Le cancer de la prostate (CaP) est le cancer dont l’incidence augmente le plus vite parmi les hommes. Selon la Société Canadienne du Cancer, en 2015, 24 000 nouveaux cas de cancer de la prostate seront diagnostiqués et 4 100 patients en décèderont. Bien que des techniques cliniques pour la détection, le diagnostique et le traitement du CaP soient disponibles et importantes dans le traitement actuel de la maladie, elles sont cependant limitées. L’exploitation de plusieurs promoteurs dont l’activité est altérée au cours du développement du cancer est un moyen pour surmonter ces limitations. L’ARN non codant PCA3 est un biomarqueur unique du CaP qui a été largement étudié et dont l’expression est 60 fois plus forte dans les cellules de CaP que dans les cellules bégnines de prostate. Le gène de l’APS (PSEBC) est un marqueur important en clinique, il reflète la réponse au traitement par privation androgénique. Ces études ont pour objectif de développer des systèmes d’amplification transcriptionnel avec les promoteurs PCA3 et PSEBC pour non seulement cibler mais aussi caractériser les cellules cancéreuses de prostate lors de la progression de la maladie. Nous avons générés plusieurs systèmes dans des adénovirus contenant différentes constructions avec le promoteur proximal PCA3 de 152 pb, le système d’amplification TSTA et le gène rapporteur de la luciférase. Nous avons testé leur spécificité pour les cellules du CaP par infection transitoire. Nous avons amélioré le système TSTA et généré le PCA3-3STA. Nous avons ensuite intégré le promoteur PCA3 avec le promoteur PSA pour générer un autre nouveau système d’amplification transcriptionnelle qui se nomme le système «Multiple Promoter Integrated Transcriptional Amplification (MP-ITSTA)». Ces systèmes ont ensuite été exploités avec un microscope à bioluminescence pour cibler des cellules de CaP provenant de biopsies liquides de patients. Dans le chapitre deux, nous avons montré que l’activité de PCA3-3STA était hautement spécifique pour les cellules de CaP. Son activité était de 98,7 à 108 fois plus fortes dans les cellules de CaP que dans les cellules primaires bégnines de prostate ou dans les cellules cancéreuses nonprostatiques. Dans des modèles murins de xénogreffes de lignées cellulaires de CaP, nous avons montré que PCA3-3STA pouvait imager de manière très sensible l’activité du promoteur PCA3. De plus, sur des modèles de cultures primaires de biopsies, nous avons montré que le système PCA3-3STA ciblait spécifiquement les cellules épithéliales de CaP sans affecter les cellules stromales. Dans le chapitre trois, nous avons ensuite développé une technique en combinat la microscopie à bioluminescence avec le système TSTA et le promoteur PSA pour cibler les cellules de CaP purifiées de sang de patients et évaluer, cellule par cellule, l’hétérogénéité de leur réponse aux anti-androgènes. Cette technique a aussi montré que la microscopie à bioluminescence est hautement quantitative et a la capacité de détecter les changements moléculaires à l’échelle de la cellule. Le quatrième chapitre présente le système MP-ITSTA. Le système intègre l’activation combinée de deux promoteurs qui contrôlent l’expression d’un seul gène rapporteur. La combinaison du promoteur PCA3 avec celui de l’APS permet d’évaluer, cellule par cellule, la réponse aux anti-androgènes de cellules de CaP prélevés à partir d’urine de patients. C’est pourquoi, les systèmes PCA3-3STA et MP-ITSTA sont des systèmes d’expression spécifiques au cancer de la prostate avec le potentiel de cibler et détecter avec précision les cellules épithéliales de CaP ainsi que leur réponse aux traitements thérapeutiques in vivo et ex vivo. Ces systèmes peuvent jouer un rôle important pour l’imagerie moléculaire, l’immunothérapie et la thérapie génique. / Development Of Transcriptional Amplification Systems To Target and Interrogate Cancer Cells Based On Gene Expression Altered During Cancer Development and Treatment Prostate cancer (PCa) is the fastest rising cancer among the males. According to the Canadian Cancer Society in 2015 it was estimated that 24 000 new cases will be diagnosed with prostate cancer and 4100 patients will die from the disease. Although already available clinical techniques for the detection, prognosis and treatment of PCa play an important role in decision making, they are limited in terms of the ability of detecting PCa cells, prognosis and increasing over all survival of patients. Exploitation of several gene promoters altered during cancer development act as important tool to overcome these