Pour les patients diagnostiqués avec un cancer au stade précoce, les décisions de traitement dépendent de l’évaluation du risque de rechute métastatique. Les outils de pronostic actuels sont fondés sur des approches purement statistiques, sans intégrer les connaissances disponibles sur les processus biologiques à l’oeuvre. L’objectif de cette thèse est de développer des modèles prédictifs du processus métastatique en utilisant une approche de modélisation mécaniste et la modélisation à effets mixtes. Dans la première partie, nous étendons un modèle mathématique du processus métastatique pour décrire la croissance de la tumeur primaire et de la masse métastatique totale chez des souris traitées avec le sunitinib (un inhibiteur de tyrosine kinase ayant une action anti-angiogénique) administré comme traitement néoadjuvant (i.e. avant exérèse de la tumeur primaire). Le modèle est utilisé pour tester des hypothèses expliquant les effets différentiels du sunitinib sur la tumeur primaire et les métastases. Des algorithmes d’apprentissage statistique sont utilisés pour évaluer la valeur prédictive des biomarqueurs sur les paramètres du modèle.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous développons un modèle mécaniste pour la prédiction du temps de rechute métastatique et le validons sur des données cliniques des patientes atteintes d’un cancer du sein localisé. Ce modèle offre des prédictions personnalisées des métastases invisibles au moment du diagnostic, ainsi que des simulations de la croissance métastatique future, et il pourrait être utilisé comme un outil de prédiction individuelle pour aider à la gestion des patientes atteintes de cancer du sein. / For patients diagnosed with early-stage cancer, treatment decisions depend on the evaluation of the risk of metastatic relapse. Current prognostic tools are based on purely statistical approaches that relate predictor variables to the outcome, without integrating any available knowledge of the underlying biological processes. The purpose of this thesis is to develop predictive models of the metastatic process using an established mechanistic modelling approach and the statistical mixed-effects modelling framework.In the first part, we extend the mathematical metastatic model to describe primary tumour and metastatic dynamics in response to neoadjuvant sunitinib in clinically relevant mouse models of spontaneous metastatic breast and kidney cancers. The calibrated model is then used to test possible hypothesis for the differential effects of sunitinib on primary tumour and metastases, and machine learning algorithms are applied to assess the predictive power of biomarkers on the model parameters.In the second part of this thesis, we develop a mechanistic model for the prediction of the time to metastatic relapse and validate it on a clinical dataset of breast cancer patients. This model offers personalised predictions of the invisible metastatic burden at the time of diagnosis, as well as forward simulations of metastatic growth, and it could be used as a personalised prediction tool to assist in the routine management of breast cancer patients.

Cancer metastasis accounts for approximately 90% of all cancer-related deaths; however, the underlying mechanisms remain largely unknown. It has been known proteins that control F-actin dynamics are crucial for cancer metastasis. In this study, we revealed how an F-actin binding protein, Switch-associated protein 70 (SWAP-70), contributes to breast cancer metastasis. Moreover, immunotherapy is a promising approach to treat metastatic cancer cells by enhancing the function of the host immune system against cancer. Our lab has conducted extensive studies on how SWAP-70 regulates the function of several immune cell types, including dendritic cells (DCs), B cells, and mast cells. These cells have been reported to contribute to tumor immunity. Thus, we hypothesized that SWAP-70 plays a role in tumor immunity. To characterize the function of SWAP-70 in metastasis, we generated 4T1, mouse breast cancer, SWAP-70 knockout (KO) cells using Crispr/Cas9 technology. A syngeneic orthotopic model was used to recapitulate clinical disease progression, and the results showed that SWAP-70 led to significant metastasis to the lungs and bones in immunocompetent mice. Several functional assays have revealed that SWAP-70 promotes anchorage-independent growth, cell migration, invasion, and adhesion in 4T1 cells. Biophysical measurements showed that SWAP-70 contributes to cellular mechanics. To investigate how SWAP-70 in host cells affects tumor immunity, SWAP-70 deficient mice were injected with E0771 mouse breast cancer cells to study tumorigenicity. SWAP-70 deficient mice showed delayed primary tumor growth and less distant metastasis. Isolated SWAP-70−/− DCs were impaired in generating CD8 T cell responses pulsed with soluble OVA protein, but not with OVA peptide, suggesting that the antigen uptake, processing, and presentation process in SWAP-70−/− DCs may be diminished. Taken together, our findings describe the potential mechanisms by which the loss of SWAP-70 hinders cancer metastasis and provide several insights into how targeting SWAP-70 could be a potential therapeutic approach to target cancer.

