Prostate Apoptosis Response-4 (Par-4) is a conserved and ubiquitous tumor-suppressor factor which can selectively induce apoptosis in tumor cells, while leaving normal cells unaffected. While Par-4 is well established as a tumor-suppressor, there have yet been no formal investigations as to whether it has a physiologic role in normal tissues. Early observations of Par-4 knockout mouse lines yielded that the adult mice displayed significant weight gain and fat accumulation compared to their wild-type counterparts while on a conventional chow diet. Interestingly, obese mouse and human subjects were found to exhibit reduced expression of Par-4 in adipose tissue as well as lower levels of secreted Par-4 in their plasma, compared to samples collected from lean human subjects. Subsequent in vitro experiments would show that loss of Par-4 has significant impact upon adipogenesis. Mechanistically, Par-4 loss during adipogenesis in cell culture correlated inversely with expression of the adipogenic transcription factor PPARγ. Subsequent experiments would demonstrate that Par-4 transcriptionally represses PPARγ at the promoter level. Thereby, we conclude that Par-4 regulates adipogenesis and lipid accumulation through transcriptional repression of the PPARγ promoter. This research utilizes novel models and may be used as the basis for Par-4-mediated therapies for obesity and metabolic disease.

A brain tumor diagnosis is traumatic and has a devastating impact upon the caregiver and the family unit. The effects of the tumor growth and treatment often cause significant neurologic injury and dramatically affect the quality of life (QOL) for the patient and their entire family unit. Caregivers are constantly challenged to provide care, yet they feel untrained and underprepared as they struggle to adjust to new roles and responsibilities. The purpose of this study is to gain an understanding of the lived experiences of caregivers of individuals with primary benign brain tumor (PBBT). An interpretive phenomenological analysis approach was used to explore the experiences of 10 caregivers. Bowen's family systems theory provided an understanding of how families respond to changes in their family system resulting from a member of the family having a PBBT. A nonprobability sampling technique was used to recruit participants from 2 virtual support groups. Data were collected through semistructured interviews guided by an interview template. Interviews were transcribed and analyzed following the Smith tradition of inquiry until data saturation was reached. Three major themes emerged from the data: experiencing new challenges, responding to initial diagnosis, and facing challenges with family and friends. Caregivers experience a wide variety of responsibilities that are physically and psychologically challenging, which can negatively affect the QOL for the caregiver and the patient. These findings can be used by healthcare providers to identify resources to alleviate the unanticipated demands caregivers experience. Future studies are needed to explore how best to decrease challenges experienced by caregivers of individuals with PBBT.

For radiation treatment of cancer and image-based quantitative assessment of treatment response, target structures like tumors and lymph nodes need to be segmented. In current clinical practice, this is done manually, which is time consuming and error-prone. To address this issue, a semi-automated graph-based segmentation approach was developed. It was validated with 60 real datasets, segmented by two users manually and with this new algorithm, and 44 scans of a phantom dataset. The results showed a statistically significant improvement in intra- and interoperator consistency of segmentations, a statistically significant improvement in speed of segmentation, and reasonable accuracy against consensus images and phantoms. As such, the algorithm can be applied in cases that otherwise would use manual segmentation.

Cancer is a collection of diseases that is characterized by an uncontrolled proliferation of aberrant cells. The conventional treatment strategies including chemotherapy and radiotherapy prove detrimental to healthy cells and are unable to combat primary and secondary metastases. Hence immunotherapy is gaining momentum in cancer clinics and translational research labs as an alternative safer and more efficacious approach to tumor therapy. Vaccines based on antigen alone lack the ability to optimally activate the antigen presenting cells (APCs) including dendritic cells (DCs) to generate significantly greater antigen-specific T cell responses. A typical strategy to overcome this limitation has been the use of adjuvants in order to improve the immunogenicity of the vaccines. A newer class of adjuvants called toll like receptor (TLR) ligands recognize pathogen associated molecular patterns (PAMP) and thus elicit a Th-1 polarized response. The hypothesis of the current research is that co-delivery of antigen and adjuvant in a microparticulate carrier will elicit a strong cell-mediated immune response conferring anti-tumor immunity. Furthermore, we proposed that a combination of TLR ligands when co-delivered with an antigen will be able to mount a synergistic anti-tumor response in comparison to the delivery of antigen alone. There were three primary objectives of the study; 1) Fabrication, process design optimization and characterization of antigen and adjuvant co-loaded microparticles (MP), 2) Study the ability of the MP fabricated in step 1 in eliciting a potent immune response in a murine model by various routes of administration and 3) Study the effect of the various treatment as prophylactic and therapeutic cancer vaccines in a murine tumor model. Objective 1 was achieved by optimizing various process parameters including PLGA type and concentration, surfactant concentration and modification of a previously reported double emulsification solvent evaporation technique. Process optimization lead to the development of the following 5 treatment groups, a) Empty PLGA MP, b) OVA PLGA MP, c) OVA + CpG PLGA MP, d) OVA + poly I: C PLGA MP and e) OVA + CpG + poly I:C tri-component PLGA MP. The optimized microparticles exhibited a mean particle size of 1.5 πm with a smooth spherical surface and a desirable biphasic release pattern of the entrapped components. Results from step 2 indicated the ability of the co-delivery and the tri-component systems to generate several fold higher immunostimulatory response in comparison to the group treated with antigen alone. Of the two routes of administration tested, the intraperitonial (i.p) route gave the strongest response followed by intramuscular (i.m) route. A synergistic antibody response response was observed upon vaccination with the tri-component model. Prophylactic vaccination studies showed that the co-delivery and tri-component system affording the strongest protection against aggressive tumor growth. The therapeutic studies also indicated enhanced tumor protection and 2-fold improvement in survival times when the mice vaccinated with the co-delivery and tri-component MP carriers in comparison to vaccination with microparticles loaded with antigen alone. The carriers also showed strong evidence for the generation of anti-tumor immunogenic memory. In summary, the current study has laid an interesting premise for the use of immunotherapy using a combination of antigen and TLR adjuvants alone or in conjunction with chemotherapy as a treatment strategy for tumor therapy. This research is expected to lead to the utilization of PLGA delivery systems as novel carriers for cancer immunotherapy.

