Tumor Treating Fields (TTFields) sind alternierende Wechselfelder mit einer intermediären Frequenz und niedrigen Intensität, die zu einer Destabilisierung des Spindelapparates während der Mitose führen. Sie sind als zusätzliche Behandlungsoption bei Glioblastoma multiforme zugelassen. Der mitotische Spindelkontrollpunkt überwacht eine fehlerhafte Anheftung der Spindelfasern von Schwesterchromatiden und leitet Reparaturprozesse ein. Monopolar spindle 1 (MPS1) ist eine Schlüsselkomponente dieses Kontrollpunktes und kann den durch TTFields physikalisch induzierten Spindelschäden entgegenwirken. Durch Zellzahlmessung, Zellzyklusuntersuchungen und durchflusszytometrische Analysen als auch Fluoreszenzfärbungen konnte gezeigt werden, dass eine Inhibition von MPS1 die antimitotischen Wirkungen von TTFields verstärken kann. / Tumor Treating Fields (TTFields) are alternating electric fields with low intensity and intermediate frequency approved for the therapy of glioblastoma multiforme. TTFields therapy interrupts the spindle formation through mitosis leading to misalignment of chromosomes. Spindle assembly checkpoint (SAC) and its key component monopolar spindle 1 (MPS1) regulate proper chromosomal arrangement and segregation. Here, we show that through the combination of physically interfering spindle formation by TTFields and chemical inhibition of MPS1, TTFields effects can be augmented promising a new target for multimodal treatment in glioblastoma therapy.

Background: The aim of this study was to describe the morphological signs of the central nervous system lymphoma (CNSL) in magnetic resonance imaging (MRI). We compared morphological characteristics of primary CNSL (PCNSL) and secondary CNSL (SCNSL) and also of PCNSL and glioblastoma (GBM). Methods: We included 64 patients with PCNSL (ten of them were immunocompromised), 21 patients with SCNSL and 54 patients with GBM. The diagnosis was confirmed histologically in all patients. We evaluated morphological signs on the first MRI examination. Additionally, in patients with PCNSL, we evaluated the development of the disease on follow-up examination before histological confirmation of the diagnosis, if available. Results: In most patients with PCNSL (62.5%) the tumor was localized supratentorially and presented as multiple lesions (53.1%) or as a diffuse infiltrative lesion (23.4%). In 87.5% of the patients the lesions reached the brain surface. Infiltration of ependyma was seen in 56.3%, infiltration of meninges in 39.1% and infiltration of cranial nerves in 48.5% of patients. Restriction of diffusion in some part of the tumor was apparent in nearly all patients (97.6%) with PCNSL. After administration of contrast media, marked enhancement was usually seen. In immunocompetent patients, homogenous...

Das hohe invasive Potential und die starke Resistenz gegen Radio-/Chemotherapie von Glioblastoma multiforme (GBM) Zellen machen sie zu dem tödlichsten Tumor ihrer Art. Es ist deshalb von großem Interesse die Grundlagen, welche der Migrationsfähigkeit und DNA Reparatur zu Grunde liegen, besser zu verstehen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden zwei Algorithmen zur automatischen Analyse der Migration in der Einzelzellverfolgung und im Wundheilungsassay modifiziert. Die Auswertung der Daten konnte automatisch und somit schnell, effektiv und mit geringerem Arbeitsaufwand durchgeführt werden. Mit Hilfe dieser automatischen Algorithmen wurde die Migrationsfähigkeit von zwei GBM-Zelllinien (DK-MG und SNB19) untersucht. Zusätzlich wurde die konfokale Laserscanning- sowie die hochauflösende dSTORM-Fluoreszenzmikroskopie verwendet um die, der Zellbewegung zu Grunde liegende, Struktur des F Aktin und der fokalen Adhäsionskinase (FAK) aufzulösen und darzustellen. Unter Anwendung dieser genannten Methoden sind die Effekte des dualen PI3K/mTOR Inhibitors PI-103 alleine und in Kombination mit dem Hsp90 Inhibitor NVP AUY922 mit und ohne Bestrahlung auf die Bewegung untersucht worden. Es konnte festgestellt werden, dass sich beide Zelllinien deutlich in ihrem migratorischem Potential in vitro unterscheiden und zudem auch markante Unterschiede in ihrer Morphologie aufweisen. Die weniger invasiven DK MG-Zellen besitzen eine polarisierte Zellstruktur, wohingegen SNB19-Zellen sich durch multipolare ungerichtete Bewegung auszeichneten. Zudem wurde die Migration, durch PI3K/mTOR Inhibition mit PI-103 bei den DK-MG-Zellen (p53 wt, PTEN wt), sehr effektiv unterdrückt. Wohingegen sich die SNB19-Zellen (p53 mut, PTEN mut) resistent gegen diesen Inhibitor zeigten. Hsp90 Inhibition offenbarte in beiden Zelllinien einen starken inhibitorischen Effekt auf die Migration der Zellen sowie die Reorganisierung des F Aktinskelettes. In der zweiten Hälfte dieser Arbeit wurde ein Augenmerk auf die DNA-DSB-Reparatur der GBM Zellen nach ionisierender Strahlung gelegt. Zunächst wurde eine automatische Analysesoftware „FocAn-3D“ entwickelt, mit dessen Hilfe die DNA Doppelstrangbruchreparaturkinetik untersucht werden sollte. Diese Software ermöglicht es die gesamten Zellkerne mit ihren γH2AX-Foci in 3D-cLSM-Aufnahmen zu untersuchen. Es konnte somit eine Verbesserung der Genauigkeit in der Auszählung der γH2AX-Foci erreicht werden, welche 2D beschränkter Software verwehrt bleibt. Mit FocAn-3D konnte der gesamte Verlauf der Induktions- und Abbauphase der γH2AX-Foci in DK MG- und SNB19-Zellen mit einem mathematischen Modell ausgewertet und dargestellt werden. Des Weiteren wurde die Nanometerstruktur von γH2AX- und pDNA-PKcs-Foci mittels hochauflösender dSTORM-Mikroskopie untersucht. Konventionelle Mikroskopiemethoden, begrenzt durch das Beugungslimit und einer Auflösung von ~200 nm, konnten die Nanometerstruktur (<100 nm) der Reparaturfoci bisher nicht darstellen. Mit Hilfe der beugungsunbegrenzten dSTORM-Mikroskopie war es möglich in DK MG- und SNB19-Zellen die Nanometerstruktur genannten Reparaturproteine in den Foci mit einer Auflösung von bis zu ~20 nm darzustellen. γH2AX-Foci zeigten sich als eine Verteilung aus einzelnen Untereinheiten („Nanofoci“) mit einem Durchmesser von ~45 nm. Dies lässt die Vermutung zu, dass es sich hier um die elementare Substruktur der Foci und somit der γH2AX enthaltenen Nukleosome handelt. DNA-PK-Foci wiesen hingegen eine diffusere Verteilung auf. Die in dieser Arbeit ermittelten Unterschiede im Migrationsverhalten der Zellen rechtfertigen eine weitere präklinische Untersuchung der verwendeten Inhibitoren als potentielle Zelltherapeutika für die Behandlung von GBM. Zudem konnte sich dSTORM als machtvolles Hilfsmittel, sowohl zur Analyse der Migration zugrundeliegenden Zytoskelettstruktur und der Effekte der Hsp90 Inhibierung, als auch, der Nanostruktur der DNA-DSB-Reparaturfoci herausstellen. Es ist anzunehmen, dass beugungsunbegrenzte Mikroskopiemethoden sich als bedeutende Werkzeuge in der medizinischen und biologischen Erforschung der DNA-Reparaturmechanismen herausstellen werden. Das in dieser Arbeit entwickelte ImageJ Plugin „FocAn-3D“ bewies sich ebenfalls als ein vielversprechendes Werkzeug für die Analyse der Reparaturkinetik. Mit Hilfe von „FocAn-3D“ sollte es somit möglich sein u.a. den Einfluss gezielter Inhibition auf den zeitlichen Verlauf der Induktion und des Abbaus der DNA-Reparaturmaschinerie genauer zu studieren. / The high invasive Potential and increased resistance to radio- and chemotherapy of glioblastoma multiforme (GBM) tumor cells make it the most lethal of all primary brain tumors. It is therefore of great interest to gain a better understanding of the mechanisms facilitating the migration and DNA repair. In the first part of this study, two algorithms for single cell tracking and wound healing assays were modified to increase effectiveness and speed of the automatic data analysis. The migratory capacity of the two GBM cell lines, DK MG and SNB19, were analyzed using these automatic algorithms. In addition, employing confocal microscopy and high resolution dSTORM imaging, the underlying F actin/FAK structure was resolved and studied. Together, these automatic algorithms enabled me to elucidate the effects of the dual PI3K/mTOR inhibitor PI 103 alone and in combination with the Hsp90 inhibitor NVP-AUY922 and/or irradiation on the migration, focal adhesions and F-actin cytoskeleton of DK-MG and SNB19 cells. Both cell lines differ markedly in their migratory capacity in vitro and display distinctive differences in their morphology. The less invasive DK-MG cells retained their polarized structure, while SNB19 cells demonstrate multipolar morphology with random migration. The PI3K/mTOR Inhibition using PI-103 suppressed migration of the PTEN wt and p53 wt DK-MG cells but not of the PTEN mut and p53 mut SNB19 cells. In contrast, Hsp90 inhibition using NVP-AUY922 exerted a strong inhibitory effect on the migration in both cell lines as well as massive morphological changes and reorganization of the F-actin cytoskeleton. The second part of this study was designed to gain further insights in the DNA double strand break (DSB) repair of both GBM cell lines. The DNA DSB repair kinetics were analyzed using the novel software “FocAn-3D”. The software enables the 3D analysis of foci in entire nuclei using cLSM-imaging. This in turn results in increased accuracy of the foci counts, compared to approaches restricted to 2D. Using the new software approach, I was able to determine the whole γH2AX-foci induction and decay process and apply a well described mathematical model for the γH2AX-foci repair kinetics. Additionally, diffraction unlimited microscopy (dSTORM) was applied to resolve the nanometer scale of the foci forming repair proteins γH2AX and DNA-PK. Although conventional microscopy is able to reveal the repair foci as diffuse spots, the underlying protein distribution is well beyond the diffraction limit of ~200 nm. In this study, using the diffraction unlimited dSTORM microscopy with a lateral resolution of ~20 nm, it was possible to resolve the nanometer scale of both γH2AX and DNA-PK. γH2AX foci appeared not as diffuse spots, but rather as a distribution of distinct subunits (“nanofoci”). In contrast DNA-PK mostly showed a more diffuse distribution. The nanofoci diameter was about ~45 nm and it can be concluded that these clusters represent the elementary structural subunits of repair foci, the γH2AX-containing nucleosomes. Using the newly developed or modified algorithms for the analysis of cell migration, I was able to show a cell line specific response of the PI3K/mTOR inhibition on the cell migration. This warrants further preclinical trials for its potential as an anti-migratory agent in the treatment of GBM. In addition, dSTORM emerged as a powerful tool for the analysis of the cytoskeletal structure, underlying the cells migration capacity and the effects of Hsp90 inhibition. Also, dSTORM was able to unravel the elementary nanostructure of the DSB repair foci. This means diffraction unlimited single-molecule localization nanoscopy methods will likely emerge as powerful tools for the analysis of targeted inhibition on the DSB repair mechanisms. In addition, the newly developed software “FocAn-3D” showed promising results in the analysis of Foci kinetics. Consequently, it should enable the future study of targeted inhibition and its effects on foci induction and decay processes of the DNA repair.

