S179D prolactina (hPRL) é uma mímica molecular da prolactina humana fosforilada. Demonstrou-se que a S179D-hPRL era anti angiogênica nos ensaios de angiogênese baseados na membrana corialantóica de galinha e na córnea de camundongos. Investigações posteriores realizadas empregando modelos in vitro demonstraram que o tratamento com S179D-hPRL diminuiu o número de células viáveis, reduziu a formação de túbulos em Matrigel e interferiu com a migração e invasão da matriz extracelular. A análise dos fatores de crescimento de células endoteliais humanas tratadas com S179D-hPRL revelou: uma diminuição na expressão ou liberação da PRL endógena, da heme-oxigenase-1, do fator de crescimento de fibroblasto básico (bFGF) e um aumento na expressão de dois inibidores teciduais de metaloproteases. A S179D-hPRL também bloqueou a sinalização provocada por bFGF nessas células. Nós concluímos que essa mímica molecular do hormônio pituitário fosforilado é uma potente proteína anti-angiogênica, em parte devido á sua habilidade de reduzir o estímulo autócrino de fatores de crescimento de células endoteliais de cordão umbilical humano (HUVEC), por sua capacidade de bloquear a sinalização promovida pelo bFGF e por sua habilidade de interferir na migração endotelial. Também foi estudada a influência da S179D-hPRL na apoptose em células endoteliais humanas, empregando caspase-8 como um marcador da via extrínseca, e a liberação de citocromo C como um marcador da via intrínseca. As duas cascatas convergem na ativação da caspase-3, que cliva a fator de fragmentação de DNA (DFF45). Uma incubação de três dias com 50 ng/mL de S179D-hPRL quadruplicou o número de células apoptóticas; esse efeito duplicou-se com uma concentração de 100 ng/mL e atingiu um ápice com 500 ng/mL. A clivagem de DFF45 e da pro-caspase-8 foi detectado com 100 ng/mL. Citocromo C, porém, só foi observado com concentrações de 500 ng/mL. O regulador de ciclo celular p21 (um marcador pró-apoptótico) elevou-se com 100 ng/mL, enquanto que um incremento do supressor tumoral p53 necessitou três vezes o tempo de incubação e 500 ng/mL. A atividade do promotor de p21 foi máxima com 50 ng/mL do análogo de hPRL, enquanto que 500 ng/mL foram necessários para se visualizar uma alteração significativa na atividade do promotor de Bax (um indicador da atividade de p53). Como previamente demonstrado na literatura, S179D-hPRL bloqueou a fosforilação da quinase regulada extracelularmente (ERK) em resposta ao bFGF, mas também causou uma ativação tardia e prolongada da ERK. PD 98059 [inibidor específico da proteína quinase ativada por mitógeno (MAPkinase)] inibiu essa ativação tardia e sustentada assim como outros efeitos da S179D-hPRL, exceto aquele sobre a indução de p53 e ativação do promotor de Bax. Podemos concluir que baixas doses de S179D-hPRL bloqueiam a sinalização de ERK induzida por bFGF e concomitantemente ativam a ERK em um tempo diferente, resultando na elevação de p21 e ativando a via extrínseca de apoptose. Maiores tempos de incubação e concentração, entretanto, ativam a via intrínseca empregando uma cascata intracelular diferente. Esses achados sugerem que níveis circulantes de PRL fosforilada podem inibir a progressão do câncer e, portanto, S179D-hPRL poderia ser um agente anti-angiogênico útil na terapêutica. / S179D-prolactin (hPRL) is an experimentally useful mimic of naturally phosphorylated human prolactin. S179D-hPRL, but not unmodified PRL, was found to be anti-angiogenic in both the chorioallantoic membrane and corneal assays. Further investigation using human endothelial in vitro models showed reduced cell number, reduced tubule formation in Matrigel, and reduced migration and invasion, as a function of treatment with S179D-hPRL. Analysis of growth factors in human endothelial cells in response to S179D-hPRL showed a decreased expression or release of endogenous