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Humane oder humanisierte monoklonale Antikörper haben sich in den letzten zehn Jahren als Arzneimittel etabliert. Sie sind hochspezifisch und zeigen in ihrer Anwendung im Vergleich zu konventionellen Therapeutika viel weniger Nebenwirkungen. In den 80er Jahren gelang es am Pathologischen Institut der Universität Würzburg eine Reihe von humanen Antikörpern aus Patienten zu isolieren, die hochspezifisch mit malignen Zellen reagieren und diese sowohl in vitro als auch im experimentellen Tiermodel selektiv durch Induktion von Apoptose töten. Um die Wirkungsweise von monoklonalen Antikörpern in der Krebstherapie zu erhöhen, werden die meisten in Kombination mit herkömmlichen Methoden, wie Chemotherapie, eingesetzt. Die ideale Therapieform sind hinsichtlich der Nebenwirkungen sog. Cocktails aus verschiedenen monoklonalen Antikörpern. Allerdings sind die Studien hierzu noch wenig fortgeschritten. Das Ziel dieser Arbeit war es, in präklinischen Versuchsreihen den Einsatz verschiedener tumorspezifischer humaner monoklonaler Antikörper als Cocktail und in Kombination mit Chemotherapie zu evaluieren. Hierzu wurden neun Antikörper in 32 verschiedenen Antikörperkombinationen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die in vitro Proliferation einer Pankreaskarzinom-Zellinie untersucht. In Immunfluoreszenz-Aufnahmen ließ sich zeigen, dass kombinierte Antikörper an unterschiedlichen Stellen an der Zelle binden, was eindeutig auf verschiedene Zielstrukturen hinweist. Einige werden dabei endozytiert, während andere auf der Zellmembran bleiben. Interessanterweise ließen sich Kombinationen identifizieren, deren antiproliferative Wirkung sowohl additiv als auch synergistisch ist, das heißt größer als die Summe ihrer Einzelaktivitäten. Wurden Antikörper mit Zytostatika (5-Flurouracil) kombiniert, so ließen sich ebenfalls synergistische Effekte beobachten. In FACS-Analysen zeigt sich ein gesteigertes Bindungsverhalten der Antikörper, wenn die Zellen mit 5-FU vorinkubiert wurden. Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse dieser Arbeit die Beobachtung, dass die Wirkung humaner monoklonaler Antikörper in Kombination mit Chemotherapie erhöht werden kann. Für die Zukunft humaner Antikörper als Therapiemittel gegen maligne Erkrankungen mag allerdings noch wichtiger sein, dass Antiköper in Cocktails tatsächlich synergistische Wirkung zeigen können.
Maligne Tumore der großen und kleinen Speicheldrüsen stellen nur einen geringen Anteil aller Tumore im Mund-, Kiefer- und Gesichtsbereich, weshalb Studien häufig geringe Fallzahlen und Beobachtungszeiträume aufweisen. Ziel dieser Arbeit war daher die Evaluation der Langzeitergebnisse des Würzburger Patientenkollektivs mit Speicheldrüsenkarzinomen. In der vorliegenden Studie konnten die Krankenakten von insgesamt 101 Patienten mit Speicheldrüsenmalignomen, welche über einen Zeitraum von 25 Jahren (1981 - 2006) an der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- uns Gesichtschirurgie der Universität Würzburg behandelt wurden, retrospektiv evaluiert und mit den Daten anderer Autoren verglichen werden. Das Verhältnis von männlichen zu weiblichen Patienten betrug 48 zu 53, das durchschnittliche Alter lag bei 55,5 ± 14 Jahren mit einem Minimum von 15,4 und einem Maximum von 83,8 Jahren. Die Verteilungen der Tumorarten auf die großen und kleinen Speicheldrüsen sowie auf das Gesamtkollektiv entsprechen weitestgehend den Angaben in der Literatur: 46,5% der Patienten litten an einem adenoidzystisches Karzinom, 25,7% an einem low- oder high-grade-Mukoepidermoidkarzinom, 11,9% an einem Adenokarzinom, 5,9% an einem Plattenepithelkarzinom, 3,0% an einem Azinuszellkarzinom, insgesamt 6,9% wiesen weitere Subtypen mit geringeren Fallzahlen auf und wurden deskriptiv