München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Tierärztl. Hochsch., Diss., 2003--Hannover.

Das duktale Adenokarzinom des Pankreas stellt weiterhin trotz aller medizinischen Entwicklungen eine Herausforderung in der Diagnostik und Therapie bei einer nahezu identischen Inzidenz und Mortalität dar. Auch die Genese der Erkrankung ist bis zum heutigen Tag nicht geklärt. Als eine mögliche Ursache wird das inflammatorische Mikromilieu diskutiert, bzgl. dessen Entstehung und Aufrechterhaltung ebenfalls noch Unklarheiten bestehen. Als möglicher Trigger hierfür kommen die endosomalen Toll like-Rezeptoren 7 und 8 in Frage, die sowohl in ihrer Immunfunktion virale RNA-Bestandteile, so genannte pathogen-associated molecular patterns, als auch damage-associated molecular patterns, d.h. RNA-Fragmente von geschädigten oder sterbenden Zellen erkennen können. Durch ihre Stimulation kommt es zu einer Immunantwort. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Auswirkung der Stimulation von TLR 7 und TLR 8 exprimierenden PANC-1-Zellen bzgl. des Wachstumsverhaltens und der Chemosensibilität auf 5-FU untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einem spezifischen TLR7 und TLR8-Agonisten (R848) das Wachstum signifikant im Vergleich zu unbehandelten Zellen gesteigert werden konnte. Das dieser Effekt abhängig von der Expression von TLR7 und TLR8 war, konnte dadurch bewiesen werden, dass PANC-1 Zellen ohne die Expression von TLR7 oder TLR8 sowie mittels siRNA-Knockdown für TLR7 oder TLR8 behandelte TLR7- oder TLR8-exprimierende PANC1-Zellen kein gesteigertes Wachstum zeigten. Die Chemosensibilität auf 5-FU in einer LD50-Dosierung war bei den stimulierten Zellen im Vergleich zu den unstimulierten Zellen signifikant reduziert. Auf molekularer Ebene war ein Trend hinsichtlich eines Anstiegs Apoptose-inhibierender, Wachstums-fördernder und Inflammation-aufrechterhaltender Faktoren (IL-6, NF-kB, COX-2) zu erkennen. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Stimulation von Toll like-Rezeptoren 7 und 8 exprimierenden Pankreaskarzinomzellen mit einem weiteren Tumorwachstum sowie einer reduzierten Chemosensibilität sowie daraus resultierenden schlechten Therapieansprechen vergesellschaftet sein können. / Ductal adenocarcinoma of the pancreas continues to present a challenge in diagnosis and therapy with an almost identical incidence and mortality despite all medical developments. The genesis of the disease has also not been clarified to this day. The inflammatory microenvironment is discussed as a possible cause, but there are still uncertainties regarding its development and maintenance. A possible trigger for this are the endosomal toll-like receptors 7 and 8, which in their immune function recognize viral RNA components, so-called pathogen-associated molecular patterns, and damage-associated molecular patterns, ie RNA fragments of damaged or dying cells. Their stimulation creates an immune response. Within the scope of this work, the effect of the stimulation of TLR 7 and TLR 8 expressing PANC-1 cells with regard to growth behavior and chemosensitivity to 5-FU was investigated. That this effect was dependent on the expression of TLR7 and TLR8 could be proven by the fact that PANC-1 cells without the expression of TLR7 or TLR8 as well as TLR7- or TLR8-expressing PANC-1 cells by means of siRNA knockdown for TLR7 or TLR8 did not showed increased growth. The chemosensitivity to 5-FU in an LD50 dose was significantly reduced in the stimulated PANC-1 cells compared to the unstimulated cells. At the molecular level, there was a trend towards an increase in apoptosis-inhibiting, growth-promoting and inflammation-maintaining factors (IL-6, NF-kB, COX-2). In summary, it could be shown that the stimulation of toll-like receptors 7 and 8 expressing pancreatic carcinoma cells can be associated with further tumor growth and reduced chemosensitivity and the resulting poor therapeutic response.