Im ersten Teil dieser Doktorarbeit wurde die kurz nach Elektroporation eintretende hämolytische Zellbewegung von humanen Erythrozyten erstmals quantitativ untersucht, um den zu Grunde liegenden Mechanismus aufzuklären. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Bewegung aus dem Ausstoß von unter Druck stehendem Zytosol resultierte. Durch weitere Experimente wurde die Beteiligung des Nicht-Muskel-Myosins NMIIA am Aufbau des zytosolischen Überdrucks nachgewiesen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde ein molekular-mechanischer bisher unbekannter NMII-basierter Mechanismus der rapiden Ghostbildung beschrieben. Diese Erkenntnis könnte biomedizinische Relevanz besitzen, da der Abbau von Erythrozyten in der Milz die Transformation zu Hb-armen Ghosts voraussetzt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasste sich mit dem Hirntumor Glioblastoma multiforme (GBM), dessen Rezidiv hauptsächlich auf Strahlenresistenz und Zellinvasion zurückzuführen ist. Deshalb wurde mittels hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie (dSTORM) die Nanostruktur des DSB-Markers Histon γH2AX und des DNA-Reparaturfaktors DNA-PKcs in bestrahlten GBM-Zellen analysiert. Anhand von dSTORM-Rekonstruktionen wurde erstmals gezeigt, dass die beiden Proteine kaum Kolokalisation im Nanometerbereich aufweisen. Zunehmend wird die anomale Expression von Membrantransportern aus der SLC-Familie mit der Migration von Krebszellen in Verbindung gebracht. Der finale Abschnitt befasste sich daher mit der subzellulären Lokalisierung der Transporterproteine SLC5A1 und SLC5A3 in GBM-Zellen, um ihre Beteiligung an der Zellmigration nachzuweisen. Dabei wurde erstmals gezeigt, dass der Leitsaum der untersuchten GBM-Zellen deutliches SLC5A1- und SLC5A3-Signal aufwies. Basierend auf diesen Befunden wurden den Transportern unterschiedliche Aufgaben bei der zellmigrativen lokalen Volumenregulation zugeschrieben. Somit ergänzen SLC5A1 und SLC5A3 das migrationsassoziierte Krebszell-Transportom. / The unique properties of the highly specialized, enucleated mammalian erythrocytes allows them to withstand enormous mechanical stress. However, because their membrane area is limited, they display high osmotic fragility towards hypotonic shocks. In contrast, the much more complex tumor cells are not only capable of tolerating a wide range of osmotic stresses, but they frequently display considerable chemo- and even radioresistance. Because of these intriguing properties, both cell types have been the subject of intensive biophysical and biomedical research for decades. However, despite the long history of erythrocyte research, the apparently self-propelled motion of red blood cells that occurs in the course of hemolysis is a largely unknown phenomenon. In the first part of this doctoral thesis, the electroporation-triggered hemolytic cell motion of human erythrocytes was examined quantitatively for the first time in order to elucidate the underlying mechanism of this phenomenon. Using fluorescence and videomicroscopic analyses, the two main phases of electrohemolysis were identified. The first, prehemolytic phase was characterized by an efflux of low-molecular cytosolic solutes via electropores, accompanied by transient, osmotic cell shrinkage. Once the influx of extracellular solutes predominated, swelling to the critical cell volume started, apparent from the loss of discoid morphology. The second, hemolytic phase was characterized by a sudden cell acceleration to a peak velocity of ~35 µm/s, ~1 second of rapid and linear movement, gradual volume reduction and transformation to a hemoglobin-depleted, transparent ghost. The results of this work suggest that this rapid linear motion results from a cell contraction-driven expulsion of the pressurized hemoglobin (Hb)-rich cytosol through a single hemolytic hole. ...

Metall-basierte Antitumorwirkstoffe wie Cisplatin, Carboplatin und Oxaliplatin sind weltweit für die Behandlung verschiedener Krebsarten zugelassen. Resistenzbildung, starke Nebenwirkungen und ein eingeschränktes Spektrum responsiver Tumoren schränken jedoch ihren Anwendungsbereich ein. Daher ist die Suche nach neuen Platinverbindungen mit verbesserten Eigenschaften sowie Antitumor-aktiven Metallkomplexen anderer Metalle ein aktuelles Forschungsthema. Durch die Einbettung der Wirkstoffe in entsprechende Trägermaterialien und eine Freisetzung mit präziser zeitlicher und räumlicher Kontrolle sollten sich zudem die Nebenwirkungen deutlich reduzieren lassen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde daher eine Serie von quadratisch-planaren Platin(II)- und Palladium(II)-Komplexen mit N^N^S-Chelatliganden auf der Basis von N-Phenyl-2-(pyridin-2-ylmethylen)hydrazin-1-carbothioamid und N-Phenyl-2-(chinolin-2-ylmethylen)hydrazin-1-carbothioamid synthetisiert, die mit längeren Alkylketten funktionalisiert wurden, um eine hohe Affinität für Lipid-basierte Microbubbles als Träger zu erreichen, aus denen die Metallkomplexe dann unter Einwirkung von Ultraschall freigesetzt werden sollten. Es wurden drei verschiedene Ligandenfamilien ausgehend von der Grundstruktur L = R1-CR2=N-NH-C(S)-NH-R3 synthetisiert, wobei R1 = 2-Pyridyl oder 2-Chinolinyl, R2 = H, CH3, C8H17 oder C10H21 und R3 = CH3 oder C6H5 gewählt wurden. Die Umsetzung der Liganden mit Kaliumtetrachloridoplatinat(II), Natriumtetrachloridopalladat(II) oder [PdCl2(cod)] mit cod = 1,5-Cyclooctadien führte zu neutralen N^N^S-Komplexen [MCl(L)] mit M = Pd, Pt in allgemein guter Ausbeute. Die Kristallstruktur von [PtCl(L)] mit R1 = 2-Pyridyl, R2 = C10H21 und R3 = CH3 bestätigte zudem die quadratisch-planar Koordination des Metalls durch den N^N^S-koordinierten Liganden und ein Chlorid-Anion. Die Verbindungen mit R3 = CH3 zeigen im 195Pt NMR zwei Peaks, was auf das Vorliegen eines Isomerengemischs hindeutet, wobei die Daten vermuten lassen, dass neben der N^N^S-gebundenen Hauptspezies noch eine weitere mit N^N^N-koordiniertem Liganden und freier SH-Gruppe vorliegt. Solche Isomerengemische sind für biologischen Anwendungen ungeeignet, da die Isomere eine unterschiedliche Aktivität aufweisen können. Die anderen Platin(II)-Komplexe zeigen dagegen im 195Pt NMR nur einen Peak und sind somit für Cytotoxizitätsstudien geeignet. Mit Hilfe des MTT-Assays wurden EC50-Werte an verschiedenen Gliablastom-Zellinien für zwölf einheitliche Komplexe bestimmt. Für die potentesten Verbindungen wurden EC50-Werte im unteren mikromolaren Bereich ermittelt (2–9 µM), so dass die Aktivität teilweise sogar die von Cisplatin als Referenzverbindung übertraf. Insbesondere die Variation der aromatischen Oberfläche in den Pyridyl- vs. Chinolinylverbindungen hatte jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die EC50-Werte. Zudem führte eine Verlängerung der R2-Seitenkette bei den Palladium(II)-Verbindungen zu einer niedrigeren Aktivität. Die Verteilungskoeffizienten logP ergaben für alle Verbindungen recht