Orientador: Jane Megid / Resumo: O presente estudo teve por objetivo verificar positividade ao Vaccinia virus em amostras de animais domésticos, selvagens e humanos provenientes de áreas com e sem histórico de surto, na região centro oeste do estado de São Paulo. Foram amostradas aleatoriamente 47 propriedades produtoras de leite, sendo 10 em Torre de Pedra (que já registrou dois surtos prévios ao presente estudo), 15 em Bofete e 22 em Anhembi (com histórico de surtos desconhecido). Avaliou-se a presença de DNA viral em amostras de sangue coletadas de bovinos, outros mamíferos domésticos e selvagens, bem como de humanos e de DNA viral em amostras de fezes e urina de pequenos roedores silvestres capturados nas áreas de mata das 47 propriedades analisadas. O DNA viral foi detectado em amostras de sangue de quatro vacas, um cavalo, três gambas (um Didelphis albiventris e dois Didelphis aurita), bem como em amostras de fezes e urina de pequenos roedores silvestres, sendo seis amostras positivas para DNA viral nas fezes (dois Oligoryzomys flavescens, dois Oligoryzomys nigripes e dois Sooretamys angouya), e uma para DNA viral na urina (Oligoryzomys flavescens). A análise das sequencias do gene vgf mostras nossas amostras agrupadas com amostras de Vaccinia vírus Brasileiras e vacinais, nos permitindo classificar o vírus detectado nas amostras de sangue, fezes e urina, como Vaccinia vírus. Relata-se pela primeira vez a detecção de DNA viral em amostras de sangue, fezes e urina de animais sadios, naturalmente infecta... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The present study aimed to verify positivity for Vaccinia virus in samples from domestic and wild animals, and humans from areas with and without outbreaks history, in the central west region of São Paulo State. Was randomly sampled 47 milking farms: 10 in Torre de Pedra (which registered two previous outbreak), 15 in Bofete and 22 in Anhembi (both without histories of outbreak). We assessed the presence of viral DNA in blood samples collected from cows, other domestic and wild mammals, as well as from humans and in feces and urine sample from wild rodents captured in forest areas in the 47 sampled farms. The viral DNA was detected in blood samples of four cows, one horse, three opossums (one Didelphis albiventris and two Didelphis aurita), as well as in feces and urine samples of wild rodents: six samples PCR-positive for viral DNA in feces (two Oligoryzomys flavescens, two Oligoryzomys nigripes and two Sooretamys angouya), and one for viral DNA in urine (Oligoryzomys flavescens). The sequences analysis of vgf gene show our samples clustered with Brazilian and vaccine Vaccinia virus, which allowed us to classify our samples as Vaccinia virus. Reports for the first time the detection of viral DNA in blood, feces and urine samples of healthy animals, naturally infected, and suggests that Vaccinia virus is subclinical circulating in the region sampled. Additionally suggests that wild rodents naturally infected and apparently healthy are potential infection source evidenced by e... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária, 2015. / Submitted by Ana Cristina Barbosa da Silva (annabds@hotmail.com) on 2015-04-27T18:22:43Z No. of bitstreams: 1 2015_ClaudioHenriqueGonçalvesBarbosa.pdf: 1097163 bytes, checksum: 58d81c1ad2e4f96fcfe4368a738328db (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2015-04-28T14:53:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_ClaudioHenriqueGonçalvesBarbosa.pdf: 1097163 bytes, checksum: 58d81c1ad2e4f96fcfe4368a738328db (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-28T14:53:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_ClaudioHenriqueGonçalvesBarbosa.pdf: 1097163 bytes, checksum: 58d81c1ad2e4f96fcfe4368a738328db (MD5) / O vírus Vaccina (VACV) é o agente etiológico da vaccínia bovina, doença zoonótica re-emergente e de grande importância socioeconômica. Raros são os relatos de VACV em equinos no Brasil, um dos mais recentes data de 2008 no município de Pelotas- RS, no qual duas cepas, Pelotas Vírus 1 e Pelotas Vírus 2 (P1V e P2V), acometeram 14 animais. Essas cepas foram inoculadas em equinos com o objetivo de verificar se há o desenvolvimento da infecção, assim como de lesões macro e microscópicas. Para tanto, seis equinos adultos e sadios foram inoculados via escarificação do plano nasolabial e foram acompanhados durante 28 dias pós inoculação (d.p.i.). Os animais desenvolveram lesões macroscópicas compatíveis com aquelas causadas pelo vírus Vaccinia no período compreendido entre dois e oito d.p.i.; análises dos fragmentos de tecidos coletados apresentaram acantose, degeneração balonosa de queratinócitos, úlceras e infecção bacteriana secundária. Inclusões eosinofílicas intracitoplasmáticas foram infrequentemente observadas em queratinócitos degenerados ao redor das áreas de necrose. Apenas um animal apresentou excreção viral nos locais de inoculação confirmada via PCR. Os resultados obtidos neste estudo demonstram que a inoculação das cepas P1V e P2V resultam em infecção e no desenvolvimento, ainda que brandas, de lesões macro e microscópicas. Estes achados sugerem que equinos apresentam baixa susceptibilidade ao VACV, especialmente às cepas P1V e P2V, e possivelmente representam baixo potencial transmissor do vírus para outras espécies. Portanto, estudos adicionais são necessários para avaliar o potencial de equinos na disseminação e/ou manutenção destas cepas do vírus Vaccinia em equinos, bovinos e no homem. / Vaccinia virus (VACV) is the etiologic agent of bovine vaccinia, a zoonotic re-emerging disease of high socioeconomic impact. There are few reports of VACV in horses in Brazil. The most recent was described in the city of Pelotas in 2008, where two strains, Pelotas Virus 1 and Pelotas Virus 2 (P1V and P2V), infected 14 animals. These strains were inoculated in horses in order to verify whether experimental inoculation results in infection, and gross and microscopic lesion development. Therefore, 6 adult healthy horses were inoculated via scarification of nasolabial surface. These animals were daily examined for 28 days post inoculation (d.p.i.). Gross lesions consistent with those caused by vaccinia virus were observed between 2 and 8 dpi. Microscopically there were epidermal hyperplasia (acanthosis), ballooning degeneration of the stratum spinosum, necrosis and loss of the epidermis, with intralesional bacteria. Moderate infiltration of neutrophils, macrophages and lymphocytes were observed in the superficial dermis. Intracytoplasmic eosinophilic inclusions were infrequently observed in degenerate keratinocytes from adjacent necrotic areas. Only one animal had viral excretion from the inoculation site, confirmed by PCR. The results of this study demonstrate that the inoculation of P1V and P2V strains result in infection, although mild, with macro and microscopic lesion development. These findings suggest that horses have low susceptibility to VACV, especially to P1V and P2V strains, and possibly represent low potential to transmit the virus to other species, especially dairy cattle. Therefore, additional studies are needed to evaluate the potential of horses in the dissemination and/or maintenance of these strains of vaccinia virus in cattle, horses, and in humans.

Oncolytic viruses are currently under investigation as anti - cancer therapies due to their innate ability to selectively infect and destroy cancer cells. Major barriers to this anti - tumour effect include inefficient viral spread and immune - mediated neutralization. This study aims to overcome these limitations by taking advantage of the life cycle of the oncolytic clinical candidate known as vaccinia virus (VACV). Naturally, a small proportion (<1%) of VACV progeny are released from infected cells with a cell - derived membrane and become known as extra - cellular enveloped virus (EEV). Due to this additional membrane, EEV can be shielded from many anti -viral immune factors , allowing it to travel further and largely avoid host - mediated neutralization. This form of VACV is important for long range virus dissemination as well as sustained infection. Though the exact mechanism remains to be elucidated, it has been demonstrated that EEV release can be influenced by Abl tyrosine kinase (Abl TK) function. Specific point mutations in viral envelope proteins are known to bring about enhanced viral release, resulting in an elevated proportion of produced EEV. In this study, we investigate the effect of EEV enhancing modifications within various oncolytic VACV strains. Our data reveals that this augmentation of EEV production through the A34R L151E mutation within the Copenhagen (Cop) backbone can enhance the oncolytic potential of VACV in vivo through enhanced spread and immunoevasion.

