Krebs gehört zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Ein großer Hoffnungsträger für die Behandlung maligner Tumore ist die Gentherapie. Die nicht-virale Gentherapie gilt als sicherere Alternative zur viralen Gentherapie. Für den nicht viralen Gentransfer sind sowohl Vektor als auch Gentransfertechnologie von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Gentransfereffizienz und Sicherheit der Jet-Injektion in einer klinischen Phase I Gentransferstudie mit Hilfe des Swiss-Injektors untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass diese Technologie sicher klinisch angewendet werden kann, dass jedoch die Sicherheit der Vektoren und vor allem die Gentransfereffizienz weiter optimiert werden müssen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden optimierte nicht-virale Vektoren (Minicircle, MIDGE) miteinander und mit ihren parentalen Plasmiden verglichen. Mit Hilfe des MIDGE Vektors konnte die höchste Transgenexpression aufgrund einer erhöhten Transkription erzielt werden. In Vorbereitung der klinischen Anwendung des MIDGE-Vektors wurde die Kombination von hTNF-alpha Gentransfer und Vindesin Chemotherapie untersucht. Auch hier zeigte der MIDGE-Vektor eine erhöhte in vitro Genexpression, die in vitro zu einer erhöhten Zytotoxizität von Vindesin aufgrund einer verstärkten Aktivierung der Apoptose führte. Auch in vivo konnte die verbesserte hTNF-alpha-Genexpression des MIDGE-Vektors nach Jet-Injektion gezeigt werden. Dies führte in Kombination mit Vindesin zu einem signifikant reduzierten Tumorwachstum. Durch Analyse der systemischen Vektorverteilung im Blut und in den Organen sowie in einer präklinischen toxikologischen Untersuchung konnte die sichere Anwendung des MIDGE-Vektors bestätigt werden. Abschließend wurden weitere Anwendungsmöglichkeiten des MIDGE-Vektors für die stabile Genexpression und für die Verwendung in kombinierten Gentransferprotokollen untersucht. / Cancer is one leading causes of death worldwide. Gene therapy belongs to the promising options for treatment of malignant tumors. The non-viral gene therapy is known as safer alternative to the viral gene therapy. For non-viral gene transfer the vector and the transfer technology are of crucial importance. As part of this work a clinical trial was performed to assess efficiency and safety of the non-viral jet-injection. It was shown, that this technology can be used safely in a clinical setting. As a result of this clinical trial we concluded, that vector safety and especially efficiency need further improvements. Based on this optimized non-viral vectors (minicircle, MIDGE) were compared with each other and their respective parental plasmids. The MIDGE vector showed the highest transgene expression due to increased transcription. In preparation of a clinical trial the combined treatment of hTNF-alpha gene transfer and Vindesine chemotherapy was analyzed. Again, the MIDGE vector showed the highest transgene expression. This expression led to an increased cytotoxicity of Vindesine in vitro due to an elevated apoptosis signaling. Furthermore, these results could be assigned to an in vivo model. The increased hTNF-alpha expression after MIDGE vector jet-injection in combination with Vindesine led to a significant decrease in tumor growth. Detailed analysis of systemic vector distribution in the blood and organs as well as the preclinical toxicity evaluation showed the safety of the non-viral MIDGE vector. Initial experiments were performed to show further options for stable gene expression and combined gene transfer protocols using the MIDGE vector.

