Le projet a consisté à développer une nouvelle stratégie thérapeutique basée sur les spécificités moléculaires intrinsèques des tumeurs solides afin de personnaliser le traitement en le reliant directement au diagnostic de la tumeur (theranostic). Les tumeurs cérébrales et les tumeurs de vessies sont deux exemples de tumeurs solides particulièrement agressives. Ces deux types de tumeurs sont classés en plusieurs sous-groupes ayant leur propre profil moléculaire. Les microARN (ou miR) sont des molécules synthétisées naturellement par les cellules. Ces molécules peuvent avoir un rôle d’oncogène ou de suppresseur de tumeurs et leur expression est fortement dérégulée dans les tumeurs. Ainsi la mesure des taux d’expression de quelques microARN dans un échantillon de tissu tumoral permet de réaliser la distinction des gliomes de haut grade par rapport à ceux de bas grade. Dans le cadre du traitement, la thérapie envisagée consiste à moduler l’expression des microARN dérégulés dans les tumeurs. L’approche évaluée consiste à contrer l’expression de microARN oncogènes surexprimés à l’aide d’un antimicroARN (antimiR). Ce type de molécule est chimiquement semblable aux molécules d’ARN naturellement présentes dans la cellule. Pour une meilleure efficacité de cette stratégie thérapeutique, l’autre partie du projet a consisté à optimiser le transport de l’antimiR et l’effet de la thérapie. Pour introduire l’antimicroARN au plus près du coeur de la tumeur, il a été prévu de réaliser un couplage entre un antimiR et un dérivé de chalcones pénétrant facilement dans les cellules et doué de propriétés antitumorales, cette combinaison paraît prometteuse. / Solid malignant tumors have molecular characteristics that clearly distinguish them from healthy tissue. The project is to develop a new therapeutic strategy based on these molecular characteristics. We set up a new therapeutic approach so as to customize treatment by connecting it directly to the diagnosis of the tumor (theranostic approach).Brain tumours and bladder tumours are two examples of particularly aggressive solid tumours. These two types of tumors are classified into several subgroups that have their own molecular profiles. The microRNAs (miR) are molecules naturally synthesized by cells. These molecules may have a role of oncogene or tumour suppressors whose expression is strongly deregulated in tumours. So the assessment of the expression levels of few microRNA allows the distinction of gliomas of high grade compared to low grade.To set up the new therapy we needed to modulate the expression of microRNAs deregulated in tumors. The proposed approach was to counter the expression of oncogenic microRNAs overexpressed using an antimicroARN (antimiR). This type of molecule is chemically similar to the naturally occurring RNA molecules in the cells. For a better efficiency of this new therapeutic strategy, we tried to optimize the transport of the antimiR to increase the therapeutic effect. To vectorize the therapeitic antimiR to the heart of the tumor, we envisioned to chemically combine the antimiR to a cell-penetrating antitumoral compound. Chalcones derivatives which are hydrophobic have this capability. A combination of the two molecules (antimicroARN and chalcone) was evaluated and the results appeared promising.