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Vaccinia virus plays an important role in human medicine and molecular biology ever since the 18th century after E. Jenner discovered its value as a vaccination virus against smallpox. After the successful eradication of smallpox, vaccinia virus, apart from its use as a vaccine carrier, is today mainly used as a viral vector in molecular biology and increasingly in cancer therapy. The capability to specifically target and destroy cancer cells makes it a perfect agent for oncolytic virotherapy. Furthermore, the virus can easily be modified by inserting genes encoding therapeutic or diagnostic proteins to be expressed within the tumor. The emphasis in this study was the diagnosis of tumors using different vaccinia virus strains. Viruses with metal-accumulating capabilities for tumor detection via MRI technology were generated and tested for their usefulness in cell culture and in vivo. The virus strains GLV-1h131, GLV-1h132, and GLV-1h133 carry the gene encoding the two subunits of the iron storage protein ferritin under the control of three different promoters. GLV-1h110, GLV-1h111, and GLV-1h112 encode the bacterial iron storage protein bacterioferritin, whereas GLV-1h113 encodes the codon-optimized version of bacterioferritin for more efficient expression in human cells. GLV-1h22 contains the transferrin receptor gene, which plays an important role in iron uptake, and GLV-1h114 and GLV-1h115 contain the murine transferrin receptor gene. For possibly better iron uptake the virus strains GLV-1h154, GLV-1h155, GLV-1h156, and GLV-1h157 were generated, each with a version of a ferritin gene and a transferrin receptor gene. GLV-1h154 carries the genes that encode bacterioferritin and human transferrin receptor, GLV-1h155 the human ferritin H-chain gene and the human transferrin receptor gene. GLV-1h156 and GLV-1h157 infected cells both express the mouse transferrin receptor and bacterioferritin or human ferritin H-chain, respectively. The virus strains GLV-1h186 and GLV-1h187 were generated to contain a mutated form of the ferritin light chain, which was shown to result in iron overload and the wildtype light chain gene, respectively. The gene encoding the Divalent Metal Transporter 1, which is a major protein in the uptake of iron, was inserted in the virus strain GLV-1h102. The virus strain GLV-1h184 contains the magA gene of the magnetotactic bacterium Magnetospirillum magnetotacticum, which produces magnetic nanoparticles for orientation in the earth’s magnetic field. Initially the infection and replication capability of all the virus strains were analyzed and compared to that of the parental virus strain GLV-1h68, revealing that all the viruses were able to infect cells of the human cancer cell lines A549 and GI-101A. All constructs exhibited a course of infection comparable to that of GLV-1h68. Next, to investigate the expression of the foreign proteins in GI-101A and A549 cells with protein analytical methods, SDS-gelelectrophoresis, Western blots and ELISAs were performed. The proteins, which were expressed under the control of the strong promoters, could be detected using these methods. To be able to successfully detect the protein expression of MagA and DMT1, which were expressed under the control of the weak promoter, the more sensitive method RT-PCR was used to at least confirm the transcription of the inserted genes. The determination of the iron content in infected GI-101A and A549 cells showed that infection with all used virus strains led to iron accumulation in comparison to uninfected cells, even infection with the parental virus strain GLV-1h68. The synthetic phytochelatin EC20 was also shown to enhance the accumulation of different heavy metals in bacterial cultures. In vivo experiments with A549 tumor-bearing athymic nude mice revealed that 24 days post infection virus particles were found mainly in the tumor. The virus-mediated expression of recombinant proteins in the tumors was detected successfully by Western blot. Iron accumulation in tumor lysates was investigated by using the ferrozine assay and led to the result that GLV-1h68-infected tumors had the highest iron content. Histological stainings confirmed the finding that iron accumulation was not a direct result of the insertion of genes encoding iron-accumulating proteins in the virus genome. Furthermore virus-injected tumorous mice were analyzed using MRI technology. Two different measurements were performed, the first scan being done with a seven Tesla small animal scanner seven days post infection whereas the second scan was performed using a three Tesla human scanner 21 days after virus injection. Tumors of mice injected with the virus strains GLV-1h113 and GLV-1h184 were shown to exhibit shortened T2 and T2* relaxation times, which indicates enhanced iron accumulation. In conclusion, the experiments in this study suggest that the bacterioferritin-encoding virus strain GLV-1h113 and the magA-encoding virus strain GLV-1h184 are promising candidates to be used for cancer imaging after further analyzation and optimization. / Das Vaccinia Virus spielt in der Humanmedizin und Molekularbiologie eine wichtige Rolle seit E. Jenner im 18. Jahrhundert seinen Nutzen als Impfvirus entdeckt hat. Nach der erfolgreichen Ausrottung der Pocken, wird das Vaccinia Virus heutzutage neben der Anwendung als Impfstoffträger hauptsächlich als viraler Vektor in der Molekularbiologie und in zunehmendem Maße in der Krebstherapie verwendet. Die Fähigkeit Krebszellen gezielt zu zerstören, macht es zu einem perfekten Wirkstoff für die onkolytische Virotherapie. Des Weiteren kann das Virus durch das Inserieren von Genen, die für therapeutische oder diagnostische Proteine kodieren, und im Tumor exprimiert werden, modifiziert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war die Tumordiagnose mit Hilfe verschiedener Vaccinia Virusstämme. Viren mit der Fähigkeit, Metalle anzureichern wurden zur Tumordetektion mittels Kernspintomographie hergestellt und auf ihre Nutzbarkeit in Zellkultur und in vivo getestet. Die Virusstämme GLV-1h132, GLV-1h132 und GLV-1h133 tragen das Gen, welches für die zwei Untereinheiten des Eisenspeicherproteins Ferritin kodieren unter der Kontrolle von drei verschiedenen Promotoren. GLV-1h110, GLV-1h111, und GLV-1h112 tragen das Gen, welches für das bakterielle Eisenspeicherprotein Bacterioferritin kodiert, wohingegen das inserierte Gen in GLV-1h113 für die codon-optimierte Version dieses Proteins kodiert, die eine effizientere Expression in humanen Zellen ermöglichen soll. GLV-1h22 beinhaltet das Transferrin-Rezeptor-Gen, welches eine wichtige Rolle in der Eisenaufnahme spielt, und GLV-1h114 und GLV-1h115 beinhalten das murine Transferrin-Rezeptor-Gen. Für eine möglicherweise bessere Eisenaufnahme wurden die Virusstämme GLV-1h154, GLV-1h155, GLV-1h156 und GLV-1h157 mit je einer Version eines Ferritin-Gens und eines Transferrin-Rezeptor-Gens generiert. GLV-1h154 trägt die Gene, die für Bacterioferritin und den humanen Transferrin Rezeptor kodieren, GLV-1h155 trägt die Gene für die humane Ferritin H-Untereinheit und den humanen Transferrin Rezeptor. Zellen, die mit GLV-1h156 und GLV-1h157 infiziert wurden, exprimierten den Maus-Transferrin-Rezeptor und Bacterioferritin beziehungsweise die humane Ferritin-H-Untereinheit. Die Virusstämme GLV-1h186 und GLV-1h187 wurden mit einer mutierten Form der leichten Untereinheit von Ferritin, für die eine Überladung mit Eisen gezeigt wurde, beziehungsweise mit der leichten Untereinheit des wildtypischen Gens ausgestattet. Das Gen, das für den Divalenten Metal Transporter 1 kodiert, welches ein bedeutendes Protein für die Aufnahme von Eisen darstellt, wurde in den Virusstamm GLV-1h102 inseriert. Der Virusstamm GLV-1h184 trägt das magA Gen des magnetotaktischen Bakteriums Magnetospirillum magnetotacticum, welches magnetische Nanopartikel zur Orientierung im Erdmagnetfeld produziert. Zunächst wurde die Infektions- und Replikationsfähigkeit aller Viren analysiert und mit der des Ausgangsstammes GLV-1h68 verglichen, was zeigte, dass alle Viren in der Lage waren humane Krebszellen der Zelllinien GI-101A und A549 zu infizieren. Alle Konstrukte zeigten einen vergleichbaren Infektionsverlauf zu GLV-1h68. Als nächstes, um die Expression der fremden Proteine in GI-101A und A549 Zellen zu untersuchen, wurden SDS-Gelelektrophorese, Western Blots und ELISAs durchgeführt. Die Proteine, welche unter der Kontrolle von starken Promotoren exprimiert wurden, konnten mit diesen Methoden detektiert werden. Um die Expression von MagA und DMT1 zu detektieren, welche unter der Kontrolle des schwachen Promotors exprimiert wurden, wurde die sensitivere Methode RT-PCR angewendet, mit der zumindest die Transkription der Gene nachgewiesen werden konnte. Die Bestimmung des Eisengehaltes in infizierten GI-101A und A549 Zellen zeigte, dass die Infektion mit allen Viren im Vergleich zu uninfizierten Zellen zu einer Eisenanreicherung führte, sogar die Infektion mit dem Ausgangsstamm GLV-1h68. Für das synthetische Phytochelatin EC20 wurde auch eine Anhäufung von verschiedenen Schwermetallen in Bakterienkulturen gezeigt. In vivo Experimente mit A549 tumor-tragenden athymischen Nacktmäusen ergaben, dass Viruspartikel 24 Tage nach der Infektion hauptsächlich im Tumor gefunden wurden. Die von den Viren vermittelte Expression der rekombinanten Proteine in den Tumoren wurde erfolgreich mit Hilfe von Western Blots detektiert. Die Eisenansammlung in Tumorlysaten wurde mit dem Ferrozine Assay untersucht und führte zu dem Ergebnis, dass Tumore, die mit GLV-1h68 infiziert wurden, den höchsten Eisengehalt vorwiesen. Histologische Färbungen bestätigten die Erkenntnis, dass die Eisenansammlung nicht ein direktes Resultat der Insertion von eisenansammelnden Genen in das Virusgenom war. Darüberhinaus wurden tumortragende Mäuse, denen Virus injiziert wurde, mittels Kernspintomographie analysiert. Zwei verschiedene Messungen wurden durchgeführt, wobei die erste Messung sieben Tage nach Virusinjektion mit einem sieben Tesla Kleintier-Scanner durchgeführt wurde und die zweite Messung mit einem humanen drei Tesla Scanner 21 Tage nach Virusinjektion. Tumore von Mäusen, die mit den Virusstämmen GLV-1h113 und GLV-1h184 injiziert wurden, zeigten verkürzte T2- und T2*-Relaxationszeiten, was auf eine verbesserte Eisenakkumulation hinweist. Zusammenfassend deuten die Experimente dieser Studie darauf hin, dass der Virusstamm GLV-1h113, welcher für Bacterioferritin kodiert, und der Virusstamm GLV-1h184, welcher für MagA kodiert, nach weiterer Untersuchung und Optimierung vielversprechende Kandidaten für die Krebs Bildgebung sind.