PRL, heme-oxygenase-1, basic fibroblast growth factor (bFGF), angiogenin, epidermal growth factor and vascular endothelial growth factor and an increased expression of inhibitors of matrix metalloproteases. S179D-hPRL also blocked signaling from bFGF in these cells. We conclude that this molecular mimic of a pituitary hormone is a potent anti-angiogenic protein, partly as a result of its ability to reduce utilization of several well-established endothelial autocrine growth loops, partly by its ability to block signaling from bFGF and partly because of its ability to decrease endothelial migration. We also examined the influence of S179D-hPRL on apoptosis in human endothelial cells, using procaspase-8 as a marker of the extrinsic pathway, and cytochrome C release as a marker of the intrinsic pathway. Both pathways converge at caspase-3, which cleaves DNA fragmentation factor (DFF45). A 3-day incubation with 50 ng/ml S179D-hPRL quadrupled the early apoptotic cells; this effect was doubled at 100 ng/ml and maximal at 500 ng/ml. DFF45 and pro-caspase 8 cleavage were detectable at 100 ng/ml. Cytochrome C, however, was unaffected until 500 ng/ml. p21 increased at 100 ng/ml, whereas a change in p53 activity required both triple the time and 500 ng/ml. p21 promoter activity was maximal at 50 ng/ml, whereas 500 ng/ml were required to see a significant change in the Bax promoter (a measure of p53 activity). As previously shown, S179D-hPRL blocked extracelular regulated kinase (ERK) phosphorylation in response to bFGF, but, in addition, continued co-incubation showed a delayed and prolonged activation of ERK. PD98059 [a specific mitogen-activated protein kinase (MAPkinase) inhibitor] inhibited this delayed activation of ERK and the effects of S179D-hPRL on all parameters except p53, or activity of the Bax promoter. We conclude that low doses of S179D-hPRL block bFGF-induced ERK signaling and yet activates ERK in a different time frame to elevate p21, and activate the extrinsic pathway. Longer incubations and higher concentrations, however, additionally activate the intrinsic pathway using an alternate intracellular signal. These findings suggest that circulating levels of phosphorylated hPRL may reduce the progression of cancer and, furthermore, that S179D-hPRL may be a useful anti-angiogenic therapeutic.

Stickstoffmonoxid (NO) spielt eine wichtige Rolle bei Gefäßremodelling-Prozessen wie Angiogenese und Arteriogenese. Die NO-Synthese im Gefäßsystem wird hauptsächlich durch die endotheliale NO-Synthase (eNOS) gewährleistet. Sie kann durch verschiedene Faktoren wie Scherkräfte und Zytokine wie der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) reguliert werden. VEGF ist ein wichtiger Stimulator der Angiogenese und wird während dieses Prozesses hochreguliert. Die meisten physiologischen Effekte von NO werden durch die NO-sensitive Guanylyl-Cyclase (NO-GC) vermittelt. Als Hauptrezeptor für NO produziert die NO-GC den sekundären Botenstoff cyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP) und führt dadurch zur Stimulation der verschiedenen Effektoren wie z.B. der PKG. Ob die Wirkung von NO in Angiogenese und Arteriogenese ebenfalls durch NO-GC vermittelt wird, war bis zum Beginn dieser Arbeit noch unklar. Die NO-GC besteht aus zwei Untereinheiten (α und ß). Die Deletion der ß1-Untereinheit in Mäusen resultiert in einer vollständigen Knockout Maus (GCKO). Mithilfe des Cre-LoxP-Systems wurden zusätzlich zellspezifische Knockout-Mäuse für glatte Muskelzellen (SMC-GCKO) und Endothelzellen (EC-GCKO) generiert. Um die Rolle der NO-GC in der Angiogenese und Arteriogenese zu untersuchen, wurden drei gut etablierte Methoden benutzt. Im ersten Teil des Projekts sollte die Expression der NO-GC in Endothelzellen untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde die reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) benutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die NO-GC in Endothelzellen der Lunge nur äußerst gering wenig exprimiert ist. Durch den Aortenring-Assay wurde eine Rolle der NO-GC bei der VEGF-vermittelten Angiogenese festgestellt. Dabei zeigte sich eine stärkere Angiogeneserate bei globaler Abwesenheit der NO-GC. Bei Fehlen der NO-GC ausschließlich in Endothelzellen zeigte sich kein Unterschied in den aussprossenden Aorten im Vergleich zu den Kontroll-Tieren. Dies zeigt, dass die NO-GC in Endothelzellen sehr wahrscheinlich keine Rolle bei der VEGF-vermittelten Angiogenese spielt. Im zweiten Teil wurde die Rolle der NO-GC bei der Angiogenese in einem in vivo-Modell untersucht. In dem Modell der Sauerstoff-induzierten-Retinopathie zeigten die GCKO-Mäuse eine verringerte Vaso-Obliteration, eine verlangsamte Angiogenese und eine erhöhte Tuft-Bildung. Ähnliche Ergebnisse wurden bei den SMC-GCKO-Tieren beobachtet. EC-GCKO-Mäuse zeigten eine gegenüber den Kontroll-Tieren unveränderte Vaso-Obliteration, Angiogeneserate und Tuft-Bildung. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die NO-GC in Endothelzellen keine Rolle spielt. Immunfluoreszenz-Aufnahmen zeigten die Expression von NO-GC in Perizyten der Gefäßkapillaren der Mausretina. Daher könnte die NO-GC in diesem Zelltyp letztendlich für die Effekte bei den GCKO- und SMC-GCKO-Tieren verantwortlich sein. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde eine Versuchsreihe unter Anwendung des Hinterlauf-Ischämie-Modells durchgeführt. Hierbei entwickelten die Pfoten aller GCKO- und teilweise der SMC-GCKO-Tiere nach der Ligation der Femoralarterie eine Nekrose. Die Regeneration der Hinterläufe der EC-GCKO-Tiere nach der Operation verlief normal. Diese Ergebnisse schließen eine bedeutende Rolle der NO-GC in Endothelzellen aus, zeigen allerdings, dass die NO-GC in den glatten Muskelzellen essentiell für den Arteriogenese-Prozess ist. Zusammengefasst führt die Deletion der NO-GC in glatten Muskelzellen und wahrscheinlich auch in Perizyten zur einer verlangsamten Angiogenese und Inhibierung der Arteriogenese. / Nitric oxide (NO) plays an important role in vascular remodelling processes such as angiogenesis and arteriogenesis. The synthesis of NO in the vascular system is ensured mainly by endothelial NO synthase (eNOS). It can be regulated by a number of factors, such as shear stress and cytokines like the vascular endothelial growth factor (VEGF). VEGF is an important stimulator of angiogenesis and is upregulated during this process. Most of the physiological effects of NO are mediated by the NO-sensitive guanylyl cyclase (NO-GC). As the main receptor for NO, NO-GC produces the second messenger cyclic guanosine monophosphate (cGMP) and thereby leads to a variety of physiological effects. However, whether the effects of NO in angiogenesis and arteriogenesis are also mediated by NO-GC is still unclear. NO-GC consists of two subunits (α and ß). The deletion of the ß1 subunit in mice results in a global knockout mouse (GCKO). Using the Cre-LoxP system we also generated smooth muscle cell-specific (SMC GCKO) and endothelial cell-specific knockout mice (EC GCKO). To investigate the role of NO-GC in angiogenesis and arteriogenesis, three well-established methods have been used. In the first part of the project, the expression of the NO-GC in endothelial cells should be investigated. By using the reverse transcription polymerase chain reaction method (RT-PCR), the results show a very weak expression of the NO-GC in endothelial cells of the lung. A role for NO-GC in the VEGF-mediated angiogenesis was ascertained by the aortic ring assay. The results show an increased angiogenesis in the global absence of NO-GC. However, the EC-GCKO shows no difference compared to control mice. This indicates that NO-GC in endothelial cells is unlikely to play