The Immune system exerts its response against invading pathogens via a cumulative, sequential cooperation of immune cells coordinated by their secreted products. Immune cells, such as macrophages and dendritic cells (DCs), express toll-like receptors (TLRs) to sense the presence of pathogens through pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). The interaction of PAMPs with TLRs elicits a cytosolic signaling cascade that enhances the expression of genes to stimulate inflammation. Interleukin 1 receptor-associated kinase 2 (IRAK2) is a component of the TLR signaling pathway. IRAK2 transduces the TLR signal via a direct interaction with TNF receptor-associated factor 6 (TRAF6) and subsequent enhancement of its ubiquitination. During my PhD thesis, I determined that a 55-amino acid long stretch at the C-terminal end of IRAK2 is important for TLR signaling. Overexpression of C-terminal truncated IRAK2 (IRAK2Δ55) in the murine macrophage cell line RAW 264.7 led to impaired CD40 expression after TLR4 stimulation by Lipopolysaccharide (LPS). I observed attenuated competency of IRAK2Δ55 in restoring a full TLR signaling response i.e. IL-6 secretion, NO production and CD40 expression in IRAK2-deficient RAW cells generated via CRISPR-Cas9 approach. Additionally, diminished TLR4 induced activation of nuclear factor κB (NF-κB) and extracellular signal related kinase (ERK) was observed with IRAK2Δ55 reconstituted RAW cells as compared to cell reconstituted with wildtype IRAK2. IRAK2Δ55 reconstituted RAW cells also exhibited reduced TLR4-induced cell death and phosphorylation of receptor interacting protein kinase 3 (RIP3). Co-immunoprecipitation experiments in HEK 293T cells showed that IRAK2Δ55 was still able to bind to TRAF6 alike IRAK2 but failed to induce ubiquitination of TRAF6. In conclusion, the results suggest that the IRAK2 TRAF6 interaction is not sufficient to sustain full TLR signaling. An C-terminus-dependent unknown molecular mechanism is also involved. Through my PhD work, I also analyzed a B cell lineage-specific HECTD1 knock-out mice. HECTD1 is an E3 ubiquitin ligase for various substrate proteins, such as heat shock protein 90 (HSP90), adenomatous polyposis coli and phosphatidylinositol phosphate kinase type 1 γ. Hsp90 regulates a variety of signaling molecules in NF-κB activation pathways which are essential for an optimal B cell response. HECTD1-deficient pro-B cells developed normally into mature B cells. However, TLR4 stimulated HECTD1-deficient B cells displayed reduced immunoglobulin (Ig) production in in vitro cultures. In addition, mice with HECTD1-deficient B cells showed a diminished Ig response after nitrophenylacetyl-keyhole limpet hemocyanin immunization. Thus, HECTD1 is necessary for efficient Ig secretion. / Auf das Eindringen von Pathogenen in den Körper antwortet das Immunsystem mit einer kumulativen, sequenziellen und wechselseitigen Zusammenarbeit zwischen Immunzellen, ihren Oberflächenrezeptoren sowie den von ihnen sezernierten Mediatoren. Immunzellen, wie Makrophagen und dendritische Zellen (DZ), sind dabei in der Lage mittels Toll-like Rezeptoren (TLRs) das Vorhandensein von Pathogenen über Pathogen-assoziierte molekulare Muster (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs) zu detektieren. Die Bindung von PAMPs an TLRs führt über intrazelluläre Signalkaskaden zu einer verstärkten Expression pro-inflammatorischer Gene und damit zur Initiierung einer Immunreaktion. Die Interleukin 1 Rezeptor-assoziierte Kinase 2 (IRAK2) ist einer Komponente der TLR Signalkaskade. IRAK2 bindet direkt an den TNF-Rezeptor-assozierten Faktor 6 (TRAF6), welcher daraufhin verstärkt ubiquitiniert wird. In meiner Promotionsarbeit habe ich einen 55 Aminosäure langen Abschnitt im C-Terminus von IRAK2 identifiziert, der für die Signalleitung von TLRs essentiell ist. Die Überexpression von mutierten IRAK2, dem dieser C-terminale Bereich fehlt (IRAK2∆55), in der murinen Macrophagen Zelllinie RAW 264.7 führte zu einer verminderten Expression von CD40 nach Stimulation des TLR4 durch Lipopolysaccharid (LPS). Wurden IRAK2-defiziente RAW Zellen mit dem mutierten IRAK2∆55 Gen rekonstituiert, zeigten diese Zellen verglichen mit Zellen, die mit dem wildtypischen Gen rekonstituiert wurden, eine verminderte Aktivierung des nuclear factor κB (NF-κB) und der extracellular signal related kinase (ERK) nach Stimulation des TLR4. Ebenso waren die Expression von CD40, die Sekretion von IL-6 und NO gestört. In IRAK2-defizienten und IRAK2∆55 RAW Zellen war eine Reduktion des durch TLR4 induzierten Zelltodes sowie der TLR4-induzierten Phosphorylierung der Rezeptor-interagierenden Proteinkinase 3 (RIP3) zu beobachten. Ko-Immunpräzipitationsexperimente mit HEK 293T Zellen zeigten, dass IRAK2∆55 genauso wie intaktes IRAK2 zwar in der Lage ist, TRAF6 zu binden, aber nicht dessen Ubiquitinylierung zu induzieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Interaktion von IRAK2 mit TRAF6 für ein optimales TLR-Signal nicht ausreichend ist und deshalb ein bisher unbekannter Mechanismus an der Signalweiterleitung beteiligt sein muss. Dieser Mechanismus ist vom