Metastatic breast cancer is a leading cause of cancer-related mortality worldwide. While existing interventions are effective at treating localized tumors, disseminated malignancies remain incurable. Vaccine-induced anti-tumor immunity is a promising approach for treating disseminated tumors, as immune responses are systemic, have antigen-restricted cytotoxicity, and generate protective immune “memory” populations. Our group has developed a novel heterologous prime/boost vaccine protocol that treats established 4T1 murine mammary tumors. Briefly, this approach entails a vaccine prime consisting of tumor lysate antigens encapsulated within poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA) microparticles (MPs). The vaccine prime was followed by a vaccine boost consisting of tumor lysates plus adjuvants. Spontaneous 4T1 lung metastasis was evaluated at a pre-determined endpoint in vaccinated versus untreated mice. Vaccinated mice demonstrated significant, but incomplete, reductions in metastatic tumor burdens relative to untreated control mice. Encouraged by these results, we evaluated additional vaccine variations with the goal of improving therapeutic responses. The addition of immunomodulatory chemotherapy or checkpoint blockade immunotherapy failed to significantly improve the initial vaccine’s efficacy. Conjugation of streptavidin/biotin complexes to the PLGA MP significantly improved vaccine efficacy, with vaccinated mice demonstrating 88% less metastatic tumor burdens than their untreated counterparts. These findings illustrate that vaccines based upon PLGA MP-mediated delivery of tumor lysates can form the basis of an effective treatment for metastatic breast cancer and suggest that similar approaches may be both efficacious and well-tolerated in the clinic.

Cellular responses to outer stimuli are the basis for all biological processes. Signal integration is achieved by protein cascades, recognizing and processing molecules from the environment. Factors released by pathogens or inflammation usually induce an inflammatory response, a signal often transduced by Tumour Necrosis Factor alpha (TNF). TNFα receptors TNF-R1 and TNF-R2 can in turn lead to apoptosis or proliferation via NF-B. These processes are closely regulated by membrane compartimentalization, protein interactions and trafficking. Fluorescence microscopy offers a reliable and non-invasive method to probe these cellular events. However, some processes on a native membrane are not resolvable, as they are well below the diffraction limit of microscopy. The recent development of super-resolution fluorescence microscopy methods enables the observation of these cellular players well below this limit: by localizing, tracking and counting molecules with high spatial and temporal resolution, these new fluorescence microscopy methods offer a previously unknown insight into protein interactions at the near-molecular level. Direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) utilizes the reversible, stochastic blinking events of small commercially available fluorescent dyes, while photoactivated localization microscopy (PALM) utilizes phototransformation of genetically encoded fluorescent proteins. By photoactivating only a small fraction of the present fluorophores in each observation interval, single emitters can be localized with high precision and a super-resolved image can be reconstructed. Quantum Dot Triexciton imaging (QDTI) utilizes the three-photon absorption (triexcitonic) properties of quantum dots (QD) and to achieve a twofold resolution increase using conventional confocal microscopes. In this thesis, experimental approaches were implemented to achieve super-resolution microscopy in fixed and live-cells to study the spatial and temporal dynamics of TNF and other cellular signaling events. We introduce QDTI to study the three-dimensional cellular distribution of biological targets, offering an easy method to achieve resolution enhancement in combination with optical sectioning, allowing the preliminary quantification of labeled proteins. As QDs are electron dense, QDTI can be used for correlative fluorescence and transmission electron microscopy, proving the versatility of QD probes. Utilizing the phototransformation properties of fluorescent proteins, single-receptor tracking on live cells was achieved, applying the concept of single particle tracking PALM (sptPALM) to track the dynamics of a TNF-R1-tdEos chimera on the membrane. Lateral receptor dynamics can be tracked with high precision and the influences of ligand addition or lipid disruption on TNF-R1 mobility was observed. The results reveal complex receptor dynamics, implying internalization processes in response to TNFα stimulation and a role for membrane domains with reduced fluidity, so-called lipid raft domains, in TNF-R1 compartimentalization prior or post ligand induction. Comparisons with previously published FCS data show a good accordance, but stressing the increased data depth available in sptPALM experiments. Additionally, the active transport of NF-κB-tdEos fusions was observed in live neurons under chemical stimulation and/or inhibition. Contrary to phototransformable proteins that need no special buffers to exhibit photoconversion or photoactivation, dSTORM has previously been unsuitable for in vivo applications, as organic dyes relied on introducing the probes via immunostaining in concert with a reductive, oxygen-free medium for proper photoswitching behaviour. ATTO655 had