ähnliche positive Werte, was die Lipophilie der Neutralkomplexe belegte. Für eine weitere Strukturvariation wurden außerdem zwei Azido-Komplexe [M(N3)(L)] mit M = Pd, Pt in moderater Ausbeute synthetisiert. Diese wurden dann in einer „iClick“-Reaktion unter sehr milden Bedingungen mit Dimethylacetylendicarboxylat (DMAD) und 4,4,4-Trifluorobut-2-insäureethylester zu den Triazolat-Komplexen [M(triazolateR,R')(L)] umgesetzt. Durch 1H NMR- und 19F NMR-spektroskopische Untersuchungen wurden gezeigt, dass diese teilweise als Isomerengemische vorliegen, da das Triazolat entweder über das N1-, N2- oder N3-Stickstoffatom an das Metall gebunden sein kann. Für eine ausgewählte Verbindung mit M = Pt und DMAD als Alkin wurde die Kinetik der „iClick“-Reaktion mit Hilfe der 1H NMR Spektroskopie untersucht. Die ermittelte Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung k2 = (1.82 ± 0.05).10-1 L mol-1 s 1 ist vergleichbar zum Beispiel der der etablierten strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC). Für die Einbettung der lipophilen Metallkomplexe in ein Ultraschall-aktivierbares Trägersystem wurden aus Dipalmytoylphosphatidylcholin, 1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphat, 1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamin-N-methoxy(polyethylenglycol)-2000 Ammonium Salz und Komplexlösung unter Zusatz von Octafluopropan gasgefüllte Microbubbles hergestellt. Stabilitätsversuche zeigten, dass die Bläschenzahl selbst unter Normalbedingungen innerhalb von 2 h um 50% abnimmt. Daher sollten die Microbubbles vor jeder Verwendung täglich frisch hergestellt und möglichst unmittelbar danach verwendet werden. Ein unmittelbares Zerplatzen der Bläschen wurde durch Behandlung mit Ultraschall bei 500 Hz erreicht. Die Viabilität der verwendeten GaMG-Zellen wudre unter diesen Bedingungen jedoch nicht beeinträchtigt. Dennoch war die auf die Microbubbles geladene Platin-Konzentration zu niedrig, um mit dem MTT-Assay einen signifikanten Unterschied zwischen beladenen und unbeladenen Bläschen zu erreichen, so dass hier in Zukunft noch weitere Optimierungen erforderlich sein werden. / Metal-based anti-tumor agents such as cisplatin, carboplatin and oxaliplatin are approved worldwide for the treatment of various types of cancer. However, the development of resistancies, severe side effects and a limited range of responsive tumors limit their scope. Therefore, the search for new platinum compounds with improved properties as well as antitumor-active metal complexes of other metals is a highly active current research topic. By embedding the active compounds in appropriate carrier materials and releasing them with high temporal and spatial control, it should be possible to significantly reduce undesireable side effects. In this doctoral thesis, a series of square-planar platinum(II) and palladium(II) complexes with N^N^S chelate ligands based on N-phenyl-2-(pyridin-2-ylmethylene)hydrazine-1-carbothioamide as well as N-phenyl-2-(quinolin-2-ylmethylene)hydrazine-1-carbothioamide were synthesized, which were functionalized with long alkyl chains in order to achieve a high affinity for lipid-based microbubbles as carriers, from which the metal complex were to be released under exposure to ultrasound. Three different ligand families were synthesized based on the basic structure L = R1-CR2=N-NH-C(S)-NH-R3, where R1 = 2-pyridyl or 2-quinolinyl, R2 = H, CH3, C8H17 or C10H21 and R3 = CH3 or C6H5. The reaction of the ligands with potassium tetrachloridoplatinate(II), sodium tetrachloridopalladate(II) or [PdCl2(cod)] with cod = 1,5-cyclooctadiene, led to neutral N^N^S complexes [MCl(L)] with M = Pd, Pt in good general yield. The crystal structure of [PtCl(L)] with R1 = 2-pyridyl, R2 = C10H21 and R3 = CH3 also confirmed the square-planar coordination of the metal by the N^N^S-coordinated ligand and a chloride anion. The compounds with R3 = CH3 show two peaks in the 195Pt NMR, which indicates the presence of a mixture of isomers, suggesting that, in addition to the main N^N^S-bonded species, another complex with an N^N^N-coordinated ligand and free SH group is present. Such mixtures of isomers are unsuitable for biological applications, since the isomers can have different biological activity. On the other hand, the other platinum(II) complexes only show one 195Pt NMR peak and therefore are suitable for cytotoxicity studies. With the help of the MTT assay, EC50 values were determined in various glioblastoma cell lines for twelve pure complexes. For the most potent compounds, EC50 values in the lower micromolar range were determined (2–9 µM), with some activity even exceeding that of cisplatin used as a reference compound under similar conditions. Interestingly, variation of the aromatic surface area in the pyridyl vs. quinolinyl compounds did not have any significant effect on the EC50 values. In addition, the extension of the R2 side chain in the case of the palladium(II) compounds led to a lower activity. The partition coefficient logP was positive and quite similar for all studied compounds, which demonstrates the lipophilicity of the neutral complexes. For further structural variation, two azido complexes [M(N3)(L)] with M = Pd, Pt were synthesized in moderate yield. In an iClick reaction with dimethylacetylenedicarboxylate (DMAD) and ethyl 4,4,4-trifluorobut-2-ynoate, they gave under very mild condition triazolate complexes [M(triazolateR,R')(L)]. 1H NMR and 19F NMR spectroscopic analysis showed that a mixture of isomers was present in the product, as the triazolate ligand can bind to the metal center via either the N1, N2, or N3 nitrogen atoms. For a selected compound with M = Pt and DMAD as the alkyne coupling partner, the kinetics of the iClick reaction was investigated by 1H NMR spectroscopy. The second order rate constant k2 was determined as (1.82 ± 0.05).10-1 L mol-1 s-1 and is comparable to that of the established strain-promoted acid-alkyne cycloaddition (SPAAC). To embed the lipophilic metal complexes in an ultrasound-activatable carrier, dipalmytoylphosphatidylcholine, 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphate, 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene- glycol)-2000 ammonium salt and a metal complex stock solution were mixed in an atmosphere of octafluoropropane to produce gas-filled microbubbles. Stability tests showed that the bubble concentration decreased by 50% within 2 h. Therefore, the microbubbles should be freshly prepared every day and used immediately afterwards. The bursting of the bubbles was achieved under ultrasound explore at 500 Hz, which did not affected the growth of the cells. However, the platinum concentration loaded onto the microbubble was too low to induce significant differences between loaded and non-loaded microbubble, as determined by the MTT assay. Therefore, optimization of microbubble loading metal complexes has to be a major topic of future work.