C-terminalen Ende von IRAK2 abhängig. In einem zweiten Teil meiner Doktorarbeit analysierte ich B-Zellen von Mäusen, in denen HECTD1-spezifisch in der B-Zellentwicklungslinie deletiert wurde. HECTD1 ist eine E3 Ubiquitin-Ligase für zahlreiche Substratproteine, wie bspw. dem Hitzeschock-Protein (heat-shock-protein, HSP90), dem adenomatösen Polyposis coli Protein oder der Phosphatidylinositol Phosphatkinase Typ 1 γ. HSP90 reguliert eine Vielzahl an Signalmolekülen im NF-κB Signalweg, die für eine optimale B-Zell-Antwort wesentlich sind. HECTD1-defiziente pro-B-Zellen entwickelten sich normal zu reifen B-Zellen. Die Stimulation des TLR4 auf HECTD1-defizienten B-Zellen führte in vitro zu einer im Vergleich zu wildtypischen B-Zellen reduzierten Immunglobulin-Sekretion. Eine reduzierte Immunglobulin-Antwort konnte auch in B-Zell-spezifischen hectd1-/- Mäusen beobachtet werden, wenn diese zuvor mit Schlitzschnecken-Hämocyanin (Keyhole Limpet Hemocyanin, NP-KLH) immunisiert wurden. Die reduzierte Produktion von Antikörpern durch HECTD1-defiziente B-Zellen zeigt, dass dieses Protein für diese zentrale Aufgabe von B-Zellen notwendig ist.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2008

Toll-like receptors (TLR) are pattern recognition receptors (PRR) by which macrophages (MØ) sense pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). The recognition of lipopolysaccharide (LPS), the PAMP of gram negative bacteria, by TLR4 triggers signaling cascades and leads to the pro-inflammatory activation of the cells. A recent quantitative and kinetic analysis of the phosphoproteome of LPS-activated primary macrophages highlighted the cytoskeleton as a cell compartment with an enriched protein phosphorylation. In total 44 cytoskeleton-associated proteins were regulated by this post-translational modification and thus might be involved in the control and regulation of key macrophage functions like spreading, motility and phagocytosis. To investigate the control of cytoskeleton-associated cell functions by TLR4 activation, we first developed a method to quantitatively measure the spreading response of bone marrow MØ after stimulation with LPS. Fluorescence microscopy was used for cell imaging and visualisation of the MØ contact area. In collaboration with the Fraunhofer Institute Erlangen, we developed and validated a software tool for the semi-automated segmentation and quantitation of MØ fluorescence microscopy data, which allowed fast, robust and objective image analysis. Using this method, we observed that LPS caused time-dependent spreading, which was detectable after 1-2 h and maximal after 24 h. Next, the impact of genetic or pharmacological inhibition of known TLR signaling components was investigated. Deficiency in the adapter protein MYD88 strongly reduced spreading activity at the late time points, but had no impact early after LPS-stimulation. A similar effect was observed upon pharmacological inhibition of ERK1/2 signaling, indicating that ERK1/2 mediates MYD88-dependent MØ spreading. In contrast, MØ lacking the MAPK p38 were impaired in the initial spreading response but responded normally 8-24 h after stimulation. The genetic deletion of the MAPK phosphatases DUSP1 and DUSP16 resulted in impaired late spreading, corroborating the essential role for functional MAPK signaling in TLR4-driven MØ spreading. To identify the contribution of other cytoskeletal phosphoproteins to MØ spreading, siRNA knockdown of selected candidate genes in primary murine MØ was employed and combined with automated quantitative image analysis. These experiments revealed a functional role for the Myosins MYO1e and MYO1f in MØ spreading. These motor proteins are strongly phosphorylated in LPS-activated MØ. Because of their ability to simultaneously bind to actin filaments and cell membrane or other proteins, we investigated their role in phagocytosis, cytokine production and antigen presentation. Phagocytosis and killing of bacteria were not affected in Myo1e-/- macrophages. However, MYO1e plays a role in chemokine secretion and antigen presentation processes. MCP1 (CCL2) release was selectively increased in Myo1e-deficient MØ and dendritic cells (DC), while cytokine secretion was unaffected. Furthermore, macrophages and DCs lacking MYO1e showed lower levels of MHC-II on the cell surface. However, mRNA levels of CCL2 and of MHC-II were unaltered. These data suggest a role for MYO1e in the transport of selected chemokines and of MHC-II molecules to the cell surface. MHC-II-restricted antigen presentation assays revealed an impaired capacity of macrophages and DC lacking MYO1e to stimulate antigen-specific T cells, suggesting that the reduced MHC-II expression is functionally relevant. Taken together, in this study first a quantitative image analysis method was developed which allows the unbiased, robust and efficient investigation of the macrophage spreading response. Combination of this method with siRNA knockdown of selected cytoskeleton-associated phosphoproteins led to the identification of MYO1e and MYO1f as regulators of macrophage spreading. Furthermore, we identified