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Background
The chemokine receptor CXCR4 is frequently overexpressed and associated with adverse prognosis in most hematopoietic malignancies and solid cancers. Recently, CXCR4 molecular imaging using the CXCR4-specific positron emission tomography (PET) tracer Pentixafor ([68Ga]Pentixafor) has become a well-established method to non-invasively measure CXCR4 expression in vivo. In previous Pentixafor imaging studies, highly variable CXCR4 tracer uptake to the spleen was observed.
Results
We investigated the hypothesis that enhanced spleen [68Ga]Pentixafor uptake and thus CXCR4 expression in patients with solid tumors would indicate an activated spleen state and/or an association with clinical and prognostic features and survival parameters. In this retrospective study, [68Ga]Pentixafor-PET images and patient records of 145 solid tumor patients representing 27 cancer entities were investigated for an association of spleen [68Ga]Pentixafor uptake and clinical characteristics and outcome. Based on this assessment, we did not observe differences in clinical outcomes, measured by progression-free survival, overall survival and remission status neither within the entire cohort nor within subgroups of adrenal cancer, desmoplastic small round cell tumor, neuroendocrine tumors, non-small cell lung cancer, small cell lung cancer and pancreatic adenocarcinoma patients. No tumor entity showed especially high levels of spleen [68Ga]Pentixafor uptake compared to others or a control cohort. However, when investigating laboratory parameters, there was a positive correlation of high spleen [68Ga]Pentixafor uptake with leukocyte and/or platelet counts in neuroendocrine tumors, non-small cell lung cancer and small cell lung cancer.
Conclusion
Spleen [68Ga]Pentixafor uptake was not associated with stage of disease and clinical outcomes in solid tumor patients. We identified positively associated platelet and/or leukocyte counts with spleen [68Ga]Pentixafor uptake in neuroendocrine tumors, non-small cell lung cancer and small cell lung cancer, suggesting that splenic CXCR4 expression could possibly play a role in systemic immunity/inflammation in some types of solid tumors or a subgroup of patients within solid tumor entities.
Herz-Kreislauf-Erkrankungen zählen zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Ein ihr zugrundeliegender pathologischer Prozess ist die Atherosklerose. Die Ruptur eines atheroskelrotischen Plaques kann lebensbedrohlich sein. Derzeit existieren weder ein evaluierter Biomarker noch eine Bildgebungstechnik, die das Risiko einer solchen Plaqueruptur und eines nachfolgenden akuten kardiovaskulären Ereignisses vorhersagen können. Um die bildgebenden Verfahren zur Detektion der Atherosklerose zu optimieren, wurde in dieser Dissertationsarbeit untersucht, ob der PET/CT-Tracer 68Ga-Pentixafor im Vergleich zu 18F-FDG bessere Ergebnisse in der Diagnostik der Atherosklerose erzielen kann.
Insgesamt wurden 144 onkologische Patienten in die Studie einbezogen, bei denen die 18F-FDG-PET/CT sowie 68Ga-Pentifaxor-PET/CT aus klinischen Gründen indiziert waren. Befunde, bei denen eine gegenüber dem Hintergrund vermehrte Speicherung ohne physiologische Erklärung nachgewiesen werden konnte, wurden als positiv bewertet. Um Unterschiede zwischen den Patienten außer Acht lassen zu können, wurde die target-to-background-ratio (TBR) berechnet. Zur Beschreibung der Speicherintensität einer Läsion wurde der standardized uptake value (SUV) bestimmt.
Nach Auswertung der Daten zeigte sich eine mäßige Korrelation der Anzahl von 68Ga-Pentixafor-positiven Läsionen mit der Anzahl der 18F-FDG positiven Läsionen. Die CXCR4-gerichtete Bildgebung mit 68Ga-Pentixafor identifizierte mehr Läsionen als die 18F-FDG-PET/CT. Bezüglich ihres Verteilungsmusters wiesen die beiden Tracer eine geringe Korrelation auf. Die Aufnahmeintensität beider Tracer korrelierte umgekehrt mit dem Ausmaß der Verkalkung. Stark verkalkte Plaques zeigten die niedrigste Traceraufnahme für beide PET-Tracer.
