TY  - THES
A1  - Kober, Christina
T1  - Characterization of Murine GL261 Glioma Models for Oncolytic Vaccinia Virus Therapy
T1  - Charakterisierung onkolytischer Vaccinia Virus Therapie in murinen Gliommodellen
N2  - Glioblastoma multiforme (GBM) is one of the most frequent and malignant forms of brain cancer in adults. The prognosis is poor with a median survival time of 12-15 months. There is a broad range of alternative treatment options studied in preclinical and clinical trials for GBM. One alternative treatment option is oncolytic virotherapy, defined as the use of replication‐competent viruses that selectively infect and destroy cancer cells while leaving, non‐transformed cells unharmed. Vaccinia virus (VACV) is one favorable candidate. Although oncolytic viruses can kill tumor cells grown in vitro with high efficiency, they often exhibit reduced replication capacity in vivo suggesting that physiological aspects of the tumor microenvironment decrease the virus’ therapeutic potential. The percentage and composition of immune cells varies between cancer types and patients and is investigated as a biomarker in several studies. Making oncolytic virotherapy successful for GBM, it is necessary to understand the individual tumor biology, the interaction with the microenvironment and immune system. 
It was demonstrated that the attenuated VACV wild-type (wt) isolate LIVP 1.1.1 replicate and lyse the murine GL261 glioma cell line in vitro. In the following, the replication efficacy was characterized in a comparative approach in vivo. Immunocompetent C57BL/6 (wt) mice and immunodeficient mouse strains of different genetic background C57BL/6 athymic and Balb/c athymic mice were used. In addition, subcutaneous and intracranial locations were compared. The results revealed viral replication exclusively in Balb/c athymic mice with subcutaneous tumors but in none of the other models. 
In the following, the tumor microenvironment of the subcutaneous tumor models at the time of infection was performed. The study showed that implantation of the same tumor cells in different mouse strains resulted in a different tumor microenvironment with a distinct composition of immune cells. Highest differences were detected between immunodeficient and immunocompetent mice. The study showed major differences in the expression of MHCII with strongest expression in C57BL/6 wt and weakest in Balb/c athymic tumors. In the following, the influence of the phenotypic change associated with the upregulation of MHCII on GL261 tumor cells on viral replication was analyzed. Comparison of C57BL/6 wt and C57BL/6 IFN-γ knockout mice revealed endogenous IFN-γ levels to upregulate MHCII on GL261 tumor cells and to reduce viral replication in C57BL/6 wt mice. Analysis of single cell suspensions of tumor homogenates of C57BL/6 and Balb/c athymic mice showed that the IFN-γ-mediated anti-tumor effect was a reversible effect. Furthermore, reasons for inhibition of virus replication in orthotopic glioma models were elucidated. By immunohistochemical analysis it was shown that intratumoral amounts of Iba1+ microglia and GFAP+ astrocytes in Gl261 gliomas was independent from intratumoral VACV injection. Based on these findings virus infection in glioma, microglia and astrocytes was compared and analyzed in cell culture. In contrast to the GL261 glioma cells, replication was barely detectable in BV-2 microglia and IMA2.1 astrocytic cells. Co-culture experiments revealed that microglia compete for virus uptake in cell culture. It was further shown that BV-2 cells showed apoptotic characteristics after VACV infection while GL261 cells showed signs of necrotic cell death. Additionally, in BV-2 cells with M1-phenotype a further reduction of viral replication and inhibition of cell lysis was detected. Infection of IMA 2.1 cells was independent of the M1/M2-phenotype. Application of BV-2 microglia with M1-phenotype onto organotypic slice cultures with implanted GL261 tumors resulted in reduced infection of BV-2 cells with LIVP 1.1.1, whereas GL261 cells were significantly infected. 
Taken together, the analyzed GL261 tumors were imprinted by the immunologic and genetic background in which they grow. The experimental approach applied in this thesis can be used as suitable model which reflects the principles of personalized medicine
In an additional project, based on gene expression data and bioinformatic analyses, the biological role and function of the anti-apoptotic factor AVEN was analyzed with regard to oncolytic VACV therapy. Besides a comparison of the replication efficacy of GLV-1h68 and VACV-mediated cell killing of four human tumor cell lines, it was shown that AVEN was expressed in all analyzed cells. Further, shown for HT-29 and 1936-MEL, the knockdown of AVEN by siRNA in cell culture resulted in an increase of apoptotic characteristics and a decrease of VACV infection. These findings provide essential insights for future virus development.