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Pre-surgical diffusion weighted imaging (DWI) is increasingly important in the context of thyroid cancer for identification of the optimal treatment strategy. It has exemplarily been shown that DWI at 3T can distinguish undifferentiated from well-differentiated thyroid carcinoma, which has decisive implications for the magnitude of surgery. This study used DWI histogram analysis of whole tumor apparent diffusion coefficient (ADC) maps. The primary aim was to discriminate thyroid carcinomas which had already gained the capacity to metastasize lymphatically from those not yet being able to spread via the lymphatic system. The secondary aim was to reflect prognostically important tumor-biological features like cellularity and proliferative activity with ADC histogram analysis. Fifteen patients with follicular-cell derived thyroid cancer were enrolled. Lymph node status, extent of infiltration of surrounding tissue, and Ki-67 and p53 expression were assessed in these patients. DWI was obtained in a 3T system using b values of 0, 400, and 800 s/mm2 . Whole tumor ADC volumes were analyzed using a histogram-based approach. Several ADC parameters showed significant correlations with immunohistopathological parameters. Most importantly, ADC histogram skewness and ADC histogram kurtosis were able to differentiate between nodal negative and nodal positive thyroid carcinoma. Conclusions: histogram analysis of whole ADC tumor volumes has the potential to provide valuable information on tumor biology in thyroid carcinoma. However, further studies are warranted.

Cancer metastasis, the spread of cancer from the primary site to distant regions in the body, is the major cause of cancer mortality, accounting for almost 90% of cancer related deaths. During metastasis, cancer cells from the primary tumor initially probe the surrounding fibrous tumor microenvironment (TME) prior to detaching and subsequently migrating towards the blood vessels for further dissemination. It has widely been acknowledged that the biophysical cues provided by the fibrous TME greatly facilitate the metastatic cascade. Consequently, there has been a tremendous wealth of work devoted towards elucidating different modes of cancer cell migration. However, our knowledge of how cancer cells at the primary tumor site initially sense their fibrous surroundings prior to making the decision to detach and migrate remains in infancy. In part, this is due to the lack of a fibrous in vitro platform that allows for precise, repeatable manipulation of fiber characteristics. In this study, we use the non-electrospinning, Spinneret based Tunable Engineered Parameters (STEP) technique to manufacture suspended nanofiber networks with exquisite control on fiber dimensions and network architecture and use these networks to investigate how single cancer cells biophysically sense fibers mimicking in vivo dimensions. Using high spatiotemporal resolution imaging (63x magnification/1-second imaging interval), we report for the first time, that cancer cells sense individual fibers by coiling (i.e. wrapping around the fiber axis) at the tip of a cell protrusion. We find that coiling dynamics are mediated by both the fiber curvature and the metastatic capacity of the cancer cells with less aggressive cancer cells showing diminished coiling. Based on these results, we explore the possibility of using coiling in conjunction with other key biophysical metrics such as cell migration dynamics and forces exerted in the development of a genetic marker independent, biophysical predictive tool for disease progression. Finally, we identify the membrane curvature sensing Insulin Receptor tyrosine kinase Substrate protein of 53 kDa (IRSp53) as a key regulator of protrusive activity with IRSp53 knockout (KO) cells exhibiting significantly slower protrusion dynamics and diminished coil width compared to their wild-type (WT) counterparts. We demonstrate that the hindered protrusive activity ultimately translates to impaired contractility, alteration in the nucleus shape and slower migration dynamics, thus highlighting the unique role of IRSp53 as a signal transducer – linking the protrusive activity at the cell membrane to changes in cytoskeletal contractility. Overall, these findings offer novel perspectives to our understanding of how cancer cells biophysically sense their fibrous surroundings. The results from this study could ultimately pave the way for elucidating the precise fiber configurations that either facilitate or hinder cancer cell invasion, allowing for the development of new therapeutics in the long term that could inhibit the metastatic cascade at a relatively nascent stage and yield a more promising prognosis in the perennial fight against cancer. / Doctor of Philosophy / Cancer is a leading cause of death worldwide. Almost ninety percent of cancer related deaths arise from the spreading of cancer cells from the primary tumor site to secondary sites in the body – a processed termed as metastasis. The environment surrounding a tumor (tumor