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Recently, it was shown that MDA-MB-231 breast cancer cells express very high levels of the A2BAR as the sole adenosine receptor subtype, and stimulation of the A2BAR in MDA-MB-231 cells triggers an unusual inhibitory signal on ERK1/2 phosphorylation. The ERK1/2 pathway is reported to be associated with the control of growth, proliferation and differentiation of cells and as such might serve as a promising target for tumor treatment. The present study investigated signaling mechanisms involved in linking A2BAR to ERK1/2 phosphorylation in MDA-MB-231 cells. The A2BAR mediated reduction of ERK1/2 phosphorylation and of proliferation of MDA-MB-231 cell is in good agreement with previous results from (Dubey et al., 2005). These observations provide support to the hypothesis that activation of A2BAR could attenuate the growth of some types of cancer cell and argue against a stimulation of proliferation resulting from the activation of A2BAR as discussed by (Fernandez-Gallardo et al., 2016). AC activation by forskolin has recently been shown to enhance the activity of the chemotherapeutic agent doxorubicin in TNBC cells via a mechanism dependent on the PKA-mediated inhibition of ERK1/2 phosphorylation. Furthermore, forskolin also increased the sensitivity of MDA-MB-231 and MDA-MB-468 triple negative breast cancer cells to 5-fluorouracil and taxol (Illiano et al., 2018), and sustains the evidence of anticancer activity mediated by cAMP/PKA-mediated ERK1/2 inhibition. Similar to these studies, a reduced amount of pERK1/2 was also observed after stimulation of AC with FSK, application of cAMP-AM or inhibition of PDE-4. The inhibition of ERK1/2 phosphorylation was mimicked by UTP and abolished with the PLC inhibitor U73122 or by chelating intracellular Ca2+ with BAPTA-AM. These results point to an important role for both cAMP and Ca2+ signaling in the pathway leading to a decrease in ERK1/2 phosphorylation. This study encourages the idea that A2BAR could be used as target in cancer therapy. But A2BAR did not only stimulate signaling cascades associated with cell survival and proliferation reduction, but also key phases relevant in angiogenesis like Ca2+ mobilization (Kohn et al., 1995). Whereas the potency toward AC and Ca2+ are similar for the diverse agonists, the potency to promote ERK1/2 reduction is much higher. Interestingly, the proliferation of MDA-MB-231 cells is inhibited by low nanomolar agonist concentration which is inactive in Ca2+ mobilization. This means that it is certainly possible to reduce the proliferation without promoting angiogenesis. LUF6210 is particularly interesting when considering that it preferentially stimulates a reduction in ERK1/2 phosphorylation over Ca2+ and therefore may not promote angiogenesis. LUF6210 is therapeutically appealing as adjuvant in treatment of cancer. Given that stimulation of AC can activate a reduction of ERK1/2 phosphorylation and proliferation in cancer cells, agonist bias toward Gs-AC-PKA-mediated ERK1/2 inhibition represent a potential therapy of various malignancies. The fact that the reduction of ERK1/2 phosphorylation followed by reduced proliferation observed in MDA-MB-231 cells were mediated by the activation of the A2BAR illustrates the importance of this receptor subtype in cancer. A2BARs must be considered as a key factor in cancer treatment and deserve attention for the development of new therapeutic strategies.