been previously shown to be suitable for live-cell applications, as its switching behavior can be catalyzed by the reductive environment of the cytoplasm. By introducing the cell-permeant organic dye via a chemical tag system, a high specificity and low background was achieved. Here, the labeled histone H2B complex and thus single nucleosome movements in a live cell can be observed over long time periods and with ~20 nm resolution. Implementing these new approaches for imaging biological processes with high temporal and spatial resolution provides new insights into the dynamics and spatial heterogeneities of proteins, further elucidating their function in the organism and revealing properties that are usually only detectable in vitro. / Zelluläre Antworten auf externe Stimuli sind die Basis aller biologischer Prozesse. Die Integration dieser Signale wird dabei von Proteinkaskaden ausgeführt, welche Moleküle aus der Umgebung wahrnehmen und verarbeiten. Faktoren, welche von Pathogenen oder während einer Entzündung freigesetzt werden, induzieren für gewöhnlich eine Entzündungsantwort, eine Reaktion, die oft vom Tumornekrosefaktor alpha (TNFα) vermittelt wird. Die TNFα Rezeptoren TNF-R1 und TNF-R2 vermitteln nach Ligandenbinding Apoptose oder Zellproliferation durch NF-kB. Diese Prozesse sind engmaschig durch Membrankompartimentierung, Proteininteraktionen und -transport reguliert. Fluoreszenzmikroskopie bietet eine zuverlässige, nicht-invasive Methode um diese zellulären Prozesse zu untersuchen. Allerdings sind einige Prozesse innerhalb einer nativen Membran nicht auflösbar, da sie weit unterhalb der Beugungsgrenze der Lichtmikroskopie stattfinden. Die jüngste Entwicklung der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopiemethoden erlaubt die Beobachtung dieser zellulären Abläufe auf molekularer Ebene: durch das Lokalisieren, Verfolgen und Zählen von Molekülen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bieten diese neuen Fluoreszenzmethoden bisher unbekannte Einblicke in Proteininteraktionen. Direkte stochastische optische Rekonstruktionsmikroskopie (dSTORM) nutzt die reversiblen, stochastischen Ereignisse von kleinen blinkenden, kommerziell erhältlichen Fluoreszenzfarbstoffen, während die photoaktivierte Lokalisationsmikroskopie (PALM) die Phototransformation fluoreszierenden Proteinen nutzt. Durch das Photoaktivieren lediglich eines kleinen Bruchteils der Fluorophore innerhalb eines Zeitintervalls können einzelne Emitter mit hoher Genauigkeit lokalisiert und ein hochaufgelöstes Bild daraus rekonstruiert werden. Quantum Dot Triexciton Imaging (QDTI) nutzt die Drei-Photonen-Absorption von Quantenpunkten um eine zweifache Auflösungserhöhung mittels eines Konfokalmikroskopes zu erreichen. In dieser Arbeit wurden experimentelle Ansätze zur hochauflösenden Mikroskopie an fixierten und lebenden Zellen implementiert, um die räumliche und zeitliche Dynamik von TNF und anderen zellulären Signalwegen zu untersuchen. Zur Analyse der dreidimensionalen, zellulären Verteilung von biologischen Zielen stellen wir QDTI vor, welches eine einfache Methode zur Verbesserung der Auflösung an Konfokalmikroskopen in Kombination mit optischen Schnitten darstellt. Dies ermöglicht die vorläufige Quantifizierung von markierten Proteinen. Da QDs eine hohe Elektronendichte besitzen kann QDTI auch für korrelative Fluoreszenz- und Transmissionselektronenmikroskopie genutzt werden, was die Vielseitigkeit der QD-Sonden verdeutlicht. Mit Hilfe des single-particle tracking PALM (sptPALM) Konzepts konnten einzelne Rezeptormoleküle verfolgt werden, um die Dynamiken einer TNF-R1-tdEos Chimäre auf der Membran zu beobachten. Die laterale Rezeptordynamik kann hier mit hoher Präzision gemessen, und die Einflüsse auf die TNF-R1-Mobilität konnte nach Ligandenzugabe oder die Störung der Membranzusammensetzung analysiert werden. Die Ergebnisse zeigen eine komplexe Rezeptordynamik und lassen sowohl auf Internalisierungsprozesse in Reaktion auf TNFα-Stimulation, als auch auf eine wichtige Rolle von Membrandomänen mit eingeschränkter Fluidität in der TNF-R1 Kompartimentierung während der Ligandenbindung schließen. Zusätzlich wurde der aktive Transport von NF-kB-tdEos Fusionsproteinen in lebenden Neuronen unter chemischer Stimulierung bzw. Inhibierung untersucht. Im Gegensatz zu phototransformierbaren Proteinen, die keine speziellen Puffer zur Photokonversion oder Photoaktivierung benötigen, war dSTORM bisher für in vivo Anwendungen ungeeignet, da organische Farbstoffe auf die Einführung über Immunfärbung in Kombination mit einem reduktiven, Sauerstoff-freiem Medium für korrektes Photoschalten angewiesen waren. ATTO655 wurde zuvor als geeignet für die Anwendung in lebenden Zellen eingestuft, da das Schaltverhalten durch die reduktive Umgebung des Zytoplasmas katalysiert werden kann. Durch die Einführung von membranpermeablen organischen Farbstoffen über ein chemisches Markierungssystem konnte eine hohe Spezifität und ein geringer Hintergrund erreicht werden. Hier konnte durch die Markierung des Histon H2B Komplexes die Bewegung einzelner Nukleosome in lebenden Zellen über lange Zeiträume mit einer Auflösung von ~20 nm beobachtet werden. Die Umsetzung dieser neuen Ansätze für die Darstellung biologischer Prozesse mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung liefert neue Einblicke in die Dynamiken und die räumliche Heterogenität von Proteinen und enthüllt Funktionen im Organismus und beleuchtet Eigenschaften, die sonst nur in vitro nachweisbar wären.