MYO1e in MØ and DC to be essential for the intracellular transport of CCL2 and MHC-II to the cell surface and for optimal stimulation of antigen-specific CD4 T cells. / Toll-like Rezeptoren (TLR) sind Mustererkennungsrezeptoren (PRR) durch die Makrophagen (MØ) pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) erkennen. Die Erkennung von Lipopolysacchariden (LPS), dem PAMP gramnegativer Bakterien, durch TLR4 löst Signalkaskaden aus, die zu einer pro-inflammatorischen Aktivierung der Zellen führen. Eine quantitative und kinetische Analyse des Phosphoproteoms LPS-aktivierter primärer Makrophagen identifizierte das Zytoskelett als ein Zellkompartiment mit gesteigerter Proteinphosphorylierung. Insgesamt wurden 44 Zytoskelett-assoziierte Proteine identifiziert, die durch diese post-translationale Modifikation reguliert wurden und demzufolge an der Regulation wichtiger Zellfunktionen von Makrophagen wie Spreading, Motilität und Phagozytose beteiligt sein könnten. Um die Kontrolle Zytoskelett-vermittelter Zellfunktionen nach TLR4 Aktivierung zu untersuchen, entwickelten wir zunächst eine Methode zur quantitativen Messung der Spreadingantwort von Knochenmarksmakrophagen nach LPS Stimulation. Die Visualisierung der Zellen sowie ihrer Kontaktfläche erfolgte hierbei mittels Fluoreszenzmikroskopie. Für eine schnelle, robuste und objektive Analyse der Fluoreszenzaufnahmen entwickelten und validierten wir in Kollaboration mit dem Fraunhofer Institut in Erlangen eine Software zur halbautomatischen Segmentierung und Quantifizierung der Kontaktfläche. Unter Verwendung dieser Methode konnte eine zeitabhängige LPS-induzierte Zunahme der Zellkontaktfläche beobachtet werden, die nach 1-2 Stunden detektierbar war und ein Maximum nach 24 Stunden erreichte. Durch den Einsatz pharmakologischer Inhibitoren sowie genetisch veränderter Zellen wurde anschließend der Einfluss bekannter TLR4-Signalwegkomponenten untersucht. Die genetische Defizienz des Adapterproteins MYD88 führte hierbei zu einer stark reduzierten Spreadingaktivität der Zellen während der späten LPS Stimulationsphase, wohingegen das initiale Spreading nicht beeinflusst wurde. Ein vergleichbarer Effekt konnte unter Verwendung eines pharmakologischen Inhibitors zur Hemmung des ERK1/2 Signalweges identifiziert werden. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass ERK1/2 für die Weiterleitung des MYD88 vermittelten Spreading notwendig ist. Im Gegensatz dazu wurde in p38-defizienten Makrophagen ein beeinträchtigtes initiales Spreading beobachtet, wohingegen das späte Spreading nach 8 – 24 Stunden nicht beeinflusst war. Die genetische Deletion der MAPK Phosphatasen DUSP1 und DUSP16 resultierte ebenfalls in einer Minderung des späten Spreadings, ebenfalls ein Hinweis auf die essentielle Rolle funktioneller MAPK Signalwege. Um die Beteiligung weiter Zytoskelett-Phosphoproteine am Zellspreading zu identifizieren, wurde die Expression ausgewählter Kandidatengene in primären Makrophagen mittels spezifischer siRNA unterdrückt und das Zellspreading mit Hilfe der entwickelten Software quantifiziert. Diese Versuche zeigten eine funktionelle Rolle der Myosine MYO1e und MYO1f. Diese Motorproteine weisen ebenfalls eine starke Phosphorylierung nach LPS Stimulation auf. Aufgrund ihrer Eigenschaft simultan mit Aktinfilamenten und Zellmembranen sowie anderen Proteinen zu interagieren, untersuchten wir ihre Rolle während der Phagozytose, Zytokinfreisetzung und Antigenpräsentation. Obwohl Myo1e defiziente Makrophagen keine Beeinträchtigung der Phagozytose oder Abtötung von Bakterien aufwiesen, spielte das Motorprotein eine wichtige Rolle in der Chemokinfreisetzung und Antigenpräsentation. Interessanterweise war die Sekretion des Chemokins MCP1 (CCL2) in Myo1e-defizienten Makrophagen und dendritischen Zellen (DC) selektiv erhöht, während die Zytokinfreisetzung unbeeinträchtigt war. Des Weiteren wiesen Myo1e KO Makrophagen und DC eine reduzierte MHC-II Oberflächen-Expression auf, obwohl die MHC-II als auch die CCL2 Transkription auf mRNA Ebene nicht beeinflusst war. Diese Daten legen nahe, dass MYO1e während des Transports bestimmter Chemokine, sowie von MHC-II zur Zelloberfläche eine wichtige Rolle spielt. Zudem zeigten Myo1e KO Makrophagen und DC in einem MHC-II-abhängigen Antigenpräsentationsassay eine abgeschwächte Fähigkeit zur Antigen-spezifischen T-Zell Aktivierung, was die funktionelle Relevanz der reduzierten Expression von MHC-II nahelegt. Zusammenfassend wurde in dieser Studie zunächst eine Methode zur quantitativen Bildanalyse entwickelt, welche eine unvoreingenommene, robuste und effiziente Untersuchung des Spreadings von Makrophagen erlaubte. Die Kombination dieser Methode mit dem spezifischen siRNA Knockdown ausgewählter Zytoskelett-assoziierter Phosphoproteine führte zur Identifizierung von MYO1e und MYO1f als wichtige Regulatoren dieser Zellfunktion. Darüber hinaus konnte in Makrophagen und DC eine essentielle Rolle für MYO1e im intrazellulären Transport von CCL2 und MHC-II an die Zelloberfläche identifiziert werden, sowie dessen Notwendigkeit für eine vollständige Aktivierung antigen-spezifischer CD4 T Zellen.