microenvironment) is highly fibrous in nature and can assist in the metastatic process by providing biophysical cues to the cells at the tumor boundary. These cells sense the presence of the surrounding fibers by extending "arms" termed as protrusions, and then eventually detach from the primary tumor and start migrating through the fibrous microenvironment. While numerous studies have investigated the various modes of cell migration in fibrous environments, there is very little information regarding how cancer cells use protrusions to initially sense the fibers prior to detaching. In this study, we used the Spinneret based Tunable Engineered Parameters (STEP) technique to manufacture suspended nanofiber networks with robust control on fiber diameter and network architecture and use these networks to systematically investigate how single cancer cells biophysically sense fibers that mimic in vivo dimensions. We discovered that cancer cells sense individual fibers by "wrapping-around" the axis of the fiber at the tip of the protrusion – a phenomenon we refer to as coiling. We found both the fiber diameter as well as the invasive capacity of cells can influence the coiling mechanics. Based on these results, we explored the use of coiling in conjunction with other key biophysical metrics such as the cell migration speed and how much force a cell can exert to develop a biophysical predictor for cancer cell aggressiveness. Finally, given that cells sense the fiber curvature by coiling, we explored the role of a key curvature sensing protein Insulin Receptor tyrosine kinase Substrate protein of 53 kDa (IRSp53) in mediating coiling activity and found that knocking out (KO) IRSp53 results in reduced coiling and slower protrusions compared to wild-type (WT) cells. Furthermore, IRSp53 KO cells showed impaired contractility which led to an alteration in the nucleus shape and slower migration dynamics thus highlighting the role of IRSp53 in linking changes at the cell membrane to the underlying cell cytoskeleton. The results from this study could ultimately help us understand what type of fiber conditions around a primary tumor would either help or delay the emergence of the tumor boundary cells and thus allow for the development of therapeutics that could significantly slow down the metastatic process at a relatively early stage.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le cancer du poumon est la première cause de mortalité parmi les cancers en Amérique du Nord; le tabagisme en est la principale cause. La chimiothérapie conventionnelle n'est pas très efficace chez les patients avec une maladie métastatique ( stage IV). Les nouveaux agents antinéoplasiques investigués n'augmentent la survie.que modestement. II y a donc un besoin urgent d'élaborer de nouvelles approches thérapeutiques pour ce cancer. Pendant la tumorigénèse, le nombre de lésions génétiques augmente, principalement dans les oncogènes et les gènes suppresseurs de tumeur. Pour abolir la fonction d'un gène suppresseur de tumeur, il faut deux événements: une mutation dans une allèle et la perte d'hétérozygosité dans l'autre allèle. De récents résultats ont démontré que l'hyperméthylation, une altération épigénétique, est un mécanisme alternatif qui peut inactiver les gènes suppresseurs de tumeur. L'hyperméthylation joue un rôle important dans l'initiation et la progression d'une tumeur. Plusieurs gènes suppresseurs de tumeur sont hyperméthylés dans leur région promotrice. Cette hyperméthylation de la région promotrice est associée à la répression transcriptionnelle de ces gènes. De plus, la 5-Aza-2' -déoxycytidine (5-AZA-CdR), un médicament expérimental, peut activer l'expression de gènes suppresseurs de tumeur en inhibant la méthylation de l' ADN. L'efficacité de ce médicament chez les patients atteints de leucémie aiguë, en rechute suite à un traitement conventionnel, a déjà été démontrée. Son efficacité a aussi été observée chez les patients ayant un syndrome myélodysplasique qui est un syndrome préleucémique. Notre laboratoire a obtenu de bons résultats avec la 5-AZA-CdR dans une étude de phase I chez les patients atteints du cancer pulmonaire métastatique. Dans ce projet, nous avons étudié l'activité antinéoplasique de la 5-AZA-CdR et l'état de méthylation du récepteur f3 de l'acide rétinoique (RARf3 ), qui est un gène suppresseur de tumeur. Dans le cancer pulmonaire non à petites cellules (NSCLC), la délétion chromosomique affectant la région 3p24, où le gène RARP est situé, est fréquente. La mutation du gène RARP est cependant rare. Le gène RARP n'est pas exprimé dans la majorité des lignées cellulaires tumorales NSCLC et dans des tumeurs pulmonaires primaires. L 'hyperméthylation de la région promotrice du gène RARP pourrait être un mécanisme alternatif aux délétions et aux mutations dans l'inactivation de ce gène suppresseur de tumeur. Le premier objectif de ce projet était d'évaluer l'activité antinéoplasique in vitro de la 5-AZA-CdR et de l'acide rétinoique (RA) dans deux lignées cellulaires tumorales NSCLC, soient Calu-1 et A549. La 5-AZA-CdR est un