Die Gentherapie hämatopoetischer Stammzellen (HSCs) besitzt das Potenzial, verschiedene erbliche, nur symptomatisch behandelbare, Erkrankungen dauerhaft zu heilen. Die Mehrheit der aktuell angewandten Verfahren dazu, basiert auf der Isolation von hämatopoetischen Stammzellen, der ex vivo Modifikation dieser Zellen durch retrovirale Vektoren und der Reinfusion der modifizierten Zellen in den immunsupprimierten Patienten. Dieser Ansatz ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden, unter anderem einem teilweisen Verlust des Rekonstitutionsvermögens der Stammzellen nach ex vivo Kultur oder der Gefahr der Transformation durch Integration des retroviralen Vektorgenoms. Darüber hinaus sind aktuelle Gentherapieansätze mit hohen Kosten und großem logistischem Aufwand verbunden, was den Zugang zu diesen Behandlungen für potentielle Patienten stark einschränkt. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen neuen Ansatz zur Gentherapie von HSCs, der auf der Mobilisierung von Stammzellen aus dem Knochenmark in den peripheren Blutstrom und der Transduktion dieser Stammzellen mit adenoviralen Vektoren basiert. Hierbei codieren die Vektoren sowohl ein Transgen als auch eine Integrationsmaschinerie. Der erste Teil der Arbeit belegt in einem humanen CD46-transgenen Mausmodell, dass adenovirale Vektoren der ersten Generation in der Lage sind, mobilisierte HSCs im Blut zu transduzieren und dass es den so transduzierten Stammzellen möglich ist, zurück ins Knochenmark zu migrieren und dort das Transgen zu exprimieren. Allerdings wurde im Verlauf von zwei Wochen ein Rückgang der Transgenexpression beobachtet. Um dies zu umgehen, wurde ein adenovirales Vektorsystem der dritten Generation genutzt, das eine hochaktive Sleeping Beauty Transposase, zum Zweck der Transgenintegration, codiert. Dieses System ermöglichte die stabile Genmodifikation mobilisierter hämatopoetischer Stammzellen nach intravenöser Injektion. Die Expression des Transgens konnte über längere Zeitspannen (bis 12 Wochen) beobachtet werden. Die modifizeirten Stammzellen waren darüber hinaus in der Lage, genmodifizierte Kolonien in vitro zu bilden und das hämatopoetische System letal bestrahlter Mäuse nach Knochenmarkstransplantation zu rekonstituieren. Es wurde somit gezeigt, dass HSCs nach in vivo Modifikation weiterhin funktional waren. / The gene therapy of hematopoietic stem cells holds the potential for curative treatment of several otherwise incurable inherited diseases. The majority of current gene therapy treatments relies on the collection of hematopoietic stem cells, their ex vivo modification with retroviral vectors and their transplantation into a myeloconditioned patient. This approach entails several disadvantages, including a reduction of stem cell engraftment potential after ex vivo culture and the potential danger of integrational mutagenesis. In addition, the high costs and complex logistics of this approach limit the access of patients to gene therapeutic regimens. This work explores an alternative approach to hematopoietic stem cell (HSC) gene therapy, termed stem cell in vivo transduction. This approach is based on the mobilization of HSCs from the bone marrow into the peripheral blood and the transduction of the stem cells with adenoviral vectors delivering a transgene as well as a transgene integration machinery. In the first part of this work, it was shown that first-generation adenoviral vectors could be used for the transduction of mobilized HSCs in the periphery of human CD46-transgenic mice. Further, the transduced HSCs were able to home back to the bone marrow and express the transgene. However, over the course of 14 days, a loss of transgene expression in HSCs was observed. To ameliorate these shortcomings, helper-dependent adenoviral vectors encoding a hyperactive Sleeping Beauty transposase for transgene integration were used for stable gene modification of hematopoietic stem cells following intravenous vector administration in mobilized human CD46-transgenic mice. Using this improved vector platform, gene marking of bone marrow HSCs could be observed for extended periods of time (up to 12 weeks). Further, the functionality of the modified HSCs was demonstrated both in colony-forming progenitor assays as well as through the transplantation of gene-modified HSCs into lethally irradiated recipients. Transplantation of modified HSCsled to long-term multi-lineage reconstitution showing that gene-modified stem cells were fully functional. Subsequently the safety of systemic vector administration in mobilized hosts as well as of the Sleeping Beauty-mediated transgene integration was assessed in human CD46- transgenic mice. Lastly, the stem cell in vivo transduction approach was employed in NOG mice transplanted with human CD34+ cells, as well as in Macaca nemestrina non-human primates.