Regulatory T cells (Treg) expressing the transcription factor forkhead box protein P3 (Foxp3) have been demonstrated to mediate evasion from anti-tumor immune responses during tumor progression. Moreover, Foxp3 expression by tumor cells themselves may allow them to counteract effector T cell responses, resulting in a survival benefit of the tumor. For gastrointestinal cancers, in particular pancreatic and colorectal cancer (CRC), the clinical relevance of Foxp3 is not clear to date. Therefore the aim of this study was to analyze its impact in CRC and pancreatic cancer. To determine the relevance of Foxp3 for tumor progression and patient survival, gene and protein analysis of human pancreatic and colon cancer cell lines as well as tumor tissues from patients with CRC was performed. The results derived from the patients with CRC were correlated with clinicopathological parameters and patients’ overall survival. Cancer cell mediated Foxp3 expression in vitro was demonstrated in human pancreatic cancer cell lines PANC1, PaCa DD 135, PaCa DD 159 and PaCa DD 185 as well as in human colon cancer cell lines SW480 and SW620. Additionally, Foxp3 expressing cancer cells were found in ex vivo tumor tissue samples of patients with CRC. The percentage of Foxp3+ cancer cells increased from stages UICC I/II to UICC III/IV compared to normal tissue. Moreover, high tumor cell mediated Foxp3 expression was associated with poor prognosis compared to patients with low Foxp3 expression. In contrast, low and high Foxp3 level in tumor infiltrating Treg cells demonstrated no significant differences in patients’ overall survival. Correlation analysis demonstrated a significant association of Foxp3 cancer cell expression with the expression of immunosuppressive cytokines IL-10 and TGF-β. These findings suggest that Immunosuppressive cytokines such as IL-10 and TGF-β released by rather Foxp3+ cancer cells than Foxp3+ Treg cells may inhibit the activation of naive T cells, hence limiting antitumor immune responses and favoring tumorigenesis and progression. Chronic inflammation has been shown to be an important epigenetic and environmental factor in numerous tumor entities. Recent data suggest that tumorigenesis and tumor progression may be associated with inflammation-triggered activation of Toll-like receptors (TLR). In this study, the specific impact of both TLR7 and TLR8 expression and signaling on tumor cell proliferation and chemoresistance is analyzed in inflammation linked CRC and pancreatic cancer. By gene and protein expression analysis of human pancreatic and colon cancer cell lines TLR7 and TLR8 expression was determined in vitro. Additionally, expression of TLR7/TLR8 in UICC stage I-IV pancreatic cancer, chronic pancreatitis and normal pancreatic tissue was examined. For in vitro/in vivo studies TLR7/TLR8 overexpressing PANC1 cell lines were generated and analyzed for effects of TLR expression and stimulation on tumor cell proliferation and chemoresistance. Cancer cell mediated TLR7 and TLR8 expression in vitro was demonstrated in human colon cancer cell lines SW480, SW620 and HT-29 as well as in primary pancreatic cancer cell lines PaCa DD 135, PaCa DD 159 and PaCa DD 185. Additionally, TLR7 and TLR8 expressing tumor cells were found in ex vivo tissue samples of patients with pancreatic cancer and chronic pancreatitis. Significantly elevated expression levels of TLR7 and TLR8 were found in advanced tumor stages (UICC III) compared to early tumor stages (UICC II) and chronic pancreatitis. No or occasionally low expression was detected in normal pancreatic tissue. In contrast to the tissues from patients with pancreatic cancer or chronic pancreatitis, established pancreatic tumor cell lines express only very low levels of TLR7 and TLR8. Therefore, for in vitro and xenograft studies TLR7 or TLR8 overexpressing PANC1 cells were generated. Proliferation promoting effects of TLR7 and TLR8 expression and stimulation with R848 were detected in vitro. Additionally, increased tumor growth of TLR expressing PANC1 cells was demonstrated in subcutaneously injected Balb/c nude mice. Interestingly, activation of TLR7 or TLR8 induced not only an increase in tumor cell proliferation but also a strong chemoresistance of PANC1 cells against 5-fluorouracil (5-FU). Moreover, treatment with R848 resulted in elevated expression levels of NF-κB, COX-2 and inflammatory cytokines IL-1β, IL-8 and TNF-α, suggesting TLR7/8 signaling to contribute to an inflammatory, anti-apoptotic