Background: MiRNAs act as negative regulators of gene expression through target mRNA degradation or inhibition of its translation. In cancer, several miRNAs are upregulated and play crucial roles in tumorigenesis, making the inhibition of these oncomiRs an interesting therapeutic approach. This can be achieved by directly complementary single-stranded anti-miRNA oligonucleotides (antimiRs). A major bottleneck in antimiR therapy, however, is their efficient delivery. The nanoparticle formation with polyethylenimine (PEI) may be particularly promising, based on the PEI’s ability to electrostatically interact with oligonucleotides. This leads to their protection and supports delivery. In the present study, we explore for the first time PEI for antimiR formulation and delivery. We use the branched low molecular weight PEI F25-LMW for the complexation of different antimiRs, and analyse tumor- and metastasis-inhibitory effects of PEI/antimiR complexes in different tumor models. Results: In prostate carcinoma, transfection of antimiRs against miR-375 and miR-141 leads to tumor cell inhibition in 2D- and 3D-models. More importantly, an in vivo tumor therapy study in prostate carcinoma xenografts reveals anti-tumor effects of the PEI/antimiR complexes. In advanced melanoma and metastasis, we identify by a microRNA screen miR-150 as a particularly relevant oncomiR candidate, and validate this result in vitro and in vivo. Again, the systemic application of PEI/antimiR complexes inhibiting this miRNA, or the previously described antimiR-638, leads to profound tumor growth inhibition. These effects are associated with the upregulation of direct miRNA target genes. In a melanoma metastasis mouse model, anti-metastatic effects of PEI/antimiR treatment are observed as well. Conclusions: We thus describe PEI-based complexes as efficient platform for antimiR therapy, as determined in two different tumor entities using in vivo models of tumor growth or metastasis. Our study also highlights the therapeutic relevance of miR-375, miR-141, miR-150 and miR-638 as target miRNAs for antimiR-mediated inhibition.

O timo é um órgão linfóide primário, responsável pela indução da tolerância imunológica central. Histologicamente esse órgão é formado por um estroma composto por células tímicas epiteliais (TECs) além de outros tipos celulares. Dentre as TECs encontramos as células tímicas epiteliais corticais (cTECs) e as células tímicas epiteliais medulares (mTECs), as quais são responsáveis pela seleção positiva e seleção negativa dos timócitos em desenvolvimento, respectivamente. Durante seu desenvolvimento intra-tímico, os timócitos modulam da expressão de genes de marcadores de diferenciação, os chamados clusters de diferenciação (CDs) além de outros genes. Neste projeto nós nos interessamos por este aspecto, ou seja, o controle da expressão gênica durante a diferenciação dos timócitos. Como os microRNAs (miRNAs) são elementos essenciais de controle fino da expressão gênica, atuando ao nível pós-transcricional de RNAs mensageiros (mRNAs) de células eucarióticas, nosso interesse foi o de estudar este tipo de controle em timócitos. Dentre as centenas de miRNAs já descritos no camundongo, o miRNA 155 (miR-155) é o mais expresso no timo e no baço sendo que seu papel foi já foi demonstrado em células T maduras periféricas, mas ainda não se estudou seu possível papel em timócitos em desenvolvimento. A partir das evidências do papel do miR-155 nas células T maduras, nós elaboramos a hipótese de que esse miRNA também atua no desenvolvimento de timócitos. Para testar essa hipótese, nós utilizamos a estratégia de silenciamento do miR-155 por meio de eletroporação (eletrotransfecção) do antagonista Anti-miR-155 diretamente no timo de camundongos BALB/c. Os timócitos de camundongos controle e silenciados foram então separados por citometria de fluxo e amostras de RNA dessas células foram então analisadas por meio de qRT-PCR para nos certificarmos da eficiência do silenciamento do miR-155 e por