Diss. med. Fak. Bern, 1991.

Background Pancreas surgery remains technically challenging and is associated with considerable morbidity and mortality. Identification of predictive risk factors for complications have led to a stratified surgical approach and postoperative management. The option of simultaneous islet autotransplantation (sIAT) allows for significant attenuation of long-term metabolic and overall complications and improvement of quality of life (QoL). The potential of sIAT to stratify a priori the indication for total pancreatectomy is yet not adequately evaluated. Methods The aim of this analysis was to evaluate the potential of sIAT in patients undergoing total pancreatectomy to improve QoL, functional and overall outcome and therefore modify the surgical strategy towards earlier and extended indications. A center cohort of 24 patients undergoing pancreatectomy were simultaneously treated with IAT. Patients were retrospectively analyzed regarding in-hospital and overall mortality, postoperative complications, ICU stay, hospital stay, metabolic outcome, and QoL. Results Here we present that all patients undergoing primary total pancreatectomy or surviving complicated two-stage pancreas resection and receiving sIAT show excellent metabolic outcome (33% insulin independence, 66% partial graft function; HbA1c 6,1 ± 1,0%) and significant benefit regarding QoL. Primary total pancreatectomy leads to significantly improved overall outcome and a significant reduction in ICU- and hospital stay compared to a two-stage completion pancreatectomy approach. Conclusions The findings emphasize the importance of risk-stratified pancreas surgery. Feasibility of sIAT should govern the indication for primary total pancreatectomy particularly in high-risk patients. In rescue completion pancreatectomy sIAT should be performed whenever possible due to tremendous metabolic benefit and associated QoL.

Das Neuroblastom ist eines der häufigsten Tumoren im Kindesalter. Bei Hochrisko-Neuroblastomen weisen etwa 25 % der Patienten eine MYCN-Amplifikation auf. Die Behandlung dieser Patienten bleibt eine Herausforderung. Bei genauerer Betrachtung der amplifizierten Regionen umfasst diese große genomische Bereiche, die nicht nur MYCN, sondern auch Passagiergene und genregulatorische Elemente enthalten. Um MYCN-amplifizierte Neuroblastome zu behandeln, versuchten wir festzustellen, ob Co-Amplifikationen von Passagiergenen kollaterale therapeutische Vulnerabilitäten darstellen könnten. Durch die Analyse von Kopienzahl-Daten von 238 MYCN-amplifizierten Patienten identifizierten wir das DEAD-Box-Helicase-1 (DDX1)-Gen als ein Gen, welches häufig mit MYCN auf dem gleichen genomischen Fragment amplifiziert ist. Die Analyse eines CRISPR-Cas9-Funktionsverlust- Screens aus der Cancer Dependency Map, welche über 700 humanen Krebszelllinien beinhalten, zeigt, dass das Überleben von MYCN-amplifizierten Krebszellen mit DDX1-Co-Amplifikation von der gesteigerten Aktivität des mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) abhängt. Interaktionsproteomik identifizierte Dihydrolipoyl-S-Succinyltransferase (DLST), ein Bestandteil des Tricarboxylsäure (TCA)-Zyklusenzyms α-Ketoglutarat-Dehydrogenase (α-KGDH)-Komplexes, als Interaktionspartner von DDX1 in Mitochondrien. Lebendzell- Stoffwechselanalysen legten nahe, dass diese Interaktion die TCA-Aktivität beeinträchtigen und zu einer Anhäufung von α-Ketoglutarat (α-KG) führen kann, indem sie dessen Umwandlung in Succinyl-CoA stört. Die Anhäufung von α-KG verursacht metabolischen Stress und löst Zelltod aus, der durch eine gesteigerte mTORC1-Aktivität in Krebszellen kompensiert wird. Folglich führte die Störung der mTORC1-Funktion zu Zelltod, insbesondere in Zellen mit hoher DDX1-Kopienzahl. So kann die strukturell verknüpfte Co-Amplifikation eines Passagiergens (DDX1) und eines Onkogens (MYCN) auf dem gleichen Amplicon zu kollateralen Vulnerabilitäten bei Neuroblastomen führen. / Neuroblastoma is one of the most common childhood tumors. In high-risk neuroblastoma, around 25% of patients harbor MYCN amplification. Treating neuroblastoma patients with MYCN amplification remains challenging. Taking a closer look at MYCN-amplified regions, DNA amplification encompasses large genomic regions harboring not only MYCN but also containing passenger genes and gene regulatory elements. To treat MYCN-amplified neuroblastoma, we sought to determine whether passenger co-amplifications can create collateral therapeutic