Fanconi-Anämie (FA) ist, mit Ausnahme von Mutationen in FANCR/RAD51, eine autosomal-rezessive oder X-chromosomal vererbte Krankheit, die sich durch eine ausgesprochene klinische als auch genetische Heterogenität auszeichnet. Neben einem fortschreitenden Knochenmarksversagen zählen zu den typischen Merkmalen eine Vielzahl an angeborenen Fehlbildungen, wie beispielsweise Radialstrahlanomalien, Minderwuchs oder Pigmentierungsstörungen. Zudem besteht für FA-Patienten ein überdurchschnittlich hohes Risiko bereits in jungen Jahren an akuter myeloischer Leukämie oder soliden Tumoren zu erkranken. Bislang konnten in 21 FA-Genen (FANCA, -B, -C, - D1, -D2, -E, -F, -G, -I, -J, -L, -M, -N, -O, -P, -Q, -R, -S, -T, -U oder -V) krankheitsverursachende Mutationen identifiziert werden, deren Proteinprodukte maßgeblich an der Aufrechterhaltung der Genomstabilität beteiligt sind und Komponenten des FA/BRCA-DNA-Reparaturweges darstellen. In der klassischen FA-Mutationsanalyse kommen meist Sanger-Sequenzierungen sowie MLPA- und Immunblot-Analysen zum Einsatz. Da im Wesentlichen keine Genotyp-Phänotyp-Korrelation besteht, gestaltet sich, gerade bei seltenen FA-Komplementationsgruppen, der Nachweis von krankheitsverursachenden Mutationen oftmals sehr zeit- und kostenintensiv. Während der letzten Jahre wurden verschiedene Strategien zur Anreicherung und Sequenzierung entwickelt, welche die parallele Sequenzanalyse einzelner ausgewählter Gene, ganzer Exome oder sogar des gesamten Genoms und somit eine kosten- und zeiteffiziente Mutationsanalyse ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Anreicherungsmethoden mit anschließender Hochdurchsatzsequenzierung auf ihre Anwendbarkeit in der molekulargenetischen FA-Diagnostik getestet, um klassische Mutationsanalyse-Methoden zu ergänzen oder möglicherweise sogar ganz ersetzen zu können. Der erste Teil der Arbeit befasste sich mit der Etablierung eines FA-spezifischen Genpanels zur Genotypisierung von FA-Patienten. Nachdem die Methode zunächst anhand von FA-Patienten mit bekannten Mutationen optimiert werden musste, erwies sie sich als effizienter Ansatz zum Nachweis krankheitsverursachender Mutationen bei FA-Patienten unbekannter Komplementationsgruppe. Durch die FA-Panelanalyse konnten 37 von 47 unklassifizierten Patienten einer FA-Komplementationsgruppe zugeordnet werden, indem deren kausalen Mutationen bestimmt wurden. In einem weiteren Ansatz sollte die Anwendbarkeit eines kommerziellen Anreicherungspanels zur FA-Diagnostik untersucht werden. Auch hier konnte ein Großteil der krankheitsverursachenden Mutationen von fünf bekannten wie auch 13 nicht zugeordneten FA-Patienten detektiert und somit eine molekulargenetische Diagnose bei neun weiteren, zuvor unklassifizierten FA-Patienten, gestellt werden. Ferner wurden sechs ausgewählte Patienten, zusätzlich zur Panelanreicherung, per Exomanalyse untersucht. Zum einen konnten Mutationen in bekannten FA-Genen bestätigt oder neu identifiziert werden. Zum anderen wurden auch potentiell pathogene Mutationen in DNA-Reparaturgenen außerhalb des FA/BRCA-Signalweges bei zwei Patienten mit unbestätigter Verdachtsdiagnose FA verifiziert. So wurde bei mehreren Mitgliedern einer Familie mit unterschiedlichen Tumorerkrankungen eine zuvor unbeschriebene homozygote Nonsense-Mutation in der BER-Glykosylase NTHL1 nachgewiesen, für welche bislang erst zwei pathogene Mutationen als Auslöser eines neuen Krebssyndroms bekannt sind. Bei einem weiteren Patienten wurden compound-heterozygote Mutationen in RPA1 detektiert, ein Gen für das bislang noch kein Krankheitsbild bekannt ist. Mit Hilfe der drei verschiedenen Anreicherungsstrategien konnten insgesamt 47 von 60 unklassifizierten FA-Patienten 13 verschiedenen Komplementationsgruppen eindeutig zugeordnet werden. Es zeigte sich dabei ein breites Spektrum an neuen, bislang unbeschriebenen FA-Mutationen. Den größten Anteil an der Gesamtzahl der nachgewiesenen Mutationen hatten Spleißmutationen, die auf eine Auswirkung auf das kanonische Spleißmuster untersucht wurden, um einen pathogenen Effekt nachweisen zu können. Weiterhin schloss die Arbeit die Charakterisierung einzelner FA-Patienten bzw. Komplementationsgruppen mit ein. Dazu zählen die seltenen Untergruppen FA-T und FA-Q, für die jeweils ein neuer Patient identifiziert werden konnte. Durch die funktionelle Charakterisierung der dritten jemals beschriebenen FA-Q-Patientin konnten Einblicke in das Zusammenspiel der Reparatur von DNA-Quervernetzungen und der Nukleotidexzisionsreparatur gewonnen und die phänotypische Variabilität von FA durch die subjektive als auch zelluläre UV-Sensitivität der Patientin ergänzt werden. Darüber hinaus konnte das Mutationsspektrum in FA-I sowie FA-D2 erweitert werden. Eine genauere Untersuchung der Pseudogenregionen von FANCD2 ermöglichte dabei die gezielte Mutationsanalyse des Gens. Insgesamt konnten die Ergebnisse dieser Arbeit dazu beitragen, das Mutationsspektrum in FA zu erweitern und durch die Identifizierung und Charakterisierung einzelner Patienten neue Einblicke in verschiedene Komponenten des FA/BRCA-Signalweges zu erhalten. Es zeigte sich, dass neue DNA-Sequenzierungsstrategien in der FA-Diagnostik eingesetzt werden können, um eine effiziente Mutationsanalyse zu gewährleisten und klassische Methoden in Teilbereichen zu ersetzen.