and proliferation promoting tumor microenvironment. These findings emphasize the particular role of TLR7 and TLR8 in inflammation related cancers and their relevance as potential targets for cancer therapy. / In jüngerer Vergangenheit wurde regulatorischen T-Zellen, die den Transkriptionsfaktor forkhead-box protein P3 (Foxp3) exprimieren, wiederholt die Fähigkeit zugesprochen, Antitumorimmunreaktionen während der Tumorentwicklung und –progression abzuschwächen. Daneben sind Tumorzellen selbst befähigt Foxp3 zu exprimieren. Sie können damit der Effektor-T-Zell-Antwort entgegen wirken und so Tumorwachstum begünstigen. Die klinische Bedeutung der Foxp3-Expression in gastrointestinalen Tumoren, insbesondere im Pankreaskarzinom und kolorektalen Karzinom, ist zum heutigen Stand noch unklar. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, die Bedeutung von Foxp3 im Pankreaskarzinom und kolorektalen Karzinom weiter aufzuklären. Um seine prognostische Relevanz hinsichtlich der Tumorprogression sowie das Patienten-Überleben zu untersuchen, wurden Gen- und Proteinexpressionsanalysen in Tumorgeweben aus Patientenkohorten mit kolorektalem Karzinom durchgeführt. Die Ergebnisse aus den Tumorgeweben wurden mit klinikopathologischen Parametern und dem Gesamtüberleben der Patienten korreliert. Sowohl in den humanen Pankreaskarzinomzelllinien PANC1, PaCa DD 135, PaCa DD 159 und PaCa DD 185 als auch in den humanen Kolonkarzinomzelllinien SW480 und SW620 konnte tumorzellvermittelte Foxp3 Expression nachgewiesen werden. Zusätzlich wurden auch in den ex vivo Gewebeproben Foxp3-exprimierende Tumorzellen vorgefunden. Dabei nahm der Anteil an Foxp3-positiven Tumorzellen stadienabhängig von frühen zu fortgeschrittenen Tumorstadien (UICC I/II zu UICC III/IV) zu. Zudem waren Patienten mit einer starken Expression von Foxp3 im Vergleich zu Patienten mit niedrigem Foxp3-Expressionsprofil in den Tumorzellen von einer schlechten klinischen Prognose gekennzeichnet. Hohe bzw. niedrige Foxp3-Expressionen in tumorinfiltrierenden T-Zellen zeigten dagegen keinen signifikanten Einfluss auf das Gesamtüberleben der Patienten. In der Korrelationsanalyse ergab sich außerdem eine signifikante Verknüpfung von Foxp3-Expression mit der Expression der immunsuppressiven Zytokine IL-10 und TGF-β in den Tumorzellen. Diese Beobachtungen lassen vermuten, dass Foxp3-positive Tumorzellen durch die Sekretion von immunsuppressiven Zytokinen wie IL-10 und TGF-β im Tumormikromilieu die Aktivierung naiver T-Zellen inhibieren. Damit würden Antitumorimmunreaktionen unterdrückt und das Tumorwachstum begünstigt. Chronische Entzündungsreaktionen sind wichtige epigenetische Faktoren in verschiedenen Tumorentitäten. Neuere Daten deuten darauf hin, dass Karzinogenese und Tumorprogression in Verbindung mit inflammationsinduzierter Aktivierung von Toll-like Rezeptoren (TLR) stehen. In dieser Arbeit wurde insbesondere der Einfluss der beiden Rezeptoren TLR7 und TLR8 auf die Tumorzellproliferation und Chemotherapieresistenz von gastrointestinalen Tumoren wie das kolorektale Karzinom und das Pankreaskarzinom untersucht. Mit Hilfe von Gen- und Proteinexpressionsanalysen wurde die tumorzellvermittelte Expression von TLR7 und TLR8 in vitro in verschiedenen humanen Kolon- als auch Pankreaskarzinomzelllinien nachgewiesen. Zusätzlich wurde verstärkte TLR7 und TLR8 Expression in Tumorgewebeproben aus Patienten mit Pankreaskarzinom als auch bei chronischer Pankreatitis vorgefunden, wobei die Expression in fortgeschrittenen Tumorstadien (UICC III) gegenüber früheren Stadien (UICC II) und chronischer Pankreatitis signifikant erhöht war. In vitro und in vivo Untersuchungen im xenogenen Tumormodell mit humanem Pankreaskarzinom zeigten für TLR7- und TLR8-exprimierende PANC1-Pankreaskarzinome signifikant gesteigerte Tumorproliferationen. Zusätzlich wurde durch die gezielte TLR7/8 Stimulation mit der Substanz R848 eine ausgeprägte Chemotherapieresistenz gegenüber 5-Fluorouracil (5-FU) induziert. Die Aktivierung von TLR7 und TLR8 führte darüber hinaus zu einer verstärkten Expression von NF-kB, COX-2, sowie den proinflammatorischen Zytokinen IL-1β, IL-8 und TNF-α. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die TLR7/8 Signalgebung zu inflammatorischen, antiapoptotischen und proliferationsfördernden Prozessen im Tumormikromilieu beiträgt und unterstreichen die Bedeutung der Toll like Rezeptoren 7 und 8 als potentielle therapeutische Zielstrukturen in inflammationsassoziierten Tumorerkrankungen.

