Das Induzieren und Aufrechterhalten einer tumor-protektiven Immunität sind wesentliche Ziele in der Immuntherapie des Neuroblastoms. Eine Erhöhung der Anzahl von tumor-infiltrierenden Leukozyten könnte ein Weg sein, um dieses Ziel zu erreichen. Fractalkine ist ein besonderes TH1 CX3C Chemokin, welches sowohl Adhäsion und Migration von Leukozyten vermittelt. Gerichtetes IL-2 (ch14.18-IL-2) wurde durch eine genetische Fusion von anti-GD2 Antikörper mit IL-2 hergestellt, damit IL-2 spezifisch in das Mikromilieu von Neuroblastomen gebracht werden kann. In dieser Arbeit habe ich die Hypothese getestet, dass Gentherapie mit dem Chemokin Fractalkine (FKN) eine wirksame Antineuroblastom-Immunantwort induziert, welche durch gerichtetes IL-2 amplifiziert wird. Zu diesem Zweck wurden NXS2-Zellen genetisch verändert, damit sie murines FKN produzieren (NXS2-FKN). Transkription und Expression des mFKN Gens konnte in NXS2-FKN Zellen und Tumorgewebe gezeigt werden. Die chemotaktische Eigenschaft von FKN wurde sowohl in vitro als auch in vivo gezeigt. FKN zeigte eine Reduktion des Primärtumorwachstums, welches durch gerichtetes IL-2 mit nicht-kurativen Dosen von ch14.18-IL-2 deutlich verbessert wurde. Ferner wurden experimentelle Lebermetastasen nur in den Mäusen komplett eradiziert, welche die Kombinationstherapie erhalten haben. Die Mechanismen, welche an dieser Antitumorantwort beteiligt sind, schließen eine wirksame T-Zell-Aktivierung (Hochregulation von CD69, CD25, und von TNF-alpha und INF-gamma), sowie eine Erhöhung der tumorspezifischen CTL-Aktivität mitein. Die Depletion von CD4+ und CD8+ T-Zellen in vivo hat diesen therapeutischen Effekt aufgehoben, was die essentielle Rolle von T-Zellen in diesem immuntherapeutischen Ansatz unterstreicht. Zusammenfassend konnte ich zum ersten Mal zeigen, dass Chemokin-Gentherapie mit FKN durch gerichtetes IL-2 amplifiziert wird, was eine Kombination dieser beiden Strategien zur adjuvanten Therapie beim Neuroblastom nahe legt. / Induction and maintenance of tumor-protective immunity are the major goals of neuroblastoma immunotherapy. Enhancing the amount of tumor infiltrating leukocytes might be a way to achieve these goals since they may be associated with residual evidence of the ineffective immune response. Fractalkine is a unique TH1 CX3C chemokine known to induce both adhesion and migration of leukocytes mediated by a membrane-bound and a soluble form, respectively. Targeted IL-2 (ch14.18-IL-2) was constructed by anti-GD2 antibody fused with IL-2 so that IL-2 can be directed into the microenvironment of neuroblastoma tumor. Here, I tested the hypothesis that chemokine gene therapy with fractalkine (FKN) induces an effective anti-neuroblastoma immune response amplified by targeted IL-2. NXS2 cells were engineered to stably produce murine FKN (NXS2-FKN). Transcrip- tion and expression of the mFKN gene in NXS2-FKN cells and tumor tissue were demonstrated. The chemotactic activity of FKN expressed by NXS2 cells was determined both in vitro and in vivo. Importantly, NXS2-FKN exhibited a reduction in primary tumor growth, which was boosted by targeted IL-2 using non-curative doses of ch14.18-IL-2. Furthermore, experimental liver metastases were completely eradicated in mice receiving the combination therapy, demonstrating the induction of a long-lived tumor protective response. The mechanisms involved in antitumor response included effective T cell activation as indicated by the up-regulation of T-cell activation markers (CD69, CD25) and proinflammatory cytokines (TNF-alpha, INF-gamma) as well as the enhancement of tumor specific CTL activity. The depletion of CD4+ and CD8+ T cells in vivo abrogated the therapeutic effect supporting the crucial role of T cells in this immunotherapeutic approach. In summary, I demonstrated for the first time that chemokine gene therapy with FKN is amplified by targeted IL-2 suggesting a combination of both strategies as an adjuvant therapy for neuroblastoma.