There is more and more evidence for the cancer stem cell hypothesis which believes that cancers are driven by a cellular subcomponent that has stem cell properties which is self-renewal, tumorigenicity and multilineage differentiation capacity. Cancer stem cells have been connected to the initiation of tumors and are even found to be responsible for relapses after apparently curative therapies have been undertaken. This hypothesis changes our conceptual approach of oncogenesis and shall have implications in breast cancer prevention, detection and treatment, especially in metastatic breast cancer for which no curative treatment exists. Given the specific stem cell features, novel therapeutic pathways can be targeted. Since the value of vaccinia virus as a vaccination virus against smallpox was discovered by E. Jenner at 18th century, it plays an important role in human medicine and molecular biology. After smallpox was successfully eradicated, vaccinia virus is mainly used as a viral vector in molecular biology and increasingly in cancer therapy. The outstanding capability to specifically target and destroy cancer cells makes it a perfect agent for oncolytic virotherapy. Furthermore, the virus can easily be modified by inserting genes which encode therapeutic or diagnostic proteins to be expressed when a tumor is infected. The emphasis in this study was the establishment of methods for the enrichment of human breast cancer stem-like cells from cancer cell lines and characterization of those cancer stem-like cells in vitro and in vivo. Furthermore, by using the Genelux Corporation vaccinia virus strain GLV-1h68, the isolated cancer stem-like cells can be targeted not only in vitro but also in vivo more efficiently. Side-population (SP) cells within cancers and cell lines are rare cell populations known to be enriched cancer stem-like cells. In this study, we used Hoechst 33342 staining and flow cytometry to identify SP cells from the human breast cancer cell lines MCF-7 and GI-101A as models for cancer stem-like cells. Considering the cytotoxicity of Hoechst dye and the restriction of instrument, we did not carry out further studies by this method. Utilizing in vitro and in vivo experimental systems, we showed that human breast cancer cell line GI-101A with aldehyde dehydrogenase activity (ALDH) have stemlike properties. Higher ALDH activity identifies the tumorigenic cell fraction which is capable of self-renewal and of generating tumors that could recapitulate the heterogeneity of the parental tumor. Furthermore, the cells with higher ALDH activity display significant resistance to chemotherapy and ionizing radiation, which proves their stem-like properties again. The cells which have higher ALDH activity also are more invasive compared to cells which have lower ALDH activity, which connects the cancer stem-like cells with cancer metastases. By analyzing the popular human breast cancer stem cells surface markers CD44, CD49f and CD24, it was discovered that the cells with higher ALDH activity have stronger CD44 and CD49f expression than in those cells with lower ALDH activity, which further confirms their stem-like properties. Finally, the cells with higher ALDH activity and lower ALDH activity were infected in vitro and used in virotherapy in a mouse xenograft model was performed. The results indicated that the vaccinia virus GLV-1h68 can replicate in cells with higher ALDH activity more efficiently than cells with lower ALDH activity. GLV-1h68 also can selectively target and eradicate the xenograft tumors which were derived from cells with higher ALDH activity. The epithelial-mesenchymal transition (EMT) is a key developmental program that is often activated during cancer invasion and metastases. EMT was induced in immortalized human mammary epithelial cells (HMLEs) and in GI-101A cells, which results in the acquisition of mesenchymal traits and in the expression of stem cell markers. Furthermore, the EMT-induced GI-101A cells showed resistance to chemotherapy and invasion capacity. CD44+/CD24- cells were enriched during the EMT induction. Following flow cytometry sorting by using CD44, CD24 and ESA surface marker, the sorted cells were tested in a mouse model regarding tumorigenicity. Unexpectedly, we found that CD44+/CD24+/ESA+ cells could initiate tumors more efficiently rather than CD44+/CD24-/ESA+ and other fractions in EMTinduced GI-101A cells. We also infected the CD44+/CD24+/ESA+ and CD44+/CD24- /ESA+ cells in vitro and performed virotherapy in a mouse xenograft model. The results indicated that the vaccinia virus GLV-1h68 is able to replicate in CD44+/CD24+/ESA+ cells more efficiently than in CD44+/CD24-/ESA+ cells. GLV-1h68 was also capable to selectively target and eradicate the xenograft tumors which derived from CD44+/CD24+/ESA+ cells. Moreover, CD44- cells have much lower tumorigenicity in the mouse model and CD44- cells derived-tumors are not responsive to vaccinia virotherapy. In summary, we have successfully established an in vitro and in vivo system for the identification, characterization and isolation of cancer stem-like cells from the human breast cancer cell line GI-101A by using the ALDEFLUOR assay. The vaccinia virus GLV-1h68 was able to efficiently target and eradicate the higher ALDH activity cells and tumors derived from those cells. Although contrary to the current assumption, CD44+/CD24+/ESA+ cells in the EMT-induced GI-101A cell line showed stem-like properties and GLV-1h68 was able to efficiently target and eradicate the CD44+/CD24+/ESA+ cells and tumors which derived from those cells. Finally, improved understanding of cancer stem cells may have tremendous relevance for how cancer should be treated. It is menacing that cancer stem cells are resistant to almost all anti-tumor approaches which have already been established for the treatment of metastatic diseases such as ionizing radiation, hormonal therapy, chemotherapy, and small molecular inhibitors. Therefore, it is promising that our results suggest that these cancer stem cells may be susceptible to treatment with oncolytic vaccinia virus. / Immer mehr experimentelle Hinweise stützen die Krebsstammzell-Hypothese, wonach Krebs durch eine zelluläre Teilkomponente angetrieben wird, die Stammzell- Eigenschaften hat, das heißt die Fähigkeit sich selbst zu erneuern, Tumorigenität und die Fähigkeit sich in verschiedene Richtungen zu