Schmerz gehört zu den Kardinalsymptomen einer Entzündung. Im Wesentlichen kann die Entstehung von Schmerz am Ort des Entzündungsgeschehens auf das Einwandern (Diapedese) von Leukozyten aus dem peripheren Blut-strom in das Gewebe zurückgeführt werden. Dort findet sowohl die Produktion von Zytokinen und Chemokinen statt, welche weitere Entzündungszellen rekrutieren und die Entzündungsreaktion verstärken, als auch die Freisetzung von Opioidpeptiden, die schmerzlindernd wirken. In Vorarbeiten der Arbeitsgruppe konnte eine Opioidfreisetzung aus neutrophilen Granulozyten nach Stimulation mit bakteriellen Antigenen oder Chemokinen \(in\) \(vitro\) nachgewiesen werden. Diese führen \(in\) \(vivo\) eine Antinozizeption herbei. Für neutrophile Granulozyten wurden der Chemokinrezeptor CXCR1/2 sowie der Formylpep-tidrezeptor als Signal-transmittierende Rezeptoren identifiziert. Über den klassischen Mechanismus der Exozytose gelangt das Beta-Endorphin somit in das Gewebe und interagiert mit Opioidrezeptoren auf primär sensorischen Nervenendigungen. \(in\) \(vivo\) äußerte sich die Freisetzung des Opioidpeptids in einer Anhebung mechanischer Schmerzschwellen, die durch den Opioidrezeptorantagonisten Naloxon aufgehoben werden konnten. Die Bindung, vornehmlich an MOP, führt zur Erniedrigung des cAMP-Spiegels, zur Hyperpolarisation der Nervenzelle und zur Verminderung von Schmerzschwellen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen Monozyten als führende Zellpopulation der späten Entzündungsphase. Es sollte untersucht werden, welche Rezeptoren eine Opioidfreisetzung aus Monozyten vermitteln sowie welche intrazellulären Signalwege involviert sind. Humane Monozyten wurden isoliert und \(in\) \(vitro\) mit dem bakteriellen Antigen Lipopolysaccharide (LPS) stimuliert. Dieses steht exemplarisch für mikrobielles Infektgeschehen und Entzündung. In den Zellüberständen wurde mittels ELISA die Beta-Endorphin-Konzentration ermittelt. Weiterhin wurden Opioidgehalt und -freisetzung in der nicht-klassischen CD14+CD16+ Monozytensubpopulation im Vergleich zu klassischen CD14+CD16- Monozyten analysiert. Zur weiteren Aufklärung des Rezeptors, welcher die Opioidfreisetzung vermittelt, wurde der niedermolekulare TLR4-Antagonist TAK-242 genutzt. Wir fanden eine Zunahme der Beta-Endorphin-Freisetzung nach Stimulation mit LPS im Vergleich zur unstimulierten Kontrolle. Eine Zugabe des TLR4-Inhibitors reduzierte die Beta-Endorphin-Freisetzung signifikant. TLR4 agiert somit als PRR für die Opioidfreisetzung aus Monozyten. CD14+CD16+ Monozyten enthalten einen geringeren Anteil an Beta-Endorphin und setzten dementsprechend weniger frei. Ihre Rolle als pro-inflammatorisch und ihre Beteiligung an der Genese inflammatorischer Krankheitsbilder wird dadurch gestützt. Die Signalkaskade, über die diese Freisetzung erfolgt, konnte durch den Einsatz von Rezeptorinhibitoren dahingehend entschlüsselt werden, dass eine Beteiligung des IP3-Rezeptors sowie von intrazellulärem Calcium wichtig ist. Ferner wurde evident, dass auch eine basale Freisetzung existiert, die über denselben Weg verläuft. Durch die Behandlung mit dem TLR4-Antagonisten TAK-242, der die Freisetzung von Beta-Endorphin \(in\) \(vitro\) unterdrückt, wird auch die analgetische Wirkung von LPS \(in\) \(vivo\) aufgehoben. TLR4 Agonisten sind daher potentielle alternative Analgetika, welche die endogene Schmerzkontrolle unterstützen könnten. Jedoch fließen viele Wechselwirkungen wie z.B. proalgetische Wirkungen von TLR4 in das komplexe Gefüge der Immunzellantwort ein. Diese wurden nicht weiter untersucht. Vor einer klinischen Anwendung müssten solche Effekte näher betrachtet werden. / Endogenous opioids from monocytes mediate tonic endogenous antinociception in the late phase of inflammation. Monocytes expressing TLR4 dose-dependently released \(\beta\)-END after stimulation with lipopolysaccharide (LPS) dependent on intracellular calcium. \(in\) \(vitro\) \(\beta\)-endorphin (\(\beta\)-END) content increased during human monocyte differentiation as well as in anti-inflammatory CD14\(^+\)CD16\(^-\) monocytes. Peripheral TLR4 acts as a counter-regulatory mechanism for inflammatory pain \(in\) \(vivo\), and increases the release of opioid peptides from monocytes \(in\) \(vitro\). TLR4 antagonists as new treatments for sepsis and neuropathic pain might unexpectedly enhance pain by impairing peripheral opioid analgesia.