agent cytotoxique puissant pour ces lignées cellulaires tumorales. Une concentration de 5-AZA-CdR de 100 ng/ml administrée pendant 48 h a produit plus de 90% de mort cellulaire ( ou de perte de clonogénicité). Cette perte de clonogénicité a augmenté avec la dose et la durée du traitement. Dans la lignée cellulaire Calu-1, où le RARP est méthylé, la combinaison de la 5-AZA-CdR à 10 ng/ml et de l'acide rétinoique à 0.1 et 1 µM a permis d'obtenir une interaction antinéoplasique synergique au niveau du potentiel clonogénique des cellules tumorales pulmonaires Calu-1. Cette combinaison a aussi permis d'obtenir une interaction antinéoplasique additive au niveau du potentiel clonogénique chez les cellules tumorales A549, une lignée cellulaire où le gène RARP n'est pas méthylé. Le deuxième objectif était de déterminer l'état de méthylation du gène RARP dans les biopsies de cancer pulmonaire humain et dans les tissus normaux adjacents. La méthode employée était le PCR spécifique à la méthylation (MSP), avec des amorces spécifiques pour la méthylation et pour la non-méthylation du gène RARP. Les résultats ont montré que la région promotrice du gène RARP était hyperméthylée dans 28% des biopsies de cancer pulmonaire. La plupart des tissus normaux adjacents n'étaient pas méthylés dans la région promotrice du RARf3. Le troisième objectif était de cloner et de séquencer la région promotrice du RARP des cellules d'adénocarcinome du colon DLD-1 et d'une biopsie tumorale pulmonaire afin chromosomique affectant la région 3p24, où le gène RARP est situé, est fréquente. La mutation du gène RARP est cependant rare. Le gène RARP n'est pas exprimé dans la majorité des lignées cellulaires tumorales NSCLC et dans des tumeurs pulmonaires primaires. L 'hyperméthylation de la région promotrice du gène RARP pourrait être un mécanisme alternatif aux délétions et aux mutations dans l'inactivation de ce gène suppresseur de tumeur. Le premier objectif de ce projet était d'évaluer l'activité antinéoplasique in vitro de la 5-AZA-CdR et de l'acide rétinoique (RA) dans deux lignées cellulaires tumorales NSCLC, soient Calu-1 et A549. La 5-AZA-CdR est un agent cytotoxique puissant pour ces lignées cellulaires tumorales. Une concentration de 5-AZA-CdR de 100 ng/ml administrée pendant 48 h a produit plus de 90% de mort cellulaire ( ou de perte de clonogénicité). Cette perte de clonogénicité a augmenté avec la dose et la durée du traitement. Dans la lignée cellulaire Calu-1, où le RARP est méthylé, la combinaison de la 5-AZA-CdR à 10 ng/ml et de l'acide rétinoique à 0.1 et 1 µM a permis d'obtenir une interaction antinéoplasique synergique au niveau du potentiel clonogénique des cellules tumorales pulmonaires Calu-1. Cette combinaison a aussi permis d'obtenir une interaction antinéoplasique additive au niveau du potentiel clonogénique chez les cellules tumorales A549, une lignée cellulaire où le gène RARP n'est pas méthylé. Le deuxième objectif était de déterminer l'état de méthylation du gène RARP dans les biopsies de cancer pulmonaire humain et dans les tissus normaux adjacents. La méthode employée était le PCR spécifique à la méthylation (MSP), avec des amorces spécifiques pour la méthylation et pour la non-méthylation du gène RARP. Les résultats ont montré que la région promotrice du gène RARP était hyperméthylée dans 28% des biopsies de cancer pulmonaire. La plupart des tissus normaux adjacents n'étaient pas méthylés dans la région promotrice du RARf3. Le troisième objectif était de cloner et de séquencer la région promotrice du RARP des cellules d'adénocarcinome du colon DLD-1 et d'une biopsie tumorale pulmonaire afin chromosomique affectant la région 3p24, où le gène RARP est situé, est fréquente. La mutation du gène RARP est cependant rare. Le gène RARP n'est pas exprimé dans la majorité des lignées cellulaires tumorales NSCLC et dans des tumeurs pulmonaires primaires. L 'hyperméthylation de la région promotrice du gène RARP pourrait être un mécanisme alternatif aux délétions et aux mutations dans l'inactivation de ce gène suppresseur de tumeur. Le premier objectif de ce projet était d'évaluer l'activité antinéoplasique in vitro de la 5-AZA-CdR et de l'acide rétinoique (RA) dans deux lignées cellulaires tumorales NSCLC, soient Calu-1 et A549. La 5-AZA-CdR est un agent cytotoxique puissant pour ces lignées cellulaires tumorales. Une concentration de 5-AZA-CdR de 100 ng/ml administrée pendant 48 h a produit plus de 90% de mort cellulaire ( ou de perte de clonogénicité). Cette perte de clonogénicité a augmenté avec la dose et la durée du traitement. Dans la lignée cellulaire Calu-1, où le RARP est méthylé, la combinaison de la 5-AZA-CdR à 10 ng/ml et de l'acide rétinoique à 0.1 et 1 µM a permis d'obtenir une interaction antinéoplasique synergique au niveau du potentiel clonogénique des cellules tumorales pulmonaires Calu-1. Cette combinaison a aussi permis d'obtenir une interaction antinéoplasique additive au niveau du potentiel clonogénique chez les cellules tumorales A549, une lignée cellulaire où le gène RARP n'est pas méthylé. Le deuxième objectif était