differenzieren. Krebsstammzellen wurden mit der Enstehung von Tumorerkrankungen in Verbindung gebracht, und werden sogar für Rückfälle verantwortlich gemacht, nachdem scheinbar erfogreiche Behandlungen durchgeführt wurden. Diese Hypothese verändert unser Verständnis der Onkogenese und wird Auswirkungen auf die Brustkrebs-Prävention, -Erkennung und -Behandlung haben, vor allem in metastasierendem Brustkrebs, für den es keine kurative Behandlung gibt. Angesichts der besonderen Merkmale von Stammzellen können neue therapeutische Wege angestrebt werden. Seit sein Nutzen als Impfvirus gegen die Pocken von E. Jenner im 18. Jahrhundert entdeckt wurde, spielt das Vaccinia-Virus in der Humanmedizin und Molekularbiologie eine wichtige Rolle. Nachdem die Pocken erfolgreich ausgerottet wurden, wird das Vaccinia-Virus hauptsächlich als viraler Vektor in der Molekularbiologie und in zunehmendem Maße in der Krebstherapie verwendet. Die außerordentliche Fähigkeit, Krebszellen gezielt zu zerstören, macht es zu einem perfekten Wirkstoff für die onkolytische Virotherapie. Des Weiteren kann das Virus durch das Inserieren von Genen modifiziert werden, die für therapeutische oder diagnostische Proteine kodieren und im infizierten Tumor exprimiert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war die Etablierung von Methoden für die Anreicherung menschlicher Stammzell-ähnlicher Brustkrebszellen von Krebszelllinien und die Charakterisierung dieser Krebsstammzell-ähnlichen Zellen in vitro und in vivo. Darüber hinaus können mit Hilfe des Vaccinia-Virus-Stammes GLV- 1h68 von Genelux Corporation die isolierten Krebsstammzell-ähnlichen Zellen nicht nur in vitro, sondern auch in vivo effizienter eliminiert werden. Side-Population- (SP-) Zellen in Krebserkrankungen und Zelllinien sind seltene Zellpopulationen die dafür bekannt sind, reich an Krebsstammzell-ähnlichen Zellen zu sein. In dieser Studie verwendeten wir eine Hoechst 33342-Färbung und Durchflusszytometrie, um SP-Zellen aus der menschlichen Brustkrebs-Zelllinie MCF- 7 zu identifizieren, als Modell für Krebsstammzell-ähnliche Zellen. In Anbetracht der Zytotoxizität des Hoechst-Farbstoffes und der Beschränkung des Instruments, wurde diese Methode nicht weiter verfolgt. Mit Hilfe von Experimenten in vitro und in vivo wurde gezeigt, dass die menschliche Brustkrebs-Zelllinie GI-101A mit Aldehyd-Dehydrogenase-Aktivität (ALDH) Stammzell-ähnliche Eigenschaften hat. Höhere ALDH-Aktivität identifiziert die tumorigene Zellfraktion, die zur Selbsterneuerung und zur Erzeugung von Tumoren fähig ist, was die Heterogenität des ursprünglichen Tumors deutlich macht. Darüber hinaus weisen Zellen mit hoher ALDH-Aktivität eine beachtliche Fähigkeit zur Resistenz gegen Chemotherapie und ionisierende Strahlung auf, was wiederum ihre Stammzell-ähnlichen Eigenschaften beweist. Ferner sind Zellen mit hoher ALDHAktivität im Vergleich zu Zellen mit niedriger ALDH-Aktivität stärker invasiv, was die Krebsstammzell-ähnlichen Zellen mit Krebsmetastasierung in Verbindung bringt. Bei der Analyse der gängigen Oberflächenmarker CD44, CD24 und CD49f in menschlichen Brustkrebs-Stammzellen beobachteten wir, dass Zellen mit hoher ALDH-Aktivität CD44 und CD49f stärker exprimieren als Zellen mit niedriger ALDHAktivität, was wiederum deren Stammzell-ähnliche Eigenschaften aufzeigt. Schließlich wurden die Zellen mit hoher und niedriger ALDH-Aktivität in vitro infiziert und Virotherapie im Maus-Xenograft-Modell durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Vaccinia-Virus GLV-1h68 in Zellen mit höherer ALDH-Aktivität effizienter replizieren kann als in Zellen mit niedrigerer ALDH-Aktivität. GLV-1h68 kann auch selektiv Xenograft-Tumore finden und zerstören, welche von Zellen mit hoher ALDHAktivität abstammten. Der epithelial-mesenchymale Übergang (EMT) ist ein essentieller Entwicklungs- Schritt, der häufig während der Invasion und Metastasierung in Krebserkrankungen aktiviert wird. Wir induzierten EMT in immortalisierten humanen Brust-Epithelzellen (HMLEs) und GI-101A-Zellen, was im Erwerb von mesenchymalen Eigenschaften und der Expression von Stammzell-Markern resultiert. Außerdem zeigten die EMTinduzierten GI-101A-Zellen Chemoresistenz und Fähigkeit zur Invasion. CD44+CD24--Zellen waren während der EMT-Induktion angereichert. Es wurden durchflusszytometrische Sortierung mit Hilfe von CD44-, CD24- und ESAOberflächenmarkern durchgeführt, und die sortierten Zellen wurden danach auf Tumorigenität in einem Mausmodell getestet. Unerwarteterweise fanden wir, dass CD44+CD24-ESA+-Zellen effizienter Tumore initiieren konnten als CD44+CD24- ESA+-Zellen und andere Fraktionen in EMT-induzierten GI-101A-Zellen. Wir haben auch die infizierten CD44+CD24+ESA+- und CD44+CD24-ESA+-Zellen in vitro infiziert und Virotherapie im Maus-Xenograft-Modell durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Vaccinia-Virus GLV-1h68 in CD44+CD24+ESA+-Zellen effizienter replizieren kann als CD44+CD24-ESA+-Zellen. GLV-1h68 konnte selektiv Xenograft- Tumore finden und eliminieren, die von CD44+CD24+ESA+-Zellen abstammten. Darüber hinaus haben CD44--Zellen eine sehr niedrige Tumorigenität im Mausmodell und Tumore, die von CD44--Zellen abstammen, sprechen nicht auf Vaccinia-Virotherapie an. Zusammenfassend haben wir erfolgreich ein System zur Identifizierung, Charakterisierung und Isolierung von Krebsstammzell-ähnlichen Zellen aus der menschlichen Brustkrebs-Zelllinie GI-101A in vitro und in vivo mit Hilfe des ALDEFLUOR-Assays etabliert. Das Vaccinia-Virus GLV-1h68 konnte zielgenau Zellen mit erhöhter ALDH-Aktivität oder daraus etablierte Tumore finden und zerstören. Obwohl, im Gegensatz zur gängigen Annahme, CD44+CD24+ESA+-Zellen in der EMT-induzierten GI-101A-Zelllinie Stammzell-ähnliche Eigenschaften zeigten, konnte GLV-1h68 zielgenau CD44+CD24+ESA+-Zellen oder daraus etablierte Tumore finden und zerstören. Schließlich kann ein verbessertes Verständnis der Krebsstammzellen eine enorme Bedeutung dafür haben, wie Krebs behandelt werden sollte. Es ist verhängnisvoll, dass Krebsstammzellen gegen fast alle Anti-Tumor-Ansätze, die bereits für die Behandlung von Metastasen etabliert wurden, resistent sind, wie ionisierende Strahlung, Hormontherapie, Chemotherapie und kleine molekulare Inhibitoren. Gerade deshalb ist es vielversprechend, dass unsere Ergebnisse darauf hin deuten, dass diese Krebsstammzellen auf Behandlung mit dem onkolytischen Vaccinia-Virus ansprechen.