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.

Sleeping Beauty (SB) Transposon-basierte Vektoren werden als Alternative zu viralen Vektoren für T-Zell-Gentherapie erforscht und ermöglichen eine schnelle und kostengünstige Genmanipulation von T-Zellen. Die Verwendung von Transposon-Vektoren erfordert jedoch die DNA-Elektroporation von T-Zellen, die sich schädlich auf T-Zellen auswirkt. DNA-elektroporierte T-Zellen weisen eine verringerte Lebensfähigkeit und eine verzögerte Aktivierung nach Stimulation des T-Zell-Rezeptors (TCR) auf. Um die Nachteile der Transposon-basierten T-Zell-Genmanipulation zu überwinden, haben wir neuartige SB-Vektoren entwickelt. Durch die Kombination von SB Transposon-basierten Minicircle-Vektoren mit SB100X Transposase-mRNA konnten T-Zellen effizient genmodifiziert werden. Unser Ansatz reduzierte die T-Zell-Mortalität und steigerte gleichzeitig die Transfektionseffizienz. Mit diesen neuartigen Vektoren wurde die stabile Expression verschiedener TCRs und CARs in über 50% der eingesetzten T-Zellen erreicht. Gentechnisch manipulierte T-Zellen konnten Antigen-spezifisch stimuliert werden und zeigten effiziente Zytokin-Sekretion und Tumorzell-Lyse. Weiterhin haben wir miRNAs entwickelt, die die Expression der endogenen TCR-Ketten unterdrücken. Der Einbau dieser miRNAs in die TCR-Expressionskassette erhöhte die Oberflächenexpression des therapeutischen TCRs, verringerte die Fehlpaarung mit endogenen TCR-Ketten und erhöhte die T-Zell-Funktionalität. Ein direkter Vergleich von SB- und Virus-modifizierten T-Zellen zeigte sowohl in vitro als auch in vivo eine vergleichbare Wirksamkeit der modifizierten T-Zellen hinsichtlich Zytokin-Sekretion, Tumorzell-Lyse und Tumorkontrolle. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass SB Minicircle-Vektoren die Herstellung von genetisch modifizierten T-Zellen ermöglichen und diese Tumor-spezifische Wirksamkeit aufweisen. Dieser Ansatz könnte die Herstellung therapeutischer T-Zellen für die personalisierte T-Zell-Gentherapie vereinfachen und beschleunigen. / Sleeping Beauty (SB) transposon-based vectors have entered clinical trials as an alternative to viral vectors for T cell gene therapy, offering time- and cost-efficient engineering of therapeutic T cells. However, transposon vectors require DNA electroporation into T cells, which we found to cause adverse effects. T cell viability was decreased, and DNA-transfected T cells showed delayed activation upon T cell receptor (TCR) stimulation regarding blast formation and proliferation. To overcome the limitations of transposon-based T cell engineering, we investigated the effect of DNA electroporation on T cells and developed novel SB vectors. T cells could efficiently be engineered with Sleeping Beauty vectors by combining SB transposon minicircles and SB100X transposase mRNA. Our approach reduced T cell mortality and substantially enhanced transfection efficiency. We achieved stable expression of several TCRs and CARs in more than 50% of the transfected T cells compared to 15% when conventional plasmids were used. T cells engineered to express a tumor-specific TCR mediated effective tumor cell lysis and cytokine secretion upon antigen-specific stimulation. Furthermore, we developed miRNAs to silence the expression of the endogenous TCR chains. Incorporation of these miRNAs into the TCR expression cassette increased surface expression of the therapeutic TCR, diminished mispairing with endogenous TCR chains, and enhanced T cell functionality. Importantly, a direct comparison of SB minicircle- and RV-engineered T cells in vitro as well as in vivo demonstrated equal T cell efficacy with regards to cytokine release, tumor cell lysis and tumor control. We demonstrated that SB minicircles enable the generation of gene-modified T cells with tumor-specific reactivity. Our approach facilitates the manufacturing of therapeutic T cells with superior biosafety and accelerates the generation of patient-specific T cell products for personalized T cell gene therapy.