evaluiert. Innerhalb des Kollektivs der hochmalignen Speicheldrüsentumore konnten 74,4% der Patienten R0-reseziert werden, 28,2% wurden bestrahlt. Bei 78,3% der Patienten mit einem niedrigmalignen Speicheldrüsentumor konnte eine R0-Resektion erreicht werden. Eine Bestrahlung wurde bei dieser Gruppe in 4,3% der Fälle durchgeführt. Die für die statistische Betrachtung der Überlebenskurven herangezogenen Nachsorgeintervalle lagen zwischen 0,1 und 22,8 Jahren. Das tumorfreie Überleben aller Patienten nach 5, 10, 15 und 20 Jahren betrug 69,9%, 51,4%, 34,2% und 25,6%, der Anteil an Patienten ohne Lokalrezidiv zu den jeweiligen Zeitpunkten 69,9%, 51,4%, 34,2% und 25,6%, wobei Patienten mit niedrigmalignen Tumoren oder niedrigem UICC-Stadium signifikant länger überlebten (p<0,001). Am längsten überlebten Patienten mit einem low-grade-Mukoepidermoidkarzinom, gefolgt von Patienten mit Azinuszellkarzinom, adenoidzystischem Karzinom, Plattenepithelkarzinom, high-grade-Mukoepidermoidkarzinum, Adenokarzinom und Karzinom im pleomorphen Adenom. Die Fallzahl in einigen Subgruppen, wie dem Azinuszellkarzinom und dem undifferenzierten Karzinom sind allerdings gering, so dass die statistische Aussagekraft insbesondere über den Einfluss der Strahlentherapie auf das Überleben gering erscheint und weitere Daten besonders mit modernen Strahlentherapieprotokollen gesammelt werden sollten. Abgesehen davon ist die alleinige Betrachtung der 5-Jahres-Überlebensraten äußerst fraglich, da bei Speicheldrüsenmalignomen auch nach Jahrzehnten noch Rezidive auftreten können. Diese Tatsache macht eine lange Tumornachsorge erforderlich, damit den besonderen tumorbiologischen Eigenschaften Rechnung getragen werden kann. Übereinstimmend mit der internationalen Literatur hatten Tumorhistologie, Tumorstadium und Resektionsstatus mit p<0,001 signifikanten Einfluss auf die Prognose. Zur besseren Erfassung der Einflüsse adjuvanter Therapiekonzepte und zur Erhöhung der Fallzahlen dieser seltenen Tumorentität sollten weitere prospektive, randomisierte Multicenterstudien durchgeführt werden.
Melanozyten (MZ) sind der zweihäufigste epidermale Zelltyp. Das Wachstum und die metabolische Tätigkeit der MZ wird durch humorale Faktoren sowie den direkten Zell-Zell Kontakt kontrolliert. Der schädigende Einfluss der UV-Strahlung, der mit der Entwicklung von epithelialen Tumoren zusammenhängt, wird durch das Pigmentsystem der Haut vermindert. Im Zeitraum von Juni 2006 bis Juni 2007 wurden Präparate mit vorliegenden histologischen und klinischen Befunden von epithelialen Hauttumoren untersucht und mit Melanin-, Melan-A und HMB-45 gefärbt. Hierzu gehören: 40 Basalzellkarzinome (BCC), 20 Plattenepithelkarzinome (PEC), 20 seborrhoische Keratosen (SK), 9 Morbi Bowen (MB), 7 aktinischen Keratosen (AK), und 5 Kerathoakantome (KA). Ziel der Arbeit war die Identifizierung und Charakterisierung der MZ in verschiedenen epithelialen Hauttumoren. Meist waren die Tumorzellen negativ in der Melaninfärbung. Melan-A wurde am stärksten bei SK, BCC und AK exprimiert. Im Gegensatz dazu zeigten sich bei PEC am wenigsten angefärbten Zellen. Die HMB-45-positiv-MZ färbten sich am stärksten bei AK, MB und BCC an. Obwohl HMB-45 bei allen Tumortypen positiv war, war die Auszählung vom HMB-45-positiven-MZ deutlich geringer als bei Melan-A. Es gibt eine Korrelation zwischen MZ und neoplastischen Keratinozyten, jedoch ist noch nicht nachgewiesen, was die MZ dazu stimuliert, zu proliferieren und darüber hinaus zu kolonisieren. Eine Korrelation zwischen der epithelialen Pigmentierung und der Anzahl an MZ zeigte sich nur in gutartigen epithelialen Hauttumoren (SK), während in allen malignen Tumoren keine Korrelation zwischen der MZ-Zahl und eventueller Pigmentierung bestand. Das weist darauf hin, dass hier die Regulation der Pigmentierung zerstört ist.