Bone marrow dosimetry is a topic of high interest in molecular radiotherapy. Predicting the level of hematological toxicity is one of the most important goals of nuclear medicine radiation dosimetry. To achieve this, it is necessary to quantify the absorbed dose to the active bone marrow, thus aiming at administering the most efficient therapy with a minimum level of adverse effects in the patient. The anatomical complexity of trabecular bone and bone marrow leads to the need of applying non-nuclear medicine imaging methods for determining the spatial distribution of soft tissue, adipose tissue, and bone in spongiosa. Therefore, the two objectives of this dissertation are: i) to apply magnetic resonance imaging (MRI) for quantification of the fat volume fraction, and ii) to validate a method based on dual-energy quantitative computed tomography (DEQCT) for quantification of the trabecular bone volume fraction. In a first step, an MRI sequence (two-point Dixon) for fat-water separation was validated in a 3 Tesla system by quantifying the fat volume fraction in a phantom and the lumbar vertebrae of volunteers and comparing with magnetic resonance spectroscopy (MRS). After successful validation, the fat volume fraction was retrospectively measured in the five lumbar vertebrae of 44 patient images acquired in the clinical routine. The two-point Dixon showed a good quantification of the fat volume fraction in the phantom experiment (-9.8% maximum relative error with respect to the nominal values). In the volunteers, a non-significant difference between MRI and MRS was found for the quantification of the fat volume fraction in volumes-of-interest with similar dimensions and position in both quantification methodologies (MRI and MRS). In the study with patient data, the marrow conversion (red → yellow marrow) was found to be age-dependent, and slower in males (0.3% per year) than in females (0.5% per year). Also, considerable variability of the fat volume fraction in patients of similar ages and the same gender was observed. These results enable the use of two-point Dixon MRI in the quantification of the fat volume fraction in the bone marrow. Additionally, the constant marrow conversion during adulthood suggests that a patient-specific approach should replace the assumption of a constant cellularity volume fraction of 0.7 (reference man) (1,2) as proposed by the International Commission on Radiological Protection (ICRP). In a second step, a quantification method based on DEQCT was validated in two CT systems: i) a clinical CT integrated into a SPECT/CT and ii) a dual-source computed tomography (DSCT) system. The method was applied in two phantoms: the first was used to validate the DEQCT method by the quantification of the hydroxyapatite volume fraction in three vials of 50 ml each and three different hydroxyapatite concentrations (100 mg/cm3, 200 mg/cm3, 300 mg/cm3). The second phantom was the European spine phantom (ESP), an anthropomorphic spine phantom. It was used to quantify the bone mineral content (BMC) on the whole vertebra and the hydroxyapatite volume fraction (VFHA) in the spongiosa region of each vertebra of the phantom. Lastly, the BMC of lumbar vertebrae 1 (LV1) and 2 (LV2) was measured in a patient using DEQCT and dual-energy X-ray absorptiometry (DEXA). Furthermore, the hydroxyapatite volume fraction (VFHA) and the bone volume fraction (VFB) was calculated for both the whole vertebrae and the spongiosa region of LV1 and LV2. The measured and nominal hydroxyapatite volume fraction in the vial phantom showed a good correlation (maximum relative error: 14.2%). The quantification of the BMC on the whole vertebra and the VFHA on the spongiosa region showed larger relative errors than in the validation phantom. The quantification of BMC on LV1 and LV2 showed relative errors between DEXA and DSCT equal to 7.6% (LV1) and -8.4% (LV2). Also, the values of the VFHA (mineral bone) were smaller than the VFB. This result is consistent with the bone composition (mineral bone plus organic material). The DEQCT method enables the quantification of hydroxyapatite (mineral bone) and bone (mineral bone plus organic material) in a clinical setting. However, the method showed an overestimation of the quantified mineral bone volume fraction. This overestimation might be related to the lack of detailed information on the CT X-ray spectra and detector sensitivity. Also, the DEQCT method showed a dependency on the CT reconstruction kernel and the chemical description of the materials to be quantified. Based on the results of this work, the feasibility for quantifying the fat volume fraction and the bone volume fraction in the spongiosa in a clinical setting has been demonstrated/proven. Furthermore, the differences in fat volume fraction in females and males, as well as the variability of the fat volume fraction in subjects of similar ages, questions the approximation of the cellularity volume fraction by only a single ICRP reference value in bone marrow dosimetry for molecular radiotherapy. Lastly, this study presents the first approach for non-invasive quantification of the bone volume fraction (mineral bone plus organic material) for improved bone marrow dosimetry.

