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.

Herkömmliche Zytostatika greifen vornehmlich in den Zellzyklus ein und somit werden Zellen mit hoher Proliferationsrate geschädigt. Allerdings fallen hierunter nicht ausschließlich Krebszellen, sondern auch gesunde, schnell proliferierende Gewebearten. Auf Grund dessen verursacht eine klassische Chemotherapie schwerwiegende Nebenwirkungen. Neuere Therapieansätze greifen daher geno- sowie phänotypischer Unterschiede zwischen malignen und gesunden Zellpopulationen auf und können selektiv den zytotoxischen Wirkstoff in die Tumorpopulation einbringen. Dazu werden sogenannte Prodrug-Konzepte verfolgt, bei denen ein möglichst „untoxisches” Prodrug gezielt im entarteten Gewebe enzymatisch zum zytotoxischen Wirkstoff (Drug) aktiviert wird. In diesem Rahmen werden Substrate für die Antibody-Directed Enzyme Prodrug Therapy (ADEPT) hergestellt. Bei diesem Konzept wird eine hohe Tumorspezifität durch Konjugate aus Enzymen und Antikörpern erlangt, indem das Immunglobulin selektiv an tumorassoziierte Antigene bindet und durch das konjugierte Enzym die Drugfreisetzung ermöglicht wird. Die natürlichen zytotoxischen Antibiotika (+)-CC 1065 und (+)-Duocarmycin SA dienen hierbei als Leitstrukturen für die Synthese entsprechender Prodrugs. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden insgesamt zwei neue Duocarmycin-analoge Prodrugs sowie neun neue seco-Drugs synthetisiert, wobei vier Vertreter eine terminale Alkinfunktion aufweisen. Für die Darstellung der Prodrugs wurden auf die Galaktose als Glykosideinheit zurückgegriffen. Zudem wurde ein neuartiges dimeres seco Drug hergestellt, das aus zwei pharmakophoren Einheiten sowie einem verbrückenden Linker mit Alkineinheit besteht. Die jeweiligen Substanzen wurden auf ihre In-vitro-Zytotoxizitäten sowie die Eignung für eine Anwendung im ADEPT-Ansatz evaluiert. Neun der neuen Duocarmycin-Analoga wurden in Form von seco- und Prodrugs wurden im Rahmen des aktivitätsbasierten Protein-Profilings untersucht. Hierbei konnte die Aldehyddehydrogenase 1 als wichtiges Angriffsziel der Duocarmycin-Familie verifiziert werden.

Die Entwicklung von enzymfreien, isothermen Nachweisverfahren für Nukleinsäuren, die mit der PCR konkurrieren können, ist seit langem ein Ziel. Eine potenzielle Strategie besteht darin, Nukleinsäure-templierte Reaktionen zu verwenden, bei denen das Templat (Analyt) als Katalysator fungiert und das Signal verstärkt. Die derzeitig verwendeten Strategien, wie Ligations- oder Transferreaktionen, sind jedoch in ihrer Empfindlichkeit aufgrund des Effekts der Produktinhibierung begrenzt. Um dies zu überwinden, müssen die Reaktanten nicht nur sequenzspezifisch an die DNA oder RNA binden, sondern die Produkte müssen sich auch von der DNA oder RNA wieder lösen können. Diese Arbeit stellt ein neues Paradigma für Nukleinsäure templierte Reaktionen vor: Das Loss-of-Affinity Prinzip. In diesem Prinzip werden Produkte generiert, die eine geringere Affinität zum Templat aufweisen als die Reaktanten. Dadurch wird die Produktinhibierung verhindert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das Loss-of-Affinity Prinzip mit triplexbildenden, spaltbaren bis-PNA Sonden untersucht. Diese erfuhren eine C-O-Bindungsspaltung, ausgelöst durch die katalytische Photoreduktion eines Rutheniumkomplexes. Nach mehreren Optimierungsrunden zeigte eine 10-mer bis-PNA Sonde eine beeindruckende katalytische Effizienz. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Loss-of-Affinity Prinzip zur Überwindung der Produktinhibierung genutzt werden kann. Die verwendeten bis-PNAs zeigten jedoch eine stark unspezifische Bindung. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die bis-PNA Sonden gegen PNA- und GPNA-Spermin Sonden ausgetauscht, um das Problem der unspezifischen Bindung zu überwinden. Die PNA- und GPNA Spermin Sonden zeigten die wahrscheinlich effizientesten, bisher bekannten Nukleinsäure templierten Reaktionen, welchee die meisten natürlichen Enzyme übertrafen. Darüber hinaus zeigten sie eine ausgezeichnete Sequenzspezifität. / Developing enzyme-free isothermal detection methods of nucleic acids that can challenge PCR has been a long-standing goal. One potential strategy revolves around nucleic acid-templated reactions, in which the template (analyte) can act as a catalyst and amplify the signal. However, current strategies such as ligation reactions or functional group interconversions are plagued by product inhibition, which limits the sensitivity. To overcome this, the reactants must not only bind to DNA or RNA in a sequence-specific manner, but the products must also be able to detach from the DNA or RNA. This work introduces a new paradigm to nucleic acid-templated reactions, the loss-of-affinity principle, which yields products that have a lower template affinity than the reactants. This prevents product inhibition. In the first part of this work, the loss-of-affinity principle was explored with triplex-forming immolative bis-PNA probes that underwent a C-O bond cleavage upon catalytic photoreduction using a ruthenium complex. After several rounds of optimization, a 10-mer bis-PNA demonstrated an impressive catalytic efficiency. These results demonstrate that the loss-of-affinity principle can be used to overcome product inhibition. However, the bis-PNAs demonstrated highly non-specific binding. In the second part of this work, the bis-PNAs were replaced with PNA- and GPNA-spermine probes to address the issue of non-specific binding. The PNA- and GPNA-spermine probes exhibited probably the most efficient nucleic acid-templated reactions to date, outperforming most natural enzymes. In addition, they demonstrated excellent sequence specificity.

Das Zytokin Interleukin-7 (IL-7) ist für die Entstehung und das Überleben reifer T Zellen von zentraler Bedeutung. Die Gabe von IL-7 führt sowohl in der Maus als auch im Menschen zu erhöhten T Zellzahlen und einem veränderten T Zellphänotyp. Folglich könnte sich die therapeutische Gabe von IL-7 bei Patienten mit geschwächtem Immunsystem positiv auswirken. Diese Hypothese wird derzeit in mehreren klinischen Studien untersucht. Bisher wurde allerdings nur die Wirkung von IL-7 auf T-Zellen studiert. Zu dessen Wirkung auf andere Immun- oder Stromazellen sowie deren IL-7-abhängigen Beitrag zur Regulation der T-Zellhomöostase ist nur wenig bekannt. Daher war es Ziel der Arbeit, den Einfluss einer therapeutischen Gabe von IL-7 auf adoptiv-transferierte T-Zellen in IL-7-Rezeptor (IL-7R)-kompetenten und defizienten lymphopenischen Mäusen zu studieren. Die Untersuchungen bestätigen, dass die Gabe von IL-7 T-Zellantworten unterstützt, zeigen jedoch auch, daß viele dieser Effekte von IL-7R-exprimierenden Wirtszellen abhängig sind. Dies weist darauf hin, dass IL-7R-vermittelte Signale in Wirtszellen indirekt T-Zellantworten beeinflussen. Zudem zeigte sich, dass effiziente anti-Tumor-T Zellantworten von IL 7R-vermittelten Signalen in Wirtszellen abhängen. Vor allem nicht-hämatopoetische Wirtszellen fungieren hier als Regulatoren der IL-7-Therapie-vermittelten T Zelldifferenzierung. Unsere Ergebnisse bestätigen außerdem, dass Stromazellen in verschiedenen Organen il-7 exprimieren und zeigen darüber hinaus, dass diese Zellen durch die Gabe von IL-7 beeinflusst werden. Wir folgern daraus, dass die Effekte der IL-7-Therapie auf T Zellhomöostase teilweise indirekt über il-7-exprimierende Stromazellen vermittelt werden. Um diese Zellen genauer identifizieren und untersuchen zu können, haben wir ein neues transgenes Mausmodell charakterisiert, was es erleichtern wird, die beteiligten molekularen Signalwege zu analysieren und den Erfolg der adoptiven T Zelltherapie zu verbessern. / Interleukin-7 (IL-7) is an essential cytokine required for the development and maintenance of mature T cell. Its availability is limited under normal conditions, but rises during lymphopenia, leading to increased T cell proliferation. The administration of recombinant IL-7 to normal or lymphopenic mice and humans results in increased T cell numbers