IRAK2 besitzt eine Schlüsselrolle im Signalweg des TLR4. Fehlregulationen dieses Signalwegs führen zu fehlgeleiteten Immunreaktionen, die auch die Entstehung und Progression von Krebserkrankungen fördern. Bevor IRAK2 als therapeutisches Ziel in Frage kommen kann, muss erst noch weitere Klarheit über die grundsätzliche Funktionsweise dieses Proteins bestehen. So ist für IRAK2 aufgrund der Substitution einer Aminosäure in der Kinase-Domäne im Vergleich zu IRAK1 noch nicht abschließend geklärt, ob es sich um eine aktive Kinase oder eine Pseudokinase handelt und ob diese Veränderung eine Erhöhung oder eine Erniedrigung der Funktion im TLR4-Signalweg nach sich zieht. Um diese Fragen anzugehen, wurde in dieser Arbeit Asparagin im vermeintlich aktiven Zentrum (Aminosäure 333) wieder zur Asparaginsäure [N333D] revertiert und damit versucht die Phosphorylierungsaktivität zu steigern bzw. vergleichbar zu IRAK1 wiederherzustellen. Das Einbringen der Mutation in IRAK2 erfolgte mittels ortsspezifischer Mutagenese. Mit dieser und anderen Mutanten und mit wildtypischem IRAK2 wurden durch die CRISPR/Cas9-Methode generierte IRAK2-defiziente 264.7 Makrophagen rekonstituiert und damit ein System etabliert, mit dem der Einfluss der Mutation auf den Signalweg des TLR4 nach Stimulation mit LPS quantitativ analysiert werden konnte. Sowohl die indirekte NF-κB-Messung über CD40-Expression als auch die direkte NF-κB-Messung über die NF-κB-getriebene Expression eines Reportergens (cyan fluorescent protein) ergab, dass IRAK2[N333D] die LPS-abhängige NF-κB-Aktivierung über den TLR4 Signalweg schlechter ermöglicht als IRAK2. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die in der Entwicklungsgeschichte aufgetretene Veränderung des aktiven Zentrums von IRAK2 im Vergleich zu IRAK1 zu einer besseren Aktivierung der MyD88-abhängigen NF-κB-Aktivität führte und somit eine erhöhte und länger anhaltende Signalleitung ermöglichte. Diese Erkenntnis kann als weiterer Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Funktion des IRAK2-Proteins und zu einer möglichen zukünftigen Verwendung von IRAK2 als Ziel therapeutischer Behandlungen gesehen werden. / Toll-like receptors are fundamental for many immune cells. The protein IRAK2 plays a key role in the signaling pathway downstream of TLR4 and other TLRs. Due to a change at amino acid position 333 of the protein from aspartate (D) to asparagine (N) in the presumed active center of the kinase it is unclear if IRAK2 is an active kinase. In this research the mutation IRAK2-N333D was investigated thereby trying to reconstitute the evolutionarily original version of the protein. Interestingly, overexpression of IRAK2-N333D in IRAK2-deficient RAW 264.7 cells obtained by using the CRISPR/Cas9-system was less effective in activating LPS-induced CD40 expression and NF-κB activity as compared to wild type IRAK2. Our results suggest that the evolutionary alteration in the "catalytic center" of IRAK2 led to improved signal transduction thereby allowing longer-lasting activation of the cells. This knowledge might help to better target IRAK2 in therapies.

Konstanz, Univ., Diss., 2008.