Weitere Studien zur Aufklärung der zugrunde liegenden biologischen Mechanismen und Quellen der CXCR4-Positivität sind in hohem Maße gerechtfertigt.
A growing body of literature reports on the upregulation of C-X-C motif chemokine receptor 4 (CXCR4) in a variety of cancer entities, rendering this receptor as suitable target for molecular imaging and endoradiotherapy in a theranostic setting. For instance, the CXCR4-targeting positron emission tomography (PET) agent [\(^{68}\)Ga]PentixaFor has been proven useful for a comprehensive assessment of the current status quo of solid tumors, including adrenocortical carcinoma or small-cell lung cancer. In addition, [\(^{68}\)Ga]PentixaFor has also provided an excellent readout for hematological malignancies, such as multiple myeloma, marginal zone lymphoma, or mantle cell lymphoma. PET-based quantification of the CXCR4 capacities in vivo allows for selecting candidates that would be suitable for treatment using the theranostic equivalent [\(^{177}\)Lu]/[\(^{90}\)Y]PentixaTher. This CXCR4-directed theranostic concept has been used as a conditioning regimen prior to hematopoietic stem cell transplantation and to achieve sufficient anti-lymphoma/-tumor activity in particular for malignant tissues that are highly sensitive to radiation, such as the hematological system. Increasing the safety margin, pretherapeutic dosimetry is routinely performed to determine the optimal activity to enhance therapeutic efficacy and to reduce off-target adverse events. The present review will provide an overview of current applications for CXCR4-directed molecular imaging and will introduce the CXCR4-targeted theranostic concept for advanced hematological malignancies.
Background
CXCR4-directed positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) has been used as a diagnostic tool in patients with solid tumors. We aimed to determine a potential correlation between tumor burden and radiotracer accumulation in normal organs.
Methods
Ninety patients with histologically proven solid cancers underwent CXCR4-targeted [\(^{68}\)Ga]Ga-PentixaFor PET/CT. Volumes of interest (VOIs) were placed in normal organs (heart, liver, spleen, bone marrow, and kidneys) and tumor lesions. Mean standardized uptake values (SUV\(_{mean}\)) for normal organs were determined. For CXCR4-positive tumor burden, maximum SUV (SUV\(_{max}\)), tumor volume (TV), and fractional tumor activity (FTA, defined as SUV\(_{mean}\) x TV), were calculated. We used a Spearman's rank correlation coefficient (ρ) to derive correlative indices between normal organ uptake and tumor burden.
Results
Median SUV\(_{mean}\) in unaffected organs was 5.2 for the spleen (range, 2.44 – 10.55), 3.27 for the kidneys (range, 1.52 – 17.4), followed by bone marrow (1.76, range, 0.84 – 3.98), heart (1.66, range, 0.88 – 2.89), and liver (1.28, range, 0.73 – 2.45). No significant correlation between SUV\(_{max}\) in tumor lesions (ρ ≤ 0.189, P ≥ 0.07), TV (ρ ≥ -0.204, P ≥ 0.06) or FTA (ρ ≥ -0.142, P ≥ 0.18) with the investigated organs was found.
Conclusions
In patients with solid tumors imaged with [\(^{68}\)Ga]Ga-PentixaFor PET/CT, no relevant tumor sink effect was noted. This observation may be of relevance for therapies with radioactive and non-radioactive CXCR4-directed drugs, as with increasing tumor burden, the dose to normal organs may remain unchanged.
Untersucht wurde der Einfluss mehrerer Chemotherapeutika auf den Chemokinrezeptor CXCR4 in
Myelomzelllinien auf Ebene des Promotors, der mRNA und der Rezeptorverteilung, wobei drei
Substanzen (Etoposid, Bortezomib und Dexamethason) als potenzielle Suppressoren des Promotors ausgemacht werden konnten. Abhängig vom Myelom-Zelltyp und der Dosierung können so evtl.