and altered T cell phenotype. Hence, IL-7 administration could mediate therapeutic benefits in immunocompromised patients and is currently tested in several clinical trials. However, besides its well-studied effects on T cells little is known about the effect of IL-7 on other immune and non-immune cells and their influence on T cell homeostasis. Therefore, we evaluated the effect of IL-7 therapy on adoptively transferred T cells in IL-7 receptor (IL-7R)-competent and IL-7R-deficient lymphopenic mice. We confirm the benefits of IL-7 therapy on T cell responses but additionally show that many of these effects are dependent on IL-7R expression by host cells, indicating that IL-7R signaling in host cells modulates T cell responses. We show that efficient T cell responses against cancer are dependent on host IL-7R signaling. Based on studies in bone-marrow chimeric mice, we identify non-hematopoietic host cells as main regulators of IL-7 therapy-modulated T cell differentiation. We conclude from these data that IL-7 therapy affects non-hematopoietic stromal cells that modulate the success of adoptive T cell therapy. Our results confirm that stromal cells in various organs express il-7 and show that these cells are targeted by IL-7 therapy in vivo. Hence, we propose that il-7-expressing cells regulate IL-7 therapy-modulated T cell homeostasis. To identify and study these il-7 expressing stromal cells in more detail, we characterized a new transgenic mouse model that will facilitate determining the molecular pathways to improve the success of adoptive T cell therapy.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertationsschrift „Semi-quantitative röntgentomographische Untersuchungen zur Biodistribution von magnetischen Nanopartikeln in biologischem Gewebe“ wurden tomographische Untersuchungen an biologischen Objekten durchgeführt. Bei diesen Objekten handelt es sich um Gewebeproben nach minimal-invasiven Krebstherapien wie zum Beispiel magnetischem Drug Targeting und magnetischer Wärmebehandlung. Der Erfolg dieser Therapien ist sowohl abhängig von der korrekten Verteilung der magnetischen Nanopartikel als auch von der Tatsache, dass diese in der Zielregion in einer ausreichenden Menge vorhanden sind. Das Vorliegen dieser beiden Voraussetzungen ist in der vorliegenden Arbeit untersucht worden. Dabei lag der Schwerpunkt der Arbeit auf der Quantifizierung von magnetischem Material in unterschiedlichen biologischen Gewebeproben mittels Röntgenmikrocomputertomographie (XµCT). Für diesen Zweck wurde ein Kalibrationssystem mit speziellen Phantomen entwickelt, mit dessen Hilfe eine Nanopartikelkonzentration einem Grauwert voxelweise zugewiesen werden kann. Mit Hilfe der Kalibration kann der Nanopartikelgehalt sowohl in monochromatischen als auch in polychromatischen tomographischen Daten im Vergleich zu magnetorelaxometrischen Ergebnissen mit wenigen Prozent Abweichung ermittelt werden. Trotz Polychromasie und damit einhergehenden Artefakten können 3-dimensionale röntgentomographische Datensätze mit einer geringfügigen Konzentrationsabweichung im Vergleich zur quantitativen Messmethode Magnetorelaxometrie semi-quantitativ ausgewertet werden. / The success of the minimal invasive cancer therapies, called magnetic drug targeting and magnetic heating treatment, depends strongly on the correct distribution of the magnetic nanoparticles on one side. On the other side it depends on the fact that a sufficient amount of magnetic nanoparticles carrying drugs is accumulated in the target region. To study whether these two requirements are fulfilled motivates this PhD thesis „Semi-quantitative X-ray-tomography examinations of biodistribution of magnetic nanoparticles in biological tissues“. The analysis of the distribution of the magnetic nanoparticles in tumours and other tissue examples is realized by means of X-ray-micro computer tomography (XμCT). The work focuses on the quantification of the magnetic nanoparticles in different biological tissue samples by means of XµCT. A calibration of