Tumoren entwickeln während einer Chemotherapie häufig Resistenzen gegen strukturell und funktionell unabhängige Zytostatika - ein Phänomen, das als Multidrug-Resistenz (MDR) bezeichnet wird und die Hauptursache für das Scheitern einer Chemotherapie ist. Die klassische MDR ist mit einer Überexpression des ABC-Transporters MDR1/P-gp assoziiert. Der vorliegende gentherapeutische Ansatz beinhaltet eine selektiv gegen MDR1/P-gp gerichtete und vor allem effiziente Strategie zur Überwindung des MDR-Phänotyps humaner Tumorzellen. Basierend auf der Integration verschiedener anti-MDR1 shRNA Expressionskassetten in adenovirale Gentherapievektoren, konnte mit Hilfe der RNA-Interferenz Technologie (RNAi) die MDR1/P-gp Expression selektiv inhibiert werden. Mittels des hoch effizienten Adenovirus Ad5U6/MDR-C wurde die MDR1 mRNA- sowie Protein-Expression soweit reprimiert, dass eine vollständige Aufhebung der biologischen Aktivität der Effluxpumpe MDR1/P-gp und eine Reversion des Resistenz Phänotyps gegenüber den typischen MDR1/P-g-Substraten Daunorubicin (87 % in EPP85-181RDB bzw. 66 % in EPG85-257RDB) sowie Vincristin (96 % bzw. 82 %) resultierte. Zudem wurde gezeigt, dass E1-deletierte und damit replikationsinkompetente Adenoviren in multidrug-resistenten Tumorzellen replizieren können. Damit wirkt Ad5U6/MDR-C in MDR-Tumorzellen onkolytisch. Zwar konnte die Adenovirusreplikation mit dem DNA-Synthese-Hemmer Hydroxyurea (HU) zu 94 % inhibiert werden, die anti-MDR1 Effizienz von Ad5U6/MDR-C wurde dennoch erhöht (+5 % in HeLaRDB, +12 % in EPG85-257RDB), was für eine erfolgreiche und niedrig dosierte Ad-Gentherapie multidrug-resistenter Tumoren in Kombination mit HU ausgenutzt werden kann. Außerdem wurde der entscheidende Einfluss des regulatorischen Proteins YB-1 auf die selektive Replikation von Ad5U6/MDR-C in MDR1/P-gp überexprimierenden Tumorzellen gezeigt. Eine 90 %ige Inhibition von YB-1 bedingt eine Hemmung der Adenovirusreplikation um 70 % und damit eine verringerte Effizienz der RNAi-vermittelten Inhibition von MDR1/P-gp um 40 %. Mit diesem gentherapeutischen Ansatz können die Effekte der YB-1-abhängigen und der die Zelllyse bedingenden Adenovirusreplikation sowie der anti-MDR1 shRNA vermittelten Chemosensitivierung kombiniert und zu einer verbesserten Eliminierung von MDR-Tumorzellen führen. / Simultaneous resistance of cancer cells to multiple cytotoxic drugs, multidrug resistance (MDR), is the major limitation to the successful chemotherapeutic treatment of disseminated neoplasms. The ‘classical’ MDR phenotype is conferred by MDR1/P-glycoprotein (MDR1/P-gp) that is expressed in almost 50% of human cancers. Recent developments in the use of small interfering RNAs for specific inhibition of gene expression have highlighted their potential use as therapeutic agents. DNA cassettes encoding RNA polymerase III promoter-driven siRNA-like short hairpin RNAs (shRNAs) allow long-term expression of therapeutic RNAs in targeted cells. A variety of viral vectors have been used to deliver such cassettes to mammalian cells. In this study, the construction of different adenoviruses for anti- MDR1/P-gp shRNA delivery in different human multidrug-resistant cancer cells was investigated. It could be demonstrated that MDR1/P-gp mRNA and protein expression could be completely inhibited by adenoviral delivery of anti-MDR1/P-gp