N2  - Glioblastoma multiforme (GBM) ist einer der häufigsten und bösartigsten Hirntumoren im Erwachsenenalter. Die Prognose für GBM ist mit einer Überlebenszeit von 12-15 Monaten sehr schlecht. Eine alternative Behandlungsmöglichkeit stellt die onkolytische Virustherapie dar. Ein vielversprechender Kandidat ist das Vaccinia-Virus. Die große Diskrepanz zwischen der onkolytischen Effektivität in Zellkultur und den Ergebnissen im Mausmodell ist oftmals auf physiologische Komponenten im Tumor-Mikromilieu zurückzuführen. Die Zusammensetzung von Immunzellen im Mikromilieu variiert zwischen verschiedenen Krebsarten und Patienten und wird als Biomarker angewendet. Um eine erfolgreiche Virustherapie für GBM zu etablieren, wird ein umfangreiches Verständnis der Tumorbiologie, des Tumormikromilieus und des Immunsystems vorausgesetzt. 
Es wurde gezeigt, dass LIVP 1.1.1, ein attenuiertes wildtypisches VACV-Isolat, in der murinen GL261 Gliom-Zelllinie repliziert und zum Absterben der Zellen führt. Daraufhin wurde die Replikationseffizienz von LIVP 1.1.1 durch einen vergleichenden Ansatz in murinen GL261-Gliomen im Mausmodell untersucht. Es wurden immunkompetente C57BL/6-wildtypische (wt) Mäuse und immundefiziente Mausstämme mit unterschiedlichem genetischem Hintergrund, C57BL/6 athymisch und Balb/c athymisch, verwendet. Zudem wurden unterschiedliche Tumor-Lokalisationen, subkutan und intrakranial analysiert. Ausschließlich im subkutanen Tumormodell der Balb/c athymischen Mäuse fand eine effektive Replikation der Viren statt. Eine detaillierte Charakterisierung des Mikromilieus zum Zeitpunkt der Infektion zeigte, dass die Implantation derselben Tumorzellen in unterschiedliche Mausstämme zur Entwicklung eines unterschiedlichen Tumormikromilieus und einer variierenden Zusammensetzung von Immunzellen führt. Die C57BL/6-wt-Mäuse wiesen eine starke proinflammatorische Signatur auf. Des Weiteren zeigte die Studie signifikante Unterschiede in der MHCII-Expression: Die prominenteste Expression wurde in C57BL/6-wt-Mäusen detektiert. Im weiteren Verlauf wurde analysiert, wodurch die phänotypischen Veränderungen in den GL261-Zellen, verbunden mit der Hochregulierung von MHCII ausgelöst wurden und welche Konsequenzen dies für die virale Infektion dieser Zellen hat. Durch einen direkten Vergleich von C57BL/6-wt-Mäusen und C57BL/6-IFN-γ-Knockout Mäusen konnte IFN-γ als verantwortlicher Faktor im Tumormikromilieu identifiziert werden, welcher für die Reduktion des Virustiters und für die Hochregulierung von MHCII in den C57BL/6-wt-Mäusen verantwortlich ist. Der durch endogenes IFN-γ ausgelöste anti-virale Effekt war reversibel. 
Des Weiteren wurden Gründe für die Hemmung der viralen Replikation in den orthotopen Gliom-Modellen aufgeklärt. Durch immunhistochemische Analysen von Mikroglia und Astrozyten konnte gezeigt werden, dass die intratumorale Menge und Verteilung der Gliazellen in diesen Tumoren unabhängig von der Virus-Applikation war. Gliomzellen, Mikroglia und Astrozyten, wurden daraufhin untersucht. Im Vergleich zur starken Replikation in GL261-Zellen, ließen BV-2-Mikroglia und IMA 2.1-Astrozyten, nur eine sehr schwache Replikation von LIVP 1.1.1 zu. Ko-Kultivierungsversuche wiesen darauf hin, dass Mikroglia um die Aufnahme der Viruspartikel mit den Tumorzellen konkurrieren. Es wurde gezeigt, dass das LIVP 1.1.1 unterschiedliche Eigenschaften des Zelltods in den Zellen auslösen kann. BV-2 wiesen verstärkte Charakteristika der Apoptose auf während in GL261-Zellen nekrotische Eigenschaften überwogen. In BV-2-Zellen mit M1-Phänotyp wurde eine weitere Reduktion der viralen Infektion festgestellt. Die Infektion von IMA-2.1-Zellen war unabhängig vom induzierten M1/M2 Phänotyp. Die Applikation von BV-2-Zellen mit M1-Phänotyp auf organotypische Schnittkulturen mit implantierten GL261-Tumoren resultierte in einer reduzierten Infektion der BV-2-Zellen und einer verstärkten Infektion der GL261-Zellen.