hibridizações com microarrays de mRNAs para a análise do transcriptoma. Observamos que o silenciamento do miR-155 provoca a modulação de um grande conjunto de mRNAs, os quais foram analisados com auxílio do banco de dados do \"Immunogical Genome Project\" (ImmGen) quanto aos seus aspectos funcionais focando no desenvolvimento de timócitos. Os mRNAs modulados e envolvidos neste processo, foram ainda reanalisados quanto sua capacidade de interagir por hibridização com o miR-155 (hibridização miRNA-mRNA) por meio da ferramenta computacional RNA-Hybrid. Por meio destas estratégias, conseguimos repertoriar um conjunto de mRNAs que codificam proteínas importantes para o desenvolvimento de timócitos e que são potencialmente controlados por miR-155. / The thymus is a primary lymphoid organ responsible for the induction of central immune tolerance. Histologically this organ is formed by a thymic stroma composed of thymic epithelial cells (TECs) and other cell types. The TEC cells are subdivided into cortical thymic epithelial cells (cTECs) and medullary thymic epithelial cells (mTECs), which are responsible for positive selection and negative selection of developing thymocytes, respectively. During its intra-thymic development, thymocytes modulate the gene expression of differentiation markers, so-called clusters of differentiation (CD) and other genes. In this project we are interested in the control of gene expression during the differentiation of thymocytes. As microRNAs (miRNAs) are essential elements of fine control of gene expression, acting at the post-transcriptional level of messenger RNAs (mRNAs) of eukaryotic cells, our interest was to study this type of control in thymocytes. Among the hundreds of miRNAs been described in mice, miRNA 155 (miR-155) is strongly expressed in the thymus and spleen and its role was already demonstrated in peripheral mature T cells, but has not yet been studied during the thymocyte development. Taking into account the evidence for the role of miR-155 in mature T cells, we raise the hypothesis that this miRNA is also active in developing thymocytes. To test this, we use the miR-155 silencing strategy by using electroporation (electrotransfection) of anti-miR-155 antagonist directly into the thymus of BALB/c mice. The thymocytes of control or silenced mice were then separated by flow cytometry and RNA samples from these cells were initially analyzed by qRT-PCR to make sure of miR-155 silencing efficiency and then by hybridization with microarrays for mRNA transcriptomeanalysis. We note that miR- 155 silencing cause modulation of a large set of mRNAs, which were analyzed through \"Immunological Genome Project\" (ImmGen) database focusing on developing thymocytes. The modulated mRNAs that were involved in this process were also retested for their ability to interact with miR-155 (miRNA-mRNA hybridization) by means of RNA-Hybrid computational tool. Through these strategies we were able to found a set of mRNAs encoding proteins important for the development of thymocytes that are potentially controlled by miR-155.

O timo é um órgão linfóide primário, responsável pela indução da tolerância imunológica central. Histologicamente esse órgão é formado por um estroma composto por células tímicas epiteliais (TECs) além de outros tipos celulares. Dentre as TECs encontramos as células tímicas epiteliais corticais (cTECs) e as células tímicas epiteliais medulares (mTECs), as quais são responsáveis pela seleção positiva e seleção negativa dos timócitos em desenvolvimento, respectivamente. Durante seu desenvolvimento intra-tímico, os timócitos modulam da expressão de genes de marcadores de diferenciação, os chamados clusters de diferenciação (CDs) além de outros genes. Neste projeto nós nos interessamos por este aspecto, ou seja, o controle da expressão gênica durante a diferenciação dos timócitos. Como os microRNAs (miRNAs) são elementos essenciais de controle fino da expressão gênica, atuando ao nível pós-transcricional de RNAs mensageiros (mRNAs) de