Auf Adenoviren (Ads) basierende Vektoren wurden als ein gezielter Anti-Krebs-Wirkstoff entwickelt, der erfolgversprechende Resultate in prä-klinischen Studien erzielen konnte. Solche onkolytischen Ads sind zwar in klinischen Studien generell als sicher eingestuft worden, konnten jedoch die therapeutischen Erwartungen nicht erfüllen. In dieser Doktorarbeit konnte, unter Verwendung der Genexpressionsprofile von Ovarialkarzinom-Zellen, der epitheliale Phänotyp als Hindernis für allgemein verwendete onkolytische Ads, die auf den Coxsackie- und Adenovirusrezeptor (CAR) oder CD46 ausgerichtet sind, identifiziert werden. Der Zugang zu den Virus-Rezeptoren war zwingend an Zelldepolarisation und den Verlust der epithelialen Zonulae occludens und adherens gekoppelt, was Merkmale der Epithelial-zu-Mesenchymal-Transition (EMT) darstellt. Bedeutsam ist in diesem Zusammenhang, dass Tumore in situ als auch Xenograft-Tumore zum größten Teil aus Epithelzellen oder epithelial/mesenchymalen (E/M) Hybrid-Zellen bestehen. Diese E/M Hybrid-Zellen sind die einzigen Zellen, welche an Zellkulturbedingungen adaptieren, wo sie durch EMT während weiterem Passagieren in Mesenchymzellen differenzieren. Bemerkenswert ist hierbei die Tatsache, dass nur Mesenchymzellen und E/M Hybrid-Zellen, die sich im EMT-Prozess befanden, sensitiv zu viraler Onkolyse waren. In Versuchen, die festgestellte Resistenz zu überwinden, wurde herausgefunden, dass bisher nur wenig erforschte Adenovirus-Serotypen (Ad3, Ad7, Ad11 und Ad14), welche einen anderen Rezeptor als CAR oder CD46 auf Zellen benutzen, besser geeignet sind, um polarisierte Epithelzellgewebe zu infizieren. Diese Ads induzierten EMT-ähnliche Prozesse in Ovarialkarzinom-Kulturen mit epithelialem Phänotyp, was zu deren effizienter Onkolyse führte. Die vorliegende Arbeit trägt somit zur Aufklärung der Diskrepanz zwischen der Virustherapie-Effizienz in vivo und in vitro bei und bietet Anhaltspunkte für die Konstruktion von zukünftigen onkolytischen Ads. / Vectors based on adenoviruses have been designed as targeted anti-cancer therapeutics that showed promising results in pre-clinical applications. In clinical trials, these oncolytic adenoviruses have generally been proved safe in patients, but have fallen short of their expected therapeutic value. In this thesis the susceptibility of primary ovarian cancer cells to oncolytic adenoviruses was studied in order to identify cellular mechanisms that confer resistance to virotherapy. Using gene expression profiling of cancer cells either resistant or susceptible to viral oncolysis, it was discovered that the epithelial phenotype of ovarian cancer represents a barrier to infection by commonly used oncolytic adenoviruses targeted to coxsackie- and adenovirus receptor (CAR) or CD46. Accessibility to viral receptors was critically linked to depolarization and the loss of tight and adherens junctions, both hallmarks of epithelial-mesenchymal transition (EMT). Importantly, tumors in situ as well as xenograft tumors derived from primary ovarian cancer cells mostly contained epithelial cells and cells that are in an epithelial/mesenchymal (E/M) hybrid stage. These E/M cells are the only xenograft-derived cells that can be cultured and with passaging undergo EMT to differentiate into mesenchymal cells. Notably, only mesenchymal cells and E/M cells in the process of EMT were susceptible to viral oncolysis. In attempts to overcome the observed resistance, it was found that thus far little explored adenovirus serotypes (Ad3, Ad7, Ad11, and Ad14), which use cellular receptor(s) other than CAR and CD46, have superior oncolytic abilities on polarized epithelial tissue. This study therefore contributes to the clarification of observed discrepancies between virotherapy performances in vitro and in vivo and gives a rationale for the construction of future oncolytic adenoviruses.