limitations. PCA3 noncoding long RNA is a unique PCa biomarker that has been widely studied for its sixty-fold overexpression in PCa cells, compared to benign prostate cells. PSA (PSEBC) gene is of high clinical significance as it can give an account of response to androgen deprivation treatments. These studies aim to develop Transcriptional Amplification Systems that can target as well as characterise cancer cells during disease progression using PCA3 and PSA gene promoters. Various adenovirus constructs incorporating the proximal 152 bp PCA3 promoter, the TSTA system and the Firefly luciferase reporter gene were generated and the specificity of the promoter was tested in PCa cells by transient infection. We have improved the TSTA system and generated the (PCA3-3STA). We further integrated the PCA3 promoter along with the PSA promoter to generate a new transcriptional amplification system that we named the Multiple Promoter Integrated Transcriptional Amplification (MP-ITSTA) system. These systems were further applied to target PCa cells from body fluids of patients using bioluminescence microscopy. In chapter two we show that PCA3-3STA activity was highly specific for PCa cells, ranging between 98.7 and 108.0-fold higher, respectively, than that for benign prostate or non-PCa cells. In PCa cell line mouse xenografts, PCA3-3STA was shown to image PCA3 promoter activity with high sensitivity. Moreover, when primary PCa biopsies were infected with PCA3-3STA, it managed to image PCa epithelial cells but not stromal cells. In chapter three we further developed a bioluminescence microscopy technique using the TSTA system with PSA promoter to target PCa cells from blood of patients and assess heterogeneous single cell response to antiandrogens. This technique also shows that bioluminescence microscopy is highly quantitative and has the ability to detect molecular changes at the cellular level. The fourth chapter presents the MP-ITSTA system. This system integrates the combined activation of two promoters giving a single reporter gene expression. PCA3 when combined with the PSA promoter could assess single cell response to antiandrogens in cells isolated from urine of patients. Hence, PCA3-3STA and MP-ITSTA utilizing the bioluminescence microscopy represent a prostate- and PCa-specific expression systems with the potential to target, with high accuracy, PCa epithelial cells, assess their response to therapy in vivo and ex vivo. This can play an important role for imaging, immunotherapy, or gene therapy.

Les androgènes contrôlent la prolifération des cellules de prostate en activant le récepteur des androgènes (AR). Une exposition prolongée à des concentrations élevées de ces hormones sexuelles mâles favorise toutefois un cancer de la prostate (PCa). La suppression des hormones consiste en un traitement fort utilisé, concrétisé entre autres par l'utilisation d'anti-androgènes, tel le Casodex. De nombreuses études sur des lignées cellulaires de PCa en culture montrent que l'homéostasie des androgènes dépend entre autres des UDP-glucuronosyltransférases (UGT) 2B15 et 2B17. Ce projet de maîtrise s'intéresse d'une part à préciser la régulation des UGT2B15 et 2B17 par le traitement hormonal, représenté par le Casodex, et, d'autre part, à valider in vivo ces observations. Le traitement des lignées cellulaires de PCa AR+ LNCaP et LAPC-4 avec du Casodex dans du milieu avec sérum a induit les UGT2B15/2B17 de façon dose- et temps-dépendantes, tel que déterminé aux niveaux transcriptionnel, protéique et activité avec des PCR en temps réel, des immunobuvardages avec des anticorps spécifiques et des essais enzymatiques de glucuronidation. L'utilisation d'une lignée cellulaire LNCaP contenant un ARN interfèrent inductible contre l'AR a révélé que l'induction des UGT2B15 et 2B17 est AR-dépendante, mais que leur régulation par le Casodex implique AR uniquement pour TUGT2B15. En parallèle, deux types de souris transgéniques pour YUGT2B15 humaine ont été créés en utilisant la portion codante ainsi que l'intron 1 du gène humain, dont l'expression est contrôlée soit par le promoteur de 2,4kb d, UGT2B15 (Tg-p2B15), résultant en une distribution tissulaire similaire à l'humain, soit par le promoteur prostate-spécifique de la probasin (Tg-pProba), confinant l'expression du transgène à la prostate. La caractérisation de ces modèles est présentement en cours. En somme, l'utilisation du Casodex démontre une régulation fine des UGT par les androgènes, qui pourra être approfondie ultérieurement in vivo avec les souris transgéniques.