vulnerabilities. By analyzing copy number data from 238 MYCN-amplified patients, we identified the DEAD-Box Helicase 1 (DDX1) gene to be frequently co-amplified with MYCN on the same genomic fragment. Analysis of CRISPR-Cas9 loss-of-function screens from the Cancer Dependency Map across over 700 human cancer cell lines revealed that the survival of MYCN-amplified cancer cells with DDX1 co-amplification depends on the enhanced activity of the mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1). Interaction proteomics identified dihydrolipoamide S-succinyltransferase (DLST), a component of the tricarboxylic acid (TCA) cycle enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase (α-KGDH) complex, as an interaction partner of DDX1 in mitochondria. Live-cell metabolomics suggested that this interaction can impair TCA activity and lead to the accumulation of α-ketoglutarate (α-KG) by interfering with its conversion to succinyl-CoA. Accumulation of α-KG, in turn, caused metabolic stress and triggered cell death, which was compensated for by enhanced mTORC1 activity in cancer cells. Consequently, disruption of mTORC1 function resulted in cell death, specifically in cells with an aberrantly high copy number of DDX1. Thus, structurally linked co-amplification of a passenger gene (DDX1) and an oncogene (MYCN) on the same amplicon can result in collateral vulnerabilities in neuroblastoma.

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Zelluläre Seneszenz wird als terminaler Zellzyklusarrest definiert, der mit dem Altern und funktionellen Verlust von Geweben verknüpft ist. Eine Seneszenzreaktion wird ebenso durch Onkogene und zytotoxischen Stress verursacht. Die Ausführung des Seneszenzprogramms wird durch eine zeitlich hochdynamische Aktivität von Transkriptionsfaktoren (TF) bedingt. Interessanterweise kann die Zelllinienzugehörigkeit einer Zelle durch die Expression von linien-aberranten TF überschrieben werden. Die vorliegende Arbeit untersucht Chemotherapie-induzierte Seneszenz (TIS) in Bcl-2 überexprimierenden, deshalb vor Apoptose geschützten, murinen Eµ-Myc B-Zell Lymphomen in An- oder Abwesenheit der Seneszenz-essentiellen Histonmethyltransferase Suv39h1. Analysen auf Transkriptom- und auf Proteinebene ergeben dabei, dass in einer Seneszenz-spezifischen Weise die TF AP-1, PU.1 und C/EBPβ induziert werden, welche normalerweise für die Funktion und Entwicklung myeloischer Zelllinien bedeutend sind. Dementsprechend korreliert der Seneszenzzustand mit Transkripten, Oberflächenmarkern und einer enzymatischen Funktion der myeloischen Linie. Indem die identifizierten TFs heruntergeschaltet oder überexprimiert werden, wird ihre direkte Beteiligung an der Linienuntreue der TIS Lymphome demonstriert. TIS-Kapazität wird als für den Erfolg von Krebstherapie günstige Eigenschaft betrachtet, da sie zu einem Wachstumsblock führt. Nichtsdestotrotz können sich verweilende TIS Zellen krebsbiologisch auch nachteilig auswirken. Anhand von murinen und humanen, klinisch annotieren Transkriptomdatensätzen kann hier in beiden Spezies ein myeloisch verschobenes, Linienuntreue anzeigendes Genexpressionsprofil mit einer besseren Überlebensprognose korreliert werden. Die vorliegenden Befunde legen nahe, dass die Modulation von TF Aktivitäten in Seneszenz einen potentiellen therapeutischen Angriffspunkt darstellt, um den für den Therapieerfolg nützlichen Zweig des TIS Phänotyps zu befördern. / Cellular senescence is regarded as an irreversible cell cycle arrest associated with tissue aging and its functional decline. A senescence response is also evoked by oncogenic and cytotoxic stress. The execution of the senescence program relies on a highly dynamic sequence of transcription factor (TF) activities. Interestingly, cell lineage commitment can be overridden by the expression of lineage-aberrant TFs. This thesis examines chemotherapy-induced senescence (TIS) in Bcl-2 overexpressing, thus apoptosis-protected, murine Eμ-Myc B-cell lymphomas with or without the senescence-essential histone methyltransferase Suv39h1. Transcriptome as well as protein level analyses reveal senescence-specific induction of the TFs AP-1, PU.1 and C/EBPβ which are typically crucial for myeloid lineage commitment and function. Correspondingly, the senescent state associates with myeloid lineage transcripts, surface markers and enzymatic function, reminiscent of, but not equal to a transdifferentiation phenotype. By knocking down and overexpressing the identified TFs, we