Die monoklonale Proliferation maligner Plasmazellen im Knochenmark ist charakteristisch für das multiple Myelom (MM) und kann bei Erkrankten zu Störungen in der Hämatopoese sowie zu Knochenläsionen und Niereninsuffizienz führen. Die Weiterentwicklung und der Einsatz neuer Therapieoptionen konnten das Überleben von MM-Patienten zwar erheblich verbessern, jedoch gilt diese Krankheit weiterhin als unheilbar. Onkogene Mutationen und das Knochenmarkmikromilieu führen in MM-Zellen zur Entstehung eines onkogenen Signalnetzwerks, das das Wachstum und Überleben der Zellen aufrechterhält. Mutationen der GTPase RAS treten bei bis zu 50 % der MM-Patienten auf und tragen zum Überleben von MM-Zellen bei. Trotz der Häufigkeit und Bedeutsamkeit von onkogenem RAS, auch in anderen Tumorentitäten, ist die GTPase nach wie vor therapeutisch nicht angreifbar. Die GTPase RAL aus der Familie der RAS-GTPasen wird als Downstream-Effektor von RAS angesehen, der damit ebenfalls zur Aufrechterhaltung des Tumorzellüberlebens beitragen könnte. In einigen Tumorentitäten konnte bisher gezeigt werden, dass eine Überexpression von RAL in den Tumorzellen vorliegt und die Proliferation und Apoptose von Tumorzellen durch RAL beeinflusst wird. Daher stellte sich die Frage, ob RAL im MM ebenfalls das Überleben von Tumorzellen beeinflusst und ob eine direkte Verbindung zwischen onkogenem RAS und RAL besteht. In dieser Arbeit wurde die funktionelle Rolle von RAL sowie dessen Zusammenhang mit onkogenem RAS im MM untersucht. Hierbei konnte eine Überexpression von RAL in MM-Zellen im Vergleich zu MGUS oder normalen Plasmazellen beobachtet werden. In Knockdown-Analysen wurde gezeigt, dass RAL überlebensnotwendig für MM-Zellen ist. Dabei wurde in Western Blot-Analysen festgestellt, dass diese Überlebenseffekte unabhängig von MAPK/ERK-Signaling vermittelt werden. Es konnte teilweise jedoch eine Abhängigkeit von der AKT-Aktivität beobachtet werden. Da RAL-Knockdown Einfluss auf das Überleben von MM-Zellen hat, wurde eine pharmakologische Inhibition von RAL durch den Inhibitor RBC8 untersucht. RBC8 zeigte in höheren Dosen nur bei einem Teil der MM-Zelllinien eine Wirkung auf das Zellüberleben sowie auf die RAL-Aktivierung. Die Weiterentwicklung potenter RAL-Inhibitoren ist daher für eine klinische Translation einer RAL-Inhibition von großer Bedeutung. Zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen onkogenem RAS und der RAL-Aktivierung wurden RAL-Pulldown-Analysen nach Knockdown von onkogenem RAS durchgeführt. In diesen Experimenten wurde keine Abhängigkeit der RAL-Aktivierung von onkogenem RAS festgestellt. Darüber hinaus zeigten Genexpressionsanalysen nach RAS- bzw. RAL-Knockdown unterschiedliche Genexpressionsprofile. In Massenspektrometrie-Analysen wurden mögliche Effektoren, die mit RAL an der Beeinflussung des Zellüberlebens beteiligt sein könnten, untersucht. Hierbei wurden die Komponenten des Exozyst-Komplexes EXO84 und SEC5 als Interaktionspartner von RAL identifiziert. Nachdem gezeigt wurde, dass RAL ausschlaggebend für das Überleben von MM-Zellen ist, wurde eine Kombination von RAL-Knockdown mit klinisch relevanten Wirkstoffen analysiert. Diese zeigte bei der Kombination mit PI3K oder AKT-Inhibitoren verstärkte Effekte auf das Zellüberleben der MM-Zellen. Zusammenfassend wurde die Bedeutung von RAL für das Überleben von Tumorzellen im MM gezeigt und RAL als potentielles therapeutisches Target im MM beschrieben, welches unabhängig von onkogenem RAS reguliert wird.