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.

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Durch den Transfer der Gene des heterodimeren T-Zellrezeptors (TZR) mithilfe viraler Vektoren können T-Zellen programmiert werden, ein ausgewähltes Antigen spezifisch zu erkennen. In klinischen Studien wurden solche T-Zellen bereits mit Erfolg zur Immuntherapie von Krebs und viralen Infektionen eingesetzt. Genmodifizierte T-Zellen unterscheiden sich jedoch von normalen T-Zellen, weil sie neben den beiden zelleigenen auch die zwei übertragenen TZR-Gene exprimieren. Diese Situation erlaubt die Bildung vier verschiedener TZR-Heterodimere: der zelleigene TZR, der übertragene TZR und zwei gemischte TZR, bestehend aus je einer übertragenen und einer zelleigenen TZR-Kette. Gemischte TZR bergen das Risiko von Nebenwirkungen, weil sie durch Zufall gesundes Körpergewebe erkennen und so Autoimmunität auslösen könnten. In dieser Arbeit wurden deshalb virale Vektoren entwickelt, die gleichzeitig mit der Übertragung von neuen TZR-Genen den zelleigenen TZR durch RNA Interferenz (RNAi) unterdrücken. Mikro-RNA (miRNA), die in den Vektor MP71 eingefügt wurden, reduzierten den zelleigenen TZR in Maus-T-Zellen um mehr als 85%. Dies hatte zur Folge, dass beide Ketten des übertragenen P14-TZR in gleicher Menge auf der Zelloberfläche exprimiert wurden und die Bildung von gemischten TZR reduziert wurde. In einem Mausmodell der adoptiven T-Zelltherapie verhinderte die Unterdrückung des zelleigenen TZR die Entstehung von Autoimmunität, die andernfalls durch gemischte TZR verursacht wurde. Im Gegensatz dazu führte die Anwendung von gentechnisch optimierten P14-TZR-Genen weder zur angeglichenen Oberflächenexpression der P14-TZR Ketten noch zu weniger Autoimmunität im Mausmodell. Ein anderes Tierexperiment zeigte, dass die miRNA die Funktion der genmodifizierten T-Zellen nicht beeinträchtigte. Schließlich wurde ein viraler Vektor entwickelt und getestet, der die Expression des zelleigenen TZR in menschlichen T-Zellen effektiv unterdrückte und die Bildung von gemischten TZR reduzieren konnte. / T cells can be genetically modified using viral vectors. The transfer of genes encoding both chains of the heterodimeric T cell receptor (TCR) programs T cells to specifically react towards an antigen of choice. Such TCR gene-modified T cells were already successfully applied in clinical studies to treat cancer and viral infections. However, in contrast to nonmanipulated T cells these cells express the transferred TCR in addition to the endogenous TCR and this situation allows the assembly of four different TCR heterodimers: the endogenous TCR, the transferred TCR, and two mixed TCR dimers, composed of one endogenous and one transferred TCR chain. The formation of mixed TCR dimers represents a safety issue because they may by chance recognize self-antigens and thereby cause autoimmune side effects. To overcome this problem, an RNAi-TCR replacement vector was developed that simultaneously silences the endogenous TCR and expresses an RNAi-resistant therapeutic TCR. The expression of miRNA encoded by a retroviral MP71 vector in transduced mouse T cells reduced the surface levels of the endogenous TCR by more than 85%. The knockdown of the endogenous TCR in turn resulted in equal surface expression levels of both transferred P14 TCR chains and prevented the formation of mixed TCR dimers. Accordingly, the development of lethal mixed TCR dimer-dependent autoimmunity (TI-GVHD) in a mouse model of adoptive T cell therapy was dramatically reduced by the knockdown of the endogenous TCR. In contrast, the usage of genetically optimized TCR genes neither resulted in equal surface levels of both P14 TCR chains nor in reduced autoimmunity. A second mouse model demonstrated that the in vivo functionality of the transduced T cells was not negatively influenced by the expression of the miRNA. Finally, an RNAi-TCR replacement vector for human T cells was developed that effectively reduced the expression of the endogenous TCR and prevented the formation of mixed TCR dimers.