demonstrate their direct involvement in the lineage infidelity of TIS lymphomas. TIS-capacity is viewed as beneficial to cancer therapy outcome due to its block on proliferation. However, lingering TIS cells can also be detrimental due to the acquisition of latent stemness properties or tumor-protective remodeling of their microenvironment. By interrogating murine and human, clinical course-annotated transcriptome data sets, an association between a myeloid-skewed, lineage infidelity indicating gene expression profile and better tumor prognosis is established in both species. The presented findings suggest that modulation of the senescent TF activities could be therapeutically exploited to foster the cancer patient-beneficial branch of the TIS phenotype.

Zelluläre Seneszenz beschreibt einen terminalen Zellzyklus-Arrest. Nach zellulärem Stress u. a. durch aktivierte Onkogene oder DNA-schädigende Chemotherapie wird Seneszenz induziert und kann so zur Tumorsuppression bzw. zum Behandlungserfolg beitragen. Vor kurzem wurde gezeigt, dass der Transkriptionsfaktor NF-kappaB – welcher bisher vor allem durch seine onkogenen Funktionen mit Krebs in Verbindung gebracht wurde - bei der Seneszenz-assoziierten Zytokinausschüttung mitwirkt und den seneszenzten Phänotyp möglicherweise sogar verstärkt, wodurch NF-kappaB potentiell eine tumorsuppressive Rolle zukäme. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des NF-kappaB-Signalweges in Seneszenz und Therapie. In der vorliegenden Arbeit zeige ich die deutliche Aktivierung von NF-kappaB nach Therapie-induzierter Seneszenz (therapy-induced senescence, TIS) und erhöhte Expression NF-kappaB-regulierter Zytokine. TIS ist vor allem in vivo mit starker Aktivität des NF-kappaB-Signalweges assoziiert und von selbiger abhängig. Primäre Eµ-myc-transgene Mauslymphome wurden nach ihrer endogenen NF-kappaB-Aktivität klassifiziert bzw. mit inhibierenden und aktivierenden NF-kappaB-Konstrukten modifiziert, welche auch in diffusen großzelligen B-Zell Lymphomen (diffuse large B-cell lymphoma, DLBCL) als natürlich vorkommende Mutationen gefunden wurden. Über einen neuartigen „Cross-Species“-Vergleich wurden Bcl2-hochexprimierende Keimzentrums-B-Zell-DLBCL (germinal center B-cell type, GCB) als klinisch relevante Gruppe identifiziert, welche nach NF-kappaB-Hyperaktivierung signifikant besser auf Therapie ansprach. Diese Ergebnisse zeigen eine kontextspezifische, d. h. von „onkogenen Netzwerken“ abhängige Rolle des NF-kappaB Signalweges unter Chemotherapie. Diese Information könnte für künftige klinische Studien bedeutsam sein, da sie Bedingungen aufzeigt, unter denen NF-kappaB als Vermittler einer erwünschten Therapie-induzierten Seneszenzantwort eher nicht inhibiert werden sollte. / Cellular senescence is a terminal cell-cycle arrest program that is executed in response to cellular stresses, such as activated oncogenes or DNA-damaging anti-cancer chemotherapy, where it serves as a tumor-suppressive mechanism or contributes to treatment outcome, respectively. Recently, transcription factor NF-kappaB which has long been linked to cancer development primarily through its oncogenic functions, has been postulated to participate in a senescence-associated and possibly senescence-reinforcing cytokine response, thereby suggesting a tumor-restraining role for NF-kappaB. The aim of my PhD project was to understand the role of the NF-kappaB pathway in senescence and cancer treatment outcome. In this thesis, I show markedly elevated NF-kappaB activity upon therapy-induced senescence (TIS), associated with strong upregulation of NF-kappaB-controlled cytokines. TIS is associated with and depends on hyper-activated NF-kappaB signaling. By characterization and genetic engineering of primary mouse lymphomas according to distinct NF-kappaB-related oncogenic networks reminiscent of diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) subtypes, Bcl2-overexpressing germinal center B-cell-like (GCB) DLBCL were identified as a clinically relevant subgroup with significantly superior outcome when NF-kappaB is hyperactive. These results demonstrate the context-dependent role of NF-kappaB signaling in cancer therapy and unveil oncogenic scenarios in which NF-kappaB hyperactivity unexpectedly accounts for superior long-term outcome to therapy. This finding has significant ramifications for future clinical trials that aim at inhibiting NF-kappaB activity based on the assumption of its detrimental impact on treatment outcome.