Die Gentherapie hat in den letzten Jahren wesentliche Entwicklungen im Vektordesign, der kontrollierte Expression sowie der Sicherheit ihrer Anwendung durchgemacht. Die Erkenntnis, dass die Tumorgentherapie allein nur in begrenztem Maße zum erhofften therapeutischen Benefit für den Patienten beitragen kann, führte zum Konzept der lokalen Gentherapie als Teil anderer, etablierter Tumortherapien. In diesem Zusammenhang wird die Gentherapie als eine moderne Option zur Steigerung der Effizienz von Chemotherapie, Strahlentherapie oder Hyperthermie verstanden. Zum Erreichen dieses Zieles ist die Etablierung Therapie-regulierbarer Vektorsysteme von besonderer Attraktivität. Im Rahmen der Strategie des lokalen Transfers therapeutischer Gene bietet inzwischen die Anwendung nicht-viraler Transfersysteme, wie z.B. in vivo-Elektrotransfer, Gene-Gun oder Jet-Injection eine klinisch applikable Technologie. Die Etablierung einer effizienten, auf der Jet-Injection basierenden nicht-viralen Transfertechnologie und die Analyse ihres Potentials für eine klinische Anwendung in einem multimodalen Therapiekonzept war ein wesentliches Ziel der Arbeit. Es wurde gezeigt, dass die Jet-Injection in tierexperimentellen Tumormodellen zur effizienten Expression der Transgene führt, dass sowohl Eindringtiefen, als auch Verteilung der Jet-Injection optimal für einen effizienten Gentransfer sind und die Höhe der Genexpression mit etablierten Gentransfer-Technologien, wie z.B. der in vivo-Lipofektion, vergleichbar ist. Basierend auf der Strategie des Einsatzes der Gentherapie in Kombination mit anderen Therapien, bestand ein weiteres Ziel der Arbeit in der Charakterisierung und Anwendung konditioneller Vektorsysteme, mit denen die Expression therapeutischer Gene durch Chemotherapie oder Hyperthermie kontrollierbar ist. Derartige Vektoren, in denen der humane Multidrug Resistenzgen 1- (mdr1) Promotor genutzt wurde, exprimierten vor allem Zytokingene, die die therapeutische Effizienz von Zytostatika oder der Hyperthermie verbessern. Die Zytostatika-und auch Hitze-Induzierbarkeit der mdr1-Promotor gesteuerten Genexpression konnte in verschiedenen Tumormodellen in vitro und in vivo erfolgreich demonstriert werden Diese Untersuchungen zeigten, dass eine Zytostatika-induzierte Gentherapie zu einer besseren Tumortherapie beiträgt. Die Kombinations-Experimente der konditionellen Gentherapie im Kontext einer Hyperthermie geben erste Hinweise, dass auch hier die therapeutische Effektivität in vitro und in vivo gesteigert werden kann. Im Rahmen des Konzepts der kombinierten Gen- und Chemotherapie von Tumoren ist in der Arbeit vor allem auf das chemosensitivierende Potential von Zytokinen gesetzt worden. Besonders für TNF-a, IL-2 sowie IFN-g konnte gezeigt werden, dass diese Zytokine zu einer Modulation der Expression MDR-assoziierter Gene, wie dem mdr1, MVP/LRP und auch MRP1 in der Lage sind und dadurch zur Chemosensitivierung in verschiedenen Tumormodellen führt. Diese Befunde bildeten eine wichtige Rationale für den Einsatz von Zytokingenen im Rahmen der Tumorgentherapie zur Überwindung der MDR. Gentransferexperimente mit TNF-a- und IL-2-exprimierenden Vektoren konnten analog zur Applikation rekombinanter Zytokine die Modulation der Gene mdr1 und MVP/LRP zeigen, die mit der Erhöhung der Sensitivität gegenüber Zytostatika wie Vincristin oder Adriamycin assoziiert ist. / Gene therapy has made great achievements in vector design, controlled gene expression and in safety. The fact, that gene therapy as single therapy has only limited potential for the benefit in the therapy for cancer patients, has led to the concept of local gene therapy as part of other, established therapies. In this context, gene therapy serves as a modern option to improve the efficiency of chemotherapy, radiotherapy or hyperthermia. To achieve this goal, the establishment of therapy-regulatable vectors is of particular attractiveness. For the concept of local transfer of therapeutic genes non-viral transfer systems, such as in vivo electrotransfer, gene gun or jet-injection represent clinically applicable transfer technologies. One major issue of this work was the establishment of an efficient, jet-injection based non-viral transfer technology and the analysis of its potential for clinical application in a concept of multimodal therapy. It has been shown in vivo, that efficient transgene expression can be achieved by jet-injection, that penetration and distribution of the transgene are optimal for an efficient gene transfer and that the level of gene expression is comparable to established gene transfer technologies, sch as in vivo lipofection. Based on the strategy of combination of gene therapy with other therapies, another goal of this work aimed at the characterization and utilization of conditional vector systems, by which expression of therapeutic genes is controllable by chemotherapy or hyperthermia. By such vectors, in which the human multidrug resistance gene 1 (mdr1) promoter was employed, cytokine genes were expressed, which are capable to improve the therapeutic efficacy of cytostatic drugs or of hyperthermia. The drug- and heat-inducibility of mdr1 promoter-driven gene expression has successfully been demonstrated in in vitro and n vivo tumor models. The studies have also shown, that drug-induced gene therapy leads to improved tumor treatment. Combination experiments of conditional gene therapy in the context with hyperthermia give first indication of an increased therapeutic efficiency in vitro and in vivo. For the concept of combined gene- and chemotherapy the chemosensitizing potential of cytokines was exploited. It has been shown, particularly for TNF-a, IL-2 and IFN-g, that these cytokines are capable to modulate the expression of MDR-associated genes, such as mdr1, MVP/LRP or MRP1 leading to chemosensitization in different tumor models. These observations represent an important rationale for the use of cytokine genes in gene therapy for MDR-overcoming. Gene transfer experiments with TNF- or IL-2 expressing vectors showed the modulation of mdr1 or MVP/LRP expression, associated with increased sensitivity towards cytostatic drugs, such as vincristine or adriamycin.