AlbZIP (Androgen-Induced bZIP) est un facteur de transcription appartenant à la famille ATF/CREB et particulièrement à la sous-famille CREB3. Les protéines de cette sous-famille possèdent un domaine bZIP qui est composé d'une région basique permettant la liaison avec les éléments de réponses sur l'ADN des gènes cibles et d'une glissière de leucine, nécessaire pour la formation des homo ou hétérodimères. En plus de l'homologie observée entre leurs domaines bZIP, les membres de cette sous-famille sont impliqués dans le stress du reticulum endoplasmique (RE). La protéine AlbZIP est localisée au niveau du reticulum endoplasmique et est surexprimée au niveau des cellules cancéreuses prostatiques comparativement aux cellules saines. Plusieurs expériences réalisées au sein de notre laboratoire montrent qu'elle est régulée par le mécanisme RIP (Regulated Intramembrane Proteolysis). Sous sa forme active, elle est transloquée vers le noyau où elle va réguler l'expression de ses gènes cibles. L'objectif de cette étude est d'identifier les protéines qui interagissent avec AlbZIP pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans son activation, dans le but de déterminer son rôle dans le stress du RE et son implication dans le cancer de la prostate. Au cours de mon projet de maîtrise, j'ai pu identifier des partenaires de la forme pleine longueur d'AlbZIP, qui pourraient être impliquées dans la régulation de son activation et/ou dans son mécanisme d'action. En parallèle à ce projet, j'ai réalisé certaines expériences incluses dans les articles annexés au mémoire. Dans le premier article, j'ai démontré l'interaction de facteurs de transcription de la sous-famille de CREB3 avec le dominât négatif dirigé contre AlbZIP, AZM15N (conçu par une collègue). Dans le deuxième, j'ai démontré par immunoprecipitation de chromatine la liaison des protéines WDR5 et AlbZIP à des éléments de réponse du promoteur du gène CREB3.