Cancer immune therapy represents a promising alternative to conventional anti tumour therapy like radiation, surgical excision of the tumour or classical chemotherapy. The biggest advantage of cancer immune therapy is specificity, achieved by targeting tumour-associated antigens with the effector arms of the host immune system. This is believed to result in less adverse effects than standard therapy and reaches presumably also metastatic lesions at distant sites from the primary tumour. However, cancer immune therapy by vaccination against tumour antigens failed to translate into clinical success, yet. Furthermore, despite tremendous clinical efforts malignant disease still results in high mortalities giving rise to the need for novel vaccination-based therapies against cancer. An interesting approach in this respect is the use of bacteria like attenuated salmonellae as carriers for heterologous cancer antigens. In numerous preclinical studies Salmonella-based vaccines could elicit cell mediated immune responses of the CD4+ and CD8+ type against own and heterologous antigens which make them ideally suited for anti tumour therapy. Special delivery systems in Salmonella carriers like surface display or secretion of antigens were shown to be advantageous for the immunological outcome. This work focussed on developing novel Salmonella carriers for immune therapy against cancer. In a first project, TolC, a multifunctional outer membrane protein of E. coli was utilized as membrane anchor for 3 heterologous antigens. Respective TolC fusion proteins encoded on plasmids were analysed for expression, functionality and plasmid stability in different engineered Salmonella strains. The amount of membrane localized recombinant TolC was enhanced in tolC-deficient strains. Furthermore, fusion proteins were functional and plasmid stability was very high in vitro and in vivo. Disappointingly, neither specific CD4+/CD8+ T-cell responses against the model antigen ovalbumin nor CD8+ responses against the cancer antigen BRAFV600E were detectable in murine model systems. However, mice immunized with Salmonella strains displaying an immunodominant epitope of the cancer related prostate specific antigen (PSA) were partially protected from subsequent tumour challenge with a PSA expressing melanoma cell line. Tumour growth in mice immunized with the respective strain was significantly decelerated compared to controls, thus indicating that this surface display system confers protective immunity against tumours. In a second study, the approved typhoid vaccine strain Salmonella enterica serovar Typhi Ty21a (Ty21a) was improved for the hemolysin type I secretion system of E. coli. This secretion system is widely used for heterologous antigen delivery in live bacterial vaccines. It was demonstrated throughout this work that a mutation of rpoS in Ty21a correlated with decreased ability for hemolysin secretion compared to other Salmonella strains. Complementation with rpoS or the presumed downstream target of rpoS, rfaH resulted in enhanced expression and secretion of heterologous hemolysin in Ty21a. Presumably by raising the amount of free antigen, rfaHcomplemented Ty21a elicited higher antibody titres against heterologous hemolysin in immunized mice than controls and even rpoS-positive Ty21a. Therefore, rfaHcomplemented Ty21a could form the basis of a novel generation of vaccines for human use based on (cancer) antigen secretion.
In this thesis, the development of a phylogenetic DNA microarray, the analysis of several gene expression microarray datasets and new approaches for improved data analysis and interpretation are described. In the first publication, the development and analysis of a phylogenetic microarray is presented. I could show that species detection with phylogenetic DNA microarrays can be significantly improved when the microarray data is analyzed with a linear regression modeling approach. Standard methods have so far relied on pure signal intensities of the array spots and a simple cutoff criterion was applied to call a species present or absent. This procedure is not applicable to very closely related species with high sequence similarity because cross-hybridization of non-target DNA renders species detection impossible based on signal intensities alone. By modeling hybridization and cross-hybridization with linear regression, as I have presented in this thesis, even species with a sequence similarity of 97% in the marker gene can be detected and distinguished from related species. Another advantage of the modeling approach over existing methods is that the model also performs well on mixtures of different species. In principle, also quantitative predictions can be made. To make better use of the large amounts of microarray data stored in public databases, meta-analysis approaches need to be developed. In the second publication, an explorative meta-analysis exemplified on Arabidopsis thaliana gene expression datasets is presented. Integrating datasets studying effects such as the influence of plant hormones, pathogens and different mutations on gene expression levels, clusters of similarly treated datasets could be found. From the clusters of pathogen-treated and indole-3-acetic acid (IAA) treated datasets, representative genes were selected which pointed to functions which had been associated with pathogen attack or IAA effects previously. Additionally, hypotheses about the functions of so far uncharacterized genes could be set up. Thus, this kind of meta-analysis could be used to propose gene functions and their regulation under different conditions. In this work, also primary data analysis of Arabidopsis thaliana datasets is presented. In the third publication, an experiment which was conducted to find out if microwave irradiation has an effect on the gene expression of a plant cell culture is described. During the first steps, the data analysis was carried out blinded and exploratory analysis methods were applied to find out if the irradiation had an effect on gene expression of plant cells. Small but statistically significant changes in a few genes were found and could be experimentally confirmed. From the functions of the regulated genes and a meta-analysis with publicly available microarray data, it could be suspected that the plant cell culture somehow perceived the irradiation as energy, similar to perceiving light rays. The fourth publication describes the functional analysis of another Arabidopsis thaliana gene expression dataset. The gene expression data of the plant tumor dataset pointed to a switch from a mainly aerobic, auxotrophic to an anaerobic and heterotrophic metabolism in the plant tumor. Genes involved in photosynthesis were found to be repressed in tumors; genes of amino acid and lipid metabolism, cell wall and solute transporters were regulated in a way that sustains tumor growth and development. Furthermore, in the fifth publication, GEPAT (Genome Expression Pathway Analysis Tool), a tool for the analysis and integration of microarray data with other data types, is described. It consists of a web application and database which allows comfortable data upload and data analysis. In later chapters of this thesis (publication 6 and publication 7), GEPAT is used to analyze human microarray datasets and to integrate results from gene expression analysis with other datatypes. Gene expression and comparative genomic hybridization data from 71 Mantle Cell Lymphoma (MCL) patients was analyzed and allowed proposing a seven gene predictor which facilitates survival predictions for patients compared to existing predictors. In this study, it was shown that CGH data can be used for survival predictions. For the dataset of Diffuse Large B-cell lymphoma (DLBCL) patients, an improved survival predictor could be found based on the gene expression data. From the genes differentially expressed between long and short surviving MCL patients as well as for regulated genes of DLBCL patients, interaction networks could be set up. They point to differences in regulation for cell cycle and proliferation genes between patients with good and bad prognosis.