Die spezifische adoptive Immuntherapie ist ein hoffnungsvoller Ansatz zur Behandlung von Tumoren. Die aufwendige individuelle Bereitstellung primärer Effektorlymphozyten könnte durch den Einsatz etablierter tumorantigenspezifischer Effektorzellinien vermieden werden. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich ein Tumortargeting der humanen Natürlichen Killer-(NK)-Zellinie YT durch den Gentransfer chimärer Immunglobulin-T-Zellrezeptoren (cIgTCRs) erreichen läßt. Die cIgTCR-Konstrukte wurden aus single-chain-Fv-Fragmenten (scFv), dem IgG1-Fc-Teil und der CD3-Zeta-Signalkette erzeugt. Die scFv-Fragmente wurden aus den humanisierten Antikörpern BW431/26 und HuM195, die spezifisch für das karzinoembryonale Antigen (CEA) bzw. CD33 sind, konstruiert und zeigten als scFv-hFc-Fusionsproteine eine spezifische Bindung an Tumorzellen. Die YT-Zellen wurden mit den cIgTCR-Genkonstrukten über Elektroporation transfiziert und über immunologische Verfahren angereichert. In-vitro-Studien ergaben eine spezifische Lyse von CEA+ Kolonkarzinomzellinien durch die scBW431/26-hFcZeta+ YT-Zellen. Die Zytotoxizität korrelierte mit der Expression des cIgTCR-Antigens auf den Tumorzellen und wurde durch zirkulierendes CEA nicht gehemmt. Die scHuM195-hFcZeta+ YT-Zellen zeigten eine spezifische Lyse der CD33+ myeloischen Leukämiezellinie KG1. Die Bestrahlung wurde zur Wachstumsbegrenzung der YT-Zellen eingesetzt. Die spezifische Zytotoxizität der scBW431/26-hFcZeta+ YT-Zellen gegenüber CEA+ Tumorzellen war einen Tag nach Bestrahlung unverändert. Die Koinjektion von CEA+ Tumorzellen mit bestrahlten scBW431/26-hFcZeta+ YT-Zellen führte zu einer signifikanten Hemmung des Tumorwachstums in NOD/SCID-Mäusen. Die cIgTCR+ YT-Zellen zeigten in vitro eine geringe Sensibilität gegenüber allogenen Blutlymphozyten. Die Ergebnisse zeigen, daß die Zytotoxizität der NK-Zellinie YT tumorantigenspezifisch durch cIgTCR-Gentransfer erweitert wird und ein Potential zur Behandlung minimaler Tumorerkrankungen besteht. / The specific adoptive immunotherapy is a promising strategy for cancer treatment. The utilization of established tumor antigen specific effector cell lines could bypass the expendable individual preparation and often limited specificity of primary effector lymphocytes. This study investigated the tumor targeting of the human Natural Killer (NK) cell line YT by gene transfer of chimeric immunoglobulin T cell receptors (cIgTCRs). The cIgTCR constructs were generated of single chain antibody fragments (scFv), the IgG1 Fc part and the CD3 Zeta chain. The scFv fragments were constructed of the humanized antibodies BW431/26 and HuM195 with specificity for the carcinoembryonic antigen (CEA) and CD33, respectively, and showed as scFv-Fc fusion proteins a specific binding to tumor cells. YT cells were transfected with the cIgTCR gene constructs by electroporation and enriched by immunological cell separation. In vitro studies revealed a specific lysis of CEA+ colon carcinoma cell lines by scBW431/26-hFcZeta+ YT cells. The cytotoxicity correlated with the expression of the cIgTCR antigen on the tumor cells and was not inhibited in the presence of soluble CEA. The scHuM195-hFcZeta+ YT cells mediated a specific lysis of the CD33+ myeloic leukemia cell line KG1. The irradiation was used to limit the growth of the YT cell line. The specific cytotoxicity of the scBW431/26-hFcZeta+ YT cells against CEA+ tumor cells was unaltered one day after irradiation. The coinjection of CEA+ tumor cells and irradiated scBW431/26-hFcZeta+ YT cells led to a significant growth inhibition in NOD/SCID mice. The cIgTCR+ YT cells showed a low susceptibility to the cytotoxicity of allogeneic blood lymphocytes in vitro. The results demonstrated that the cytotoxicity of the human NK cell line YT can be specifically extended to tumor antigens by cIgTCR gene transfer. The employment of receptor gene modified YT cells could be a useful tool for the adoptive immunotherapy of minimal tumor diseases.