Liganden und Rezeptoren der TNF-Familie regulieren eine Vielzahl zellulärer Prozesse, darunter Apoptose und Immunprozesse. TNF-Liganden kommen in Form löslicher und membranständiger trimerer Moleküle vor, wobei die trimere Organisation durch die konservierte THD vermittelt wird. Im Gegensatz zu den membranständigen Molekülen können lösliche TNF-Liganden nicht immer an ihren TNF-Rezeptor binden oder ihn effektiv aktivieren. Für zwei solcher inaktiven TNF-Liganden, nämlich TRAIL und CD95L, konnte gezeigt werden, dass durch sekundäre Oligomerisierung oder durch artifizielle Herstellung einer Membranständigkeit mittels Antikörperdomänen gegen zelloberflächenexprimierte Proteine hochaktive Ligandenvarianten generiert werden können. Inwieweit sich diese Verfahren auf die T-Zell-kostimulatorischen TNF-Liganden OX40L, 41BBL und CD27L übertragen lassen, wurde in dieser Arbeit untersucht. Lösliche Flag- und Flag-TNC-Varianten von OX40L und 41BBL zeigten eine gute Bindung an die Rezeptoren OX40 und 41BB. Die lösliche Variante Flag-CD27L konnte nicht an ihren Rezeptor CD27 binden. Dies war aber nach Einführung der trimerstabilisierenden TNC-Domäne möglich. Eine effektive Aktivierung ihres Rezeptors, nachgewiesen durch Analyse der IL8-Induktion, bewirkten die löslichen TNF-Ligandenvarianten nur nach sekundärer Oligomerisierung mittels des Flag-spezifischen Antikörpers M2. Eine ähnlich gute TNFR-Aktivierung ließ sich durch Einführung der hexamerisierenden Fc-Domäne erzielen. Fc-Flag-OX40L und Fc-Flag-41BBL induzierten bereits ohne sekundäre Quervernetzung effektiv IL8. Die Hexamerisierung alleine reichte für die lösliche CD27L-Variante nicht aus, hier war zusätzlich zur Fc- wiederum auch die TNC-Domäne erforderlich, um die Bindung an CD27 und eine schwache IL8-Induktion zu erzielen. Für die FAP-bindenden Fusionsproteine antiFAP-Flag- OX40L, antiFAP-Flag-41BBL und antiFAP-Flag-TNC-CD27L war die Bindung an OX40, 41BB und CD27 sowie an FAP nachweisbar. Erst durch die artifizielle Membranständigkeit nach Bindung an FAP konnten diese Fusionsproteine über ihren Rezeptor effektiv IL8 induzieren. Zusammenfassend ließ sich somit zeigen, dass sich schwach oder nicht aktive lösliche Ligandenvarianten von OX40L und 41BBL durch sekundäre Oligomerisierung, durch die Fc-Hexamerisierungsdomäne und durch artifizielle Membranständigkeit in hochaktive Liganden verwandeln lassen. Lösliche CD27L-Varianten benötigen zusätzlich die trimerstabilisierende TNC-Domäne, um CD27 binden und aktivieren zu können. Für das bessere Verständnis der Ligand-Rezeptor-Interaktionen wurden zusätzlich OX40L-, 41BBL- und CD27L-Fusionsproteine mit der hochaktiven Gaussia princeps Luziferase (GpL) generiert, um Gleichgewichtsbindungs-, Dissoziationsstudien und homologe Kompetitionsassays durchführen zu können. Für die Fusionsproteine GpL-Flag-TNC-OX40L, GpL-Flag-TNC-41BBL und GpL-Flag-TNC-CD27L konnte gezeigt werden, dass die IL8-Induktion nicht von der Rezeptorbelegung abhängt, sondern von der sekundären Oligomerisierung, da bei gleicher Rezeptorbelegung durch sekundär quervernetzte TNF-Liganden mehr IL8 induziert wird, die Rezeptoraktivierung also qualitativ besser sein muss. / Ligands and receptors of the TNF family regulate diverse cellular processes such as apoptosis and immune processes. TNF ligands are soluble or membrane-bound molecules with a trimeric organization mediated by the conservative THD. Unlike the membrane-bound molecules soluble TNF ligands may fail in binding or in activating their receptor efficiently. It was shown for two such inactive TNF ligands, namely TRAIL and CD95L that highly active ligand variants could be generated with secondary oligomerization or artificial cell surface immobilization through antibody domains recognizing cell surface expressed proteins. In this work it was examined if these procedures are also applicable to the T cell costimulating TNF ligands OX40L, 41BBL and CD27L. Soluble Flag- and Flag-TNC-variants of OX40L and 41BBL showed good binding to their receptors OX40 and 41BB. The soluble variant Flag-CD27L did not bind its receptor CD27 while that was possible after introduction of the trimer stabilizing TNC-domain. An effective receptor-activation proved by analysis of the induction of IL8 was gained by soluble TNF ligand variants only after secondary oligomerization with the Flag-specific antibody M2. A similar efficient TNFR-activation was achieved by introduction of a hexamerizing Fc-domain. Fc-Flag-OX40L and Fc-Flag-41BBL induced already without secondary cross-linking efficiently IL8. For the soluble CD27L-variant hexamerization alone was not sufficient, but the Fc-domain was necessary in addition to the TNC-domain to enable binding to CD27 and weak induction of IL8. For the FAP-binding fusion proteins antiFAP-Flag-OX40L, antiFAP-Flag-41BBL and antiFAP-Flag-TNC-CD27L