Rückschlüsse auf die beobachtete Suppression von CXCR4 bei erkrankten Patienten mit hoher CXCR4-Aktivität (hier: Malignes Myelom) durch die begleitende Chemotherapie gezogen werden, welche eine Diagnostik und Therapie bei diesen Patienten erschwert.
Hintergrund: Hintergrund für diese Arbeit waren Beobachtungen in klinischen Fallstudien von Lapa et al. am Universitätsklinikum Würzburg, die sich auf CXCR4 bezogen, welches u.a. bei Patienten mit
Multiplem Myelom überexprimiert wird und dadurch bereits als Target für Diagnostik und Therapie in der Klinik Anwendung findet. Dabei konnte bei PET-CT Untersuchungen in der Nuklearmedizin beobachtet werden, dass es durch die begleitende Chemotherapie der Patienten zu einer Suppression des markierten CXCR4-Signals kam, so dass es nicht mehr zur Verlaufsbeobachtung und
vor allem nicht mehr zur Radiotherapie und Therapiekontrolle verwendet werden konnte.
Um den Einfluss und mögliche Interaktionen der Chemotherapeutika auf CXCR4 zu untersuchen, war es Ziel dieser Arbeit, ein vergleichbares Szenario in-vitro nachzustellen und Einflüsse messbar zu
machen, um so mögliche Ansätze und Verbesserungsvorschläge für die klinische Anwendung zu
liefern.
Methoden/Ergebnisse: Hierfür wurden im ersten Teil INA-6 (Myelomzellen) und Mesenchymale
Stammzellen (MSC) kultiviert, in Ko-Kultur gebracht und nach einer bestimmten Zeit wieder getrennt, um anschließend den gegenseitigen Einfluss in Bezug auf CXCR4 zu messen. Zudem wurde der Einfluss von Dexamethason untersucht. Es zeigte sich eine enge Bindung zwischen INA-6 und MSC
sowie eine hohe CXCR4-Aktivität bei INA-6, jedoch konnte keine Induktion der CXCR4-Aktivität in MSC durch INA-6-Kontakt oder Dexamethason quantifiziert werden. Die Immunzytologie erwies sich aufgrund einer schweren Anfärbbarkeit von CXCR4 – auch mit verschiedensten Antikörpern und sogar Liganden-gekoppeltem Farbstoff– als kaum auswertbar, wobei eine Darstellung von CXCR4
generell aber gelang.
Der CXCR4-Promotor wurde mittels Software genauer analysiert, wobei einige relevante Bindestellen, u.a. für Glukokortikoide und NFkB gefunden wurden. Die Herstellung eines CXCR4-
pGl4.14-Promotor-Konstrukts war erfolgreich, ebenso dessen Einschleusung in Myelomzellen. Auch gelang die Herstellung stabiler transfizierter INA-6, sodass mit diesen anschließend konstantere Ergebnisse erzielt werden konnten.
Im größten Teil der Arbeit wurden geeignete Chemotherapeutika-Konzentrationen ermittelt und in Viabilitäts- und Apoptose-Versuchen überprüft. Die Stimulationsversuche mit diesen zeigten variable
Effekte abhängig vom Zelltyp (INA-6, MM1S), jedoch konnten Bortezomib, Etoposid und
Dexamethason konzentrationsabhängig als starke Suppressoren der CXCR4-Aktivität ausgemacht
werden, was sich v.a. auf Ebene der Promotoraktivität – gemessen mittels Luciferase - zeigte. Interpretation: In-vitro konnten somit drei potenzielle Suppressoren der CXCR4-Aktivität ausgemacht
werden: Etoposid, Bortezomib und Dexamethason. Zumindest beim INA-6-Zelltyp fiel dieser Effekt deutlich aus, wobei in der Klinik der entsprechende Zelltyp sowie die Dosierung der Medikamente berücksichtigt werden müssen. Hinzu kommen weitere Einflussfaktoren des menschlichen Körpers,
die nicht berücksichtig werden konnten. Die genauen Mechanismen der Suppression könnten sich aus den Bindestellen des Promotors erklären, die von uns analysiert wurden, aber auf die in weiteren Arbeiten noch näher eingegangen werden muss.