a major role in VEGF-mediated angiogenesis. In the second part of the project, the role of NO-GC in angiogenesis was investigated in an in vivo model. In the oxygen induced-retinopathy model (OIR), GCKO mice showed reduced vaso-obliteration, slowed angiogenesis and increased tuft formation. Similar results were observed in the SMC-GCKO animals. In contrast, EC-GCKO mice showed vaso-obliteration as well as angiogenesis rate and tuft formation similar to those seen in control animals. The results of this experiment suggest that NO-GC in endothelial cells is not involved in vaso-obliteration, physiological angiogenesis and tuft formation. Immunhistochemical analyses showed the expression of NO-GC in pericytes of the vascular capillaries of the mouse retina. Therefore, NO-GC in this cell type could be responsible for the effects in GCKO- and SMC-GCKO animals. In the last part of this thesis, hindlimb-ischemia experiments were performed. For this purpose, the paws of all GCKO- and some SMC-GCKO animals showed necrosis after ligation of the femoral artery. The regeneration of legs from EC-GCKO animals after the operation was normal. These results exclude a major role of NO-GC in endothelial cells, but show that NO-GC in smooth muscle cells is essential in the arteriogenesis process. In summary, the deletion of NO-GC in smooth muscle cells and probably also in pericytes leads to a slowed angiogenesis and inhibits arteriogenesis.

Tumor-induced angiogenesis is of major interest for oncology research. Vascular endothelial growth factor (VEGF) is the most potent angiogenic factor characterized so far. VEGF blockade was shown to be sufficient for angiogenesis inhibition and subsequent tumor regression in several preclinical tumor models. Bevacizumab was the first treatment targeting specifically tumor-induced angiogenesis through VEGF blockade to be approved by the Food and Drugs Administration (FDA) for cancer treatment. However, after very promising results in preclinical evaluations, VEGF blockade did not show the expected success in patients. Some tumors became resistant to VEGF blockade. Several factors have been accounted responsible, the over-expression of other angiogenic factors, the noxious influence of VEFG blockade on normal tissues, the selection of hypoxia resistant neoplastic cells, the recruitment of hematopoietic progenitor cells and finally the transient nature of angiogenesis inhibition by VEGF blockade. The development of blocking agents against other angiogenic factors like placental growth factor (PlGF) and Angiopoietin-2 (Ang-2) allows the development of an anti-angiogenesis strategy adapted to the profile of the tumor. Oncolytic virotherapy uses the natural propensity of viruses to colonize tumors to treat cancer. The recombinant vaccinia virus GLV-1h68 was shown to infect, colonize and lyse several tumor types. Its descendant GLV-1h108, expressing an anti-VEGF antibody, was proved in previous studies to inhibit efficiently tumor induced angiogenesis. Additional VACVs expressing single chain antibodies (scAb) antibodies against PlGF and Ang-2 alone or in combination with anti VEGF scAb were designed. In this study, VACV-mediated anti-angiogenesis treatments have been evaluated in several preclinical tumor models. The efficiency of PlGF blockade, alone or in combination with VEGF, mediated by VACV has been established and confirmed. PlGF inhibition alone or with VEGF reduced tumor burden 5- and 2-folds more efficiently than the control virus, respectively. Ang-2 blockade efficiency for cancer treatment gave controversial results when tested in different laboratories. Here we demonstrated that unlike VEGF, the success of Ang-2 blockade is not only correlated to the strength of the blockade. A particular balance between Ang-2, VEGF and Ang-1 needs to be induced by the treatment to see a regression