binding to OX40, 41BB and CD27 as well as to FAP was detectable. These fusion proteins were able to induce IL8 efficiently via their receptor only as artificial membrane-bound molecules after binding to FAP. In summary, it has been shown that poorly or not active soluble ligand-variants of OX40L and 41BBL can be turned into highly active ligands by secondary oligomerization, by the hexamerizing Fc-domain and by artificial immobilization on the cell surface. Soluble CD27L variants additionally need the trimer-stabilizing TNC-domain to bind and activate CD27. For better understanding of ligand-receptor-interactions additionally OX40L-, 41BBL- and CD27L-fusion proteins with the highly active Gaussia princeps luciferase (GpL) were generated to enable equilibrium binding and dissociation studies as well as homologous competition assays. It was shown here with the fusion proteins GpL-Flag-TNC-OX40L, GpLFlag-TNC-41BBL and GpL-Flag-TNC-CD27L that induction of IL8 is independent of receptor occupancy, but depends on secondary oligomerization. Secondary cross-linked TNF ligands induced more IL8 with equal receptor occupancy. Therefore a qualitative better receptor activation has to be assumed.

Unter dem Namen Avemar sind fermentierte Weizenkeimlinge als onkologisches Supportivprodukt erhältlich. Der hohe Anteil an 2,6-Dimethoxy-1,4-benzochinonen (DMBQ) in Avemar soll für das \(in\) \(vitro\) und \(in\) \(vivo\) belegte antikanzerogene Potential verantwortlich sein. DMBQ wirken über Semichinonradikale bzw. durch Ausbildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und Induktion von oxidativem Stress zytotoxisch. Da Tumorzellen empfindlicher auf oxidativen Stress reagieren als gesunde Zellen, kann dies die selektive zytotoxische Wirkung von Avemar erklären. Die Beteiligung von DMBQ am antiproliferativen Effekt von Avemar und die Wirkung von Avemar auf den Stoffwechsel maligner Zellen sind derzeit nicht eindeutig geklärt. Die antiproliferativen Eigenschaften von Avemar und DMBQ als Reinsubstanz wurden miteinander verglichen. Hierzu wurden DMBQ in einer zu Avemar mit 0,04% Benzochinonen äquimolaren Konzentration von 24 μmol/L eingesetzt. Die Ergebnisse der Arbeit lassen den Schluss zu, dass der starke zytotoxische Effekt von Avemar bei BxPc-3 Zellen auf einen DMBQ-induzierten oxidativen Stress zurückzuführen ist. Im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle wurde für BxPc-3 Zellen bei der Inkubation mit DMBQ eine 20-fache bzw. mit Avemar eine 40-fache Zunahme des ROS-Indikators 2',7'-Dichlorofluorescein gemessen. Im Westernblot ließ sich bei BxPc-3 Zellen das Enzym DT-Diaphorase, welches die Zellen vor Benzochinon-induziertem oxidativem Stress schützt, nicht nachweisen. In Zellen der anderen beiden Zelllinien konnte das Enzym nachgewiesen werden. Das mangelnde Schutzsystem gegenüber DMBQ-induziertem oxidativen Stress könnte demzufolge den DMBQ vermittelten zytotoxischen Effekt von Avemar in BxPc-3 Zellen erklären. Zusätzlich zum zytotoxischen Effekt wies Avemar zwei weitere antiproliferative Effekte auf: Zytostase bei 23132/87 Zellen und Wachstumsverzögerung bei HRT-18 Zellen. Beide antiproliferativen Effekte waren auf die Beeinflussung des Zellmetabolismus zurückzuführen. Avemar verringerte den zellulären Glukoseverbrauch von HRT-18 Zellen um 69% und von 23132/87 Zellen um 99%. In 23132/87 Zellen korrelierte der verringerte Glukoseverbrauch mit einer Abnahme von ATP um 70% und einem Zellzyklusarrest in der G\(_2\)/M Phase. Der durch die Inkubation von HRT-18 Zellen mit Avemar ausgelöste verringerte Glukoseverbrauch beeinflusste hingegen weder den ATP-Gehalt noch den Zellzyklus, induzierte aber Autophagie. Dies ließ sich zeigen durch morphologische Veränderungen wie die Bildung von intrazellulären Vakuolen und durch den Nachweis des Autophagiemarkers LC3-II. Die Wertigkeit dieses Phänomens für die zytotoxischen Eigenschaften von Avemar ist in weiteren Untersuchungen zu klären. Die antiproliferativen Eigenschaften von Avemar führen zu Veränderungen im Zellmetabolismus von gastrointestinalen Tumorzellen. Ausschlaggebend dafür, welcher der drei antiproliferativen Effekte von Avemar (zytotoxisch, zytostatisch oder wachstumsverzögernd) dominiert, sind vermutlich zelleigene Schutzsysteme und metabolische Charakteristika der Zellen. Avemar weist ein breites Spektrum antiproliferativer Effekte auf, deren Einfluss auf Zellfunktion und Zellstoffwechsel im Detail noch weiter untersucht werden sollte. / The commercial product Avemar is an oncologic supportive drug that consists of fermented wheat germ extracts. The high content of 2,6-dimethoxy-1,4-benzoquinone (DMBQ) in Avemar is thought to be responsible for the anticancer effects, which were observed both \(in\) \(vitro\) and \(in\) \(vivo\) experiments. The cytotoxic effect of DMBQ is caused by semiquinone radicals