Das Glioblastom (GBM) ist der häufigste maligne primäre Hirntumor im Erwachsenenalter und geht mit einer infausten Prognose einher. Die Standardtherapie bei Erstdiagnose besteht aus Tumorresektion gefolgt von kombinierter Radiochemotherapie mit Temozolomid nach Stupp-Schema. Eine neue Therapieoption stellen die Tumor Treating Fields (TTFields) in Form lokal applizierter elektrischer Wechselfelder dar. Mit dem Einsatz der TTFields kann durch Störung der mitotischen Abläufe die Zellproliferation von Tumorzellen gehemmt und dadurch das Gesamtüberleben im Vergleich zur alleinigen Radiochemotherapie nachweislich deutlich verlängert werden. Auch verschiedene Chemotherapeutika, die bereits klinisch eingesetzt werden, greifen in den Ablauf der Mitose ein. So auch die Zytostatika Vincristin (VIN) und Paclitaxel (PTX), die durch einen gegensätzlichen Mechanismus durch Destabilisierung bzw. Stabilisierung von Mikrotubulistrukturen ihre Wirkung entfalten. Die Frage, ob eine Verstärkung dieser Wirkung durch den kombinierten Einsatz mit TTFields erreicht werden kann, wurde in dieser Arbeit an den beiden GBM-Zelllinien U87 und GaMG untersucht. Zunächst wurde mit dem xCELLigence-Systems über eine Real-Time-Impedanzmessung für diese beiden Chemotherapeutika jeweils die mittlere effektive Dosis (EC50-Wert), bei der ein halbmaximaler Effekt auftritt, spezifisch für jede Zelllinie bestimmt. Diese betrug bei VIN durchschnittlich 200nM für die Zelllinie U87 bzw. 20nM für die Zelllinie GaMG und lag für PTX bei 60nM für beide Zelllinien. Mit diesen Dosierungen wurden die beiden Zelllinien allein und in Kombination mit TTFields über 72h behandelt. Anschließend wurde die Zellproliferation analysiert und mit unbehandelten Tumorzellen verglichen. Während jeder Behandlungsarm einzeln eine signifikante Wirkung gegenüber der unbehandelten Vergleichsgruppe zeigte, hatte weder die Kombination von TTFields mit VIN noch mit PTX in den untersuchten Dosierungen einen zusätzlichen signifikanten Nutzen. Es besteht weiterer Forschungsbedarf zum kombinierten Einsatz von TTFields mit anderen Therapieformen. / Glioblastoma (GBM) is the most common malignant primary brain tumor in adults and is associated with an infavorable prognosis. Standard therapy at initial diagnosis consists of tumor resection followed by combined radiochemotherapy with temozolomide according to the Stupp regimen. Tumor Treating Fields (TTFields) in the form of locally applied alternating electric fields represent a new therapeutic option. With the use of TTFields, cell proliferation of tumor cells can be inhibited by interfering with mitotic processes, which has been shown to significantly prolong overall survival compared to radiochemotherapy alone. Various chemotherapeutic treatments already in clinical use also interfere with mitotic processes. This is also the case with the cytostatic drugs vincristine (VIN) and paclitaxel (PTX), which exert their effects by an opposing mechanism through destabilization and stabilization of microtubule structures. The question whether an enhancement of this effect can be achieved by combined use with TTFields was investigated in this work using the two GBM cell lines U87 and GaMG. First, using the xCELLigence system via real-time impedance measurement, the mean effective dose (EC50-value) at which a half-maximal effect occurs was determined for each of these two chemotherapeutic agents specifically for each cell line. This was averaged 200nM for VIN for the U87 cell line and 20nM for the GaMG cell line, and was 60nM for PTX for both cell lines. The two cell lines were treated with these doses alone and in combination with TTFields for 72h. Cell proliferation was then analyzed and compared to untreated tumor cells. While each treatment individually showed a significant effect compared with the untreated control group, neither the combination of TTFields with VIN nor with PTX had any additional significant benefit at the doses studied. Further research is needed on the combined use of TTFields with other therapies.