de déterminer l'état de méthylation du gène RARP dans les biopsies de cancer pulmonaire humain et dans les tissus normaux adjacents. La méthode employée était le PCR spécifique à la méthylation (MSP), avec des amorces spécifiques pour la méthylation et pour la non-méthylation du gène RARP. Les résultats ont montré que la région promotrice du gène RARP était hyperméthylée dans 28% des biopsies de cancer pulmonaire. La plupart des tissus normaux adjacents n'étaient pas méthylés dans la région promotrice du RARf3. Le troisième objectif était de cloner et de séquencer la région promotrice du RARP des cellules d'adénocarcinome du colon DLD-1 et d'une biopsie tumorale pulmonaire afin d'identifier les sites de cytosines méthylés (5-MeC). Nous avons utilisé la méthode du séquençage génomique de l 'ADN traité au bisulphite. L'analyse du séquençage de I 'ADN a montré que les sites 5-MeC dans la région promotrice du RARP de la biopsie du cancer pulmonaire étaient les mêmes que ceux identifiés auparavant chez les cellules tumorales du colon DLD-1. D'autres résultats du séquençage de l'ADN sur des biopsies de cancer du sein ont confirmé que les sites 5-MeC sont conservés dans trois différentes types de tumeur: colon, poumon et sein. Le dernier objectif était d'étudier la pharmacocinétique de la 5-AZA-CdR chez deux patients atteints du cancer du sein métastatique. Le médicament 5-AZA-CdR a été donné par la voie i. v. pendant 8 h à une dose de 400 mg/m2 Les concentrations plasmatiques de la 5-AZA-CdR ont été estimées en utilisant un bio-essai basé sur l'inhibition de croissance des cellules leucémiques L1210 in vitro. À une vitesse d'infusion de 50 mg/m2/h, la concentration plasmatique à l'état d'équilibre était de 1.10 µg/ml chez la patiente M.R. et de 0.66 µg/ml chez la patiente G.H. Après la fin de l'infusion i.v., une disparition rapide de la 5-AZA-CdR dans le plasma a été observée chez les deux patientes, avec une demie-vie ( t Y:? ) respective de 11 min et de 13 minutes. On suggère que l'élimination totale de la 5-AZA-CdR chez ces deux patientes est due à la déamination par l'enzyme cytidine déaminase dans le foie ou dans d'autres organes. La conclusion est que le gène suppresseur de tumeur RARP peut être méthylé dans des biopsies tumorales de poumon. L 'hyperméthylation peut être un mécanisme alternatif qui résulte en une perte d'expression du RARp. Les résultats ont aussi montré que la 5-AZA­CdR est un agent cytotoxique puissant pour les lignées cellulaires tumorales pulmonaires. La 5-AZA-CdR peut être un médicament intéressant à être investigué dans les études cliniques du cancer du poumon, puisque d'autres gènes suppresseurs de tumeur sont méthylés dans le cancer pulmonaire. La méthode MSP pour le RARP pourrait être utilisée comme un test diagnostique pour dépister chez les patients avec un cancer du poumon, ceux chez qui le gène RARf3 est méthylé. Le rôle de RA comme thérapie dans le cancer du poumon n'est pas encore clair mais la combinaison de la 5-AZA-CdR et de RA pourrait améliorer le taux de réponse. Cette combinaison devrait être étudiée chez les animaux afin de vérifier son efficacité thérapeutique in vivo. / Lung cancer is the leading cause of cancer-related death in men and women in North America. Tobacco consumption is the principal cause of this disease. In advanced metastatic disease (stage IV), conventional chemotherapy is not very effective in improving the survival. Most current investigational drugs produèe only a modest increase in survival time. There is an urgent need for new therapeutic approaches for lung cancer. During the tumorigenesis of Iung cancer, there is an accumulation of a number of genetic lesions, predominantly in oncogenes and in tumor suppressor genes. It is thought that these latter genes require two inactivating events: loss of heterozygosity (LOH) of one allele and mutation of the other allele, to lose their fonction. Recent results have shown that DNA methylation, an epigenetic alteration, is another pathway that can inactivate tumor suppressor genes. Methylation plays a key role in tumor initiation and progression. Many tumor suppressor genes are hypermethylated in their promoter regions resulting in a silencing of their expression. Furthermore, 5-Aza-2 ' -deoxycytidine (5-AZA-CdR), an experimental drug, can activate the expression of these tumor suppressor genes by inhibiting DNA methylation. This drug has been shown to be effective in patients with acute leukemia who relapsed after conventional therapy, and in patients with myelodysplastic syndrome, a preleukemic syndrome. Our laboratory has obtained some good responses with 5-AZA-CdR in phase I study with patients with advanced metastatic lung cancer. This project was focused principally on the in vitro antineoplastic action of 5-AZA-CdR in Jung cancer and the possible role of the retinoic acid receptor J3 (RARJ3), a putative tumor suppressor gene in this disease. In non-small cell Jung cancer (NSCLC), allelic deletion of 3p24, location of the RARJ3 gene, occurs frequently, but mutations are rare. RARJ3 is poorly expressed in most