Humans tend to believe in what they can see with their own eyes. Hence, visualization methods like microscopy have always been extremely popular since their invention in the 17th century. With the advent of super-resolution microscopy, the diffraction limit of ~200 - 250 nm could be overcome to enable more detailed insights into biological samples. Especially the single molecule localization microscopy method dSTORM offers the possibility of quantitative bioimaging. Hereby, the repetitive photoswitching of organic dyes in the presence of thiols is exploited to enable a lateral resolution of 20 nm. Another, recently introduced super-resolution method is expansion microscopy (ExM) which physically expands the sample to increase the resolution by the expansion factor from four to even twenty. To enable this, the sample is embedded into a hydrogel, homogenized using an unspecific proteinase and expanded in distilled water. Within this thesis, both methods were used to shed light on plasma membrane receptor distributions and different bacterial and fungal pathogens. In the first part of this thesis dSTORM was used to elucidate the “Receptome”, the entirety of all membrane receptors, of the cell line Jurkat T-cells and primary T-cells. Within this project we could successfully visualize and quantify the distribution of the plasma membrane receptors CD2, CD3, CD4, CD5, CD7, CD11a, CD20, CD28, CD45, CD69 and CD105 with receptor densities ranging from 0.8 cluster/µm² in case of CD20 and 81.4 cluster/µm² for the highly abundant CD45 in activated primary T-cells at the basal membrane. Hereby, we could also demonstrate a homogeneous distribution of most receptors, while only few were clustered. In the case of CD3-clusters were detected in Jurkat T-cells and in primary activated T-cells, but not in naïve ones, demonstrating the activation of this receptor. This was followed by the application of dSTORM to three different clinical projects involving the receptors CD38, BCMA and CD20 which are immunotherapeutic targets by monoclonal antibodies and CAR T-cells. In the first two projects dSTORM was applied to determine the receptor upregulation upon exposure of various drugs to MM1.S cells or primary multiple myeloma patient cells. This increase in membrane receptor expression can subsequently enhance the efficacy of therapies directed against these receptors. Within the CD20-project, the superior sensitivity of dSTORM compared to flow cytometry could be demonstrated. Hereby, a substantially higher fraction of CD20-positive patient cells was detected by dSTORM than by flow cytometry. In addition, we could show that by dSTORM CD20-positive evaluated cells were eradicated by immunotherapeutic CAR T-cell treatment. These studies were followed by whole cell super-resolution imaging using both LLS-3D dSTORM and 10x ExM to exclude any artifacts caused by interactions with the glass surface. In 10x ExM signal amplification via biotinylated primary antibodies and streptavidin ATTO 643 was essential to detect even single antibodies directed against the heterodimer CD11a with standard confocal microscopes. Albeit probably not quantitative due to the process of gelation, digestion and expansion during the ExM protocol, even some putative dimers of the receptor CD2 could be visualized using 10x ExM-SIM, similar to dSTORM experiments. Within the second part of this thesis, expansion microscopy was established in bacterial and fungal pathogens. ExM enabled not only an isotropic fourfold expansion of Chlamydia trachomatis, but also allowed the discrimination between the two developmental forms by the chlamydial size after expansion into reticulate and elementary bodies. Hereafter, a new α-NH2-ω-N3-C6-ceramide was introduced enabling an efficient fixation and for the first time the use of lipids in both, 4x and 10x ExM, termed sphingolipid ExM. This compound was used to investigate the ceramide uptake and incorporation into the cell membrane of Chlamydia trachomatis and Simkania negevensis. For Chlamydia trachomatis the combined resolution power of 10x ExM and SIM even allowed the visualization of both bacterial membranes within a distance of ~30 nm. Finally, ExM was applied to the three different fungi Ustilago maydis, Fusarium oxysporum and Aspergillus fumigatus after enzymatic removal of the fungal cell wall. In case of Ustilago maydis sporidia this digestion could be applied to both, living cells resulting in protoplasts and to fixed cells, preserving the fungal morphology. This new protocol could be demonstrated for immunostainings and fluorescent proteins of the three different fungi.