Die heute in der Krebstherapie vorherrschenden konventionellen Therapiemethoden weisen Defizite bezüglich ihrer Wirksamkeit auf und rufen oftmals gravierende Nebenwirkungen hervor. Eine Alternative für die Behandlung von Tumoren ist der Einsatz onkolytischer Viren. Um einen erfolgreichen klinischen Einsatz onkolytischer Viren zu ermöglichen, ist eine Verstärkung von deren Wirksamkeit durch die Insertion therapeutischer Gene wünschenswert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte der Abbau von Proteinen der extrazellulären Matrix durch die Insertion des Relaxin- oder Matrixmetalloproteinase 9-Gens (MMP-9) in das Vaccinia-Virus Genom erreicht und dadurch die Virusausbreitung im Tumorgewebe erleichtert werden. Hierfür wurden die rekombinanten Vaccinia-Viren GLV-1h169, codierend für das Hormon Relaxin und GLV-1h255, codierend für das Enzym MMP-9, eingesetzt. Es wurde analysiert, ob die Expression dieser Proteine zu einem Abbau von Matrixproteinen führt, dies die Virusausbreitung erleichtert und die Lyse infizierter Tumorzellen gegenüber dem parentalen Virus GLV-1h68 verstärkt. GLV-1h169 wurde in DU145-, PC3- und C33A-Tumor-tragende Mäuse injiziert und die Wirkung des viral-codierten Relaxins auf die extrazelluläre Matrix und die virale Ausbreitung im Tumorgewebe analysiert. In Zellkultur-Experimenten wurde ermittelt, dass die Insertion des Relaxin-Gens in das GLV-1h169-Genom das Replikationsverhalten in DU145-Zellen gegenüber dem des parentalen Virus GLV-1h68 nicht negativ beeinflusst. In DU145-, PC3- und C33A-Tumorschnitten konnte eine Expression von Relaxin in GLV-1h169-infizierten Bereichen nachgewiesen werden. Die Expression von Relaxin soll durch die Aktivierung des Relaxin-Signalweges zur Translation von MMP-9 führen. Das Enzym wird von infizierten Zellen sezerniert und spaltet Proteine der extrazellulären Matrix. Der Gehalt der MMP-9 Substrate Collagen IV und Laminin in GLV-1h169 behandelten DU145- und C33A-Tumoren wurde analysiert und mit jenem in GLV-1h68- und PBS- behandelten Tumoren verglichen. In Virus-behandelten DU145-Tumoren zeigte sich im Vergleich mit PBS-behandelten Tumoren ein signifikant verringerter Collagen IV- und Laminingehalt. Weiterhin war der Collagen IV-Gehalt in GLV-1h169 infizierten Tumoren signifikant niedriger als in GLV-1h68 infizierten. Dies führte jedoch nicht zu einer Erhöhung des Virustiters und nicht zu einer verbesserten Virusausbreitung. GLV-1h68- und GLV-1h169-infizierte Tumore zeigten gegenüber PBS-behandelten Tumoren eine starke Regression. Die GLV-1h169-vermittelte Relaxin-Expression führte jedoch nicht zu einer weiteren Verstärkung der Tumorregression. In Virus-behandelten C33A-Tumoren wurde eine signifikante Erhöhung des Collagen IV- und Laminingehalts gegenüber PBS-behandelten Tumoren nachgewiesen. Dies könnte durch eine Virus-induzierte Inflammationsreaktion hervorgerufen werden, die eine Fibroblasten-vermittelte Collagenablagerung nach sich zieht. Das MMP-9 Expressionsle-vel war in Virus-behandelten Tumoren gegenüber PBS-behandelten signifikant erhöht, jedoch bewirkte die GLV-1h169-vermittelte Expression von Relaxin keine zusätzliche MMP-9 Expression. In Tumorrandbereichen erfolgte eine Expression von Relaxin und MMP-9, im Tumorinneren jedoch nur eine Expression von Relaxin. Hingegen wurde eine Korrelation zwischen der MMP-9-Expression und der Präsenz MHC II-positiver Zellen beobachtet. Diese Zellen migrieren von außen in das Tumorgewebe und exprimieren dort MMP-9. Bei der Analyse der Virustiter und –ausbreitung im Tumorgewebe zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen GLV-1h68- und GLV-1h169-injizierten Tieren. Die Injektion von beiden onkolytischen Viren in C33A-Tumor-tragende Mäuse führte zu einer starken Tumorregression. Diese wurde jedoch nicht durch die GLV-1h169-vermittelte Relaxin-Expression beeinflusst. Da die Aktivierung des Relaxin-Signalweges zu einer Expression des vascular endothelial growth factors (VEGF) führen kann, welcher die Angiogenese stimuliert, wurde die Blutgefäßdichte in C33A-Tumoren ermittelt. Die Expression von Relaxin führte nicht zu einer erhöhten Blutgefäßdichte. Die Basalmembran von Blutgefäßen enthält Collagen IV, deshalb wurde untersucht, ob die Relaxin-Expression eine erhöhte Permeabilität der Gefäße bewirkt. In den Virus-behandelten Tumoren zeigte sich eine gegenüber PBS-behandelten Tumoren signifikant erhöhte Gefäß-Permeabilität, jedoch bewirkte die Expression von Relaxin keine weitere Erhöhung der Gefäß-Permeabilität... / The currently dominating conventional cancer therapy methods are facing limitations regarding their efficacy and often cause severe side effects. An alternative for the treatment of tumors is the use of oncolytic viruses. To ensure a successful clinical application of oncolytic viruses, an enhanced efficacy by the insertion of therapeutic genes is desirable. In the scope of this thesis, a degradation of extracellular matrix proteins should be achieved by the insertion of the relaxin or matrix metalloproteinase 9 gene into the vaccinia virus genome, facilitating increased viral spreading in the tumor tissue. To this end, the recombinant vaccinia viruses GLV-1h169, encoding the hormone relaxin and GLV-1h255, encoding the enzyme MMP-9 were used. It was analyzed whether the expression of these proteins causes a degradation of matrix proteins and leads to an increased viral spreading and an enhanced lysis of infected tumor cells, when compared to the parental virus GLV-1h68. DU145, PC3 and C33A tumor-bearing mice, respectively, were injected with GLV-1h169 and the effect of virus-encoded relaxin on the extracellular matrix and viral spreading inside the tumor mass was analyzed. Tissue culture experiments confirmed that the inser-tion of the relaxin gene into the GLV-1h169 genome does not negatively influence the virus replication in DU145 cells when compared to that of the parental virus GLV-1h68. An expression of relaxin in GLV-1h169-infected tumor areas in DU145, PC3 and C33A tumor sections was shown. The expression of relaxin should activate the relaxin pathway, inducing the translation of MMP-9. The enzyme is secreted by infected cells and cleaves proteins of the extracellular matrix. The content of the MMP-9 substrates collagen IV and laminin in GLV-1h169-treated DU145 and C33A tumors was analyzed and compared to that of GLV-1h68- and PBS-treated tumors. Virus-treated tumors showed a significantly lower collagen IV and laminin content than those treated with PBS. Furthermore, the collagen IV content in GLV-1h169-treated tumors was significantly lower than in those treated with GLV-1h68. This did not lead to higher virus titers or to an enhanced virus spreading. Compared to PBS-treated tumors, those infected with GLV-1h68 or GLV-1h169 regressed significantly. The GLV-1h169-mediated relaxin expression did not further enhance tumor regression. Virus-treated C33A tumors showed a significantly increased collagen IV and laminin con-tent compared to those treated with PBS. This could be due to a virus-induced inflamma-tion, leading to a fibroblast-mediated collagen deposition. The MMP-9 expression level in virus-treated tumors was significantly higher than in those treated with PBS. However, the GLV-1h169-mediated expression of relaxin did not further increase MMP-9 expression. In outer tumor areas relaxin and MMP-9 were expressed, in inner tumor areas only relaxin was expressed. In contrast, a correlation between the expression of MMP-9 and the presence of MHC II-positive cells was observed. These cells migrate from the outside into the tumor tissue where they express MMP-9. The analysis of virus titers and spreading inside the tumor mass revealed no significant differences between GLV-1h68- and GLV-1h169-injected mice. The injection of both oncolytic viruses led to a pronounced tumor regression, which was not further enhanced by the GLV-1h169-mediated expression of relaxin...