células eucarióticas, nosso interesse foi o de estudar este tipo de controle em timócitos. Dentre as centenas de miRNAs já descritos no camundongo, o miRNA 155 (miR-155) é o mais expresso no timo e no baço sendo que seu papel foi já foi demonstrado em células T maduras periféricas, mas ainda não se estudou seu possível papel em timócitos em desenvolvimento. A partir das evidências do papel do miR-155 nas células T maduras, nós elaboramos a hipótese de que esse miRNA também atua no desenvolvimento de timócitos. Para testar essa hipótese, nós utilizamos a estratégia de silenciamento do miR-155 por meio de eletroporação (eletrotransfecção) do antagonista Anti-miR-155 diretamente no timo de camundongos BALB/c. Os timócitos de camundongos controle e silenciados foram então separados por citometria de fluxo e amostras de RNA dessas células foram então analisadas por meio de qRT-PCR para nos certificarmos da eficiência do silenciamento do miR-155 e por hibridizações com microarrays de mRNAs para a análise do transcriptoma. Observamos que o silenciamento do miR-155 provoca a modulação de um grande conjunto de mRNAs, os quais foram analisados com auxílio do banco de dados do \"Immunogical Genome Project\" (ImmGen) quanto aos seus aspectos funcionais focando no desenvolvimento de timócitos. Os mRNAs modulados e envolvidos neste processo, foram ainda reanalisados quanto sua capacidade de interagir por hibridização com o miR-155 (hibridização miRNA-mRNA) por meio da ferramenta computacional RNA-Hybrid. Por meio destas estratégias, conseguimos repertoriar um conjunto de mRNAs que codificam proteínas importantes para o desenvolvimento de timócitos e que são potencialmente controlados por miR-155. / The thymus is a primary lymphoid organ responsible for the induction of central immune tolerance. Histologically this organ is formed by a thymic stroma composed of thymic epithelial cells (TECs) and other cell types. The TEC cells are subdivided into cortical thymic epithelial cells (cTECs) and medullary thymic epithelial cells (mTECs), which are responsible for positive selection and negative selection of developing thymocytes, respectively. During its intra-thymic development, thymocytes modulate the gene expression of differentiation markers, so-called clusters of differentiation (CD) and other genes. In this project we are interested in the control of gene expression during the differentiation of thymocytes. As microRNAs (miRNAs) are essential elements of fine control of gene expression, acting at the post-transcriptional level of messenger RNAs (mRNAs) of eukaryotic cells, our interest was to study this type of control in thymocytes. Among the hundreds of miRNAs been described in mice, miRNA 155 (miR-155) is strongly expressed in the thymus and spleen and its role was already demonstrated in peripheral mature T cells, but has not yet been studied during the thymocyte development. Taking into account the evidence for the role of miR-155 in mature T cells, we raise the hypothesis that this miRNA is also active in developing thymocytes. To test this, we use the miR-155 silencing strategy by using electroporation (electrotransfection) of anti-miR-155 antagonist directly into the thymus of BALB/c mice. The thymocytes of control or silenced mice were then separated by flow cytometry and RNA samples from these cells were initially analyzed by qRT-PCR to make sure of miR-155 silencing efficiency and then by hybridization with microarrays for mRNA transcriptomeanalysis. We note that miR- 155 silencing cause modulation of a large set of mRNAs, which were analyzed through \"Immunological Genome Project\" (ImmGen) database focusing on developing thymocytes. The modulated mRNAs that were involved in this process were also retested for their ability to interact with miR-155 (miRNA-mRNA hybridization) by means of RNA-Hybrid computational tool. Through these strategies we were able to found a set of mRNAs encoding proteins important for the development of thymocytes that are potentially controlled by miR-155.