NSCLC cell lines and primary tumors. Methylation of RARJ3 can be an alternative mechanism to cause loss of expression of RARJ3. The first objective of this project was to evaluate the in vitro antineoplastic activity of 5-AZA-CdR and retinoic acid (RA) against two human NSCLC cell lines, Calu-1 and A549. Using a colony assay, we found that 5-AZA-CdR is a potent cytotoxic agent against these cell Iines. Significant cytotoxic effects (>90% loss of clonogenicity) are produced by concentration as low as 100 ng/ml given as 48 h exposure. Loss of clonogenicity increased with dose and time of exposure. Moreover, combination treatment of 5-AZA-CdR at 10 ng/ml and RA at 0.1 and 1 µM, respectively, produced a moderate synergistic anti-neoplastic effect on colony formation of Calu-1 tumor cells, a cell line that shows signs of methylation of RARf3. This drug combination also produced an additive antineoplastic effect on A549 tumor cells, a cell line in which RARf3 is not methylated. The second objective was to determine the methylation status of RARJ3 in human lung tumor biopsies and in their corresponding adjacent normal tissues. The method used was methylation-specific PCR (MSP) with specific primers for methylation and unmethylation of RARf3. The results showed that in 28% of lung tumor biopsies the promoter region of RARf3 were hypermethylated. Most of the adjacent normal tissues showed no methylation of RARJ3 promoter region. The third objective was to clone and sequence the RARJ3 promoter in DLD-1 colon cells and Jung tumor biopsy to identify the positions of 5-methylcytosine. We used the bisulphite genomic sequencing protocol with minor modifications. DNA sequence analysis showed that the positions of 5-methylcytosine in the RARJ32 promoter region of the lung tumor biopsy were identical to that reported previously for DLD-1 colon carcinoma cells. Other results on DNA sequencing of breast tumor biopsies from our laboratory confirm the conserved pattern of methylation of cytosine residues in three different types of tumors: colon, lung and breast. The fourth objective was to study pharmacokinetics of 5-AZA-CdR in 2 patients with advanced breast cancer. The drug was given as one 8-h infusion at 400 mglm2. Plasma concentrations of 5-AZA-CdR were measured using a bioassay based on the in vitro growth inhibition of L 1210 leukemia cells. At a rate of infusion of 50 mg/m2 /hr the mean steady-state plasma concentrations were 1.10 µg/ml in patient M.R. and 0.66 µg/ml in patient G.H. After cessation of the infusion, rapid disappearance of 5-AZA-CdR from plasma was observed with elimination half-life (t112) of 11 min and 13 min, respectively, in these 2 patients. Total clearance values of 5-AZA-CdR suggest that this analogue was eliminated principally by cytidine deaminase in the liver in patient M.R., and by cytidine deaminase in the liver and other organs in patient G.H. In conclusion the results shown that 5-AZA-CdR is a potent cytotoxic agent to lung cancer cell Iines. They also indicate that the tumor suppressor gene RARf3 can be methylated in lung tumor biopsies. Methylation can be an alternative mechanism resulting in the loss of expression ofRARf3. Since other tumor suppressor genes have been reported to be methylated in Iung cancer, 5-AZA-CdR may be an interesting drug to investigate in future clinical trials in lung cancer. The MSP method for RARf3 has the potential to be used as a diagnostic test to screen patients in which Iung tumor biopsies show methylated RARf3. The role of RA in the therapy of lung cancer is not clear but, combination treatment of 5-AZA-CdR and RA may increase response rate. This combination treatment should be studied in animal tumor model to verify its therapeutical effects in vivo.

Wir berichten über einen 48-jährigen multimorbiden Patienten, der vor 26 Jahren eine allogene Knochenmarktransplantation aufgrund einer chronischen myeloischen Leukämie erhielt; 24 Jahre lang litt der Patient an einer sklerodermiformen chronischen Graft-versus-Host-Disease (GVHD) der Haut und der Lunge mit partieller Lungenresektion und immunsuppressiver Therapie. An den Unterschenkeln entwickelten sich rezidivierende Ulzerationen an den von der kutanen GVHD betroffenen Stellen. Der Patient stellte sich mit einem größenprogredienten Ulkus mit Therapieresistenz in unserer Klinik vor. Histologisch konnte ein Plattenepithelkarzinom diagnostiziert werden. Die Magnetresonanztomographie zeigte eine Knochenbeteiligung und eine kutane In-Transit-Metastase, und die Computertomographie ergab eine Metastase im Os sacrum. Bevor die Therapie eingeleitet wurde, verstarb der Patient plötzlich an den Folgen seiner Vorerkrankungen. Die Entwicklung einer kutanen GVHD ist häufig bei Patienten mit allogener Stammzelltransplantation. Hierbei ist das Risiko für die Entwicklung von Plattenepithelkarzinomen erhöht. Patienten sollten unter engmaschiger dermatologischer Kontrolle stehen. Bei Verdacht auf ein Plattenepithelkarzinom bei vorbestehender GVHD sollte zeitnah eine bioptische Sicherung erfolgen, um das Risiko einer Metastasierung zu senken.