Zurzeit sterben jährlich ca. 11.000 Männer in Deutschland am Prostatakarzinom. Damit stellt dies die zweithäufigste Krebstodesursache von Männern dar. Da das Prostatakarzinom häufig asymptomatisch verläuft, wird die Erkrankung oftmals erst so spät erkannt, dass zum Zeitpunkt der Diagnose bereits eine Metastasierung stattgefunden hat. Durch metastasierende Prostatakarzinomzellen werden Lymphknoten, Knochen und Lungen befallen. Es sind zwei unterschiedliche Verbreitungsarten von metastasierenden Tumorzellen beschrieben. Zum einen kann eine Migration über Lymphgefäße erfolgen, ein Prozess der als lymphatische Metastasierung bezeichnet wird. Zum anderen können Tumorzellen über das Blutsystem im Körper zirkulieren: die hämatogene Metastasierung. In dieser Arbeit wurde die lymphatische Metastasierung der humanen Prostatakarzinomzellline PC-3 im Detail analysiert und Teilaspekte der hämatogenen Verteilung untersucht. Ausgangspunkt der Untersuchungen bildete die Vergrößerung lumbaler und renaler Lymphknoten in PC-3-Tumor-tragenden Mäusen 60 Tage nach der Implantation von PC-3-Zellen. Es wurde daraufhin der zeitliche Verlauf der Vergrößerung untersucht und festgestellt, dass sowohl das Volumen als auch die Anzahl vergrößerter Lymphknoten von Woche zu Woche nach Implantation der PC-3-Tumore zunehmen. Anschließend wurden alle vergrößerten Lymphknoten bezüglich des Vorhandenseins von metastasierenden humanen PC-3-Zellen in den Mäusen untersucht. Dies geschah mit Hilfe einer RT-PCR unter Verwendung von Primern für humanes β-Aktin. Sechs Wochen nach Implantation konnten in 90 % der vergrößerten Lymphknoten PC-3-Zellen nachgewiesen werden. Weiterhin wurde durch lentivirale Transduktion das Gen für das rot fluoreszierende Protein (RFP) in die PC-3-Zellen inseriert, wodurch eine Visualisierung dieser Zellen in der Maus ermöglicht wurde. Es konnten metastasierende PC-3-RFP-Zellen in lumbalen und renalen Lymphknoten PC-3-RFP-Tumor-tragender Mäuse nachgewiesen werden. Ebenso konnte mittels RFP gezeigt werden, dass die Lymphknotenmetastasierung in Abhängigkeit von der Lokalisation des PC-3-RFP-Tumors erfolgt. Es kam zur Metastasierung jener Lymphknoten, in deren Einzugsgebiet sich der PC-3-Tumor befand. Es wurde eine PC-3-RFP-Zellmigration zwischen lumbalen und renalen Lymphknotenmetastasen nachgewiesen und bei immunhistologischen Untersuchungen stellte sich heraus, dass PC-3-RFP-Zellen tatsächlich in lymphatischen Bahnen zwischen lumbalen und renalen Lymphknotenmetastasen migrieren. Außerdem wurde gezeigt, dass es von Woche zu Woche nach Implantation von PC-3-Zellen zu einer Zunahme der Anzahl von Lymphgefäßen in PC-3-Tumoren kommt. Die Zunahme der Lymphgefäßdichte korrelierte hierbei positiv mit der Bildung von Lymphknotenmetastasen. Es konnten weiterhin neben Lymphknotenmetastasen hämatogene Mikrometastasen in den Lungen PC-3-RFP-Tumor-tragender Mäuse beobachtet werden. Da die Haupttodesursache von Prostatakarzinompatienten in der Bildung von Metastasen liegt, ist es von herausragender Bedeutung eine effektive Therapie gegen lymphatische und hämatogene Metastasen zu entwickeln. Aus diesem Grund erlangt die onkolytische Virustherapie große Bedeutung. Deshalb wurde als zweiter Aspekt in dieser Arbeit der Einfluss des onkolytischen Vaccinia-Virus GLV-1h68 auf den Prozess der PC-3-Zellmetastasierung untersucht. Dabei konnte zunächst gezeigt werden, dass GLV-1h68 in der Lage ist, erfolgreich sowohl migrierende PC-3-Zellen als auch metastasierende PC-3-Zellen in Lymphknoten zu kolonisieren. In der Folge wurde deshalb ein möglicher Metastasen-inhibierender Effekt von GLV-1h68 untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass GLV-1h68 drei Wochen nach intravenöser Injektion eine signifikante Reduktion der Anzahl der für PC-3-Zellen positiven Lymphknoten bewirkt. Des Weiteren konnte ein inhibierender Effekt von GLV-1h68 auf die im Blut zirkulierenden PC-3-Zellen und auf hämatogene Metastasen in den Lungen beobachtet werden. Durch intravenöse Injektion von GLV-1h68 in PC-3-RFP-Tumor-tragenden Mäusen konnte gezeigt werden, dass es zu einer präferentiellen Virus-Kolonisierung der Lymphknotenmetastasen im Vergleich zu den Tumoren kommt. Auch nach intraperitonealer und intratumoraler Injektion von GLV-1h68 konnte eine präferentielle Virus-Kolonisierung der Lymphknotenmetastasen gezeigt werden. Darüber hinaus wurden die Lymph- und Blutgefäße von PC-3-Tumoren und Lymphknotenmetastasen analysiert. Hierbei wurde gezeigt, dass es sieben Tage nach intravenöser Injektion von GLV-1h68 zu einer signifikanten Abnahme von beiden Gefäßarten kam. Es wurde in dieser Arbeit somit gezeigt, dass GLV-1h68 in der Lage ist, sowohl lymphatische als auch hämatogene Metastasen der Prostatakarzinomzelllinie PC-3 erfolgreich zu eliminieren. Folglich dürften onkolytische Vaccinia-Viren ein vielversprechendes Therapeutikum für die Behandlung des fortgeschrittenen Prostatakarzinoms darstellen. / Every year about 11,000 men in Germany are dying because of prostate carcinoma. Thus, prostate carcinoma represents the second leading cause of cancer related death in men. Since the prostate carcinoma usually proceeds asymptomatically the diagnosis is often made when metastases have already formed. Human prostate cancer usually spreads to lymph nodes, bones and lungs. There are two ways for tumor cells to migrate to other parts of the body: through lymphatic vessels, a process called lymphatic metastasis, or through the blood system, the hematogenous metastasis. In this thesis the lymphatic metastasis of the human prostate carcinoma cell line PC-3 was analyzed in detail while the hematogenous spread was only partially investigated. The initial point of these investigations was the enlargement of lumbar und renal lymph nodes in PC-3 tumor-bearing mice 60 days post implantation of PC-3 cells. Thereafter the time course of the enlargement was assessed. It turned out that the volume as well as the number of enlarged lymph nodes increased from week to week post implantation of PC-3 tumors. Subsequently, all enlarged lymph nodes were tested for the presence of human PC-3 cells in mice. This was done with the help of an RT-PCR using primers for human β-actin. Six weeks post implantation 90% of all enlarged lymph nodes were positive for PC-3 cells. Furthermore, the gene of the red fluorescent protein (RFP) was inserted into PC-3 cells via lentiviral transduction. By using fluorescence microscopy PC-3-RFP cells could be detected in lumbar and renal lymph nodes of PC-3-RFP tumor-bearing mice. With the help of RFP it could also be shown that lymph node metastases depend on the PC-3 tumor location. Metastases occurred in draining lymph nodes next to the tumor. Moreover, a PC-3-RFP cell migration between lumbar and renal lymph node metastases was shown. In the following immunohistochemical analysis it was proven that PC-3-RFP cells are indeed migrating in lymphatic vessels between these lumbar and renal lymph node metastases. Additionally, an increasing number of lymphatic vessels in PC-3 tumors was shown from week to week post implantation of PC-3 cells. This enhancement positively correlates with the formation of lymph node metastases. Besides lymph node metastases hematogenous micro metastases in the lungs of PC-3-RFP-tumor-bearing mice could be detected, too. The major cause of death in prostate cancer patients is the formation of metastases. Therefore, the development of effective therapies for lymphatic and hematogenous metastases is of major importance. One of the most promising novel cancer therapies for humans is oncolytic virotherapy. According to that, the second aspect of this thesis was to investigate the influence of the oncolytic vaccinia virus GLV-1h68 on the process of PC-3 cell metastasis. Thereby, it was initially shown that GLV-1h68 can efficiently colonize both migrating PC-3 cells and metastasized PC-3 cells in the lymph nodes. Ensuing, a possible metastasis inhibiting effect of GLV-1h68 was analyzed. It was shown that GLV-1h68 reduces the volume and the number of enlarged lymph nodes in PC-3 tumor-bearing mice three weeks after intravenous injection. It could also be shown that GLV-1h68 significantly reduces the number of lymph nodes that are positive for PC-3 cells. Additionally, GLV-1h68 has an inhibiting effect on PC-3 cells that are circulating in the blood of PC-3 tumor-bearing mice and on hematogenous metastases of the lungs. In analysing the intravenous injection of GLV-1h68 in PC-3-RFP tumor-bearing mice it turned out that there is a preferential viral colonisation of lymph node metastases compared to the tumors. At early points after injection renal lymph node metastases were colonized more thoroughly by GLV-1h68 than lumbar ones. The same preferential viral colonisation of lymph node metastases was shown upon intraperitoneal und intratumoral viral injection. Further, lymphatic and blood vessels of PC-3 tumors and lymph node metastases were analyzed. There was a significant reduction of lymphatic and blood vessels seven days post intravenous injection of GLV-1h68. This could explain the effect of GLV-1h68 on the reduction of the number of lymph node metastases, because the supply of nutrients as well as of oxygen is reduced due to the decrease of blood vessel density. Also, migration of PC-3 cells is minimized upon the reduction of lymphatic vessels. Thus, it was shown that GLV-1h68 has a great potential in eliminating lymphatic and hematogenous metastases of the human prostate carcinoma PC-3. Therefore, oncolytic vaccinia viruses apparently represent promising therapeutic agents for the treatment of advanced human prostate carcinoma.