which induce oxidative stress in cells. Because tumor cells are more sensitive to oxidative stress than benign cells, the presence of semiquinone radicals might explain the selective cytotoxic effect of Avemar. However, the role of DMBQ in the antiproliferative mechanism of Avemar and the effect of Avemar on the metabolism of malignant cells have not yet been clarified. In this work, the antiproliferative features of Avemar were compared to those of DMBQ as a pure substance. DMBQ was investigated in a concentration of 24 μmol/L, which is equimolar to Avemar with a concentration of 0.04% of DMBQ. Both Avemar and DMBQ exhibited an increase of reactive oxygen species in BxPc-3 cells, which resulted in a cytotoxic effect within 24 hours after starting treatment. Compared to untreated cells, intracellular DCF fluorescence as a measure of reactive oxygen species increased by 20 times for DMBQ and 40 times for Avemar in BxPc-3 cells. Western Blot analysis revealed that the enzyme DT-diaphorase, which protects cells against benzoquinone-induced oxidative stress, was not present in BxPc-3 cells. In contrast, the enzyme could be detected in cells of the other two cell lines. The lack of DT-diaphorase in BxPc-3 cells indicates insufficient protection against DMBQ-induced oxidative stress which could consequently result in a DMBQ-mediated cytotoxic effect when exposed to Avemar. Besides the cytotoxic effect, Avemar showed two additional antiproliferative features: cytostasis in 23132/87 cells and growth delay in HRT-18 cells. Both antiproliferative effects of Avemar were caused by the influence of the substance on the cell metabolism. Avemar impaired the cellular consumption of glucose by 69% in HRT-18 cells and by 99% in 23132/87 cells. The impaired consumption of glucose in 23132/87 cells correlated with a decrease of ATP by 70% and an arrest in the G\(_2\)/M phase during the cell cycle of 23132/87. In contrast, when treated with Avemar, the impaired consumption of glucose in HRT-18 cells did not affect the ATP concentration and did not alter the cell cycle. Instead, Avemar leads to autophagy, as indicated by the formation of intracellular vacuoles. The presence of autophagy in HRT-18 cells was confirmed by the detection of the autophagy marker LC3-II. The relevance of this phenomenon for the cytotoxic properties of Avemar is to be clarified in further studies. Three different mechanisms of action of Avemar were identified: cytotoxic, cytostasis, and growth delay. The relevant effect on each cell type is presumably determined by the available protection mechanism and metabolic character of the cells. Avemar shows a broad spectrum of antiproliferative features whose exact influence on the functions and metabolism of the cell remains to be investigated in more detail in future studies.

Hintergrund: Über den Verlauf der Expression von Osteopontin (OPN) nach Tumorresektion ist bisher wenig bekannt. In dieser Studie bestimmten wir den zeitlichen Verlauf der OPN Plasmaspiegel vor und nach Operation. Methoden: Zwischen 2011 und 2013 wurden 41 Patienten mit HNO-Tumoren in einer prospektiven Studie erfasst (Gruppe A). Zu verschiedenen Zeitpunkten wurden Plasmaproben entnommen: T 0) vor, T1) am ersten postoperativen Tag, T2) eine Woche nach Operation und T3) vier Wochen nach Operation. Osteopontin und TGF β1 Plasmaspiegel wurden mit kommerziellen ELISA-Systemen bestimmt. Die Ergebnisse wurden mit 131 HNO-Tumorpatienten verglichen, von denen n=42 (Gruppe B1) primär bestrahlt, beziehungsweise n=89 (Gruppe B2) postoperativ bestrahlt wurden. Ergebnisse: Es zeigte sich ein signifikanter OPN Anstieg am ersten postoperativen Tag (T0 vs T1, p<0,01). OPN Plasmaspiegel sanken drei bis 4 Wochen nach der Operation zurück auf ihren Ausgangswert. OPN Plasmaspiegel waren positiv mit der postoperativen TGF β1 Expression korreliert, was ein Zusammenhang zu Wundheilungsprozessen vermuten lässt. Die Auswertung der Überlebenszahlen zeigte einen signifikanten Vorsprung für Patienten mit niedrigen OPN Plasmaspiegeln sowohl in der primär bestrahlten, als auch in der postoperativ bestrahlten Gruppe (B1: 33 vs 11,5 Monate, p>0,017, B2: Median nicht erreicht vs 33,4 Monate, p=0,031). TGF β1 war in Gruppe B1 ebenso prognostisch signifikant (33,0 vs 10,7 Monate, p=0,003). Schlussfolgerung: Patienten mit HNO-Tumoren zeigten einen Anstieg von Osteopontin Plasmaspiegeln unmittelbar nach Operation. Innerhalb der folgenden vier Wochen sinken die OPN Plasmaspiegel wieder auf ihr präoperatives Niveau. Der langanhaltende Anstieg hängt wahrscheinlich mit Wundheilprozessen zusammen. Die prätherapeutischen Plasmaspiegel von Osteopontin und TGF β1 hatten prognostische Aussagekraft. / Background: In head and neck cancer little is known about the kinetics of osteopontin (OPN) expression after tumor resection. In this study