Die Zytokine Interleukin-2 und Interferon-a2a nehmen eine zentrale Stellung bei der Behandlung von Patienten mit metastasierten Nierenzellkarzinomen ein. Im klinischen Teil der Arbeit wurde die Effektivität der Chemoimmuntherapie monozentrisch an 107 Patienten untersucht. Es zeigte sich eine Rate objektiver Remissionen von 22 % (95 % CI 14,6 - 31,3 %) mit einer zusätzlichen Rate an vorübergehenden Stabilisierungen von 46 %. Das mediane Überleben lag bei 19 Monaten mit einer kalkulierten 5-Jahres-Überlebensrate von 17 %. In der multivariaten Analyse zeigte sich eine hochsignifikante Abhängigkeit vom Karnofsky-Performance-Index der Patienten. Bei den 83 Patienten mit einem Karnofsky-Performance-Index von über 80 % lag das mediane Überleben bei 23 Monaten mit einer kalkulierten 5-Jahres-Überlebensrate von 21 %. Diese Untersuchungsergebnisse rechtfertigen eine weitere Prüfung der Kombination von Interleukin-2, Interferon-a2a und 5-Fluorourazil im Rahmen prospektiver klinischer Studien. In Weiterentwicklung der klinischen Aspekte zur Zytokin-basierten Immuntherapie war es die Aufgabenstellung des experimentellen Teils dieser Arbeit, die Bedeutung von 70 kDa Hitzeschockproteinen (HSP70) beim Nierenzellkarzinom zu untersuchen. Neben ihrer Funktion im Rahmen der zellulären Stressverarbeitung haben Mitglieder der HSP70-Familie (HSP72 und HSP73) eine außerordentliche Bedeutung für tumorimmunologische Fragestellungen erlangt, die sich aus der immunologischen Signalfunktion, der HSP72-vermittelten Interaktion von immunologischen Effektorzellen und Tumorzellen und der Beteiligung von HSP70 an der Peptidprozessierung in malignen Zellen ergeben. An einer Nierenkarzinomzelllinie und an Primärzellen von Nierenkarzinomen konnte die HSP72-Oberfächenexpression durchflusszytometrisch auf der Tumorzelloberfläche nachgewiesen und an der Zelllinie mit einer erhöhten Lyse der Tumorzellen durch Interleukin-2 stimulierte NK-Zellen korreliert werden. Im Gegensatz zu bisherigen Literaturbefunden zeigte sich in diesem Modell jedoch, dass die Membranexpression von HSP72 nicht nur auf maligne Zellen beschränkt, sondern auch bei renalen Zellen aus Normalgewebe nachzuweisen war. In einer immunhistochemischen Studie zur basalen, zytoplasmatischen HSP72-Expression zeigte sich univariat eine signifikante Korrelation einer hohen HSP72-Expression und dem Überleben der Patienten. In einer multivariaten Analyse konnte das Ausmaß der HSP72-Expression als unabhängiger prognostischer Parameter identifiziert werden, der auch mit dem Ansprechen auf eine Chemoimmuntherapie korreliert. Die klinische Etablierung spezifisch wirksamer Vakzinen nimmt eine zentrale Rolle bei der Entwicklung neuer Behandlungsmethoden des metastasierten Nierenzellkarzinoms ein. Dabei spielen Vakzinen auf der Basis von HSP-Peptid-Vakzinen eine besondere Rolle. Ein weiterer Bestandteil der experimentellen Arbeiten war daher in der Entwicklung einer Methode zur Aufreinigung von HSP70-Peptid-Komplexen. Mit der ADP-Affinitätschromatographie konnte eine Methode zur Anwendung gebracht und patentiert werden, durch die sich HSP70-Peptid-Komplexe aus Tumorzellen anreichern lassen. Die HSP70-Peptid-Komplexe sind einerseits für HSP-basierte Vakzinekonzepte verfügbar oder können andererseits für die Identifikation und Charakterisierung HSP70-gebundenener biologisch-aktiver (immunogener) Peptide genutzt werden. Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse demonstrieren, dass HSP72 per se eine prognostische Bedeutung beim Nierenzellkarzinom besitzt und weisen auf die potentielle Bedeutung von HSP72 als immunologische Zielstruktur hin. Die Resultate stellen neue Ansätze zum tieferen Verständnis der immunogenen Eigenschaften des Nierenzellkarzinoms dar und liefern Ausgangspunkte für die Etablierung innovativer Vakzinationskonzepte bei der Behandlung des fortgeschrittenen Nierenzellkarzinoms. / The cytokines interleukin-2 and interferon-a2a are of central importance in the treatment of patients with metastatic renal cell cancer. In the clinical part of the thesis the efficacy of chemoimmunotherapy was investigated monocentrically on 107 patients. It appeared a rate of objective remissions of 22% (95% CI 14.6 - 31.3%) and an additional rate of temporary disease stabilisations of 46%. The median survival was 19 months, with a calculated 5-year survival rate of 17%. Multivariate analysis revealed a highly significant dependence on the Karnofsky-Performance-Index of the patients. In 83 patients with Karnofsky-Performance-Index over 80% the median survival was 23 months, with a calculated 5-year survival of 21%. These results justify the further investigation of the combination of interleukin-2, interferon-a2a, and 5-fluorouracil in prospective clinical studies. In the context of the clinical aspects of cytokine-based immunotherapy it was the task of the the experimental part of the study to investigate the importance of 70 kDa heat shock proteins (HSP70) in renal cell cancer. Besides their function in cellular stress processing, members of the HSP70 family (HSP72 and HSP73) are especially important for answering questions of tumor immunology resulting from their immunological signal function, the HSP72-mediated interaction of immunological effector cells with tumor cells, and from the involvement of HSP70 in peptide processing in malignant cells. On the basis of a renal cancer cell line and of primary cells of renal carcinomas the HSP72 expression on the surface of tumor cells could be demonstrated by flow cytometry and correlated with an increased lysis of tumor cells on the cell line by interleukin-2 stimulated natural killer cells. In contrast to the findings so far reported in the literature, the present model revealed that the membrane expression of HSP72 was not limited to malignant cells but was detectable in renal cells of normal tissue too. In an immunohistochemical study on basal cytoplasmatical HSP72 expression, a univariate analysis showed a significant correlation of high HSP72 expression and patient survival. In a multivariate analysis the extent of the HSP72 expression could be identified as an independent prognostic parameter that was also correlated with the response of patients to chemoimmunotherapy. The clinical establishment of specifically effective vaccines plays a central part in the development of new treatment strategies for metastatic renal cell cancer. In this context, vaccines on the basis of HSP-peptides are of special interest. Therefore, the experimental part of the work was also aimed at developing a method for enriching HSP70-peptide complexes. With ADP affinity chromatography a method for concentrating HSP70-peptide complexes from tumor cells was created, which proved to be usable and was patented. On the one hand, HSP70-peptide complexes can be used for HSP-based vaccine programmes, on the other hand, they can serve for identifying and characterizing HSP70-bound biologically active (immunogenic) peptides. The present findings demonstrate that HSP72 per se has a prognostic value in renal cell cancer and point to the potential importance of HSP72 as an immunological target structure. The results represent new approaches to a deeper understanding of the immunological properties of renal cell carcinoma and give a basis from which to establish innovative vaccination programmes for the treatment of advanced renal cell carcinoma.

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Aim: To develop an immunomagnetic assay for the isolation of circulating tumor cells (CTCs) followed by the analysis of a multimarker panel, which will enable the characterization of these malignant cells with high accuracy. Patients and Methods: Peripheral blood (PB) was collected from 32 metastatic breast cancer patients and 42 negative controls. The antibodies BM7 and VU1D9 were used for immunomagnetic tumor cell enrichment. A real-time reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) approach for the markers KRT19, SCGB2A2, MUC1, EPCAM, BIRC5 and ERBB2 was used for CTC detection and characterization. Results: The positivity rates for each marker were as follows: 46.9% for KRT19, 25.0% for SCGB2A2, 28.1% for MUC1, 28.1% for EPCAM, 21.9% for BIRC5, and 15.6% for ERBB2. After the creation of individualized cutoffs, the sensitivity and specificity of the combined marker gene panel increased to 56.3% and 100%, respectively. Interestingly, 27.0% of the HER2-negative tumor patients showed ERBB2 mRNA-positive CTCs. Conclusions: The described technique can be used to measure CTCs with great accuracy. The use of a multimarker panel for the characterization of CTCs may provide real-time information and be of great value in therapy monitoring. / Ziel: Entwicklung eines immunomagnetischen Verfahrens zur Isolierung zirkulierender Tumorzellen (CTCs) in Kombination mit einer molekularen Multimarkeranalyse für die hochspezifische Identifizierung maligner Zellen. Patientinnen und Methoden: Peripheres Blut (PB) von 32 Patientinnen mit metastasiertem Mammakarzinom und von 42 gesunden Kontrollen wurde für die immunomagnetische Tumorzellanreicherung mit den Antikörpern BM7 und VU1D9 genutzt. Eine Real-Time Reverse Transkription Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR)-Methodik mit den Markern KRT19, SCGB2A2, MUC1, EPCAM, BIRC5 und ERBB2 wurde für den CTC-Nachweis und die Tumorzellcharakterisierung entwickelt. Ergebnisse: Für die einzelnen Marker wurden die folgenden Positivitätsraten ermittelt: 46,9% für KRT19, 25,0% für SCGB2A2, 28,1% für MUC1, 28,1% für EPCAM, 21,9% für BIRC5 und 15,6% für ERBB2. Nach der Bestimmung individualisierter Cut-off-Werte ergab sich für den kombinierten Multimarkernachweis eine Sensitivität und Spezifität von 56,3% bzw. 100%. Bemerkenswert war der Befund, dass 27,0% der HER2-tumornegativen Patientinnen ERBB2-mRNA-positive CTCs aufwiesen. Schlussfolgerung: Die hier beschriebene Methodik bestimmt CTCs mit hoher Spezifität. Die molekulare Multimarkeranalyse liefert wertvolle Real-Time-Informationen für personalisierte Behandlungsmodalitäten. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.