Es wurde gezeigt, dass GL261-Tumore durch den immunologischen und genetischen Hintergrund der Umgebung geprägt wurden. Es wurde ein Modell entwickelt, welches das Prinzip der personalisierten Medizin widerspiegelt. 
In einem zusätzlichen Projekt wurde, basierend auf Genexpressionsdaten und bioinformatischer Auswertung, die biologische Funktion des anti-apoptotischen Faktors AVEN hinsichtlich der onkolytischen Virustherapie mit dem VACV GLV-1h68 analysiert. Für diese Studie wurden vier humane Zelllinien untersucht. Neben einem Vergleich der Replikationseffizienz des VACV GLV-1h68 und der VACV-vermittelten Zelllyse wurde gezeigt, dass AVEN, in allen untersuchten Zellen exprimiert wird. Am Beispiel von HT-29 und 1936-MEL wurde gezeigt, dass die Herunterregulierung von AVEN durch siRNA zu einer Erhöhung der apoptotischen Eigenschaften und Abnahme der VACV Infektion führt. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung zukünftiger genetisch veränderter VACV.
KW  - Krebs <Medizin>
KW  - Vaccinia-Virus
KW  - Glioblastom
KW  - Onkolytische Vaccinia Virustherapie
KW  - Mikroglia
KW  - Astrozyten
KW  - Oncolytic Vaccinia Virus Therapy
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118556
ER  - 
TY  - THES
A1  - Meir [geb. Rother], Juliane
T1  - Influence of oncolytic vaccinia viruses on metastases of human and murine tumors
T1  - Einfluss von onkolytischen Vaccinia Viren auf Metastasen von humanen und murinen Tumoren
N2  - Cancer is one of the leading causes of death. 90% of all deaths are caused by the effects of metastases. It is of major importance to successfully treat the primary tumor and metastases. Tumors and metastases often differ in their properties and therefore, treatment is not always successful. In contrast, those therapeutic agents can even promote formation and growth of metastases. Hence, it is indispensable to find treatment options for metastatic disease. One promising candidate represents the oncolytic virus therapy with vaccinia viruses.
The aim of this work was to analyze two cell lines regarding their metastatic abilities and to investigate whether oncolytic vaccinia viruses are useful therapy options. The cell lines used were the human cervical cancer cell line C33A implanted into immune-compromised mice and the murine melanoma cell line B16F10, implanted into immune-competent mice.
The initial point of the investigations was the observation of enlarged lumbar und renal lymph nodes in C33A tumor-bearing mice 35 days post implantation of C33A cells subcutaneously into immune-compromised nude mice. Subsequently, the presence of human cells in enlarged lymph nodes was demonstrated by RT-PCR. To facilitate the monitoring of cancer cell spreading, the gene encoding for RFP was inserted into the genome of C33A cells. In cell culture experiments, it was possible to demonstrate that this insertion did not negatively affect the susceptibility of the cells to virus infection, replication and virus-mediated cell lysis. The analysis of the metastatic process in a xenografted mouse model revealed the continuous progression of lumbar (LN) and renal (RN) lymph node metastasis after C33A-RFP tumor cell implantation. The lymph node volume and the amount of RFP-positive LNs and RNs was increasing from week to week in accordance with the gain of the primary tumor volume. Moreover, the metastatic spread of cancer cells in lymph vessels between lumbar and renal lymph nodes was visualized. Additionally, the haematogenous way of cancer cell migration was demonstrated by RFP positive cancer cells in blood vessels. The haematogenous route of spreading was confirmed by detecting micrometastases in lungs of tumor bearing mice. 
The next step was to investigate whether the recombinant oncolytic vaccinia virus GLV-1h68 is a suitable candidate to cure the primary tumor and metastases. Therefore, GLV-1h68 was systemically injected into C33A-RFP tumor bearing mice 21 days after tumor cell implantation. It was demonstrated that the volume of the primary tumor was drastically reduced, and the volume and the amount of RFP positive lumbar and renal lymph nodes were significantly decreasing compared to the untreated control group. Subsequently, this process was analyzed further by investigating the colonization pattern in the C33A-RFP model. It was shown that first the primary tumor was colonized with highest detectable virus levels, followed by LN and RN lymph nodes. Histological analyses revealed the proliferative status of tumor cells in the tumor and lymph nodes, the amount of different immune cell populations and the vascular permeability in primary tumors and lymph nodes having an influence on the colonization pattern of the virus. Whereby, the vascular permeability seems to have a crucial impact on the preferential colonization of tumors compared to lymph node metastases in this tumor model. 