A major challenge in designing cancer therapies is the induction of cancer cell apoptosis, although activation of intrinsic apoptotic pathways by targeting gold nanoparticles to mitochondria is promising. We report an in vitro procedure targeting mitochondria with conjugated gold nanoparticles and investigating effects on apoptosis induction in the human breast cancer cell line Jimt-1. Gold nanoparticles were conjugated to a variant of turbo green fluorescent protein (mitoTGFP) harbouring an amino-terminal mitochondrial localization signal. Au nanoparticle conjugates were further complexed with cationic maltotriose-modified poly(propylene imine) third generation dendrimers. Fluorescence and transmission electron microscopy revealed that Au nanoparticle conjugates were directed to mitochondria upon transfection, causing partial rupture of the outer mitochondrial membrane, triggering cell death. The ability to target Au nanoparticles into mitochondria of breast cancer cells and induce apoptosis reveals an alternative application of Au nanoparticles in photothermal therapy of cancer.

Das metastasierende kolorektale Karzinom stellt eine große Herausforderung in der Krebstherapie dar. Verlässliche und effiziente Biomarker zur Prognose des Krankheitsverlaufes oder der Therapieantwort (Prädiktion) sind rar. Metastasis-associated in colon cancer 1 (MACC1) ist ein prognostischer, prädiktiver und kausaler Biomarker für verschiedene Tumorentitäten. Durch die Induzierung von Zielgenen, wie z.B. MET, beeinflusst es Signalwege wie MEK/ERK und AKT/β-catenin und fördert so Zellproliferation und -motilität sowie Tumorprogression und Metastasierung in vivo. Diese Arbeit sollte neue Strategien erforschen diese Prozesse durch die Inhibition von MACC1 auf Transkriptions- und Signaltransduktionsebene zu unterbinden. Mit zwei verschiedenen Screeningmethoden konnten wir Statine als potente transkriptionelle Inhibitoren von MACC1 als auch phosphotyrosin (pY)-abhängige Interaktionen von MACC1 mit essentiellen Signalmolekülen identifizieren: SHP2, GRB2, SHC1, PLCG1 und STAT5B. Statine verringerten MACC1-spezifische Proliferation und Koloniebildung in vitro als auch Tumor Wachstum und Metastasierung in vivo bei Dosen äquivalent der humanen Standardtherapie zur Blutlipidsenkung. Mutation der pY-Bindungsstellen reduzierte die Aktivität des MACC1-induzierten ERK Signalwegs sowie Zellmigration und -proliferation. Anhand unserer Daten orchestriert MACC1, abhängig von MET und EGFR, neue SHP2/SRC/ERK und PKA/SRC/CREB Signalkaskaden zu einem malignen Phänotyp. Gezielte Intervention restringierte die MACC1-abhängige Koloniebildung, was neue therapeutische Interventionspunkte identifiziert und eine hervorragende Basis für Untersuchungen zur Kombinationstherapie darstellt. Die weitere Erforschung der spatiotemporalen Organisation des MACC1 Signalosoms und assoziierter Signalkaskaden soll das volle therapeutische Potential von MACC1 ausschöpfen. Wir empfehlen zudem Statine in der Krebstherapie bzw. -prävention, besonders bei MACC1-stratifzierten Patienten, anzuwenden. / Metastatic colorectal cancer still represents a major challenge in therapy. Reliable and efficient biomarkers for early prognosis of disease course or treatment response (prediction) remain scarce. Metastasis-associated in colon cancer 1 (MACC1) has been established as prognostic, predictive and causal biomarker for several tumor entities. Its induction of target genes such as MET affects several signaling pathways including MEK/ERK and AKT/β-catenin. Thus, it promotes cellular proliferation and motility as well as tumor progression and metastasis formation in vivo. This study intended to explore new strategies to inhibit these processes by targeting MACC1 on transcriptional and signaling level. By two distinct screening methods, we identified statins as potent MACC1 transcriptional inhibitors as well as phosphotyrosine (pY)-dependent interactions of MACC1 with crucial signaling molecules: SHP2, GRB2, SHC1, PLCG1 and STAT5B. Statins showed MACC1-specific reduction of proliferation and colony formation in vitro as well as restriction of tumor growth and metastasis formation in vivo at doses equivalent to human