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2003. / ENGLISH ABSTRACT: The "classic" prostate cell lines, DU145, PC-3 and LNCaP, have served as a valuable cell biological model for research into prostate cancer. However, their relevance may be limited because they derive from metastatic, and not from primary normal and tumour epithelium. The cell lines (1532T, 1535T, 1542T, 1542N and BPH-l) have been derived from primary benign and malignant human tumour prostate epithelium and may be more representative. Using these cell lines I have examined the role of basic cell damage responses (repair, checkpoint activation, apoptosis and associated signalling proteins, and the influence of androgen status) in cell inactivation, and its relevance to treatment. Numerous studies have suggested that loss of p53 function leads to resistance to chemotherapeutic agents and irradiation. It is shown here that the p53-inactive cell lines are, in fact, the most sensitive to chemotherapeutic agents such as etoposide, vinblastine and estramustine, whilst the p53 wild-type cell line, LNCaP, is the most radiosensitive. Notwithstanding the effects of p53 degradation by the HPV -16 E6 viral protein, the results on chemosensitivity raises the possibility that different chemotherapeutic agents may have different p53-dependent effects in different tumour cells. Androgen deprivation is demonstrated to sensitise prostate cancer cells to chemotherapeutic agents and it is shown that the hormone independent cell lines are the most chemosensitive. The LNCaP cell line displayed an increased resistance to apoptosis induced by etoposide and gamma irradiation, suggesting that androgens are capable of protection against both these DNA damaging agents. The major factors determining radiosensitivity in human tumour cell lines are known to be DNA double-strand break (dsb) induction and repair. In the prostate cell lines I find that cellular radiosensitivity correlates with the number of DNA double-strand breaks measured within 2 hours of irradiation, and that the more radioresistant cell lines show better repair competence. Conclusions as to the influence of androgen dependence on radiosensitivity and repair are not possible at this stage since only the LNCaP cell line was androgen sensitive. The fact that the 2 hour repair period can separate radiosensitive from radioresistant cells in 2 groups of human tumour cell lines highlights the role of non-homologous end-joining repair. This has implications for therapy, and is consistent with the clinical observation that prostate tumours can be successfully controlled by low dose rate-brachytherapy. To evaluate the role of apoptosis, cells were exposed to TD50 concentrations of chemotherapeutic drugs, and 60Co y-irradiation. Apoptosis was found to be low, overall, and ranged from 0.1% - 12.1%,3.0% - 6.0% and 0.1% - 8.5% for etoposide, estramustine and vinblastine, respectively. The percentage of cells undergoing druginduced apoptosis was, on average, higher in the tumour cell lines than in the normal cell lines. Gamma irradiation-induced apoptosis levels ranged from 1.3% - 7%. The LNCaP cell line yielded the lowest percentage of apoptotic cells after exposure. The l532T cell line yielded the highest percentage of apoptotic cells after exposure. Apoptotic propensity did not rank the cell lines according to their radiosensitivity. Immunoblotting demonstrated that the apoptosis-associated proteins, bax and bcl-2, are expressed at a basal level in all the cell lines tested, but no increase was detected after exposure to TD50 doses of etoposide, vinblastine and estramustine. The ratio of bax and bcl-2 also was not altered by DNA damage. No evidence was found that a correlation may exist between reproductive cell death and the expression of genes which control apoptosis. My results show that apoptosis is not a major mechanism of drug- or radiation-induced cell death in prostate cell lines. In conclusion, loss of p53 function and loss of androgen dependence was not found to be correlated with resistance of tumours to chemotherapeutic drugs. Cellular radiosensitivity was found to be correlated with the number of DNA double-strand breaks remaining after 2 hours of repair. The more radioresistant cell lines showed better repair competence. Apoptosis and genes affecting apoptosis, such as p53 and members of the bcl-2 family, do not seem to contribute significantly to the sensitivity of prostate cancer cells to anticancer drugs and irradiation. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die klassieke prostaat sellyne, DU145, PC-3 en LNCaP, het 'n waardevolle bydrae gemaak in die sel biologiese model in prostaat kanker. Die toepaslikheid daarvan mag egter beperk wees, aangesien hierdie sellyne afkomstig is van metastatiese, en nie van primêr normale en tumor epiteel nie. Die sellyne 1532T, 1535T, 1542T, 1542N en BPH-I is afkomstig van primêre benigne en maligne menslike prostaat tumor epiteel en mag moontlik meer verteenwoordigend wees. Deur van hierdie sellyne gebruik te maak, is die rolondersoek van die reaksie op basiese selskade (d.w.s. herstel, beheerpunt aktivering, apoptose en verwante sein proteïene, en die invloed van androgeen status) tydens die proses van sel inaktivering, asook die toepaslikheid ten opsigte van behandeling. Volgens verskeie studies lei die verlies aan p53 funksie tot weerstandigheid teen chemoterapeutiese middels en bestraling. Die resultate van hierdie studie toon dat die p53-onaktiewe sellyne egter die sensitiefste is vir chemoterapeutiese middels, soos etoposied, vinblastien en estramustien, terwyl die p53 natuurlike-tipe sellyn, LNCaP, die meeste radiosensitief is. Ten spyte van die invloed van p53 afbraak deur die HPV -16 E6 virale proteïen, dui die resultate van chemosensitiwiteit op die moontlikheid dat verskillende chemoterapeutiese middels verskillende p53-afhanklike effekte op verskillende tumorselle mag hê. Dit is bewys dat onttrekking van androgeen prostaat kankerselle sensitiseer teen chemoterapeutiese middels en dat hormoon-onafhanklike sellyne die hoogste chemosensitiwiteit vertoon. Die LNCaP sellyn vertoon 'n verhoogde weerstandigheid teen apoptose wat deur etoposied en y-bestraling geïnduseer is, wat 'n aanduiding is dat androgene beskerming kan bied teen beide hierdie DNA beskadigingsfaktore. Die belangrikste faktore wat die radiosensitiwiteit in menslike tumorselle bepaal, IS bekend dat dit die dubbelbande van DNA verbreek en herstel. Hierdie studie het aangetoon dat in prostaat sellyne die sellulêre radiosensitiwiteit korreleer met die aantal DNA dubbelband verbrekings binne 2 uur na bestraling, en dat die meer radioweerstandige sellyne beter herstelvermoë vertoon. Gevolgtrekkings oor die invloed van androgeen se afhanklikheid van radiosensitiwiteit en herstel kan egter nie op hierdie stadium gemaak word nie, aangesien slegs die LNCaP sellyn androgeenafhanklik was. Die feit dat die 2 uur herstelperiode 'n skeiding kan maak tussen radiosensitiewe en radioweerstandige selle in twee groepe menslike tumor sellyne, onderstreep die rol van herstel van nie-homoloë endverbindings. Dit hou implikasies in vir terapie, en stem ooreen met die kliniese waarnemings dat prostaat tumore suksesvol gekontroleer kan word deur lae intensiteit dosis bragiterapie. Ten einde die rol van apoptose te ondersoek, is selle blootgestel aan TD50 konsentrasies chemoterapeutiese middels, asook 60Co y-bestraling. Apoptose was oor die algemeen laag, en het gestrek van 0.1% tot 12.1%,3.0% tot 6.0% en 0.1% tot 8.5% vir etoposied, estramustien en vinblastien onderskeidelik. Die persentasie selle wat middel geïnduseerde apoptose ondergaan het, was gemiddeld hoër in tumor sellyne as in normale sellyne. Die waardes van apoptose geïnduseer deur y-bestraling het gewissel van 1.3% tot 7.0%. Die LNCaP sellyn het die laagste persentasie apoptotiese selle na bestraling gelewer, terwyl die 1532 r sellyn die hoogste persentasie gelewer het. Die volgorde van die radiosensitiwiteit van die sellyne was nie waarneembaar in hulle geneigdheid tot apoptose nie. Immunoblots het aangetoon dat die apoptose-geassosieerde proteïene, bax en bcl-2, uitgeskei word teen 'n basisvlak in al die sellyne wat getoets is, maar dat geen verhoogde uitskeiding waarneembaar was na blootstelling aan TD50 dosisse etoposied, vinblastien en estramustien nie. Die verhouding van bax en bcl-2 is ook nie beïnvloed deur DNA beskadiging nie. Dit blyk daarom dus onwaarskynlik dat daar 'n korrelasie bestaan tussen reproduktiewe seldood en die uitskeiding van gene wat apoptose beheer. Die resultate dui daarop dat apoptose me 'n belangrike meganisme vir middel- of bestralingsgeïnduseerde seldood in prostaat sellyne is nie.