Da hochgradige Gliome nur eine geringe Tendenz zur Metastasierung aufweisen, beschränkte sich das klinische Wissen über diesen seltenen Krankheitsverlauf bisher im Wesentlichen auf die Erkenntnisse aus Einzelfallberichten und kleineren Fallserien. Eine detaillierte Analyse der beschriebenen Fälle war bisher nicht verfügbar. Die vorliegende Arbeit stellt eine systematische Auswertung der wissenschaftlichen Literatur über Patienten mit metastasierten Glioblastomen oder Gliosarkomen dar. Unser Ziel war es, sämtliche Publikationen zu berücksichtigen, welche bis April 2013 veröffentlicht worden sind. Mit Hilfe einer systematischen Literaturrecherche in den beiden Datenbanken PubMed und Web of Science konnten 215 Arbeiten identifiziert werden, welche insgesamt 357 Fallberichte enthielten. Die Prognose nach Diagnose einer Metastasierung ist infaust. In der untersuchten Patientenkohorte betrug die mediane Überlebenszeit lediglich 3.0 ± 0.4 Monate. Eine univariate Datenanalyse ergab, dass Geschlecht, Alter, der histologische Subtyp und das Zeitintervall zwischen der Diagnose des Primärtumors und der Metastasen die Überlebenszeit nicht beeinflussten. Im Gegensatz dazu war eine Metastasierung, die ausschließlich außerhalb des zentralen Nervensystems (ZNS) auftrat, mit längeren Überlebenszeiten verbunden. In den letzten Jahrzehnten wurden offenbar keine entscheidenden therapeutischen Fortschritte erzielt. Fälle, die in Publikationen bis zum Jahr 2000 Erwähnung fanden, wiesen keine schlechteren Überlebenszeiten auf als die nach der Jahrtausendwende publizierten Fälle. Aktuell gibt es keinen Datensatz, der geeignet wäre, die vielfältigen Therapieansätze systematisch auf ihre Wirksamkeit hin zu überprüfen. Wir sehen hier die Notwendigkeit, ein zentrales Register zu etablieren.

Glioblastoma multiforme (GBM) is one of the most frequent and malignant forms of brain cancer in adults. The prognosis is poor with a median survival time of 12-15 months. There is a broad range of alternative treatment options studied in preclinical and clinical trials for GBM. One alternative treatment option is oncolytic virotherapy, defined as the use of replication‐competent viruses that selectively infect and destroy cancer cells while leaving, non‐transformed cells unharmed. Vaccinia virus (VACV) is one favorable candidate. Although oncolytic viruses can kill tumor cells grown in vitro with high efficiency, they often exhibit reduced replication capacity in vivo suggesting that physiological aspects of the tumor microenvironment decrease the virus’ therapeutic potential. The percentage and composition of immune cells varies between cancer types and patients and is investigated as a biomarker in several studies. Making oncolytic virotherapy successful for GBM, it is necessary to understand the individual tumor biology, the interaction with the microenvironment and immune system. It was demonstrated that the attenuated VACV wild-type (wt) isolate LIVP 1.1.1 replicate and lyse the murine GL261 glioma cell line in vitro. In the following, the replication efficacy was characterized in a comparative approach in vivo. Immunocompetent C57BL/6 (wt) mice and immunodeficient mouse strains of different genetic background C57BL/6 athymic and Balb/c athymic mice were used. In addition, subcutaneous and intracranial locations were compared. The results revealed viral replication exclusively in Balb/c athymic mice with subcutaneous tumors but in none of the other models. In the following, the tumor microenvironment of the subcutaneous tumor models at the time of infection was performed. The study showed that implantation of the same tumor cells in different mouse strains resulted in a different tumor microenvironment with a distinct composition of immune cells. Highest differences were detected between immunodeficient and immunocompetent mice. The study showed major differences in the expression of MHCII with strongest expression in C57BL/6 wt and weakest in Balb/c athymic tumors. In the following, the influence of the phenotypic change associated with the upregulation of MHCII on GL261 tumor cells on viral replication was analyzed. Comparison of C57BL/6 wt and C57BL/6 IFN-γ knockout mice revealed endogenous IFN-γ levels to upregulate MHCII on GL261 tumor cells and to reduce viral replication in C57BL/6 wt mice. Analysis of single cell suspensions of tumor homogenates of C57BL/6 and Balb/c athymic mice showed that the IFN-γ-mediated anti-tumor effect was a reversible effect. Furthermore, reasons for inhibition of virus replication in orthotopic glioma models were elucidated. By immunohistochemical analysis it was shown that intratumoral amounts of Iba1+ microglia and GFAP+ astrocytes in Gl261 gliomas was independent from intratumoral VACV injection. Based on these findings virus infection in glioma, microglia and astrocytes was compared and analyzed in cell culture. In contrast to the GL261 glioma cells, replication was barely detectable in BV-2 microglia and IMA2.1 astrocytic cells. Co-culture experiments revealed that microglia compete for virus uptake in cell culture. It was further shown that BV-2 cells showed apoptotic characteristics after VACV infection while GL261 cells showed signs of necrotic cell death. Additionally, in BV-2 cells with M1-phenotype a further reduction of viral replication and inhibition of cell lysis was detected. Infection of IMA 2.1 cells was independent of the M1/M2-phenotype. Application of BV-2 microglia with M1-phenotype onto organotypic slice cultures with implanted GL261 tumors resulted in reduced infection of BV-2 cells with LIVP 1.1.1, whereas GL261 cells were significantly infected. Taken together, the analyzed GL261 tumors were imprinted by