C33A turned out to be a useful model to study the formation and therapy of metastases. However, a metastatic model in which the influence of the immune system on tumors and especially on tumor therapy can be analyzed would be preferable. Therefore, the aim of the second part was to establish a syngeneic metastatic mouse model.
Accordingly, the murine melanoma cell line B16F10 was analyzed in immunocompetent mice. First, the highly attenuated GLV 1h68 virus was compared to its parental strain LIVP 1.1.1 concerning infection, replication and cell lysis efficacy in cell culture. LIVP 1.1.1 was more efficient than GLV-1h68 and was subsequently used for following mouse studies. Comparative studies were performed, comparing two different implantation sites of the tumor cells, subcutaneously and footpad, and two different mouse strains, FoxN1 nude and C57BL/6 mice. Implantation into the footpad led to a higher metastatic burden in lymph nodes compared to the subcutaneous implantation site. Finally, the model of choice was the implantation of B16F10 into the footpad of immune-competent C57BL/6 mice. Furthermore, it was inevitable to deliver the virus as efficient as possible to the tumor and metastases. Comparison of two different injection routes, intravenously and intratumorally, revealed, that the optimal injection route was intratumorally. In summary, the murine B16F10 model is a promising model to study the effects of the immune system on vaccinia virus mediated therapy of primary tumors and metastases.
N2  - Weltweit ist Krebs eine der häufigsten Todesursachen des Menschen. Allerdings wird angenommen, dass ca. 90 % dieser Todesfälle nicht auf den Primärtumor zurückzuführen sind, sondern durch den direkten und indirekten Einfluss von Metastasen verursacht werden. Deshalb ist es wichtig, eine Therapieform zu wählen, die sowohl den Primärtumor als auch Metastasen bekämpft. Bei den derzeit eingesetzten Behandlungsmethoden für Metastasen handelt es sich weitestgehend um die gleichen Therapieformen die auch zur Bekämpfung des Primärtumors eingesetzt werden. Allerdings unterscheiden sich Primärtumor und Metastasen häufig in ihren Eigenschaften, weshalb die Therapie oft keinen Erfolg bei Metastasen zeigt und im schlimmsten Fall sogar deren Neubildung und Wachstum fördern kann. Deswegen ist es von immenser Bedeutung, neue Therapieformen zu entwickeln, die speziell auch auf die Wirksamkeit gegen Metastasen zugeschnitten sind. Eine vielversprechende Möglichkeit hierfür stellt die onkolytische Virustherapie dar.
Das Hauptziel dieser Arbeit war es, zwei verschiedene Tumorzelllinien hinsichtlich ihrer metastatischen Fähigkeiten zu untersuchen und anschließend zu überprüfen, ob onkolytische Vaccinia Viren zur Therapie dieser Metastasen beitragen können. Bei den hierfür untersuchten Zelllinien handelte es sich um die menschliche Zervixkarzinomzelllinie C33A, implantiert in immunsupprimierte Mäuse und um die murine Melanomzelllinie B16F10, implantiert in immunkompetente Mäuse.
Ausgangspunkt der Untersuchungen im ersten Teil der Arbeit, bildete die Beobachtung, dass nach der subkutanen Implantation von C33A-Zellen in die abdominale Flanke von immunsupprimierten Nacktmäusen die lumbalen und renalen Lymphknoten der tumortragenden Mäuse vergrößert waren. Die Untersuchung dieser vergrößerten Lymphknoten mittels RT-PCR, unter zu Hilfenahme von spezifischen Primern für humanes β-Aktin, wies tatsächlich humane Zellen in allen lumbalen und der Hälfte der renalen Lymphknoten nach. Darum sollte im nächsten Schritt das metastatische Verhalten dieser Zellen genauer untersucht werden. Hierfür wurde mittels lentiviraler Transduktion, das für das rotfluoreszierende Protein kodierende Gen in C33A-Zellen integriert. In Zellkulturexperimenten konnte nachgewiesen werden, dass die Insertion sich nicht negativ auf die Infektion, Replikation und Zelllyse der Viren auswirkte. Anschließende Mausexperimente zeigten den Verlauf der Metastasierung der lumbalen und renalen Lymphknoten. Sowohl das Volumen als auch die Anzahl an RFP positiven Lymphknoten nahm nach Implantation von Woche zu Woche zu und korrelierte mit der Zunahme des Primärtumorvolumens. Darüber hinaus konnte die Migration der Tumorzellen in Lymphgefäßen zwischen dem lumbalen und renalem Lymphknotenpaar mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht werden. Zusätzlich konnte die Metastasierung über die Blutbahn nachgewiesen werden, da sich RFP positive Zellen in dem Blutgefäß neben dem Lymphgefäß, das die lumbalen und renalen Lymphknoten miteinander verbindet, befanden. Die hämatogene Verbreitung wurde auch dadurch bestätigt, dass in den Lungen der tumortragenden Mäuse Mikrometastasen detektiert werden konnten.