Einleitung: Glioblastoma multiforme (GBM) gehören zu den häufigsten und bösartigsten Hirntumoren. Eine vollständige Heilung ist derzeit noch nicht möglich. Ziele: Es wurde ein orthotopes GBM-Xenotransplantat-Modell in der Maus etabliert, optimale Durchführungsprotokolle wurden erstellt und die Wachstumskinetik der Tumoren charakterisiert. Außerdem erfolgte eine lokale therapeutische Intervention mit Komplexen aus Polymeren und siRNAs (small interfering RNAs) bzw. AntimiRs (Anti-micro-RNAs) und der Verlauf wurde mittels Biolumineszenz-imaging (BLI) überwacht. Die tumortragenden Hirne wurden immunhistochemisch untersucht. Neben der Therapie wurden erstmals Tissue Slice Cokulturen aus Maushirnen mit orthotopen Xenotransplantaten hergestellt und durch immunhistochemische Untersuchungen bezüglich des Tumorwachstums und der Invasivität in das umliegende Normalgewebe charakterisiert. Des Weiteren wurde ein subkutanes (s.c.) Xenotransplantat-Modell etabliert, dessen Tumorwachstum mittels BLI überwacht wurde, welches eine therapeutische Applikation von PEI-komplexierten siRNAs enthielt und deren Tumoren mittels Messung der Proteinkonzentration und der Lumineszenz charakterisiert wurden. Mit dieser Arbeit wurden durch die Verwendung von siRNAs bzw. AntimiRs im Rahmen der RNA-Interferenz Strategien entwickelt, mit denen eine Grundlage für die spezifisch auf ein bestimmtes Gen gerichtete GBM-Therapie geschaffen werden konnte. Tiere, Material, Methoden: In insgesamt 190 immundefizienten Mäusen wurden s.c. und orthotope Xenotransplantate aus der Reporterzelllinie G55T2-Luc-GFP hergestellt. Eine Behandlungsgruppe mit s.c. Xenotransplantaten bestand aus 7-8 Tieren. Die Behandlungsgruppe erhielt intraperitoneale (i.p.) Injektionen des PEI-siRNA-Komplexes LP10Y-siLuc3 (LP10Y: AG Aigner, Universität Leipzig, Deutschland, siLuc3: Eurogentec, Belgien), während die Negativkontrollgruppe (NC) i.p. Injektionen mit dem Komplex LP10Y-siLuc2 erhielt. Diese Behandlung erfolgte 3 x wöchentlich über 6-12 d. Das Wachstum der Tumore wurde mit BLI in vivo verfolgt und die Lumineszenz im zeitlichen Verlauf gemessen. Die Tumore wurden lysiert und deren Lumineszenz bezogen auf die Proteinkonzentration gemessen. Für das orthotope Xenotransplantat wurde eine Schraube mit Führungskanal (Screw guide, Plastics One, USA) 1 mm rostral und 2 mm lateral des Bregmas stereotaktisch implantiert. Mit einer Mikroinfusionspumpe und einer Mikrodosierspritze wurden die Zellen über den Führungskanal mit 12 µl/ h in das rechte Striatum injiziert. 5-7 d nach der Inokulation der Zellen erfolgte das Einbringen von 3 µl der PEI-AntimiR bzw. siRNA-Komplexe PEI/antimiR-155-Komplex (PEI: AG Aigner, Universität Leipzig, Deutschland, AntimiR 155-ZEN: Integrated DNA Technologies, USA) bzw. LP10Y-siPLK1 (PLK1: Eurogentec, Belgien). Die Tiere der NC wurden mit den Komplexen PEI/antimiR-NC5-Komplex bzw. LP10Y-siLuc3 behandelt. Zum Vergleich wurde eine Gruppe gar nicht behandelt. Die Behandlung erfolgte 3 x wöchentlich über 12 d. Eine Behandlungsgruppe bestand aus 10 randomisiert verteilten Tieren. Das Wachstum wurde in vivo mit BLI verfolgt. Die Hirne wurden entnommen und mit einem Vibratom Gewebeschnitte erstellt, die mit Kresylviolett gefärbt und an denen mit einer Bildbearbeitungssoftware die Tumorflächen ausgemessen wurden. Außerdem wurden mit einem Mikrotom Paraffinschnitte hergestellt und diese immunhistochemisch beurteilt. Es wurden Tissue Slice Cokulturen aus unbehandelten Tumoren und gesundem Gewebe des Striatums bzw. Cortex erstellt und aus diesen ebenfalls Paraffinschnitte hergestellt, welche immunhistochemisch beurteilt wurden. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass ein Tumorwachstum s.c. injizierter GBM-Zellen in vivo mit BLI verfolgt werden kann und dass die siRNA siLuc3 mit LP10Y erfolgreich in G55T2-Luc-GFP eingeschleust wurde. Bei der Untersuchung der Luciferaseaktivität bezogen auf die Proteinkonzentration der lysierten s.c. Tumoren konnte eine Reduktion der Lumineszenz in der Behandlungsgruppe nachgewiesen werden. Das orthotope Xenotransplantat-Modell wies eine Tumoranwuchsrate von bis zu 96 % und eine Mortalitätsrate von bis zu 0 % auf. Das Tumorwachstum konnte nicht in vivo mit BLI verfolgt werden, da die umliegenden Gewebe die Lumineszenz vollständig abschirmten. Bei den Behandlungen mit LP10Y-siPLK1 und dem PEI/antimiR-155-Komplex konnte histologisch eine Reduktion der Tumorgröße und immunhistochemisch Apoptose und eine Tendenz zur Reduktion der Proliferation und Migration nachgewiesen werden. In der Behandlungsgruppe mit LP10Y-siPLK1 konnte außerdem eine verminderte Expression von PLK1 im Tumorgewebe und eine gesteigerte Überlebensrate nachgewiesen werden. Mit den Tissue Slice Cokulturen konnte festgestellt werden, dass die Xenotransplantate in den verschiedenen Hirnabschnitten unterschiedliches Migrationsverhalten zeigen. Die auf dem Cortex wachsenden Tumore waren kleiner als die auf dem Striatum wachsenden Tumore, wiesen jedoch mehr Migration in das umliegende Hirngewebe und mehr raumforderndes Wachstum im Verhältnis zum nicht raumfordernden Wachstum auf. Das Verhältnis der migrierenden Zellen zur Länge des Tumors des Xenotransplantats im Cortex wies höhere Werte auf als das im Striatum. Schlussfolgerungen: LP10Y eignet sich zur Einschleusung von siRNA und könnte ein vielversprechendes Nano-Therapeutikum darstellen. Das BLI von Luciferase exprimierenden, s.c. Tumoren ist ein gutes Verfahren zur Verfolgung der Wachstumskinetik. Es scheint sich jedoch nicht zur Untersuchung der Transfektionseffizienz von PEI-Komplexen zu eignen, da die Erscheinungsform von Glioblastomen mit Einblutungen, Nekrosen und Zysten sehr verschieden sein kann. Es ist also möglich dass die Tumoren unterschiedlich viele lebende Zellen pro Volumen mit entsprechender Luciferaseaktivität aufweisen. Alternativ dazu ist das Untersuchungsmodell der Lumineszenz bezogen auf die Proteinkonzentration lysierter Tumoren ein geeignetes Verfahren für die Quantifizierung der Luciferaseaktivität und der Transfektionseffizienz von PEI-Komplexen in GBM. Das im Zuge dieser Arbeit etablierte orthotope Xenotransplantat-Modell ist ein valides Modell mit verschiedenen Eigenschaften humaner GBM. Die Ergebnisse aus den Behandlungen der orthotopen GBM mit den PEI-siRNA bzw. AntimiRKomplexen sprechen für eine gute biologische Aktivität, niedrige Zytotoxizität, eine gute Knockdowneffizienz und somit auch therapeutische Effizienz der Komplexe in vivo. Das orthotope Xenotransplantat-Modell und die Tissue Slice Cokulturen stellen geeignete, gut reproduzierbare und genetisch unmanipulierte Modelle dar, welche die Untersuchung von Wachstums- und Migrationsverhalten mit und ohne therapeutische Intervention, sowie des Behandlungserfolges erlauben. Beide Polymere könnten vielversprechende Nano-Therapeutika darstellen. Ein neues exvivo-Modell, in dem die GBM in ihrer natürlichen Umgebung gewachsen sind und sich in der Cokultur weiterhin sehr ähnlich der Originalsituation verhalten können, wurde etabliert. Für die Statistiken wurde, zum Vergleich von Gruppen, der One-Way ANOVA-Test von SigmaPlot 13 verwendet.

No / MicroRNAs are a relatively new class of small, noncoding RNA species that represent a cornerstone of cell biology, with diverse roles ranging from embryonic development to aging. miRNAs function to regulate posttranscriptional gene expression, are critical to the normal function of cells, and as such are frequently dysregulated during disease processes. In this chapter, we discuss the biogenesis and mechanism of action of miRNA and their role in cancer initiation, promotion, and progression. In addition, we discuss the most recently identified dual roles of miRNA in epigenetic gene regulation; how they are both regulators and regulated. Finally, we discuss the emerging roles of miRNA as epigenetic anti-cancer therapeutics, the current research examining inhibition of oncogenic miRNAs, and studies now establishing the potential of replacing lost, tumor-suppressive miRNA.