the immunologic and genetic background in which they grow. The experimental approach applied in this thesis can be used as suitable model which reflects the principles of personalized medicine In an additional project, based on gene expression data and bioinformatic analyses, the biological role and function of the anti-apoptotic factor AVEN was analyzed with regard to oncolytic VACV therapy. Besides a comparison of the replication efficacy of GLV-1h68 and VACV-mediated cell killing of four human tumor cell lines, it was shown that AVEN was expressed in all analyzed cells. Further, shown for HT-29 and 1936-MEL, the knockdown of AVEN by siRNA in cell culture resulted in an increase of apoptotic characteristics and a decrease of VACV infection. These findings provide essential insights for future virus development. / Glioblastoma multiforme (GBM) ist einer der häufigsten und bösartigsten Hirntumoren im Erwachsenenalter. Die Prognose für GBM ist mit einer Überlebenszeit von 12-15 Monaten sehr schlecht. Eine alternative Behandlungsmöglichkeit stellt die onkolytische Virustherapie dar. Ein vielversprechender Kandidat ist das Vaccinia-Virus. Die große Diskrepanz zwischen der onkolytischen Effektivität in Zellkultur und den Ergebnissen im Mausmodell ist oftmals auf physiologische Komponenten im Tumor-Mikromilieu zurückzuführen. Die Zusammensetzung von Immunzellen im Mikromilieu variiert zwischen verschiedenen Krebsarten und Patienten und wird als Biomarker angewendet. Um eine erfolgreiche Virustherapie für GBM zu etablieren, wird ein umfangreiches Verständnis der Tumorbiologie, des Tumormikromilieus und des Immunsystems vorausgesetzt. Es wurde gezeigt, dass LIVP 1.1.1, ein attenuiertes wildtypisches VACV-Isolat, in der murinen GL261 Gliom-Zelllinie repliziert und zum Absterben der Zellen führt. Daraufhin wurde die Replikationseffizienz von LIVP 1.1.1 durch einen vergleichenden Ansatz in murinen GL261-Gliomen im Mausmodell untersucht. Es wurden immunkompetente C57BL/6-wildtypische (wt) Mäuse und immundefiziente Mausstämme mit unterschiedlichem genetischem Hintergrund, C57BL/6 athymisch und Balb/c athymisch, verwendet. Zudem wurden unterschiedliche Tumor-Lokalisationen, subkutan und intrakranial analysiert. Ausschließlich im subkutanen Tumormodell der Balb/c athymischen Mäuse fand eine effektive Replikation der Viren statt. Eine detaillierte Charakterisierung des Mikromilieus zum Zeitpunkt der Infektion zeigte, dass die Implantation derselben Tumorzellen in unterschiedliche Mausstämme zur Entwicklung eines unterschiedlichen Tumormikromilieus und einer variierenden Zusammensetzung von Immunzellen führt. Die C57BL/6-wt-Mäuse wiesen eine starke proinflammatorische Signatur auf. Des Weiteren zeigte die Studie signifikante Unterschiede in der MHCII-Expression: Die prominenteste Expression wurde in C57BL/6-wt-Mäusen detektiert. Im weiteren Verlauf wurde analysiert, wodurch die phänotypischen Veränderungen in den GL261-Zellen, verbunden mit der Hochregulierung von MHCII ausgelöst wurden und welche Konsequenzen dies für die virale Infektion dieser Zellen hat. Durch einen direkten Vergleich von C57BL/6-wt-Mäusen und C57BL/6-IFN-γ-Knockout Mäusen konnte IFN-γ als verantwortlicher Faktor im Tumormikromilieu identifiziert werden, welcher für die Reduktion des Virustiters und für die Hochregulierung von MHCII in den C57BL/6-wt-Mäusen verantwortlich ist. Der durch endogenes IFN-γ ausgelöste anti-virale Effekt war reversibel. Des Weiteren wurden Gründe für die Hemmung der viralen Replikation in den orthotopen Gliom-Modellen aufgeklärt. Durch immunhistochemische Analysen von Mikroglia und Astrozyten konnte gezeigt werden, dass die intratumorale Menge und Verteilung der Gliazellen in diesen Tumoren unabhängig von der Virus-Applikation war. Gliomzellen, Mikroglia und Astrozyten, wurden daraufhin untersucht. Im Vergleich zur starken Replikation in GL261-Zellen, ließen BV-2-Mikroglia und IMA 2.1-Astrozyten, nur eine sehr schwache Replikation von LIVP 1.1.1 zu. Ko-Kultivierungsversuche wiesen darauf hin, dass Mikroglia um die Aufnahme der Viruspartikel mit den Tumorzellen konkurrieren. Es wurde gezeigt, dass das LIVP 1.1.1 unterschiedliche Eigenschaften des Zelltods in den Zellen auslösen kann. BV-2 wiesen verstärkte Charakteristika der Apoptose auf während in GL261-Zellen nekrotische Eigenschaften überwogen. In BV-2-Zellen mit M1-Phänotyp wurde eine weitere Reduktion der viralen Infektion festgestellt. Die Infektion von IMA-2.1-Zellen war unabhängig vom induzierten M1/M2 Phänotyp. Die Applikation von BV-2-Zellen mit M1-Phänotyp auf organotypische Schnittkulturen mit implantierten GL261-Tumoren resultierte in einer reduzierten Infektion der BV-2-Zellen und einer verstärkten Infektion der GL261-Zellen. Es wurde gezeigt, dass GL261-Tumore durch den immunologischen und genetischen Hintergrund der Umgebung geprägt wurden. Es wurde ein Modell entwickelt, welches das Prinzip der personalisierten Medizin widerspiegelt. In einem zusätzlichen Projekt wurde, basierend auf Genexpressionsdaten und bioinformatischer Auswertung, die biologische Funktion des anti-apoptotischen Faktors AVEN hinsichtlich der onkolytischen Virustherapie mit dem VACV GLV-1h68 analysiert. Für diese Studie wurden vier humane Zelllinien untersucht. Neben einem Vergleich der Replikationseffizienz des VACV GLV-1h68 und der VACV-vermittelten Zelllyse wurde gezeigt, dass AVEN, in allen untersuchten Zellen exprimiert wird. Am Beispiel von HT-29 und 1936-MEL wurde gezeigt, dass die Herunterregulierung von AVEN durch siRNA zu einer Erhöhung der apoptotischen Eigenschaften und Abnahme der VACV Infektion führt. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung zukünftiger genetisch veränderter VACV.