of the tumor and an improved survival. We saw that Ang-2 inhibition delayed tumor growth up to 3-folds compared to the control virus. These same viruses induced statistically significant tumor growth delays. This study unveiled the need to establish an angiogenic profile of the tumor to be treated as well as the necessity to better understand the synergic effects of VEGF and Ang-2. In addition angiogenesis inhibition by VACV-mediated PlGF and Ang-2 blockade was able to reduce the number of metastases and migrating tumor cells (even more efficiently than VEGF blockade). VACV colonization of tumor cells, in vitro, was limited by VEGF, when the use of the anti-VEGF VACV GLV-1h108 drastically improved the colonization efficiency up to 2-fold, 72 hours post-infection. These in vitro data were confirmed by in vivo analysis of tumors. Fourteen days post-treatment, the anti-VEGF virus GLV-1h108 was colonizing 78.8% of the tumors when GLV-1h68 colonization rate was 49.6%. These data confirmed the synergistic effect of VEGF blockade and VACV replication for tumor regression. Three of the tumor cell lines used to assess VACV-mediated angiogenesis inhibition were found, in certain conditions, to mimic either endothelial cell or pericyte functions, and participate directly to the vascular structure. The expression by these tumor cells of e-selectin, p-selectin, ICAM-1 and VCAM-1, normally expressed on activated endothelial cells, corroborates our findings. These proteins play an important role in immune cell recruitment, and there amount vary in presence of VEGF, PlGF and Ang-2, confirming the involvement of angiogenic factors in the immuno-modulatory abilities of tumors. In this study VACV-mediated angiogenesis blockade proved its potential as a therapeutic agent able to treat different tumor types and prevent resistance observed during bevacizumab treatment by acting on different factors. First, the expression of several antibodies by VACV would prevent another angiogenic factor to take over VEGF and stimulate angiogenesis. Then, the ability of VACV to infect tumor cells would prevent them to form blood vessel-like structures to sustain tumor growth, and the localized delivery of the antibody would decrease the risk of adverse effects. Next, the blockade of angiogenic factors would improve VACV replication and decrease the immune-modulatory effect of tumors. Finally the fact that angiogenesis blockade lasts until total regression of the tumor would prevent the recovery of the tumor-associated vasculature and the relapse of patients. / Ein Hauptinteresse der onkologischen Forschung liegt auf dem Verständnis der Tumor-induzierten Angiogenese. Es wurde bereits festgestellt, dass die meisten Tumortypen eine abnorme Expression angiogener Faktoren zeigen. Der vascular endothelial growth factor (VEGF) wurde als der effektivste angiogene Faktor beschrieben. Es wurde gezeigt, dass die Hemmung des VEGF zur Inhibition der Angiogenese führt, das wiederum zu Tumorregression in vorklinischen Tumormodellen führte. Bevacizumab ist das erste FDA zugelassene Krebs-Therapeutikum, welches spezifisch auf die Tumor-induzierte Angiogenese durch VEGF-Inhibition abzielt. Der erwartete Erfolg durch VEGF-Hemmung konnte im Patienten allerdings nicht erzielt werden. Die Entwicklung von neuen Angiogenese hemmenden Stoffen wie gegen den placental growth factor (PIGF) oder Angiopoietin-2 (Ang-2), ermöglichen eine an das Tumor-Profil angepasste anti-angiogene Strategie. Die onkolytische Virustherapie die natürliche Eigenschaft der Viren Tumore zu kolonisieren. Das Vaccinia-Virus (VACV) gehört zur Familie der Poxviridae und wurde bereits lange Zeit als Vakzin zur Immunisierung gegen Pocken eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass das rekombinante VACV GLV-1h68 effizient verschiedene Tumortypen infiziert, kolonisiert und lysiert. Das