standard lipid reduction therapy. Mutation of the pY-interaction sites abrogated MACC1-dependent ERK signaling as well as cell migration and proliferation. Our data further suggest that MACC1 governs SHP2/SRC/ERK and PKA/SRC/CREB axes conferring a malignant phenotype in response to MET and EGFR. Targeted intervention restricted MACC1-dependent colony formation which indicates new drug intervention points for MACC1 signaling and provides an excellent baseline for further investigations of combinatorial treatments. Additional research about the spatiotemporal organization of MACC1 signalosome formation and downstream signaling will reveal the entire potential of MACC1 as therapeutic target, whereas statins should already be considered for cancer therapy or prevention, especially in patients stratified for MACC1 expression.

Die thermische Magnetresonanz (ThermalMR) integriert Radiofrequenz (RF)-induzierte Erwärmung, in vivo Temperaturkartierung mittels MR-Thermometrie, anatomische und funktionelle MR-Bildgebung (MRT) und die Option für die x-Kern-MRT in einem einzigen, vielseitig einsetzbaren RF-Applikator. Der Aufbau erlaubt eine gezielte und überwachte Temperaturmodulation und kann somit als Basis für Studien dienen, welche die Klärung grundlegender Fragen bezüglich der molekularen, biochemischen, sowie physiologischen und therapeutischen Auswirkungen der Temperatur in Organismen ermöglichen. In dieser Arbeit wurde ein kostengünstiges, automatisiertes Open-Source-3D-Mehrzweck-Messsystem mit Submillimeter-Genauigkeit implementiert und validiert, um technische Entwicklungen in der thermischen MR wie Antennendesign, Signalgeneratoren, und simulationsbasierte Methoden zu prüfen. Um den Anforderungen eines modernen ThermalMR-Systems gerecht zu werden, wird ein neuer auf einem Phasenregelkreis basierender RF-Signalgenerator für Hyperthermie entwickelt und über dessen Entwurf, Implementierung, Validierung und Anwendung berichtet. Der Signalgenerator ist in der Lage, 32 unabhängige RF-Signale mit präziser Einstellung der Parameter dieser Signale zu erzeugen. Das in dieser Arbeit entwickelte Mehrkanal-RF-Überwachungsmodul ermöglicht das Detektieren von Abweichungen bezogen auf die gewählten Einstellungen und ermöglicht eine Korrektur der RF-Signale in einem Regelkreis. Darüber hinaus ermöglicht das Überwachungsmodul das Erkennen von Bewegungen und ermöglicht zusätzliche Sicherheit in einem realen Behandlungssetup. In dieser Arbeit wurden Forschung und Entwicklung in Informatik, Physik und Biowissenschaften synergetisch miteinander verbunden. Die in dieser Arbeit entwickelte Infrastruktur bildet eine technologische Basis für zukünftige ThermalMR-Anwendungen. / Thermal magnetic resonance (ThermalMR) integrates radio frequency (RF)-induced heating, in vivo temperature mapping using MR thermometry, anatomic and functional MR imaging (MRI), and the option for x-nuclei MRI in a single, multi-purpose RF applicator. This permits supervised targeted temperature modulation, thus enables pioneering studies to clarify fundamental questions pertaining to the molecular, biochemical, broader physiological and therapeutic effects of temperature in organisms. In this work, a cost-effective, automated open source 3D multipurpose measurement system with submillimeter fidelity was implemented and validated to facilitate technical developments in ThermalMR such as RF antenna design and algorithm verification. The design, implementation, validation, and application of the first phase-locked loop based RF signal generator in hyperthermia that is capable of generating 32 channels of independent RF signals with fine-tuning resolutions of the signals’ parameters meet the demanding requirements of a state-of-the-art RF heating system. The multi-channel RF supervision module developed in this work outperforms state-of-the-art counterparts. The detection of head motion in a hyperthermia setting was demonstrated for the first time with the RF supervision module. This work synergistically connects research and development in computer science, physics, and life science. The infrastructure developed in this work forms a technological basis for future ThermalMR applications.