Background: Prostate cancer is the most common type of cancer in Sweden. The three primary treatment types for prostate cancer are prostatectomy, radiotherapy and different types of endocrine therapy. With all treatments mentioned above comes adverse effects that may have big effects on the person treated. Aim: The aim of this study was to highlight men´s experiences of the adverse effects that comes with the treatment for prostate cancer. Method: The research method employed was a literature study based on eleven qualitative articles. The method of analysis was done according to Friberg five-step analysis of qualitative articles and through the analysis, six themes emerged. Results: The themes were A feeling of emotional imbalance, Not prepared enough, The experience of loosing control, Feeling of diminished masculinity, The experience of a feminized body and An altered identity. Conclusion: The result showed that men experience adverse effects of the prostate cancer treatment as difficult in many ways. The changes to the body and mental well-being tend to be difficult to deal with, and the men need relevant information prior to treatment to give them time to adjust to their new life.

La dépendance de la croissance des tumeurs prostatiques vis-à-vis des androgènes est mise à profit pour traiter les cancers diagnostiqués à un stade avancé. Lablation androgénique entraine inévitablement lapparition de cancers résistants à la thérapie antihormonale. Dans ces cancers, la signalisation du récepteur aux androgènes (RA) semble réactivée par différents mécanismes, en dépit de la concentration sérique réduite en androgènes. A coté de la signalisation androgénique, la signalisation induite par les récepteurs de la famille du REGF (encore appelée famille ERBB) est impliquée dans la prolifération, la survie, linvasion et langiogenèse du cancer de la prostate. Ces récepteurs sont aussi capables de se substituer aux androgènes pour activer le RA. Des résultats antérieurs obtenus par dautres équipes ont montré que les androgènes régulaient lexpression du REGF et dERBB2 dans les cellules cancéreuses prostatiques, sans préciser à quel(s) niveau(x) seffectue cette régulation. Le but de ce travail est de déterminer par quels mécanismes les androgènes agissent pour contrôler lexpression des récepteurs ERBB1-3 dans des lignées cancéreuses prostatiques présentant différentes sensibilités aux androgènes, à savoir les cellules LNCaP dont la prolifération est androgéno-dépendante et les cellules 22Rv1 dont la prolifération est androgéno-indépendante. En plus du RA, les cellules 22Rv1 expriment un RA dépourvu du domaine carboxy-terminal contenant le domaine de liaison à lhormone (RAΔCTD) et dont lorigine et la fonction nétaient pas connues. Dans les cellules LNCaP, nous avons montré que le RA activé par la dihydrotestostérone (DHT) stimule le taux des transcrits et des protéines REGF et répriment ceux dERBB2 en agissant à un niveau transcriptionnel. La DHT ninfluence pas les taux dERBB3. Dans les cellules 22Rv1, la DHT ninfluence pas les taux du REGF et dERBB2 ni le taux des transcrits de trois gènes endogènes androgéno-sensibles que nous avons testés. A laide de siRNA dirigés contre la région codant le domaine amino-terminal (NTD) ou carboxy-terminal du RA, nous avons montré que le RAΔCTD résulte de la présence de transcrit différent de celui codant la forme longue. La capacité de ces siRNA à éteindre lexpression de la forme longue, ou de la forme longue et de la forme courte du RA, nous a permis détudier la contribution des deux isoformes à réguler lexpression de gènes et la viabilité des cellules 22Rv1. Nous avons ainsi montré que la présence du RAΔCTD contrôle le taux des protéines REGF et ERBB2 à un niveau post-transcriptionnel. De plus, le RAΔCTD et dans une moindre mesure, le RA contribuent à lexpression des trois gènes androgéno-sensibles endogènes testés et à la viabilité des cellules 22Rv1 cultivées dans un milieu appauvri en stéroïdes. Une inhibition plus importante de la viabilité cellulaire était observée en présence dun inhibiteur tyrosine kinase des récepteurs. En conclusion, notre étude montre que différents mécanismes régulés par les androgènes ou leurs récepteurs contrôlent lexpression du REGF et dERBB2 dans des cellules présentant différentes sensibilités aux androgènes. Nous avons par ailleurs identifié le RAΔCTD comme un régulateur important du phénotype hormono-réfractaire des cellules 22Rv1. Des études complémentaires devront déterminer si la participation du RAΔCTD à la viabilité des cellules 22Rv1 passe par la régulation de lexpression du REGF ou dERBB2. De plus, si lexpression du RAΔCTD venait à se confirmer dans les cancers de la prostate, le développement de nouvelles thérapies ciblant le domaine NTD ou lexpression du RA constituerait une alternative intéressante aux thérapies actuelles dirigées contre le CTD.