we evaluated the time course of OPN plasma levels before and after surgery. Methods: Between 2011 and 2013 41 consecutive head and neck cancer patients were enrolled in a prospective study (group A). At different time points plasma samples were collected: T0) before, T1) 1 day, T2) 1 week and T3) 4 weeks after surgery. Osteopontin and TGFβ1 plasma concentrations were measured with a commercial ELISA system. Data were compared to 131 head and neck cancer patients treated with primary (n=42) or postoperative radiotherapy (n=89; group B1 and B2). Results: A significant OPN increase was seen as early as 1 day after surgery (T0 to T1, p<0.01). OPN levels decreased to base line 3-4 weeks after surgery. OPN values were correlated with postoperative TGFβ1 expression suggesting a relation to wound healing. Survival analysis showed a significant benefit for patients with lower OPN levels both in the primary and postoperative radiotherapy group (B1: 33 vs 11.5 months, p=0.017, B2: median not reached vs 33.4, p=0.031). TGFβ1 was also of prognostic significance in group B1 (33.0 vs 10.7 months, p=0.003). Conclusions: Patients with head and neck cancer showed an increase in osteopontin plasma levels directly after surgery. Four weeks later OPN concentration decreased to pre-surgery levels. This long lasting increase was presumably associated to wound healing. Both pretherapeutic osteopontin and TGFβ1 had prognostic impact.

In contrast to normal vessels, tumor vasculature is structurally and functionally abnormal. Tumor vessels are highly disorganized, tortuous and dilated, with uneven diameter and excessive branching. Consequently, tumor blood flow is chaotic, which leads to hypoxic and acidic regions in tumors. These conditions lower the therapeutic effectiveness and select for cancer cells that are more malignant and metastatic. The therapeutic outcome could be improved by increasing the functionality and density of the tumor vasculature. Tumor angiogenesis also shows parallels to epithelial to mesenchymal transition (EMT), a process enabling metastasis. Metastasis is a multi-step process, during which tumor cells have to invade the surrounding host tissue to reach the circulation and to be transported to distant sites. We hypothesize that the variability in the phenotype of the tumor vasculature is controlled by the differential expression of key transcription factors. Inhibiting these transcription factors might be a promising way for angiogenic intervention and vascular re-engineering. Therefore, we investigated the interdependence of tumor-, stroma- and immune cell-derived angiogenic factors, transcription factors and resulting vessel phenotypes. Additionally, we evaluated whether transcription factors that regulate EMT are promising targets for vascular remodeling. We used formalin fixed paraffin embedded samples from breast cancer patients, classified according to estrogen-, progesterone- and human epidermal growth factor receptor (HER) 2 status. Establishing various techniques (CD34 staining, laser microdissection, RNA isolation and expression profiling) we systematically analyzed tumor and stroma-derived growths factors. In addition, vascular parameters such as microvessel size, area, circularity and density were assessed. Finally the established expression profiles were correlated with the observed vessel phenotype. As the SNAI1 transcriptional repressor is a key regulator of EMT, we examined the effect of vascular knockdown of Snai1 in murine cancer models (E0771, B16-F10 and lewis lung carcinoma). Among individual mammary carcinomas, but not among subtypes, strong differences of vascular parameters were observed. Also, little difference between lobular carcinomas and ductal carcinomas was found. Vessel phenotype of Her2 enriched carcinomas was similar to that of lobular carcinomas. Vessel morphology of luminal A and B and basal-like tumors resembled each other. Expression of angiogenic factors was variable across subtypes. We discovered an inverse correlation of PDGF-B and VEGF-A with vessel area in luminal A tumors. In these tumors expression of IL12A, an inhibitor of angiogenesis, was also correlated with vessel size. Treatment of endothelial cells with growth factors revealed an increased expression of transcription factors involved in the regulation of EMT. Knockdown of Snai1 in endothelial cells of mice increased tumor growth and decreased hypoxia in the E0771 and the B16-F10 models. In the lewis lung carcinomas, tumor vascularity and biodistribution of doxorubicin were improved. Here, doxorubicin treatment in combination with the endothelial cell-specific knockdown did slow tumor growth. This shows that SNAI1 is important for a tumor's vascularization, with the significance of its role depending on the tumor model. The methods established in this work open the