LIM and SH3 protein 1 was originally identified as a structural cytoskeletal protein with scaffolding function. However, recent data suggest additional roles in cell signaling and gene expression, especially in tumor cells. These novel functions are primarily regulated by the site-specific phosphorylation of LASP1. This review will focus on specific phosphorylation-dependent interaction between LASP1 and cellular proteins that orchestrate primary tumor progression and metastasis. More specifically, we will describe the role of LASP1 in chemokine receptor, and PI3K/AKT signaling. We outline the nuclear role for LASP1 in terms of epigenetics and transcriptional regulation and modulation of oncogenic mRNA translation. Finally, newly identified roles for the cytoskeletal function of LASP1 next to its known canonical F-actin binding properties are included.
The CXCL12-CXCR4 axis plays a vital role in many steps of breast cancer metastasis, but the molecular mechanisms have not been fully elucidated. We previously reported that activation of CXCR4 by CXCL12 promotes the nuclear localization of LASP1 (LIM and SH3 protein 1). The nuclear LASP1 then interacts with Snail1 in triple-negative breast cancer (TNBC) cell lines. In this study, we report that the nuclear accumulation and retention of Snail1 was dependent on an increase in nuclear LASP1 levels driven by active CXCR4. The CXCR4-LASP1 axis may directly regulate the stabilization of nuclear Snail1, by upregulating nuclear levels of pS473-Akt, pS9-GSK-3β, A20, and LSD1. Furthermore, the activation of CXCR4 induced association of LASP1 with Snail1, A20, GSK-3β, and LSD1 endogenously. Thus, nuclear LASP1 may also regulate protein-protein interactions that facilitate the stability of Snail1. Genetic ablation of LASP1 resulted in the mislocalization of nuclear Snail1, loss of the ability of TNBC cells to invade Matrigel and a dysregulated expression of both epithelial and mesenchymal markers, including an increased expression of ALDH1A1, a marker for epithelial breast cancer stem-like cells. Our findings reveal a novel role for the CXCR4-LASP1 axis in facilitating the stability of nuclear localized Snail1.
G protein-coupled receptors (GPCRs) constitute the largest class of membrane proteins, and are the master components that translate extracellular stimulus into intracellular signaling, which in turn modulates key physiological and pathophysiological processes. Research within the last three decades suggests that many GPCRs can form complexes with each other via mechanisms that are yet unexplored. Despite a number of functional evidence in favor of GPCR dimers and oligomers, the existence of such complexes remains controversial, as different methods suggest diverse quaternary organizations for individual receptors. Among various methods, high resolution fluorescence microscopy and imagebased fluorescence spectroscopy are state-of-the-art tools to quantify membrane protein oligomerization with high precision. This thesis work describes the use of single molecule fluorescence microscopy and implementation of two confocal microscopy based fluorescence fluctuation spectroscopy based methods for characterizing the quaternary organization of two class A GPCRs that are important clinical targets: the C-X-C type chemokine receptor 4 (CXCR4) and 7 (CXCR7), or recently named as the atypical chemokine receptor 3 (ACKR3). The first part of the results describe that CXCR4 protomers are mainly organized as monomeric entities that can form transient dimers at very low expression levels allowing single molecule resolution. The second part describes the establishment and use of spatial and temporal brightness methods that are based on fluorescence fluctuation spectroscopy. Results from this part suggests that ACKR3 forms clusters and surface localized monomers, while CXCR4 forms increasing amount of dimers as a function of receptor density in cells. Moreover, CXCR4 dimerization can be modulated by its ligands as well as receptor conformations in distinct manners. Further results suggest that antagonists of CXCR4 display distinct binding modes, and the binding mode influences the oligomerization and the basal activity of the receptor: While the ligands that bind to a “minor” subpocket suppress both dimerization and constitutive activity, ligands that bind to a distinct, “major” subpocket only act as neutral antagonists on the receptor, and do not modulate neither the quaternary organization nor the basal signaling of CXCR4. Together, these results link CXCR4 dimerization to its density and to its activity, which may represent a new strategy to target CXCR4.