FGFR4 and β-Klotho in Metastatic Prostate Cancer by Derek LaMar Shenefelt Fibroblast growth factors and fibroblast growth factor receptors have been associated with the aggressiveness and progression of Prostate Cancer (PCa). Also, β-Klotho is a known co-receptor with FGFR4 for FGF19 in the liver however, the role of this co-receptor pair remains unclear in the setting of PCa. I demonstrated that FGFR4 and KLB mRNA and protein are highly expressed in PCa cells when compared to bone marrow stromal cells, a common site of metastasis. I also provide support for the association of FGFR4 and KLB in PCa, suggesting a functional co-receptor pair capable of altering cellular signaling. FGFR4-KLb may also provide some level of protection to PCa cells from chemotherapeutics. This analysis of FGFR4 and KLB expression and signaling in PCa has provided novel insights into phenotypic alterations during PCa progression while also providing new avenues of study to further explore the role and importance of this exciting co-receptor complex.

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Hyperthermia based cancer treatments delivered under various modalities have the potential to become an effective option to eradicate the disease, maintain functionality of infected organs, and minimize complications and relapse. Moreover, hyperthermia therapies are a form of minimally invasive cancer treatment which are key to improving the quality of life post-treatment. Many modalities are available for delivering the heat source. However, the ability to control the energy deposition to prevent damage to adjacent healthy tissue is a limiting factor in all forms of thermal therapies, including cryotherapy, microwave, radio-frequency, ultrasound, and laser. The application of a laser heat source under the guidance of real-time treatment data has the potential to provide unprecedented control over the temperature field induced within the biological domain. The computational infrastructure developed in this work combines a computational model of bioheat transfer based on a nonlinear version of the Pennes equation for heterogeneous media with the precise timing and orchestration of the real-time solutions to the problems of calibration, optimal control, data transfer, registration, finite element mesh refinement, cellular damage prediction, and laser control; it is an example of Dynamic-Data-Driven Applications System (DDDAS) in which simulation models interact with measurement devices and assimilates data over a computational grid for the purpose of producing high-fidelity predictions of physical events. The tool controls the thermal source, provides a prediction of the entire outcome of the treatment and, using intra-operative data, updates itself to increase the accuracy of the prediction. A precise mathematical framework for the real-time finite element solution of the problems of calibration, optimal heat source control, and goal-oriented error estimation applied to the equations of bioheat transfer is presented. It is demonstrated that current finite element technology, parallel computer architecture, data transfer infrastructure, and thermal imaging modalities are capable of inducing a precise computer controlled temperature field within a biological domain. The project thus addresses a set of problems falling in the intersection of applied mathematics, imaging physics, computational science, computer science and visualizations, biomedical engineering, and medical science. The work involves contributions in the three component areas of the CAM program; A, Applicable Mathematics; B, Numerical Analysis and Scientific Computing; and C, Mathematical modeling and Applications. The ultimate goal of this research is to provide the medical community a minimally invasive clinical tool that uses predictive computational techniques to provide the optimal hyperthermia laser treatment procedure given real-time, patient specific data. / text