Im nächsten Schritt wurde untersucht, ob das rekombinante Vaccinia Virus GLV-1h68 in der Lage ist, nicht nur den primären Tumor zu bekämpfen, sondern auch Metastasen. Dafür wurde tumortragenden Mäusen systemisch eine einzelne Dosis GLV-1h68 21 Tage nach Tumorzellimplantation injiziert. Daraufhin reduzierte sich nicht nur das Volumen des Primärtumors innerhalb von weiteren 21 Tagen auf die Ausgangsgröße, sondern auch das Volumen und die Anzahl der RFP positiven lumbalen und renalen Lymphknoten nahm ab, im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle. Die Analyse der Kolonisierungsdynamik von Primärtumor und  Metastasen durch GLV 1h68 zeigte, dass zuerst der Primärtumor kolonisiert wurde, gefolgt von LN und RN. Des Weiteren war der virale Titer in Tumoren zu jedem Zeitpunkt höher als in den metastasierten Lymphknoten. Histologische Untersuchungen des tumorösen Gewebes zeigten, dass der proliferative Status der Tumorzellen, die Menge verschiedener Immunzellpopulationen und die vaskuläre Permeabilität einen Einfluss auf die Kolonisierung durch GLV-1h68 haben. Dabei wird angenommen, dass vor allem die vaskuläre Permeabilität den größten Einfluss auf die Kolonisierungsreihenfolge hat. 
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass C33A ein hilfreiches Model ist, um die Bildung von Metastasen sowie die onkolytische Virustherapie dieser in einem immunsupprimierten Model zu untersuchen. Aus klinischer Sicht allerdings wäre es wünschenswert, ein Model zu haben, in dem auch der Einfluss des Immunsystems auf die Tumortherapie untersucht werden kann. Deswegen war das Ziel im zweiten Teil der Arbeit die murine Melanomazelllinie B16F10 im immunkompetenten Mausmodell als metastatisches System zu etablieren. Als erstes wurde in Zellkulturexperimenten überprüft, wie geeignet GLV-1h68 ist, um die murinen Zellen zu infizieren, in ihnen zu replizieren und sie anschließend zu lysieren und mit dem parentalen Virus LIVP 1.1.1 verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass LIVP 1.1.1 effizienter und geeigneter ist als GLV-1h68. Deswegen wurde in weiteren Versuchen das parentale Virus LIVP 1.1.1 verwendet. Bevor diese Experimente durchgeführt wurden, wurden Studien durchgeführt, bei denen 2 verschiedene Implantationsstellen, subkutan und in die Fußsohle, und 2 verschiedene Mausstämme, FoxN1 nude und C57BL/6,  verglichen wurden. Dabei stellte sich heraus, dass nach Implantation in die Fußsohle mehr Lymphknotenmetastasen entstanden als nach subkutaner Implantation. Im weiteren Verlauf wurde die Implantation von B16F10 Zellen in die Fußsohle von C57BL/6 Mäusen bevorzugt, um eine verlässliches Metastasenmodel zu generieren. Im Folgenden wurden zwei verschiedene Injektionswege untersucht, intravenös und intratumoral, wobei sich die intratumoral Injektion als geeigneter erwies, um effizient so viel Virus wie möglich in Tumore und Metastasen zu bringen. Generell handelt es sich hierbei um ein geeignetes Model, um die Wirkungen des Immunsystems auf Vaccinia Virus vermittelte Therapie von Primärtumor und Lymphknotenmetastasen zu untersuchen.
KW  - Krebs <Medizin>
KW  - Metastase
KW  - Vaccinia-Virus
KW  - onkolytische Virustherapie
KW  - oncolytic virus therapy
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118530
ER  -