shRNAs. This down regulation in mRNA and protein expression was accompanied by a complete inhibition of the pump activity of MDR1/P-gp and a reversal of the multidrug-resistant phenotype. Moreover, it could be demonstrated that MDR-tumour cells facilitate adenoviral replication of originally E1- and E3-deleted and thus replication deficient adenoviral vectors through stable relocation of the fundamental regulatory factor YB-1 to the nucleus. To analyse the impact of YB-1 on adenoviral replication, two specific in vitro MDR models were used which stably trigger YB-1 posttranscriptional gene-silencing via the RNA interference (RNAi) pathway, i.e. the MDR cell line EPG85-257RDB well as its drug-sensitive counterpart EPG85-257P. The YB-1 gene-silencing effects of 90 % were accompanied by a reduction of adenoviral gene expression of 70 %. In conclusion, the data demonstrate that an highly efficient adenoviral delivery of shRNAs can chemosensitise human cancer cells and that YB-1 is involved in the regulation of adenoviral gene expression of originally replication deficient Ad-vectors in MDR cancer cells.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem neuartigen proteinbasierten, suizidgentherapeutischen Ansatz zur sicheren und effektiven Behandlung von soliden Tumoren. Verwendet wurden zellpermeable Fusionsproteine auf der Grundlage des bakteriellen Enzyms Cytosin Desaminase, welches spezifisch die Umsetzung der inaktive, nichttoxische Substanz (Prodroge) 5-Fluorcytosin in den hochwirksamen, stark toxischen Wirkstoff 5-Fluoruracil katalysiert. Dieser bewirkt die selektive Zerstörung von Tumorzellen. Durch die Fusion der bakteriellen Cytosin Desaminase (bCD) mit der Sequenz des Zellpermeabilität vermittelnden Peptides HBV-Translokationsmotiv (TLM) des Hepatits B-Virus (HBV) wurden zunächst zellpermeable E.coli Cytosin Desaminase Suizidfusionskonstrukte generiert. Für die bakteriell synthetisierten HBV-TLM-Fusionsproteine konnten eine Hexamerisierung sowie eine spezifische enzymatische Aktivität bei der Umsetzung von Cytosin zu Uracil als strukturelle und funktionelle Voraussetzungen für einen Einsatz in der Suizidgentherapie nachgewiesen werden, die vergleichbar mit dem wt-Protein waren. Bei Versuchen zur Internalisierung der zellpermeablen Fusionsproteine wurde für die Fusionsproteine mit C-terminal fusioniertem HBV-TLM (bCD-HBV-TLM) eine Aufnahme in das Zytoplasma von Hepatomzellen mittels konfokaler Laserscanmikroskopie und differentieller Zellfraktionierung nachgewiesen, nicht jedoch für Fusionsproteine mit N-terminalem HBV-TLM (HBV-TLM-bCD). Die gezeigte Internalisierung des Proteins HBV-TLM-bCD erfolgte effizient und schnell und war unabhängig vom endosomalen Aufnahmeweg. Bei der nachgewiesenen Translokalisation blieb die enzymatische, suizidgentherapeutische Aktivität des zellpermeablen Suizidproteins (HBV-TLM-bCD), d.h. die katalytische Wirkung bei der Umsetzung der Prodroge 5-Fluorcytosin vollständig erhalten, so dass sich dieses Fusionsprotein für einen therapeutischen Einsatz in der Suizidgentherapie eignet. Zusätzlich zur antitumoralen Wirkung können durch einen gezielten, lokal begrenzten therapeutischen Einsatz der vorgestellten zellpermeablen bCD-HBV-TLM-Fusionsproteine starke Nebenwirkungen, wie sie bei einer konventionellen Chemotherapie zu beobachten sind, weitgehend