In initial experiments, the well characterized VACV strain GLV-1h68 and three wild-type LIVP isolates were utilized to analyze gene expression in a pair of autologous human melanoma cell lines (888-MEL and 1936 MEL) after infection. Microarray analyses, followed by sequential statistical approaches, characterized human genes whose transcription is affected specifically by VACV infection. In accordance with the literature, those genes were involved in broad cellular functions, such as cell death, protein synthesis and folding, as well as DNA replication, recombination, and repair. In parallel to host gene expression, viral gene expression was evaluated with help of customized VACV array platforms to get better insight over the interplay between VACV and its host. Our main focus was to compare host and viral early events, since virus genome replication occurs early after infection. We observed that viral transcripts segregated in a characteristic time-specific pattern, consistent with the three temporal expression classes of VACV genes, including a group of genes which could be classified as early-stage genes. In this work, comparison of VACV early replication and respective early gene transcription led to the identification of seven viral genes whose expression correlated strictly with replication. We considered the early expression of those seven genes to be representative for VACV replication and we therefore referred to them as viral replication indicators (VRIs). To explore the relationship between host cell transcription and viral replication, we correlated viral (VRI) and human early gene expression. Correlation analysis revealed a subset of 114 human transcripts whose early expression tightly correlated with early VRI expression and thus early viral replication. These 114 human molecules represented an involvement in broad cellular functions. We found at least six out of 114 correlates to be involved in protein ubiquitination or proteasomal function. Another molecule of interest was the serine-threonine protein kinase WNK lysine-deficient protein kinase 1 (WNK1). We discovered that WNK1 features differences on several molecular biological levels associated with permissiveness to VACV infection. In addition to that, a set of human genes was identified with possible predictive value for viral replication in an independent dataset. A further objective of this work was to explore baseline molecular biological variances associated with permissiveness which could help identifying cellular components that contribute to the formation of a permissive phenotype. Therefore, in a subsequent approach, we screened a set of 15 melanoma cell lines (15-MEL) regarding their permissiveness to GLV-1h68, evaluated by GFP expression levels, and classified the top four and lowest four cell lines into high and low permissive group, respectively. Baseline gene transcriptional data, comparing low and highly permissive group, suggest that differences between the two groups are at least in part due to variances in global cellular functions, such as cell cycle, cell growth and proliferation, as well as cell death and survival. We also observed differences in the ubiquitination pathway, which is consistent with our previous results and underlines the importance of this pathway in VACV replication and permissiveness. Moreover, baseline microRNA (miRNA) expression between low and highly permissive group was considered to provide valuable information regarding virus-host co-existence. In our data set, we identified six miRNAs that featured varying baseline expression between low and highly permissive group. Finally, copy number variations (CNVs) between low and highly permissive group were evaluated. In this study, when investigating differences in the chromosomal aberration patterns between low and highly permissive group, we observed frequent segmental amplifications within the low permissive group, whereas the same regions were mostly unchanged in the high group. Taken together, our results highlight a probable correlation between viral replication, early gene expression, and the respective host response and thus a possible involvement of human host factors in viral early replication. Furthermore, we revealed the importance of cellular baseline composition for permissiveness to VACV infection on different molecular biological levels, including mRNA expression, miRNA expression, as well as copy number variations. The characterization of human target genes that influence viral replication could help answering the question of host cell response to oncolytic virotherapy and provide important information for the development of novel recombinant vaccinia viruses with improved features to enhance replication rate and hence trigger therapeutic outcome. / Die Replikationseffizienz von VACVs spielt eine maßgebliche Rolle für deren antitumorale Wirkung und onkolytische Effizienz. Ferner hängt die Permissivität einer Wirtszelle gegenüber der Behandlung mit onkolytischen VACVs maßgeblich von einer erfolgreichen viralen Replikation und Vermehrung ab. Darauf basierend, war der Fokus der vorliegenden Arbeit, zelluläre Eigenschaften zu erforschen, welche die VACV-Replikation beeinflussen und die Wirtszell-Permissivität gegenüber einer Behandlung mit VACV prognostizieren können. Für initiale Genexpressionsanalysen wurden zwei autologe, humane Melanom-Zelllinien (888-MEL und 1936 MEL), sowie der ausgiebig charakterisierte VACV-Stamm GLV-1h68 und drei wildtypische LIVP Isolate verwendet. Mit Hilfe von Microarray Analysen und einem sequenziellen statistischen Ansatz konnten humane Gene charakterisiert werden, deren Transkription eigens durch VACV-Infektion beeinflusst wird. Erwartungsgemäß zeigten diese Gene eine Anreicherung in globalen zellulären Signalwegen und Funktionen. Die frühe virale Gentranskription kann als repräsentative Bestimmungsgröße für virale Replikation betrachtet werden. Darauf basierend resultierte der Vergleich von früher VACV Replikation und entsprechender früher Gentranskription in der Identifikation von sieben viralen Genen, deren Expression und Replikation stark korrelierten. Aus diesem Grund wurde die frühe Expression der sieben VACV-Gene als kennzeichnend für virale Replikation angesehen und diese Gene als virale Replikations-Indikatoren (VRIs) definiert. Zur Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Wirts-Transkription und viraler Replikation wurde die frühe virale VRI-Expression mit der frühen humanen Genexpression in Beziehung gesetzt. Mit Hilfe von Vergleichsanalysen wurden 114 humane Transkripte identifiziert, deren frühes Expressionsmuster eng mit demjenigen der VRIs korrelierte und dementsprechend ebenso mit der viralen Replikation. Von den 114 Korrelaten spielen mindestens sechs eine Rolle in der Protein-Ubiquitinierung oder in der proteasomalen Signalgebung. Ein weiteres Molekül, welches besonderes Interesse weckte, war die Serin-Threonin Proteinkinase WNK Lysin-defizientes Protein 1 (WNK1). Für WNK1 wurden Unterschiede, die mit der VACV-Infektions-Permissivität zusammenhängen, auf verschiedenen molekularbiologischen Ebenen nachgewiesen. Desweiten wurde in dieser Arbeit eine Anzahl humaner Gene identifiziert, welche virale Replikation in einem unabhängigen Datensatz prognostizieren konnten. Eine weitere Zielsetzung dieser Arbeit war es, molekularbiologische Unterschiede, welche mit Infektions-Permissivität von Zellen assoziiert sind, auf Basisebene zu ergründen. Diese könnten dabei helfen, zelluläre Komponenten zu identifizieren, welche einen so genannten permissiven Phänotyp kennzeichnen. Aus diesem Grund wurden in einem weiteren Versuchsansatz 15 Melanom-Zelllinien (15-MEL) bezüglich ihrer Permissivität gegenüber GLV-1h68 anhand von GFP Expression untersucht. Die vier Zelllinien mit der höchsten und diejenigen vier mit der niedrigsten Permissivität wurden je einer Gruppe zugeordnet (hochpermissive und niedrigpermissive Gruppe). Die Gruppen hoher und niedriger Permissivität wurden bezüglich ihrer Basislevel-Transkription verglichen. Unterschiedlich exprimierte Gene waren, zumindest zum Teil, in globale zelluläre Prozesse involviert. Darüber hinaus wurde microRNA (miRNA) Basislevel-Expression von hoch- und niedrigpermissiver Gruppe untersucht. In dieser Arbeit wurden sechs miRNAs identifiziert, deren Basislevel-Expression zwischen niedrig und hochpermissiver Gruppe differiert. Abschließend wurden Veränderungen der Kopienzahl von Genen (copy number variations, CNVs) im Vergleich zwischen niedrig- und hochpermissiver Gruppe untersucht. Betrachtung chromosomaler Veränderungen zeigte eine Anreicherung von Segment-Amplifikationen in der niedrigpermissiven Gruppe, während gleiche Abschnitte der hochpermissiven Gruppe größtenteils keine Veränderungen aufwiesen. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit eine mutmaßliche Korrelation zwischen viraler Replikation, früher Genexpression und der entsprechenden Wirtsantwort gezeigt werden und somit eine mögliche Beteiligung humaner Wirtsfaktoren an der viralen Replikation. Zusätzlich wurden wichtige Aspekte der Basiskomposition von Zellen für die Permissivität gegenüber VACV-Infektion auf verschiedenen molekularbiologischen Ebenen aufgedeckt, einschließlich mRNA-Expression, miRNA-Expression sowie Kopienzahl-Variationen. Die Charakterisierung humaner Zielgene, welche die virale Replikation beeinflussen, könnte dabei helfen, die Wirtszellantwort auf onkolytische Virotherapie aufzuklären und wichtige Informationen zu liefern für die Entwicklung neuartiger rekombinanter Vaccinia-Viren mit verbesserten Eigenschaften und verbesserter Replikationseffizienz und somit einem gesteigerten Therapieerfolg.