Für das klinische Management des Prostatakarzinoms werden nuklearmedizinische Verfahren zunehmend relevant. Bildgebung und Therapie, welche gegen das Prostataspezifische Membranantigen (PSMA) gerichtet sind, werden bereits im klinischen Alltag angewendet. Weitere potenzielle Biomarker des Prostatakarzinoms, wie beispielsweise der CXC-Motiv-Chemokinrezeptor 4 (CXCR4) und der Somatostatinrezeptor Typ 2 (SSTR2), werden zudem als nuklearmedizinische Zielstrukturen diskutiert. Vorangegangene Arbeiten legten einen Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der PSMA-Expression und der Sensitivität gegenüber Docetaxel in Prostatakarzinomzellen nahe. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war, diesen Mechanismus genauer zu untersuchen. Dabei wurden die Aktivität onkogener Signalwege, die Proliferation und die CXCR4- sowie die Androgenrezeptor (AR)- Expression in Prostatakarzinomzelllinien mit unterschiedlicher PSMA-Expression durchflusszytometrisch quantifiziert. Im zweiten Projektteil sollte der Einfluss von Metformin und verschiedener, bereits in der Prostatakarzinomtherapie angewandter Medikamente (Docetaxel, Dexamethason, Abirateron und Enzalutamid), auf die Expression von PSMA, CXCR4 und SSTR2 untersucht werden. Die Quantifizierung der Expression erfolgte mittels Durchflusszytometrie. Ein kausaler Mechanismus für den Zusammenhang zwischen PSMA-Expression und Docetaxel-Sensitivität konnte in dieser Arbeit schließlich nicht hergestellt werden. Es zeigten sich jedoch vor allem Expressionsmodulationen von PSMA und CXCR4. Mittels Docetaxel konnte z.B. bei C4-2 Zellen eine Verdopplung der PSMA-Expression und eine Verdreifachung der CXCR4-Expression erreicht werden. Darüber hinaus zeigte die Behandlung mit Abirateron eine deutliche Heraufregulation der PSMA- Expression bei LNCaP und C4-2 Zellen, sowie eine Zunahme der CXCR4- Expression bei allen untersuchten Zelllinien. Sollte sich der Einfluss der medikamentösen Behandlung auf die Expression von PSMA und CXCR4 bestätigen, kann dies zukünftig zur verbesserten und individualisierten Diagnostik und Therapie von Prostatakarzinompatienten beitragen.
Loss of Somatostatin Receptor 2 (SSTR2) expression and rising CXC Chemokine Receptor Type 4 (CXCR4) expression are associated with dedifferentiation in neuroendocrine tumors (NET). In NET, CXCR4 expression is associated with enhanced metastatic and invasive potential and worse prognosis but might be a theragnostic target. Likewise, activation of Wnt/β-catenin signaling may promote a more aggressive phenotype in NET. We hypothesized an interaction of the Wnt/β-catenin pathway with CXCR4 expression and function in NET. The NET cell lines BON-1, QGP-1, and MS-18 were exposed to Wnt inhibitors (5-aza-CdR, quercetin, and niclosamide) or the Wnt activator LiCl. The expressions of Wnt pathway genes and of CXCR4 were studied by qRT-PCR, Western blot, and immunohistochemistry. The effects of Wnt modulators on uptake of the CXCR4 ligand [\(^{68}\)Ga] Pentixafor were measured. The Wnt activator LiCl induced upregulation of CXCR4 and Wnt target gene expression. Treatment with the Wnt inhibitors had opposite effects. LiCl significantly increased [\(^{68}\)Ga] Pentixafor uptake, while treatment with Wnt inhibitors decreased radiopeptide uptake. Wnt pathway modulation influences CXCR4 expression and function in NET cell lines. Wnt modulation might be a tool to enhance the efficacy of CXCR4-directed therapies in NET or to inhibit CXCR4-dependent proliferative signaling. The underlying mechanisms for the interaction of the Wnt pathway with CXCR4 expression and function have yet to be clarified.