VACV GLV-1h108, welches auf der Basis des GLV-1h68 generiert wurde, kodiert einen anti-VEGF Antikörper. Dieses Virus ist in der Lage ist die Tumor-induzierte Angiogenese effizient zu inhibieren. Zusätzlich zu diesem VACV wurden weitere Konstrukte kloniert, welche für Antikörper gegen PIGF und Ang-2 kodieren. Zusätzlich wurden Virusstämme konstruiert, die gleichzeitig zwei Angiogenesefaktoren anzielen. Es wurde verschiedene VACV-vermittelte anti-Angiogenese Therapien in vorklinischen Tumormodellen wie Lungenadenokarzinome, KolonKarzinom, Melanom und Lungenadenokarzinome evaluiert. Die Effizienz der VACV-vermittelten Hemmung von PIGF und Ang-2, singulär oder in Kombination mit VEGF, wurde mit Tumor-Xenotransplantaten ermittelt. Die Inhibition von PlGF alleine oder in Kombination mit VEGF reduzierten die Tumorbelastung bis zu fünf, beziehungsweise zwei mal effizienter als GLV-1h68. Weiterhin wurde gezeigt, dass anders als VEGF, der Erfolg der Ang-2 Hemmung nicht nur mit der Stärke der Hemmung korreliert. Um Tumorregression sowie eine verbesserte Überlebensrate zu verursachen muss eine Balance zwischen Ang-2, VEGF und Ang-1 induziert werden. GLV-1h68 behandelte Tumore waren drei mal gröβer als Tumore, die mit den anti-Ang2 exprimierenden Viren behandelt wurden. Dieselben Virusstämme verursachten eine erhebliche Verspätung des Wachstums der Tumoren. Ausserdem hat diese Arbeit die Notwendigkeit enthüllt, ein angiogenes Profil des zu behandelnden Tumors zu etablieren sowie den Bedarf die synergistischen Effekte von VEGF und Ang-2 besser zu verstehen. Durch die Inhibition der Angiogenese durch VACV-verursachte PIGF und Ang-2 Hemmung wurde die Anzahl der Metastasen und der migrierenden Tumorzellen reduziert. Es wurde gezeigt, dass VEGF die VACV-Kolonisierung von Tumorzellen limitiert, da der Einsatz eines anti-VEGF VACV zu einer Verbesserung der Kolonisierung führt. In vivo Analysen bestätigten diese in vitro Daten. Nach vierzehn Tagen kolonisierte das anti-VEGF Virus 78,85% der Tumoren während die Kolonizationsquote des Kontrollviruses 49,64 % war. Dies resultierte in Tumorregression. Drei der getesteten Tumorzelllinien, in welchen die VACV-vermittelte Angiogenese-Inhibition untersucht wurde, waren in der Lage als Teil der Vaskulatur zu fungieren. Die Expression von Adhäsionsproteinen in diesen Tumorzellen untermauert die Ergebnisse. Weiterhin konnte ein unterschiedliches Expressionsmuster in Anwesenheit von VEGF, PIGF und Ang-2 festgestellt werden, wodurch die Beteiligung angiogener Faktoren bei den immunmodulatorischen Eigenschaften von Tumoren gezeigt werden konnte. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine VACV-vermittelte anti-angiogene Behandlung für verschiedene Tumorvarianten erfolgsversprechend ist. Die Möglichkeit verschiedene Antikörper gegen unterschiedliche angiogene Faktoren zu exprimieren würde verhindern, dass diese die Angiogenese stimulierende Wirkung des VEGF übernehmen. Die Eigenschaft von VACV Tumorzellen zu infizieren verhindert, dass diese Blutgefäß-ähnliche Strukturen bilden, welche das Tumorwachstum gewährleisten würde. Weiterhin würde die lokal begrenzte Antikörper-Freisetzung das Risiko von Nebenwirkungen senken. Die Inhibition angiogener Faktoren würde die VACV Replikationsrate steigern und den immunmodulatorischen Effekt der Tumore abschwächen. Letztlich würde die Hemmung der Angiogenese bis zur völligen Regression des Tumors aufrechterhalten, die Neubildung Tumor-assoziierter Vaskulatur verhindern und somit den Rückfall des Patienten.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2009.

Thesis (doctoral)--Technische Hochschule, Aachen, 2000.

Universiẗat, Diss., 2007--Giessen.

University, Diss., 2006--Giessen.

Universiẗat, Diss., 2006--Giessen.

Freie Universiẗat, Diss., 2006--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Universiẗat, Diss., 2007--Giessen.