten Sequenz histopathologischer Veränderungen, ausgehend von der als Präkanzerose angenommenen Barrett-Metaplasie. Hauptrisikofaktor war der chronisch schädigende Effekt von gastroösophagealem Reflux, der den zur Karzinogenese führenden Inflammationsprozess unterhielt, weshalb das Adenokarzinom des distalen Ösophagus auch als weiteres Modell für „Inflammation & Kanzerogenese“ dienen könnte. In der vorliegenden Arbeit wurde die mögliche Bedeutung des in der Inflammation bedeutenden Histaminstoffwechsels untersucht. Es wurden 88 Patientenproben des Ösophagus, davon 60 Patienten mit operiertem Adenokarzinom des Ösophagus immunhistochemisch untersucht und mit einem Histamin-1 Rezeptor Antikörper gefärbt. Die operierten Patienten wurden nachbeobachtet und so die Überlebenskurven in Abhängigkeit der Histaminrezeptorexpression angefertigt. Ein Stimulationsexperiment unter zeitabhängiger Histamineinwirkung mit einer Adenokarzinomzelllinie des Ösophagus untersuchte den quantitativen Nachweis von Histamin-1 Rezeptor-RNA. Mittels immunhistochemischen Färbungen an Adenokarzinomen mit adhärenter Barrett-Metaplasie vergleichend mit Barrett-Metaplasie aus Probeexzisionen und Plattenepithelkarzinomen zeigte diese Arbeit signifikant eine hohe HRH1-Expression bei adhärentem Barrett-Ösophagus im Vergleich zu allen anderen Gruppen. HRH1 war nicht in gesunder Schleimhaut, im Barrettösophagus ohne Dysplasie und auch nicht im Plattenepithelkarzinom des Ösophagus nachweisbar. Auch zeigte sich eine Koexpression von HRH1 mit dem etablierten Proliferationsmarker Ki-67 bei Barrett-Ösophagi mit Dysplasie. Eine hohe HRH1-Expression fand sich bevorzugt und statistisch signifikant bei lokal 49 fortgeschrittenen Tumoren (T3, T4), dem Vorhandensein von Lymphknotenmetastasen (N1-3) und einer schlechten Differenzierung des Tumors (G3/G4). Dies zeigte sich in der Prognose der Patienten: eine hohe HRH1-Expression war mit einer erhöhten statistisch signifikanten 5-Jahres-Mortalität verbunden. In einem zellkulturellen Stimulationsexperiment ergaben sich erste Hinweise auf eine Suppression der HRH1-Genaktivität unter Histamineinwirkung. Die HRH1-Expression könnte aufgrund der Ergebnisse der Studie durchaus einen klinischen Prognosefaktor für das Überleben der Patienten darstellen, wobei dies allerdings in der multivariaten Analyse nicht die gesetzte Signifikanzschwelle erreichte. / Adenocarcinoma of the distal esophagus was a tumor of growing clinical significance due to a largely undeclared increase in incidence in white men in the Western world. Carcinogenesis followed a well-characterized sequence of histopathological changes based on Barrett's metaplasia, which was assumed to be precancerous. The main risk factor was the chronically damaging effect of gastroesophageal reflux, which led to the inflammatory process leading to carcinogenesis, which is why adenocarcinoma of the distal esophagus could also serve as a further model for "inflammation and carcinogenesis". In the present work, the possible significance of histamine metabolism, which is important in inflammation, was investigated. There were 88 patient samples of the esophagus, of which 60 patients with operated esophageal adenocarcinoma examined by immunohistochemistry and stained with a histamine-1 receptor antibody. The operated patients were followed up and thus the survival curves were made as a function of the histamine receptor expression. A time-dependent histamine-inducing stimulation experiment with an adenocarcinoma cell line of the esophagus investigated the quantitative detection of histamine-1 receptor RNA. Using immunohistochemical staining of adenocarcinomas with Barrett's Barrett's metaplasia and Barrett's metaplasia derived from specimen excisions and squamous cell carcinoma, this work shows significantly increased HRH1 expression in adherent Barrett's esophagus compared to all other groups. HRH1 was not found in healthy mucosa, in Barrett's esophagus without dysplasia and also not in squamous cell carcinoma of the esophagus. Also, co-expression of HRH1 with the established proliferation marker Ki-67 was found in Barrett's esophagus with dysplasia. High HRH1 expression was found to be preferred and statistically significant in the case of local advanced tumors (T3, T4), the presence of lymph node metastases (N1-3), and poor tumor differentiation (G3 / G4). This was reflected in the prognosis of the patients: a high HRH1 expression was associated with an increased statistically significant 5-year mortality. In a cell-culture stimulation experiment, initial indications for a suppression of HRH1 gene activity under histamine exposure were found. HRH1 expression could well be a clinical prognostic factor for patient survival based on the results of the study, although this did not reach the threshold value set in the multivariate analysis.