vermieden werden. / This work investigates the application of protein based therapeutic suicide enzyme/prodrug approaches providing novel means for both safe and effective local therapeutic regimes in solid tumors. The concept of the used suicide gene therapy system is based mainly on the transfer of the cell permeable bacterial suicide enzyme cytosine deaminase which specifically convert the inactive, non-toxic prodrug 5-fluorocytosine into the toxic metabolite 5-fluorouracil finally executing the efficient destruction of tumor cells. Employing a novel cell permeable peptide, known as the translocation motif (TLM) of hepatitis B virus (HBV), E.coli cytosine deaminase (bCD) suicide fusion proteins were generated. HBV-TLM fusion proteins formed hexamers (as do parental wt bCD) and retained the specific enzymatic activity of cytosine conversion to uracil also being comparable to parental wtbCD protein. However, only bCD-HBV-TLM fusion proteins, but not HBV-TLM-bCD fusion proteins were found to be taken up to the cytoplasm of target hepatoma cells as demonstrated both by confocal laser scanning microscopy and cell fractionation. Uptake of bCD-HBV-TLM worked both efficiently and rapidly and was found to be independent from the endosomal pathway. Since bCD-HBV-TLM fusion proteins completely retained their suicide enzymatic activity in the course of translocation across the plasma membrane their usage as profound inducers of chemo-sensitivity to 5-fluorocytosine strongly is suggested. Future therapeutic local application of cell permeable bCD-HBV-TLM fusion proteins together with a systemic 5-fluorocytosine prodrug application could result in profound antitumor activities without apparent side effects.

Ziel der Arbeit war, zu untersuchen, ob der gezielte Einsatz gentherapeutischer Methoden zu einer Verhinderung der Abstoßung allogener Transplantate bzw. zu einer Verhinderung der Induktion des Ischämie-/Reperfusionsschadens in verschiedenen Transplantationsmodellen der Ratte beitragen kann. Dabei wurden zwei Schwerpunkte gesetzt: Zum einen wurde auf den ex-vivo Gentransfer von therapeutischen Molekülen direkt in das Transplantat mit Hilfe von rekombinanten Adenoviren fokussiert. Zum anderen wurde das Potenzial von retroviral modifizierten, allospezifischen T-Zellen als Träger therapeutischer Gene zur Verhinderung der Transplantatrejektion untersucht. Diese Habilitationsschrift umfasst dreizehn Originalartikel in internationalen Zeitschriften, sechs Übersichtsartikel (Reviews) und vier Manuskripte, die bereits zur Veröffentlichung eingereicht sind. / The aim of the research was to investigate, whether the specific use of gene therapeutic methods can play a role in the prevention of allogeneic graft rejection or in the prevention of the induction of ischemia/reperfusion damage in various rat transplantation models. Doing this there were to main focusses: First we concentrated on the ex-vivo gene transfer of therapeutic molecules directly into the graft, which was done using recombinant adenoviruses. Then we investigated the potential of retrovirally modified, allospecific T-cells as carriers for therapeutic genes for the prevention of graft rejection. This publication consists of thirteen original papers in international journals, six reviews and four manuscripts that have been submitted for publication.