Nach Einschätzung der Weltgesundheitsorganisation WHO wird Krebs im Jahr 2013 die weltweit häufigste Todesursache bei Menschen und Haustieren sein. Diese Situation erfordert die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze. Hauptziel einer Tumortherapie ist es, sowohl den Primärtumor als auch die Metastasen möglichst vollständig zu entfernen. Dabei wird nach Methoden gesucht, die im Gegensatz zu den meisten gegenwärtigen therapeutischen Einsätzen, wie der chirurgischen Entfernung bösartiger Neubildungen, Chemotherapie und Strahlentherapie, selektiv die bösartigen Zellen erkennen und zerstören können. Eine faszinierende Möglichkeit in dieser Hinsicht ist die Verwendung von onkolytischen Viren, die die Fähigkeit besitzen, sich selektiv sowohl in Primärtumoren als auch in Metastasen anzusiedeln und die Krebszellen dort zu zerstören. Das Konzept, dass Viren nützlich für die Bekämpfung von Krebs sein könnten, ist nicht neu. Allerdings konnte erst in den letzten Jahren durch zahlreiche Studien bestätigt werden, dass verschiedene Viren in der Lage sind, eine signifikante Antitumorwirkung in vivo auszuüben. Zu den erfolgversprechenden onkolytischen Viren zählen insbesondere Adenovirus, Herpes simplex Virus, Reovirus und Vaccinia-Virus, die sich bereits in Phase III der klinischen Studien befinden oder kurz davor sind. Die therapeutische Nutzung von tumorspezifischen onkolytischen Viren beim Menschen hat bereits begonnen. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurden verschiedene Aspekte der Wirkungsweise von Vaccinia-Virus-Stämmen bei der Therapie verschiedener Tumore aus Mensch und Hund im Xenotransplantat-Mausmodell bearbeitet: die Onkolyse der Krebszellen und Inhibition des Tumorwachstums sowie die Effekte der Virusinfektion auf das Tumormikromilieu und die Mitwirkung des angeborenen Immunsystems bei der Virotherapie. Das Tumormikromilieu (Stroma) setzt sich aus einer Vielzahl verschiedener Zellen und Komponenten der extrazellulären Matrix zusammen. Die Krebszellen bilden unter anderem mit Endothelzellen des Blut- und Lymphsystems und verschiedenen Immunzellen eine komplexe Organ-ähnliche Struktur. Weitere wichtige Bestandteile des Stromas sind Wachstumsfaktoren, Chemokine und Zytokine und die Tumorvaskulatur. Diese ist durch zahlreiche strukturelle und funktionelle Abnormalitäten charakterisiert, wodurch die Effektivität von Strahlen- und Chemotherapie herabgesetzt wird. Weiterhin ist das Tumormikromilieu durch seine Ähnlichkeit mit einer chronischen Entzündungsreaktion gekennzeichnet und wirkt immunsupprimierend auf rekrutierte Leukozyten, die wiederum die Inflammation verstärken und die Angiogenese und das Tumorwachstum weiter fördern. Aufgrund dieser vielen Komponenten ist die Zusammensetzung jedes Tumors einzigartig, weswegen Standardtherapien häufig nicht zu einer Heilung führen. Die Wirkung der Viren bei der Virotherapie beruht vermutlich auf 4 Mechanismen, die einzeln oder in Kombination auftreten können: die direkte Onkolyse der Krebszellen, die Zerstörung des Tumorblutgefäßsystems, die Aktivierung des Immunsystems des Wirts und die Suppression der microRNA-Expression des Wirtes. Zusätzlich kann die Expression therapeutischer Gene die onkolytische Wirkung verstärken. Zum Nachweis der Onkolyse der Krebszellen und Inhibition des Tumorwachstums wurde zuerst das Virus GLV-1h68 in einem autologen humanen Melanomzellpaar, 888-MEL und 1936-MEL, eingesetzt. Das GLV-1h68-Virus wurde auf Basis des Wildtyp Vaccinia-Virus LIVP durch die Insertion von 3 Expressionskassetten in den drei Genloci F14.5L, J2R und A56 genetisch konstruiert. 888-MEL, eine zu einem frühen Zeitpunkt der Krebserkrankung aus einer Metastase isolierte Zelllinie, zeigt nach Infektion mit GLV-1h68 im Mausmodell Tumornekrose („Responder“), während 1936-MEL aus einer späten Metastasierungsphase kaum mit Onkolyse auf eine Virusinfektion reagiert („Poor-Responder“). Die onkolytische Wirkung konnte mittels Durchflusszytometrie in Tumoren beider Zelllinien zu einem frühen Zeitpunkt nach Virusinfektion nachgewiesen werden. In 888-MEL-Tumoren wurde hierbei eine große Zahl infizierter und toter Zellen nach Virusinfektion gefunden. Gleichzeitig wurde eine hohe Zahl an Immunzellen detektiert, die nach Virusinfektion reduziert war. In den schwächer reagierenden 1936-MEL-Tumoren konnte eine Onkolyse bei Infektion mit höherer Virusmenge und zu einem früheren Zeitpunkt demonstriert werden, wodurch mehr Zellen infiziert wurden. Zusätzlich wurde eine Steigerung der nur in geringer Zahl vorhandenen Immunzellen nachgewiesen. Trotz des unterschiedlichen Tumormikromilieus konnte somit ein onkolytischer Effekt in beiden Tumormodellen erzielt werden. ... / The cancer mortality rate is increasing steadily in man and pet animals and it is estimated by the World Health Organisation (WHO) to be number one cause of deaths in 2013. This situation raises the need for developing new therapeutic approaches whereby the main goal of tumor therapy always is the complete elimination of primary tumor and metastases. In contrast to most current therapies, like surgical resection of malignant neoplasia, chemotherapy and radiation, the new cancer treatments should selectively recognize and destroy malignant cells. The application of oncolytic viruses offers fascinating opportunities, because of their ability to selectively colonize primary tumors and metastases and directly destroy cancer cells. The concept of fighting cancer with viruses is not new, but the significant anti-tumoral effect of different viruses in vivo was demonstrated by several studies in the last few years. Promising oncolytic viruses are adenovirus, Herpes simplex virus, reovirus and vaccinia virus. These viruses are currently in or entering phase III clinical trials but the therapeutic use of tumor specific oncolytic viruses for humans has already started. In this work, different aspects of the effects of vaccinia virus strains during therapy of canine and human tumors in mouse xenograft models were analyzed: oncolysis of cancer cells, inhibition of tumor growth, influence of virus infection on the tumor microenvironment and participation of the innate immunity in virotherapy. The tumor microenvironment (stroma) is composed of many different cells and components of the extracellular matrix. Cancer cells form structures similar to organs including endothelial cells of the blood and lymph system, different immune cells and many other cell types. Other important components of the stroma are growth factors, chemokines and cytokines as well as the tumor vasculature that is characterized by numerous structural and functional abnormalities which decrease the efficacy of radiation and chemotherapy. Another hallmark of the tumor microenvironment is its similarity to chronic inflammation and its immunosuppressive effect on recruited leukocytes which in turn increase the inflammation and angiogenesis and promote tumor growth. Due to the many different components the composition of each tumor is unique and that is why standard therapies often do not result in cure. The effects of the viruses in the virotherapy are propably based on four mechanisms working alone or in combination: direct oncolysis of cancer cells, destruction of tumor vasculature, activation of host immune system and suppression of host microRNA expression. Additionally the expression of therapeutic genes can increase the oncolytic effect of the viruses. To analyze the oncolysis of cancer cells and the inhibition of tumor growth first the GLV-1h68 virus was used in an autologous pair of human melanoma 888-MEL and 1936-MEL. GLV-1h68 was genetically constructed on the basis of wild-type vaccinia virus LIVP by insertion of 3 expression cassettes into F14.5L, J2R and A56 gene loci. 888-MEL was isolated from metastases early during cancer disease and exhibits tumor necrosis after infection with GLV-1h68 in mouse xenograft model (responder) whereas 1936-MEL which was isolated in the late phase of metastases formation hardly shows oncolysis following virus treatment (poor-responder). The oncolytic effect was demonstrated by flow cytometric analysis of tumors of both cell lines at an early time after virus infection. In 888-MEL tumors high numbers of infected and dead cells were found after virus infection. Simultaneously, a high number of immune cells were detected which was reduced after infection. In the lower responding 1936-MEL tumors oncolysis was only observed after infection with higher amount of virus at an earlier time whereby the number of infected cells increased. Additionally, the low number of immune cells increased after infection. Despite the different tumor microenvironment an oncolytic effect was achieved in both tumor models. ...