Die vorliegende Arbeit behandelt das biologische Phänomen der Dormanz mit Hilfe mathematischer Modellierung. Dormanz beschreibt dabei einen reversiblen Zustand von Individuen, in dem die metabolische Aktivität reduziert wird und die Resistenz gegen Natureinflüsse erhöht ist. Der erste Teil der Arbeit widmet sich den ökologischen Eigenschaften. Hier wird zunächst ein Moranmodell vorgestellt, welches verschiedene Modellierungsarten von Dormanz aus der Populationsgenetik vereint und unter verschiedenen Skalierungen den schwachen seed-bank Koaleszenten und den starken seed-bank Koaleszenten als anzestralen Prozess innehat. Dadurch werden die Parameter der Koaleszenten vergleichbar. Als Anwendung betrachten wir die sogenannte species abundance distribution, welche mithilfe von Koaleszenten beschrieben werden kann. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Dormanz auf evolutionäre Eigenschaften und beginnt mit einer Einführung in die Theorie von adaptive dynamics. Dort werden auch verschiedene Möglichkeiten der Modellierung von Dormanz in individuenbasierten Modellen besprochen. Danach befassen wir uns mit der Erweiterung eines Modells für sympatrische Speziation um den Aspekt der Dormanz. Die canonical equation of adaptive dynamics wird - motiviert durch ein Modell mit Dormanz - für schnellere Mutationsraten aus dem sogenannten power-law Mutationsregime für einen Grenzfall hergeleitet. Die Arbeit schließt mit dem dritten Teil, in welchem ein individuenbasiertes Modell für die Entwicklung von Krebs unter dem Einfluss von Chemotherapie und unter Berücksichtigung von Dormanz vorgestellt wird. In Simulationsstudien wird untersucht, inwiefern Dormanz zu Misserfolg einer Therapie beiträgt. Ein weiteres Ziel ist die Analyse von Kombinationsbehandlung mit einem Medikament welches mit dormanten Zellen interagieren kann insbesondere unter Betrachtung verschiedener Therapieansätze zur Behandlung von dormanten Krebszellen. / The present thesis uses mathematical modelling to investigate the consequences of dormancy. Dormancy describes a reversible and protected state of reduced metabolic activity which enhances an individual's resilience to hazardous conditions. In this sense, dormancy acts as a protection mechanism against habitats with unfavourable environments. The thesis considers the impact of dormancy on ecological, evolutionary and in its broadest sense pathogenic properties of microbial populations. The first part is concerned with studying the impact of dormancy on ecology. For this, a Moran model is presented which unifies different models of dormancy from population genetics and exhibits the weak seed-bank coalescent and the strong seed-bank coalescent as the scaling limit of the ancestral process. As an application we consider the species abundance distribution which can be described using coalescent theory. In the second part we consider the influence of dormancy on evolutionary properties. The modelling framework for this is the theory of adaptive dynamics. We then show that competition-induced dormancy may favour sympatric speciation. A key aspect in the derivation of this result is the canonical equation of adaptive dynamics. We extend this equation - motivated by a model including dormancy - to power-law mutations in a limiting case. We conclude the thesis with the third part where we provide an individual-based model for the treatment of cancer with chemotherapy under consideration of dormant cancer cells. Using simulation studies, we investigate how dormancy may contribute to treatment failure. Another goal of this chapter is to analyse combination treatment with a drug which directly targets dormant cancer cells and to formulate general observations regarding various strategies to counter cancer cell dormancy.