Bakterielle Toxine stellen eine wirkungsvolle und effektive Alternative zur Therapie von Tumorerkrankungen dar. Das vom Clostridium perfringens Typ A produzierte Clostridium perfringens enterotoxin (CPE) gehört zu der Gruppe der porenbildenden Toxine und weist eine rezeptorspezifische zytotoxische Wirkung auf, welche über die Membranrezeptoren Cldn3 und Cldn4 entfaltet wird. Diese liegen vor allem in Epithelialkarzinomen wie dem Brust-, Prostata-, oder Kolon-, sowie dem Pankreaskarzinom (PK) stark hochreguliert vor. Ziel dieser Arbeit war die Anwendung des neuen selektiven und effizienten „Onkoleaking“ Suizid-Gentherapie Konzepts für die Behandlung von Cldn3 / 4 überexprimierender PK unter Verwendung eines nicht-viralen translations-optimierten CPE exprimierenden Vektors (optCPE). Weiterhin sollte in dieser Arbeit der genaue molekulare Mechanismus der CPE-vermittelten Zytotoxizität in vitro und auch in vivo analysiert werden. Für die in vitro Analysen wurden verschiedene humane PK Zelllinien, Patienten abgeleitete Xenotransplantate (PDX) und deren abgeleiteten Zellen bezüglich ihrer Cldn3 / 4 Expression und Sensitivität sowohl gegenüber rekombinantem CPE (rekCPE) als auch nach optCPE Gentransfer untersucht. Es konnte eine positive Korrelation zwischen der Effizienz CPE vermittelter Zytotoxizität und der Höhe der Cldn3 / 4 Überexpression gezeigt werden. Des Weiteren wurde die Verfügbarkeit und Zugänglichkeit der CPE Rezeptoren für die Toxinbindung als kritischer Faktor für die durch Porenbildung induzierte Zytotoxizität beschrieben. Auch eine detaillierte Analyse verschiedener apoptotischer und nekrotischer Signalwege und deren Schlüsselmoleküle waren vom besonderen Interesse. Von noch größerer Wichtigkeit war jedoch die Anwendbarkeit und der Nachweis der antitumoralen Wirksamkeit der optCPE-basierten Suizid-Gentherapie mit Hilfe des intratumoralen Jet-Injektion Gentransfers in verschiedenen Luziferase-exprimierenden CDX und PDX Modellen des PK. Alle in vivo Studien zeigten eine selektive optCPE vermittelte Verminderung der Tumorvitalität in Verbindung mit Nekrose, die in fast allen Fällen mit einer Reduktion des Tumorvolumens einher ging. Die tierexperimentellen Studien belegen damit die Effektivität der CPE-basierten Gentherapie im Pankreaskarzinom. Mit diesen neu gewonnenen Erkenntnissen zum „Onkoleaking“ Konzept der CPE Suizid-Gentherapie und deren Wirkungsmechanismen sind Kombinationen mit konventionellen Therapien möglich. / Bacterial toxins have evolved to an effective therapeutic option for cancer therapy and numerous studies demonstrated their antitumoral potential. The Clostridium perfringens enterotoxin (CPE), produced by the anaerobic Clostridium perfringes bacteria, is a pore-forming (oncoleaking) toxin, which binds to its receptors claudin-3 and -4 (Cldn3 / 4) and exerts a selective, receptor-dependent cytotoxicity. The transmembrane tight junction proteins Cldn3 and Cldn4 are known CPE receptors and are highly upregulated in several human epithelial cancers such as breast, colon, ovarian and pancreatic cancer. This study aimed at the evaluation of the potential of oncoleaking gene therapy using a non-viral translation optimized CPE vector (optCPE) as a new suicide approach for the treatment of Cldn3  /  4 overexpressing pancreatic cancer (PC) in vitro and in vivo. We demonstrated the successful in vitro use of optCPE gene transfer in a panel of human PC cells and more importantly patient derived PC xenograft (PDX) derived cells. We showed significant reduction of cell viability in all Cldn3 / 4 overexpressing PC cells after optCPE transfection. Furthermore a positive correlation between CPE cytotoxicity and level of claudin expression was shown. We revealed accessibility of CPE receptors for toxin binding as determining for optCPE mediated cytotoxicity. Since investigation of optCPE induced cell death mechanism was of particular interest, detailed analyses of apoptotic and necrotic key players were performed. By this, caspase dependent- and independent apoptosis and necrosis activation after gene transfer was demonstrated, which was dependent on amount of expressed optCPE and accessibility of Cldn. More importantly, this study demonstrated the applicability and antitumoral efficacy of optCPE gene therapy by the non-viral intratumoral jet-injection gene transfer in vivo in different luciferase-expressing CDX and PDX pancreatic cancer models. The animal experiments demonstrated the selective CPE mediated tumor growth inhibition, associated with reduced tumor viability and effective induction of tumor necrosis. This further corroborated the advantages of this novel oncoleaking strategy. With this gain of knowledge about our new oncoleaking concept of suicidal gene therapy and its mechanism of action, novel combinations with conventional therapies are possible to further improve therapeutic efficacy and to overcome resistance in pancreas carcinoma.