Das invasive Potential maligner Gliome beeinflusst maßgeblich die schlechte Prognose dieser Tumorentität. Migration und Invasion von Tumorzellen werden entscheidend durch die Cofilin-vermittelte Umstrukturierung des Aktin-Zytoskeletts geprägt, die durch die Aktivität antagonistischer Cofilin-Kinasen und -Phosphatasen reguliert wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ein progressiver Expressionsverlust der Cofilin-Phosphatase Chronophin mit ansteigendem Malignitätsgrad astrozytärer Gliome aufgezeigt werden, der mit einer Zunahme der Phosphorylierung von Cofilin einhergeht. In den entsprechenden Gewebeproben gelang gleichzeitig der Nachweis einer gesteigerten Expression der Cofilin-Kinase LIMK-2. Genetische und epigenetische Analysen des Chronophin-Locus konnten eine Hypermethylierung im Bereich der Promotorregion der Phosphatase identifizieren, die möglicherweise dem Verlust von Chronophin in Glioblastom-Gewebeproben zugrunde liegt. In Glioblastom-Zelllinien, die unterschiedliche Expressionsmuster von Chronophin aufwiesen, konnten hingegen keine molekularen Alterationen festgestellt werden. Untersuchungen des Einflusses von ROCK- und LIMK-Inhibitoren auf Glioblastomzellen konnten ausgeprägte Veränderungen der Zellmorphologie dokumentieren, wobei erstmals die Induktion eines stellate cell-Phänotyps unter Einfluss des LIMK-Inhibitors BMS-5 beschrieben wird. Während ROCK- und LIMK-Inhibitoren keinen Einfluss auf die 2D-Motilität der Tumorzellen hatten, wiesen die Glioblastomzellen in Abhängigkeit ihrer basalen Cofilin-Aktivität eine verstärkte bzw. verminderte 3D-Invasivität auf. Die Erkenntnisse dieser Arbeit unterstreichen die Bedeutung des Cofilin-Signalweges für die Migration und Invasion von Gliomzellen, zeigen neue Angriffspunkte in der Therapie maligner Gliome auf und warnen zugleich vor einem unkritischen Einsatz neuer Wirkstoffe. / The invasive potential of malignant gliomas is the main reason for the dismal prognosis of this tumor entity. Migration and invasion of tumor cells is crucially determined by the cofilin dependent reorganization of the actin cytoskeleton regulated by the activity of antagonistic cofilin kinases and phosphatases. This study revealed a progressive loss of expression of the cofilin phosphatase chronophin with increasing malignancy grade of astrocytic glioma, accompanied by an increase of cofilin phosphorylation. Moreover, the analyzed glioma specimens were characterized by a simultaneous increase of expression of the cofilin kinase LIMK-2. Integrated genetic and epigenetic analysis of the chronophin locus identified an aberrant promoter methylation as a possible mechanism leading to chronophin down-regulation in glioblastoma tissue samples. In contrast, molecular alterations of the chronophin locus were undetectable in glioblastoma cell lines characterized by different chronophin expression levels. Analysis of glioblastoma cells demonstrated striking effects of ROCK and LIMK inhibitors on cell morphology, providing first evidence of the induction of a stellate cell-phenotype by the LIMK inhibitor BMS-5. While ROCK and LIMK inhibitors had no detectable effect on the 2D motility of the tumor cells, the inhibitors increased or decreased the 3D-invasiveness of the glioma cells depending on their basal cofilin activity. The findings of this study stress the importance of the cofilin signaling pathway as a key regulator of glioma migration and invasion, indicate novel targets for glioma therapy, but also warn against a noncritical use of new drugs.

Beim Glioblastoma multiforme als Neoplasie des zentralen Nervensystems mit sehr schlechtem Outcome sind sowohl auf zellulärer als auch auf humoraler Ebene verschiedene Tumor-Escape-Mechanismen beschrieben. Zur umfassenden Charakterisierung des systemischen Immunstatus wurden bei 61 Patienten mit hochgradigem Gliom entsprechend WHO °III und °IV 30 hämatologische und 36 Plasmamarker prä- und postoperativ sowie im Vergleich mit einer Kontrollgruppe untersucht. Periphere myeloide und plasmazytoide dendritische Zellen zirkulieren im peripheren Blut in reduzierten Frequenzen, postoperativ ist dies nur noch bei den plasmazytoiden dendritschen Zellen festzustellen. Die durchflusszytometrische Phänotypisierung der dendritschen Zellen ergibt sowohl nativ als auch nach in vitro-Stimulation einen funktionell intakten Phänotyp. Eine Leukozytose und Neutrophilie mit erhöhter Neutrophilen-Lymphozyten-Ratio ist überwiegend durch die perioperative Dexamethason-Applikation zu erklären. Im Gegensatz hierzu korreliert die Lymphopenie insbesondere der T-Zell-Reihe mit dem WHO- Grad. HLA-DR-negative Monozyten im Sinne myeloider Suppressorzellen sind in signifikant erhöhten Frequenzen im peripheren Blut zu beobachten und persistieren nach der chirurgischen Tumorentfernung. Patienten mit Frequenzen oberhalb des Medians haben ein 3,6-fach erhöhtes Risiko für Tumorprogress und ein 2,2-fach erhöhtes Risiko zu versterben. Bezüglich der Plasmamarker sind beim Gliompatienten signifikant erhöhte Konzentrationen von IL-2, IL-4, IL-5, IL-10 und MACC1 zu messen. Dies verdeutlicht die potentielle Bedeutung von MACC1 als Biomarker in diesem Patientenkollektiv. EGF konnte in der vorliegenden Arbeit mit dem Gesamtüberleben korreliert werden: Eine Verdopplung der Serumkonzentration ist mit einem 1,3-fach erhöhten Sterberisiko assoziiert. Zusammenfassend unterstreicht diese Arbeit die systemische Kompromittierung des Immunsystems und fügt noch nicht beschrieben Phänomene hinzu. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Immunsuppression prinzipiell als reversibel zu betrachten ist. / In patients with glioblastoma multiforme as a neoplasia of the central nervous system with commonly poor outcome, several cellular and humoral tumor-escape-mechanisms were already described in literature. In order to characterize the systemic immune status comprehensively, 30 hematological and 36 plasma biomarkers were evaluated pre- and postoperative. 61 patients with high-grade gliomas according to WHO-grading III and IV were compared with a healthy control group. Peripheral myeloid and plasmacytoid dendritic cells circulate in decreased frequencies in the peripheral blood preoperatively. After surgery, this can only be observed in plasmacytoid dendritic cells. Flow cytometry showed an unimpaired phenotype in native as well as in stimulated dendritic cells. A leukocytosis and neutrophilia with an increased neutrophil-lymphocyte-ratio was mainly related to the perioperative dexamethasone-application. In contrast, the lymphopenia, especially for T-cells, correlates with the WHO-grading. HLA-DR-negative monocytes (myeloid derived suppressor cells) circulate in increased frequencies in the peripheral blood, this persists even after surgical treatment. Patients with frequencies above the median show a 3.6-fold increased risk for tumor progress and a 2.2-fold increased risk for death. Patients with high-grade glioma show increased concentrations of IL-2, IL-4, IL-5, IL-10 and MACC1 in their blood. This supports the importance of MACC1 as a new biomarker in this disease. EGF correlates with the overall survival: a doubling of the serum concentration is associated with a 1.3-fold increased risk for death. In summary, the systemic immunosuppression in patients with high-grade glioma is emphasized and new aspects can be featured. The immunosuppression may be considered as principally reversible.