way for the analysis of the expression of key transcription factors in vessels of formalin fixed paraffin embedded tumors. This research enables us to find novel targets for vascular intervention and to eventually design novel targeted drugs to inhibit these targets. / In Tumoren, im Vergleich zu gesundem Gewebe, sind Aufbau und Funktionsweise von Blutgefäßen abnormal. Tumorgefäße sind unorgansiert, stark gewunden und geweitet, und weisen einen ungleichmäßigen Durchmesser sowie häufige Verzweigungen auf. Die chaotische Durchblutung führt zu hypoxischen und sauren Regionen. Diese abnormale Gefäßstruktur verringert sowohl die Einbringung, als auch die Wirksamkeit von Medikamenten und fördert zudem Invasivität und Metastasierung. Die Tumorbehandlung könnte durch eine "Normalisierung" der Gefäße sowie durch die Verbesserung der Dichte der Tumorblutgefäße erleichtert werden, da Medikamente so leichter das Tumorzentrum erreichen. In Tumoren weist der Prozess der Angiogenese Parallelen zur epithelial-mesenchymalen Transition (EMT) auf. Die EMT spielt eine zentrale Rolle bei der Metastasierung. Hierbei handelt es sich um einen mehrstufigen Prozess, bei dem Tumorzellen in das umgebende Wirtsgewebe eindringen um den Blutkreislauf zu erreichen und so zu weiter entfernten Organen zu gelangen. Laut unserer Hypothese werden die unterschiedlichen Phenotypen der Tumorblutgefäße durch die Expression verschiedener Schlüssel-Transkriptionsfaktoren kontrolliert. Die Hemmung dieser Transkriptionsfaktoren wäre folglich eine vielversprechende Möglichkeit in die Gefäßsturktur einzugreifen und sie zu restrukturieren. Deshalb wurde die Wechselwirkungen zwischen angiogenen Faktoren, die von Tumorzellen, Stromazellen und Zellen des Immunsystems abgesondert werden und Transkriptionsfaktoren sowie den resultierenden Gefäßphenotypen untersucht. Zudem wurde evaluiert, ob Transkriptionsfaktoren, die bei der EMT von Bedeutung sind, ein therapeutisches Ziel zur Umorganisation der Gefäßstruktur darstellen könnten. Für diese Studie wurden humane, in Formalin fixierte und in Paraffin eingebette, Proben von Brustkrebspatienten verwendet. Diese Proben wurden anhand des Rezeptorstatus von Östrogen-, Progesteron- und humanem epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor (HER) 2 in tumorbiologische Untergruppen eingeordnet. Die Etablierung verschiedener Techniken (CD34 Gewebefärbung, Laser-Mikrodissektion, RNA-Isolierung und Erstellung von Expressionsprofilen) ermöglichte es, systematisch Wachstumsfaktoren, die von den Tumoren und ihrem umgebenden Stroma sezerniert werden, zu analysieren. Zusätzlich untersuchten wir vaskuläre Parameter wie Gefäßgröße, -fläche, -dichte und -zirkularität. Schließlich wurden die erstellten Expressionsprofile mit den Gefäßeigenschaften korreliert. In verschiedenen murinen Krebsmodellen (E0771, B16-F10 und Lewis-Lungenkarzinom) untersuchten wir die Auswirkung der Herrunterregulierung des Transkriptionsfaktors SNAI1 in Blutgefäßen. SNAI1 spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der EMT. Es zeigte sich, dass die einzelnen Brustkrebsproben sich bezüglich der untersuchten Gefäßparameter stark voneinander unterschieden. Zwischen den Subtypen hingegen waren keine Unterschiede zu sehen. Lobuläre und duktale Karzinome unterschieden sich kaum voneinander. Der Gefäßphenotyp der HER2-positiven Proben ähnelte dem der lobulären. Des Weiteren ähnelten sich Karzinome vom Luminal A- und B-Typ so wie vom Basal-Zell-Typ in ihrer Gefäßmorphologie. Das Expressionsmuster der Wachstumsfaktoren variierte von Tumor zu Tumor und innerhalb der Subytpen. Es stellte sich heraus, dass die Expression von PDGF-B und VEGF-A im Subtyp Luminal A invers mit der Gefäßfläche korreliert ist. Außerdem war in dieser Gruppe die Expression des Angiogenese-Hemmers IL-12A direkt mit der Gefäßgröße korreliert. Die Behandlung von Endothelzellen mit Wachstumsfaktoren zeigte eine erhöhte Expression von Transkriptionsfaktoren, die an der Regulierung der EMT beteiligt sind. Die Herrunterregulierung von Snai1 in Endothelzellen im Tierversuch führte zu einer Zunahme des Tumorwachstums sowie zu einem Rückgang der Hypoxie in den Tumormodellen E0771 und B16-F10. In den Lewis-Lungenkarzinomen kam es zu einer Verbesserung der Blutgefäßmorphologie und der Verteilung von Doxorubicin im Tumorgewebe. Die Therapie mit Doxorubicin in Kombination mit der endothellzell-spezifischen Herrunterregulierung von Snai1 zeigte zudem eine stärkere Hemmung des Tumorwachstums. Die Methoden, die in dieser Arbeit etabliert wurden, ermöglichen die Analyse der Expression von Schlüssel-Transkriptionsfaktoren in den Gefäßen von Formalin fixierten und in Paraffin eingebetten Proben. Dies macht es wiederum möglich neue Angriffspunkte für die Gefäßmodulation zu finden und schlußendlich neue, darauf gerichtete Medikamente zu entwickeln.