the tomographic devices with adequate phantoms, developed in the frame of this work, opens now the possibility to analyze tomographic data in a semi-quantitative manner. Thus, the nanoparticle concentration can be allocated voxel-wise to the grey values of the three-dimensional tomographic data. With the help of calibration of the tomography equipments used, polychromatic as well as monochromatic three-dimensional representations of objects can be analyzed with regard to the biodistribution of magnetic nanoparticles as well as with regard to their quantity. The semi-quantitative results have been compared with results obtained with a quantitative measurement method magnetorelaxometry (MRX). Thereby a good agreement of the semi-quantitative and quantitative data has been figured out.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertationsschrift „Semi-quantitative röntgentomographische Untersuchungen zur Biodistribution von magnetischen Nanopartikeln in biologischem Gewebe“ wurden tomographische Untersuchungen an biologischen Objekten durchgeführt. Bei diesen Objekten handelt es sich um Gewebeproben nach minimal-invasiven Krebstherapien wie zum Beispiel magnetischem Drug Targeting und magnetischer Wärmebehandlung. Der Erfolg dieser Therapien ist sowohl abhängig von der korrekten Verteilung der magnetischen Nanopartikel als auch von der Tatsache, dass diese in der Zielregion in einer ausreichenden Menge vorhanden sind. Das Vorliegen dieser beiden Voraussetzungen ist in der vorliegenden Arbeit untersucht worden. Dabei lag der Schwerpunkt der Arbeit auf der Quantifizierung von magnetischem Material in unterschiedlichen biologischen Gewebeproben mittels Röntgenmikrocomputertomographie (XµCT). Für diesen Zweck wurde ein Kalibrationssystem mit speziellen Phantomen entwickelt, mit dessen Hilfe eine Nanopartikelkonzentration einem Grauwert voxelweise zugewiesen werden kann. Mit Hilfe der Kalibration kann der Nanopartikelgehalt sowohl in monochromatischen als auch in polychromatischen tomographischen Daten im Vergleich zu magnetorelaxometrischen Ergebnissen mit wenigen Prozent Abweichung ermittelt werden. Trotz Polychromasie und damit einhergehenden Artefakten können 3-dimensionale röntgentomographische Datensätze mit einer geringfügigen Konzentrationsabweichung im Vergleich zur quantitativen Messmethode Magnetorelaxometrie semi-quantitativ ausgewertet werden. / The success of the minimal invasive cancer therapies, called magnetic drug targeting and magnetic heating treatment, depends strongly on the correct distribution of the magnetic nanoparticles on one side. On the other side it depends on the fact that a sufficient amount of magnetic nanoparticles carrying drugs is accumulated in the target region. To study whether these two requirements are fulfilled motivates this PhD thesis „Semi-quantitative X-ray-tomography examinations of biodistribution of magnetic nanoparticles in biological tissues“. The analysis of the distribution of the magnetic nanoparticles in tumours and other tissue examples is realized by means of X-ray-micro computer tomography (XμCT). The work focuses on the quantification of the magnetic nanoparticles in different biological tissue samples by means of XµCT. A calibration of the tomographic devices with adequate phantoms, developed in the frame of this work, opens now the possibility to analyze tomographic data in a semi-quantitative manner. Thus, the nanoparticle concentration can be allocated voxel-wise to the grey values of the three-dimensional tomographic data. With the help of calibration of the tomography equipments used, polychromatic as well as monochromatic three-dimensional representations of objects can be analyzed with regard to the biodistribution of magnetic nanoparticles as well as with regard to their quantity. The semi-quantitative results have been compared with results obtained with a quantitative measurement method magnetorelaxometry (MRX). Thereby a good agreement of the semi-quantitative and quantitative data has been figured out.